CN115153844A - 一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置 - Google Patents

一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，包括负载支撑机构以及定位扫描机构；所述负载支撑机构包括可移动的支撑底座，所述支撑底座顶部安装有第一机械臂，所述第一机械臂末端安装有C型支撑架；所述定位扫描机构包括设置在C型支撑架上的三维扫描仪，所述C型支撑架上具有两根平行延伸的扫描机构支撑板，两根所述扫描机构支撑板顶部均固定设有侧面支撑板；本发明能够在手术过程中实时获取患者手术部位的三维模型参数，利用计算机对三维模型参数与既定手术方案的相关参数进行比对匹配，然后通过投影机在患者手术部位投射出相应的标记信号，协助医生进行手术操作。

Description

一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置
技术领域
本发明涉及膝关节置换引导技术领域，具体为一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置。
背景技术
在膝关节置换手术中，将膝盖的关节炎部位切除并用塑料和金属零件的组合覆盖。在传统手术中，医生“看不准”、“拿不稳”等问题十分常见，手术的操作往往根据术者的经验和估算来决定，随着科学技术的快速发展，在膝关节置换术中，手术机器人的引入有望解决微创环境下的人为不确定性，实现手术效果与预期效果的一致性，手术机器人可为术中截骨提供定位导向，医生在其辅助下完成手术，在机器人终端装有截骨引导工具的机器人便属于其中一种；
现有技术中的膝关节置换手术机器人用截骨引导工具，并未充分考虑对工具的定位，往往造成手术截骨不精准，同时截骨引导工具仅关注截骨槽的引导，并未考虑人体骨骼解剖形态，不能保障截骨引导器与人体骨骼贴合，造成截骨不精准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，能够在膝关节置换手术中能够精准引导手术操作。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，包括负载支撑机构以及定位扫描机构；
负载支撑机构包括可移动的支撑底座，支撑底座顶部安装有第一机械臂，第一机械臂末端安装有C型支撑架；
定位扫描机构包括设置在C型支撑架上的三维扫描仪，C型支撑架上具有两根平行延伸的扫描机构支撑板，两根扫描机构支撑板顶部均固定设有侧面支撑板，两个侧面支撑板相互靠近的一侧具有移动导轨，移动导轨的延伸方向与扫描机构支撑板的延伸方向一致，移动导轨上滑动配合设有扫描仪固定块；
侧面支撑板顶部具有多个校准光标；
扫描仪固定块上转动配合连接有扫描仪支撑转轴，扫描仪支撑转轴沿扫描机构支撑板长度方向延伸，三维扫描仪固定在扫描仪支撑转轴上，三维扫描仪上固定设有第一视觉摄像头；
两根扫描机构支撑板之间且靠近第一机械臂的一端固定设有足部约束机构，足部约束机构包括约束支座以及连接在约束支座上的足部放置斗；
扫描机构支撑板相互靠近的一侧具有凹槽，凹槽内具有第一滑轨，两个第一滑轨上共同滑动支撑配合设有约束支撑板，约束支座固定在约束支撑板顶部，足部放置斗通过约束支撑转轴转动配合连接在约束支座上，足部放置斗内侧壁固定有多个约束气囊；
C型支撑架顶部靠近第一机械臂的位置安装有第二机械臂，第二机械臂末端安装有定位投影机构；
定位投影机构包括投影机以及连接在投影机外侧的第二视觉摄像头、点阵扫描传感器以及三维激光扫描雷达。
优选地，第一机械臂的每个力臂都由伺服电机驱动，第一机械臂的每个关节处都具有力矩传感器以及角度编码器。
说明：利用伺服电机的精准控制特性驱动第一机械臂，利用角度编码器能够进准测算第一机械臂的每个力臂的相对位置，以及利用力矩传感器监测第一机械臂的每个力臂的受力负载情况，根据受力负载参数进行反馈，使得伺服电机相应输出合适的力矩。
优选地，扫描仪固定块由直线电机驱动在移动导轨上滑动，移动导轨上具有位移传感器。
说明：直线电机驱动驱动扫描仪固定块在移动导轨上滑动，直线电机具有响应速度快、驱动位置准确以及噪音小的特性，利用位移传感器进行能够精确监测反馈扫描仪固定块的位置。
优选地，扫描仪支撑转轴一端固定设有从动蜗轮，扫描仪固定块上固定设有第一电机，第一电机的输出轴上固定设有驱动蜗杆，驱动蜗杆与从动蜗轮啮合连接,第一电机为伺服电机，扫描仪支撑转轴上具有角度编码器。
说明：利用角度编码器监测扫描仪支撑转轴的转角位置，进而确定连接在扫描仪支撑转轴上的三维扫描仪的倾转位置，根据监测数据的反馈，以确保给第一电机输入准确的指令来驱动。
优选地，第二机械臂的每个力臂都由伺服电机驱动，第二机械臂的每个关节处都具有力矩传感器以及角度编码器。
说明：利用伺服电机的精准控制特性驱动第二机械臂，利用角度编码器能够进准测算第二机械臂的每个力臂的相对位置，以及利用力矩传感器监测第二机械臂的每个力臂的受力负载情况，根据受力负载参数进行反馈，使得伺服电机相应输出合适的力矩。
优选地，第二机械臂的末端力臂上安装有卷轴显示机构，卷轴显示机构包括显示机构外壳，显示机构外壳为中空的筒状结构，显示机构外壳内转动连接设有显示屏卷轴，显示屏卷轴上卷绕设有柔性显示屏；
显示机构外壳上具有屏幕伸出槽，屏幕伸出槽沿显示机构外壳的轴线延伸；
显示机构外壳内的两端各设有刚性链条伸缩机构，刚性链条伸缩机构包括刚性伸缩链，每根刚性伸缩链由两根成对咬合配合的伸缩单链组成，每根伸缩单链分别卷绕在两个链条卷绕轮上，链条卷绕轮转动配合连接在显示机构外壳内侧壁上；
屏幕伸出槽内转动配合设有导向转轴，导向转轴上具有导向开槽，导向开槽内两端各固定设有伸缩链约束滑轨，刚性伸缩链滑动配合在伸缩链约束滑轨内；
显示机构外壳内侧壁具有多个链条约束板，伸缩单链被约束在链条约束板之间移动；
伸缩单链一端共同固定设有显示屏固定杆，柔性显示屏一端与显示屏卷轴固定连接，柔性显示屏另一端与显示屏固定杆固定连接。
说明：柔性显示屏用于显示手术过程中的各项监测参数，以及给出相应的步骤提示。
优选地，支撑底座底部具有多个行走轮，行走轮由伺服电机驱动。
优选地，约束支撑板由伺服电机通过滚珠丝杠结构带动使得约束支撑板滑动配合在第一滑轨上，第一滑轨上具有位移传感器以及力矩传感器。
说明：在手术过程中，患者的下肢可能需要弯曲，患者的足部放置与约束支撑板连接的足部放置斗上，利用力矩传感器能够感知患者的足部放置在足部放置斗中的受力参数，根据受力参数分析，能够利用伺服电机驱动约束支撑板使得约束支撑板处于合适的位置，并配合位移传感器对约束支撑板的位置进行监测反馈。
优选地，第二机械臂的各个力臂上均固定设有多个避障模块，避障模块均匀分散布置在第二机械臂的各个方位上，避障模块为超声波测距传感器。
说明：第二机械臂上的多个避障模块用于感知自身周围物体的距离，避免在运行过程中与其它设备发生碰撞。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计合理，操作方便，本发明能够在手术过程中实时获取患者手术部位的三维模型参数，利用计算机对三维模型参数与既定手术方案的相关参数进行比对匹配，然后通过投影机在患者手术部位投射出相应的标记信号，协助医生进行手术操作。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是图1的右视图；
图3是图1的俯视图；
图4是图1的局布视图A；
图5是本发明中足部约束机构的结构示意图；
图6是图5的俯视图；
图7是本发明中定位投影机构的结构示意图；
图8是图7的仰视图；
图9是本发明中卷轴显示机构的结构示意图；
图10是图9的俯视图。
图中，10-负载支撑机构、11-支撑底座、111-行走轮、12-第一机械臂、13-第二机械臂、131-避障模块、20-定位扫描机构、21-C型支撑架、22-扫描机构支撑板、220-校准光标、221-侧面支撑板、222-移动导轨、223-扫描仪固定块、224-扫描仪支撑转轴、225-从动蜗轮、226-凹槽、227-第一滑轨、23-三维扫描仪、24-第一视觉摄像头、25-第一电机、251-驱动蜗杆、26-足部约束机构、260-约束气囊、261-约束支撑板、262-约束支座、263-足部放置斗、264-约束支撑转轴、60-定位投影机构、61-投影机、62-第二视觉摄像头、63-点阵扫描传感器、64-三维激光扫描雷达、70-卷轴显示机构、71-显示机构外壳、711-显示屏卷轴、712-屏幕伸出槽、713-导向转轴、714-导向开槽、715-伸缩链约束滑轨、716-链条约束板、72-柔性显示屏、73-刚性链条伸缩机构、730-刚性伸缩链、731-伸缩单链、732-链条卷绕轮、733-显示屏固定杆。
具体实施方式
下面结合图1-图10对本发明进行详细说明，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1本身投影关系的上下左右前后方向一致。
实施例：
一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，如图1所示，包括负载支撑机构10以及定位扫描机构20；
如图1所示，负载支撑机构10包括可移动的支撑底座11，支撑底座11底部具有多个行走轮111，行走轮111由伺服电机驱动，支撑底座11顶部安装有第一机械臂12，第一机械臂12末端安装有C型支撑架21；
第一机械臂12的每个力臂都由伺服电机驱动，第一机械臂12的每个关节处都具有力矩传感器以及角度编码器。
如图2所示，定位扫描机构20包括设置在C型支撑架21上的三维扫描仪23，C型支撑架21上具有两根平行延伸的扫描机构支撑板22，两根扫描机构支撑板22顶部均固定设有侧面支撑板221，两个侧面支撑板221相互靠近的一侧具有移动导轨222，移动导轨222的延伸方向与扫描机构支撑板22的延伸方向一致，移动导轨222上滑动配合设有扫描仪固定块223；
扫描仪固定块223由直线电机驱动在移动导轨222上滑动，移动导轨222上具有位移传感器。
侧面支撑板221顶部具有多个校准光标220；
如图1所示，扫描仪固定块223上转动配合连接有扫描仪支撑转轴224，扫描仪支撑转轴224沿扫描机构支撑板22长度方向延伸，三维扫描仪23固定在扫描仪支撑转轴224上，如图4所示，三维扫描仪23上固定设有第一视觉摄像头24；
如图4所示，扫描仪支撑转轴224一端固定设有从动蜗轮225，扫描仪固定块223上固定设有第一电机25，第一电机25的输出轴上固定设有驱动蜗杆251，驱动蜗杆251与从动蜗轮225啮合连接,第一电机25为伺服电机，扫描仪支撑转轴224上具有角度编码器。
如图3所示，两根扫描机构支撑板22之间且靠近第一机械臂12的一端固定设有足部约束机构26，如图5所示，足部约束机构26包括约束支座262以及连接在约束支座262上的足部放置斗263；
如图2所示，扫描机构支撑板22相互靠近的一侧具有凹槽226，凹槽226内具有第一滑轨227，两个第一滑轨227上共同滑动支撑配合设有约束支撑板261，约束支座262固定在约束支撑板261顶部，如图5所示，足部放置斗263通过约束支撑转轴264转动配合连接在约束支座262上，足部放置斗263内侧壁固定有多个约束气囊260；
约束支撑板261由伺服电机通过滚珠丝杠结构带动使得约束支撑板261滑动配合在第一滑轨227上，第一滑轨227上具有位移传感器以及力矩传感器。
如图1所示，C型支撑架21顶部靠近第一机械臂12的位置安装有第二机械臂13，第二机械臂13末端安装有定位投影机构60；
第二机械臂13的每个力臂都由伺服电机驱动，第二机械臂13的每个关节处都具有力矩传感器以及角度编码器。
第二机械臂13的各个力臂上均固定设有多个避障模块131，避障模块131均匀分散布置在第二机械臂13的各个方位上，避障模块131为超声波测距传感器。
如图8所示，定位投影机构60包括投影机61以及连接在投影机61外侧的第二视觉摄像头62、点阵扫描传感器63以及三维激光扫描雷达64。
如图1所示，第二机械臂13的末端力臂上安装有卷轴显示机构70，如图9、图10所示，卷轴显示机构70包括显示机构外壳71，显示机构外壳71为中空的筒状结构，显示机构外壳71内转动连接设有显示屏卷轴711，显示屏卷轴711上卷绕设有柔性显示屏72；
显示机构外壳71上具有屏幕伸出槽712，屏幕伸出槽712沿显示机构外壳71的轴线延伸；
显示机构外壳71内的两端各设有刚性链条伸缩机构73，刚性链条伸缩机构73包括刚性伸缩链730，每根刚性伸缩链730由两根成对咬合配合的伸缩单链731组成，每根伸缩单链731分别卷绕在两个链条卷绕轮732上，链条卷绕轮732转动配合连接在显示机构外壳71内侧壁上；
屏幕伸出槽712内转动配合设有导向转轴713，导向转轴713上具有导向开槽714，导向开槽714内两端各固定设有伸缩链约束滑轨715，刚性伸缩链730滑动配合在伸缩链约束滑轨715内；
显示机构外壳71内侧壁具有多个链条约束板716，伸缩单链731被约束在链条约束板716之间移动；
伸缩单链731一端共同固定设有显示屏固定杆733，柔性显示屏72一端与显示屏卷轴711固定连接，柔性显示屏72另一端与显示屏固定杆733固定连接。
本发明在实际应用过程中，事先需利用相关仪器获取患者下肢的三维模型参数以及下肢骨骼的三维模型参数；
三维扫描仪23扫描获得的参数数据经过计算机处理后将以三维模型的形式显示在柔性显示屏72上；
患者在进行手术时，将C型支撑架21定位放置在手术床上，使得患者需要手术的下肢处于两根扫描机构支撑板22之间，并且将患者的足部放置在足部放置斗263内；
对多个约束气囊260进行充气，使得多个约束气囊260将患者的足部包裹起来，约束气囊260内具有压力传感器，通过监测约束气囊260内的压力，控制充气使得多个约束气囊260内的压力保持均匀一致，从而使得多个约束气囊260对患者的足部包裹时患者的足部受力均衡；
扫描仪固定块223由直线电机驱动在移动导轨222上滑动，扫描仪固定块223带动自身上连接的三维扫描仪23在移动导轨222上往复运动，三维扫描仪23对患者下肢进行扫描，获取患者下肢的三维模型参数，并将患者下肢的三维模型参数传输给计算机进行处理，在计算机中构建患者下肢的三维模型，并与事先获取的三维模型进行比对匹配；
第二机械臂13带动自身末端连接的定位投影机构60处于患者下肢上方位置，根据手术方案的相关参数，由计算机控制投影机61在患者下肢上投射出相应的图像标记信号，辅助医生进行手术操作；
利用点阵扫描传感器63以及三维激光扫描雷达64实时扫描获取患者手术部位的三维模型参数，患者手术部位的三维模型参数传输给计算机进行处理，与既定手术方案中的参数进行比对匹配，然后由计算机控制投影机61在患者手术部位投射出相应的图像标记信号，辅助医生进行手术操作；
第二视觉摄像头62在手术过程中能够实时获取患者手术部位的图像并传输给计算机进行处理，辅助校准手术过程中的指示标记，同时利用第二视觉摄像头62实时监测患者手术部位的位置及角度，根据患者手术部位的位置及角度来调整使得第二机械臂13运动到合适的位置；
计算机能够将手术过程中的相关指示传输显示在柔性显示屏72上，辅助医生进行手术操作。
本发明所用的三维激光扫描雷达64采用杭州思看科技有限公司生产的TrackScan-P系列产品；
本发明所用的位移传感器采用基恩士中国有限公司生产的IL系列CMOS激光位移传感器；
本发明所用的第一视觉摄像头24以及第二视觉摄像头62均采用索尼公司生产的型号为MCC-S40MD的摄像头；
本发明所用的第一电机25以及伺服电机均采用西门子公司生产的S-1FL6系列高惯量电机；
本发明所用的柔性显示屏72采用京东方生产的的第6代柔性显示屏；
本发明所用的点阵扫描传感器63采用艾迈斯欧司朗的Belago 1.1红外点阵投射器；
本发明所用的超声波测距传感器采用深圳市恒创传感科技有限公司生产的型号为HC175F30GM-I/U-2000-V1的超声波传感器；
本发明所用的力矩传感器采用北京海博华科技有限公司生产的型号为HCNJ-101的扭矩传感器；
本发明所用的投影机61采用索尼公司生产的型号为VPL-VW298的投影机；
本发明所用的上述电学元器件均采用现有技术，本领域技术人员可根据需要进行选择，在此不做特殊限定。

Claims (9)

1.一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于，包括负载支撑机构(10)以及定位扫描机构(20)；
所述负载支撑机构(10)包括可移动的支撑底座(11)，所述支撑底座(11)顶部安装有第一机械臂(12)，所述第一机械臂(12)末端安装有C型支撑架(21)；
所述定位扫描机构(20)包括设置在C型支撑架(21)上的三维扫描仪(23)，所述C型支撑架(21)上具有两根平行延伸的扫描机构支撑板(22)，两根所述扫描机构支撑板(22)顶部均固定设有侧面支撑板(221)，两个所述侧面支撑板(221)相互靠近的一侧具有移动导轨(222)，所述移动导轨(222)的延伸方向与所述扫描机构支撑板(22)的延伸方向一致，所述移动导轨(222)上滑动配合设有扫描仪固定块(223)；
所述侧面支撑板(221)顶部具有多个校准光标(220)；
所述扫描仪固定块(223)上转动配合连接有扫描仪支撑转轴(224)，所述扫描仪支撑转轴(224)沿所述扫描机构支撑板(22)长向延伸，所述三维扫描仪(23)固定在所述扫描仪支撑转轴(224)上，所述三维扫描仪(23)上具有第一视觉摄像头(24)；
两根所述扫描机构支撑板(22)之间且靠近所述第一机械臂(12)的一端固定设有足部约束机构(26)，所述足部约束机构(26)包括约束支座(262)以及连接在所述约束支座(262)上的足部放置斗(263)；
所述扫描机构支撑板(22)相互靠近的一侧具有凹槽(226)，所述凹槽(226)内具有第一滑轨(227)，两个所述第一滑轨(227)上共同滑动支撑配合设有约束支撑板(261)，所述约束支座(262)固定在所述约束支撑板(261)顶部，所述足部放置斗(263)通过约束支撑转轴(264)转动配合连接在所述约束支座(262)上，所述足部放置斗(263)内侧壁固定有多个约束气囊(260)；
所述C型支撑架(21)顶部靠近所述第一机械臂(12)的位置安装有第二机械臂(13)，所述第二机械臂(13)末端安装有定位投影机构(60)；
所述定位投影机构(60)包括投影机(61)以及连接在所述投影机(61)外侧的第二视觉摄像头(62)、点阵扫描传感器(63)以及三维激光扫描雷达(64)。
2.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述第一机械臂(12)的每个力臂都由伺服电机驱动，所述第一机械臂(12)的每个关节处都具有力矩传感器以及角度编码器。
3.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述扫描仪固定块(223)由直线电机驱动在所述移动导轨(222)上滑动，所述移动导轨(222)上具有位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述扫描仪支撑转轴(224)一端固定设有从动蜗轮(225)，所述扫描仪固定块(223)上固定设有第一电机(25)，所述第一电机(25)的输出轴上固定设有驱动蜗杆(251)，所述驱动蜗杆(251)与所述从动蜗轮(225)啮合连接,所述第一电机(25)为伺服电机，所述扫描仪支撑转轴(224)上具有角度编码器。
5.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述第二机械臂(13)的每个力臂都由伺服电机驱动，所述第二机械臂(13)的每个关节处都具有力矩传感器以及角度编码器。
6.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述第二机械臂(13)的末端力臂上安装有卷轴显示机构(70)，所述卷轴显示机构(70)包括显示机构外壳(71)，所述显示机构外壳(71)为中空的筒状结构，所述显示机构外壳(71)内转动连接设有显示屏卷轴(711)，所述显示屏卷轴(711)上卷绕设有柔性显示屏(72)；
所述显示机构外壳(71)上具有屏幕伸出槽(712)，所述屏幕伸出槽(712)沿所述显示机构外壳(71)的轴线延伸；
所述显示机构外壳(71)内的两端各设有刚性链条伸缩机构(73)，所述刚性链条伸缩机构(73)包括刚性伸缩链(730)，每根所述刚性伸缩链(730)由两根成对咬合配合的伸缩单链(731)组成，每根所述伸缩单链(731)分别卷绕在两个链条卷绕轮(732)上，所述链条卷绕轮(732)转动配合连接在显示机构外壳(71)内侧壁上；
所述屏幕伸出槽(712)内转动配合设有导向转轴(713)，所述导向转轴(713)上具有导向开槽(714)，所述导向开槽(714)内两端各固定设有伸缩链约束滑轨(715)，所述刚性伸缩链(730)滑动配合在所述伸缩链约束滑轨(715)内；
所述显示机构外壳(71)内侧壁具有多个链条约束板(716)，所述伸缩单链(731)被约束在所述链条约束板(716)之间移动；
所述伸缩单链(731)一端共同固定设有显示屏固定杆(733)，所述柔性显示屏(72)一端与所述显示屏卷轴(711)固定连接，所述柔性显示屏(72)另一端与所述显示屏固定杆(733)固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述支撑底座(11)底部具有多个行走轮(111)，所述行走轮(111)由伺服电机驱动。
8.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述约束支撑板(261)由伺服电机通过滚珠丝杠结构带动使得所述约束支撑板(261)滑动配合在所述第一滑轨(227)上，所述第一滑轨(227)上具有位移传感器以及力矩传感器。
9.根据权利要求1所述的一种骨科临床用膝关节置换手术引导定位装置，其特征在于：所述第二机械臂(13)的各个力臂上均固定设有多个避障模块(131)，所述避障模块(131)均匀分散布置在第二机械臂(13)的各个方位上，所述避障模块(131)为超声波测距传感器。
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