CN115281837B - 一种外科手术执行器及使用其的外科手术系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外科手术执行器及使用其的外科手术系统。外科手术执行器包括壳架、移动机构、能量施加装置和传感器；移动机构设置于壳架；能量施加装置包括能量施加头，能量施加装置设置于移动机构并能由移动机构驱动以相对壳架移动，能量施加头用于作用于壳架外的解剖组织；传感器与能量施加装置可传力地连接，传感器用于测量能量施加头在移动机构的移动方向上所受的力；其中，移动机构被设置为基于传感器测得的力的大小或变化驱动能量施加装置移动。

Description

一种外科手术执行器及使用其的外科手术系统

技术领域

本发明属于外科手术动力工具技术领域，尤其涉及一种外科手术执行器及使用其的外科手术系统。

背景技术

脊柱疾病常见且多发。脊柱解剖结构复杂、毗连重要的神经和血管，一旦出现神经压迫，轻则疼痛，重则导致瘫痪，通常需要手术治疗。手术治疗手段中，椎板减压是脊柱手术关键环节。椎板减压手术操作要求精准稳定，手动操作难度很大。因此，导致在潜在病例过千万的情况下，每年进行脊柱手术的病人仅为480万，大部分需要治疗的患者无法得到有效治疗。

而随着国内、国际人口老龄化不断加剧，脊柱退变性疾病规模也会逐步增大，可以预见脊柱手术量在未来一段时间将呈现上升的态势。除了手术量的增长，随着人们生活水平的不断提升，人们对于精准医疗以及个性化治疗的需求也将不断增加。如何高效率、高质量的完成每一台脊柱手术，是新时代对脊柱外科医师发出的挑战。

临床实践表明：虽然脊柱手术成功率已显著提升，但临床上仍然存在着“险”(神经根、脊髓等损伤风险大，并发症高)、“难”(术区受限，手术工具入路及操作困难)、“盲”(盲视下手术操作，严重依赖医生经验感觉)、“缺”(缺少客观量化的手术效果评价指标)等问题，导致椎板切除不足、神经根/硬膜囊/脊髓损伤等后遗症高发。目前椎板减压手术的术后并发症达24％。

椎骨解剖结构如图1所示，椎骨包括椎体1a、侧隐窝2a、横突3a、椎孔4a、棘突5a、椎板6a、上关节面7a和椎弓根8a。椎板6a作为椎骨后弓的一部分，位于棘突5a和关节突之间的连接处，椎板6a和棘突5a构成椎管的后壁。椎板切除手术如图2所示，作为治疗神经压迫最常用的手术技术，其主要是去除全部或部分椎板6a，来实现缓解神经压迫的目的。椎管中分布着脊髓、神经、韧带等危险组织。尽管椎板切除手术的字面意义是“切除椎板”，但常规的椎板切除术还包括切除棘上韧带、部分或全部棘突。这种高风险任务以往在临床全凭医生经验进行，手术手段包括但不限于使用骨凿、超刀、咬骨钳，缺乏可量化精度指标，所以对骨科机器人辅助脊柱手术智能操作关键技术研究具有重要的社会意义。

传统骨科手术借助术中影像，受限于医生经验，植入物定位精度低，复杂术式受到限制，手术风险高，手术创伤于并发症多，翻修率高等缺陷。为追求精准微创医疗，提高手术精度、降低手术伤害、减少医生的劳动强度，骨科手术机器人成为研究热点。同时，手术机器人产业是机器人研究领域的一大热点学科，骨科手术机器人因其适应症广泛、医疗需求多，传统手术用于复杂术式难以保证手术精准微创，骨科手术机器人的发展成了必然。相关研究表明，骨科机器人的手术精度与术后恢复大多优于传统手术。

目前市场现有的脊柱机器人产品主要用于“精准定位”，属于导航定位型，还没有出现用于手术“精密操作”的脊柱机器人产品。且现有的操作型脊柱机器人原理样机也大多依靠单模、单源信息进行状态识别和路径规划，缺乏详实的故障诊断方案、应急安全性。

发明内容

第一方面，提供一种外科手术执行器，包括壳架、移动机构、能量施加装置和传感器；移动机构设置于壳架；能量施加装置包括能量施加头，能量施加装置设置于移动机构并能由移动机构驱动以相对壳架移动，能量施加头用于作用于壳架外的解剖组织；传感器与能量施加装置可传力地连接，传感器用于测量能量施加头在移动机构的移动方向上所受的力；其中，移动机构被设置为基于传感器测得的力的大小或变化驱动能量施加装置移动。

在第一种可能的实现方式中，能量施加装置为超声手术刀。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，移动机构为丝杠滑台、滚珠丝杠机构或齿轮齿条机构。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，能量施加装置通过直线导轨机构连接在移动机构，直线导轨机构包括导轨和与导轨配合的滑块，能量施加装置设置于滑块。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，传感器设置于能量施加装置的端部与滑块之间。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，传感器为压力传感器。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，移动机构由步进电机或伺服电机驱动。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，壳架包括支撑部，支撑部设置于能量施加头的移动路径的旁侧。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，支撑部为端部刀筒，能量施加头的移动路径经过端部刀筒的内筒，能量施加头被设置为能够经端部刀筒伸至壳架外部。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，壳架包括上壳和下壳，上壳和下壳围合成容置空间以容纳移动机构和能量施加装置。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，壳架为圆柱形。

第二方面，提供一种外科手术系统，包括控制器、机械臂、手术执行器、定位器和示踪器，手术执行器设置于机械臂末端，示踪器用于安装在手术执行器和解剖结构，定位器用于获取示踪器的方位信息，控制器用于控制手术执行器和/或机械臂运行，其特征在于，手术执行器为第一方面任一说明的手术执行器。

在第一种可能的实现方式中，控制器用于根据传感器的信号控制移动机构进退，并且/或者，用于控制机械臂沿移动机构的移动路径进退。

本发明提供的手术执行器，可以测得手术过程中的力或力值变化，便于医生基于此即时调整手术操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单个椎骨解剖结构图；

图2为椎板切除手术示意图；

图3为本发明实施例中外科手术执行器的结构示意图；

图4为本发明实施例中外科手术执行器的分解结构示意图。

其中，

1a-椎体，2a-侧隐窝，3a-横突，4a-椎孔，5a-棘突，6a-椎板，7a-上关节面，8a-椎弓根；

1-下壳，2-上壳，3-机器人连接件，4-移动机构，5-直线导轨座体， 6-滑块，7-传感器，8-传感器座，9-执行器底座，10-压紧盖，11-能量施加装置，12-支撑部，13-能量施加头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体结构和配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。

本发明提供的手术执行器包括壳架、移动机构、能量施加装置和传感器。壳架作为支撑基础，移动机构设置于壳架。移动机构包括可以移动的部分，能量施加装置固定在该可以移动的部分。能量施加装置包括能量施加头，能量施加头用于与解剖组织接触并将能量传递至解剖组织。能量施加装置能由移动机构驱动以相对壳架移动。传感器与能量施加装置物理连接，并在能量施加装置移动或具有移动趋势时被能量施加装置挤压，以测量能量施加头在移动机构的移动方向上所受的力。其中，移动机构被设置为基于传感器测得的力的大小或变化驱动能量施加装置移动。使用上述手术执行器对解剖组织进行切除的过程中，能量施加头对解剖组织的作用力可以基于传感器实时获取，当该力值超过预先设定的阈值时，移动机构可以快速反应将能量施加装置缩回或停止能量输出，以免对解剖组织造成不期望的损伤。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参考图3和图4。图3为本发明实施例中外科手术执行器的结构示意图，图4为本发明实施例中外科手术执行器的分解结构示意图。

本实施例中，手术执行器包括由下壳1和上壳2组成的壳架及安装在壳架内部的移动机构4、直线导轨座体5、滑块6、传感器7、能量施加装置11和支撑部12。移动机构4包括固定部分和可相对于固定部分移动的移动部分，固定部分固定在下壳1中。直线导轨座体5固和滑块6的装配体固定在移动机构4的移动部分。两个传感器7设置在直线导轨座体5的两端挡板上，能量施加装置11设置在滑块6上且两端由直线导轨座体5的导板限位。本实施例中的能量施加装置11为超声骨刀，具有细杆状的能量施加头13。以下对各个部分的详细构成进行进一步说明。

壳架包括下壳1和上壳2，二者扣合时内部设置有空腔。壳架的一端封闭，另一端设置有渐缩的出口，并有管嘴。下壳1为半圆柱和长方体形状的结合，上壳2为半圆柱外形，二者扣合连接形成壳架。管嘴的管腔为支撑部12的移动路径。

本实施例中移动机构4为步进电机驱动的螺母丝杠机构。固定部分为步进电机和底座，转动部分为丝杠并由步进电机驱动转动；移动部分与螺母连接并能沿着丝杠的轴向往复移动。在一些可选实施例中，移动机构4 还可以为曲柄滑块机构，滑块为移动部分，可以搭载能量施加装置11。在另一些可选实施例中，移动机构4还可以为齿轮齿条机构，齿条可被驱动往复移动。在另一些可选实施例中，移动机构4还可以为螺母滚珠丝杠副。

直线导轨座体5固定在移动机构4的移动部分。直线导轨座体5包括底板和两端的竖板。底板承载执行器底座9，竖板对执行器底座9进行(竖板法向的)限位。底板上面还设有与执行器底座9配合的凹槽，凹槽的方向与竖板法向一致。执行器底座9受到外力作用时，竖板可以承受执行器底座9的挤压。

传感器7通过传感器座8连接在直线导轨座体5的竖板上，并位于竖板和执行器底座9的端面之间。执行器底座9受到外力作用时会将外力传递至传感器7，传感器7为压力传感器，可检测执行器底座9传递的压力值。

能量施加装置11由执行器底座9和压紧盖10卡装固定在滑块6上。具体地，执行器底座9和压紧盖10通过销轴连接在一起，形成可以开合的压紧机构，能量施加装置11则安装在执行器底座9的半圆槽内，通过压紧盖10锁紧。能量施加装置11作用于解剖组织时受到的反作用力可经执行器底座9传递滑块6，并由传感器7检测到。具体的连接结构并不局限于上述说明的结构，能够使能量施加装置11所受的力传递至传感器7的结构均可。

支撑部12套设在壳架的管嘴上。本实施例中支撑部12为端部刀筒，筒体可以与解剖组织抵靠以支撑整个手术执行器，筒腔与壳架的管嘴同轴。支撑部12的形状此，在一些可选实施例中，支撑部12还可以为其他位于支撑部12移动路径旁侧的结构，如平行于所述移动路径的支撑杆或位于移动路径侧方的其他实体结构。

机器人连接件3连接在下壳1的底部，当外科手术执行器需要搭载于机器人时可以通过机器人连接件3进行连接。机器人连接件3为法兰结构。

当移动机构4中的电机转动时，可以驱动直线导轨座体5和能量施加装置11一起移动，移动过程中能量施加装置11的能量施加头13可以沿支撑部12从壳架中伸出或缩回至壳架内。能量施加头13作用在解剖组织时，其所受反作用力可传递至传感器7并被检测到。

在工作使用中，基于状态感知技术的手术执行器作为椎板切除手术装置由医生手持，端部刀筒用以支撑在患者的手术区域，可以使该手术装置在手术过程中更加稳定，避免手持不稳带来的不必要损伤。作为能量施加装置的超声手术刀在移动机构的带动下做直线运动向椎体施力，进行椎板切除手术操作。在手术过程中超声手术刀通过底座对安装在直线导轨座体上的压力传感器产生压力，来对手术中超声手术刀的阻力进行实时监测，基于检测的压力值或者压力变化状况提示医生，方便医生进行操作调整，或者通过控制程序自动进行调整。如，当监测到的压力值发生预设阈值的突变时停止能量输出或者电机停转或反转。

该基于状态感知技术的椎板切除手术装置可用于手术中的手持操作，相对于现有椎板切除机器人会有更高的自由度，便于根据医生的要求进行调整、操作，并且通过支撑部的支撑功能提供更高的操作稳定性。

在需要时，该手术执行器也可以与机器人连接，进行操作。本发明实施例还提供一种外科手术系统，其包括控制器、机械臂、手术执行器、定位器和示踪器。手术执行器设置于机械臂的末端，示踪器用于安装在手术执行器和解剖结构，定位器用于获取示踪器的方位信息，控制器用于控制手术执行器和/或机械臂运行。其中，手术执行器为前述实施例说明的手术执行器。控制器被配置为，用于根据传感器的信号控制移动机构进退，并且/或者，用于控制机械臂活动，以使手术执行器沿移动机构的移动路径进退。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种外科手术执行器，其特征在于，包括：

壳架；

移动机构，设置于所述壳架；

能量施加装置，包括能量施加头，所述能量施加装置设置于所述移动机构并能由所述移动机构驱动以相对所述壳架移动，所述能量施加头用于作用于所述壳架外的解剖组织；以及，

传感器，与所述能量施加装置可传力地连接，所述传感器用于测量所述能量施加头在所述移动机构的移动方向上所受的力；

其中，所述移动机构被设置为基于所述传感器测得的力的大小或变化驱动所述能量施加装置移动；

所述传感器设置于所述能量施加装置的两个端部。

2.根据权利要求1所述的外科手术执行器，其特征在于，所述能量施加装置为超声手术刀。

3.根据权利要求1所述的外科手术执行器，其特征在于，所述移动机构为丝杠滑台、滚珠丝杠机构或齿轮齿条机构。

4.根据权利要求1所述的外科手术执行器，其特征在于，所述能量施加装置通过直线导轨机构连接在所述移动机构，所述直线导轨机构包括导轨和与所述导轨配合的滑块，所述能量施加装置设置于所述滑块。

5.根据权利要求1所述的外科手术执行器，其特征在于，所述传感器设置于所述能量施加装置的端部与所述滑块之间。

6.根据权利要求1所述的外科手术执行器，其特征在于，所述壳架包括支撑部，所述支撑部设置于所述能量施加头的移动路径的旁侧。

7.根据权利要求6所述的外科手术执行器，其特征在于，所述支撑部为端部刀筒，所述能量施加头的移动路径经过所述端部刀筒的内筒，所述能量施加头被设置为能够经所述端部刀筒伸至所述壳架外部。

8.根据权利要求6所述的外科手术执行器，其特征在于，所述壳架包括上壳和下壳，所述上壳和下壳围合成容置空间以容纳所述移动机构和所述能量施加装置。

9.一种外科手术系统，包括控制器、机械臂、手术执行器、定位器和示踪器，所述手术执行器设置于所述机械臂末端，所述示踪器用于安装在所述手术执行器和解剖结构，所述定位器用于获取所述示踪器的方位信息，所述控制器用于控制所述手术执行器和/或所述机械臂运行，其特征在于，所述手术执行器为权利要求1-8任意一项所述的外科手术执行器。

10.根据权利要求9所述的外科手术系统，其特征在于，所述控制器用于根据所述传感器的信号控制所述移动机构进退，并且/或者，用于控制所述机械臂沿所述移动机构的移动路径进退。