CN116712173A - 椎弓根穿刺机器人 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了椎弓根穿刺机器人，其中，所述椎弓根穿刺机器人包括机器人本体(10)和X射线检测装置，所述X射线检测装置包括X射线投照部(20)和X射线接收部(40)，所述X射线投照部(20)和X射线接收部(40)中的至少一者设置在所述机器人本体(10)上。本申请可以通过X射线投照部在穿刺过程中实时检测穿刺的位置，从而可以根据检测结果控制穿刺的进程，确保穿刺准确、顺利进行。
Description
技术领域
本申请涉及医疗设备领域，更具体地说，涉及一种椎弓根穿刺机器人。
背景技术
椎弓根穿刺(即椎弓根螺钉植入)是脊柱外科的基本技术，徒手椎弓根螺钉植入准确性较差，不同程度失误率在20％以上。在一些脊柱侧弯或椎体肿瘤椎弓根受到破坏的情况下，徒手进行椎弓根螺钉植入失误率更高。一旦椎弓根植入失误可能导致神经结构、胸腹腔脏器、血管结构损伤，还会导致内固定失败。
现有技术虽然出现了利用机器人进行椎弓根穿刺的技术，但由于机器人的操作是根据术前对患者的影像检查结果获得的术前规划进行导航，术中患者位置漂移，工具在不规则椎体表面打滑等因素均可导致穿刺过程中出现失误。
因此，如何提高椎弓根穿刺的准确性成为本领域需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种椎弓根穿刺机器人，以提高椎弓根穿刺的准确性。
根据本申请，提出了一种椎弓根穿刺机器人，其中，所述椎弓根穿刺机器人包括机器人本体和X射线检测装置，所述X射线检测装置包括X射线投照部和X射线接收部，所述X射线投照部和X射线接收部中的至少一者设置在所述机器人本体上。
可选地，所述X射线投照部设置为能够调节X射线投照角度。
可选地，所述X射线投照部设置为能够调节X射线投照强度。
可选地，所述X射线投照部设置为沿椎弓根的走向投照。
可选地，所述机器人本体包括设置于所述机器人本体的机械臂头端的穿刺物，所述X射线投照部和X射线接收部中的一者设置在所述机械臂头端并设置有避让所述穿刺物的避让孔。
可选地，所述X射线检测装置包括用于监测检测结果的监测单元，所述机器人本体的控制单元与所述监测单元电连接。
可选地，所述椎弓根穿刺机器人包括报警单元，在所述穿刺物的头端进入椎弓根预定距离时，所述报警单元设置为在所述监测单元监测到穿刺偏离时报警。
可选地，所述报警单元设置为通过声音和/或灯光报警。
可选地，所述机器人本体响应于所述报警单元的报警停止穿刺。
可选地，所述机器人本体包括机械臂主体和安装于所述机械臂主体的安装部，所述安装部具有彼此相对的上端和下端，所述安装部的上端形成所述机械臂头端，所述X射线接收部和X射线投照部中的一者设置在所述安装部的上端，另一者设置在所述安装部的下端。
可选地，所述安装部为C型，和/或，所述X射线接收部设置在所述安装部的上端。
根据本申请的技术方案，可以通过X射线检测装置在穿刺过程中实时检测穿刺的位置，从而可以根据检测结果控制穿刺的进程，确保穿刺准确、顺利进行。
本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：
图1为根据本申请优选实施方式的椎弓根穿刺机器人进行穿刺的示意图；
图2为正常穿刺的检测影像；
图3至图7为穿刺过程中出现偏差的情况及其检测影像。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的技术方案。
本申请提供一种椎弓根穿刺机器人，其中，所述椎弓根穿刺机器人包括机器人本体10和X射线检测装置，所述X射线检测装置包括X射线投照部20和X射线接收部40，所述X射线投照部20和X射线接收部40中的至少一者设置在所述机器人本体10上。
使用本申请的椎弓根穿刺机器人，可以通过X射线检测装置在穿刺过程中实时检测穿刺的位置，从而可以根据检测结果控制穿刺的进程，确保穿刺准确、顺利进行。
在进行椎弓根穿刺时，需要针对不同患者、不同部位进行穿刺，为便于适应不同的穿刺情况，所述X射线投照部20设置为能够调节X射线投照角度，以根据实际穿刺情况的需要调节X射线投照角度，从而获得准确的实时检测结果。
另外，优选地，所述X射线投照部20可以设置为能够调节X射线投照强度，以根据实际穿刺的情况调节投照强度来获得清晰、准确的检测结果。其中，可以理解的，为避免过度辐射造成患者和相关操作人员的损伤，X射线投照强度应控制在安全范围内，优选地，每次穿刺的总投照时间不超过10min，射线剂量不超过2Gy。
可以理解的，在通过X射线投照部20进行X射线投照，以检测穿刺物(例如穿刺器械、植入螺钉)相对于穿刺部位的位置时，检测的准确性很大程度取决于投照方向。优选地，所述X射线投照部20设置为沿椎弓根的走向投照。也就是，在进行穿刺时，使X射线投照部20的投照方向与当前穿刺的椎弓根的走向一致，从而获得准确反映穿刺物相对于穿刺部位的位置的检测结果(例如图1至图7中右侧的X射线检测影像)。
另外，所述机器人本体10包括设置于机器人本体10的机械臂头端11的穿刺物12，穿刺物12从机器人本体10的机械臂头端11延伸。穿刺物12可以是穿刺器械、植入螺钉等，并可以通过适当动力系统驱动而进行穿刺。穿刺时，穿刺物12的动力系统驱动穿刺物12沿设定方向穿刺。在穿刺植入螺钉的过程中，先通过动力系统驱动穿刺器械沿设定方向穿刺到预定位置以确认穿刺路径，然后再将螺钉沿穿刺器械12的穿刺路径植入。
为便于穿刺的同时进行X射线检测，X射线投照部20与X射线接收部40中的一者可以设置在机器人本体10的机械臂头端11。其中，X射线投照部20与X射线接收部40中设置在机械臂头端11的一者需要设置避让孔，以允许穿刺物12的穿刺操作。为便于设置且保证X射线检测的正常进行，优选地，所述穿刺物12和X射线接收部40设置于所述机器人本体10的机械臂头端11，所述X射线接收部40设置有避让所述穿刺物12的避让孔。
本申请中，为便于获得X射线检测影像，所述X射线检测装置包括用于监测检测结果(例如实时获取所述X射线检测影像)的监测单元，所述机器人本体10的控制单元15与所述监测单元电连接。由此，可以根据监测单元获得的检测影像对机器人本体10的穿刺提供反馈，以辅助穿刺顺利进行。例如，可以根据监测单元的反馈，适时停止穿刺、调整穿刺参数(例如穿刺方向、步进)。
本申请中，为减少不必要的投照，可以在穿刺物的头端到达预定位置后再通过X射线检测装置进行检测。其中，预定位置可以根据需要设置。例如，在穿刺物12为穿刺器械时，预定位置为穿刺器械到达穿刺起始位置(即穿刺器械与椎弓根骨面接触的位置)；在穿刺物12为植入螺钉时，预定位置可以为穿刺进入椎弓根表面后一定距离(例如1mm)。
此外，X射线检测装置的检测可以是连续进行或间歇进行。例如，在穿刺物12为穿刺器械时，可以在穿刺器械到达预定位置后连续进行检测；在穿刺物12为植入螺钉时，可以在植入螺钉到达预定位置后在预定的不同穿刺深度处进行间歇式检测。
本申请中，设定穿刺深度(即穿刺物的头端到达椎体表面的穿刺点(穿刺起始位置)到完成螺钉植入位置(穿刺终止位置)的距离)可以根据所穿刺的椎弓根的位置不同而相应设定，例如：在腰椎穿刺时，设定穿刺深度可为40mm-50mm；在胸椎穿刺时，设定穿刺深度可为35mm-40mm。
另外，所述椎弓根穿刺机器人可以包括报警单元，以在穿刺过程中出现偏离等问题时通过报警单元警示相关操作人员。例如，所述报警单元设置为在所述监测单元监测到穿刺偏离时报警。也就是，在穿刺物的头端进入椎弓根后，如果监测单元监测到穿刺发生偏离，则此时报警单元报警。为此，报警单元可以由控制单元15控制，以在控制单元15判断穿刺偏离时开启报警单元。
报警单元可以通过适当方式提供警示来达到报警效果。优选地，为加强警示效果，所述报警单元设置为通过声音和/或灯光报警。例如，报警单元可以包括蜂鸣器和/或报警闪烁灯。
此外，在报警单元报警后，优选使穿刺同时停止。为此，所述机器人本体10可以响应于所述报警单元的报警停止穿刺。具体的，机器人本体10的控制单元15可以与报警单元电连接，以根据其反馈控制机器人本体10停止穿刺。
本申请中，为了确保X射线检测装置的检测正常进行，需要使X射线投照部20与X射线接收部40具有彼此固定的相对位置。特别是，X射线投照部20和X射线接收部40中的一者设置在机械臂头端11并随穿刺物12调整穿刺位置、角度时，另一者需要相应移动，以使X射线投照部20和X射线接收部40保持相对固定，从而能够配合进行检测。
X射线投照部20和X射线接收部40可以通过适当方式进行相对位置的固定。优选地，所述机器人本体10可以包括机械臂主体13和安装于所述机械臂主体13的安装部14，所述安装部14具有彼此相对的上端和下端，所述安装部14的上端形成所述机械臂头端11，所述X射线接收部40和X射线投照部20中的一者设置在所述安装部14的上端，另一者设置在所述安装部14的下端。X射线接收部40和X射线投照部20能够通过安装部14实现同步移动，以始终能够通过X射线接收部40接收X射线投照部20的射线。另外，为确保能够通过X射线接收部40接收X射线投照部20的射线，X射线投照部20和X射线接收部40应安装在安装部14上的适当位置，以使X射线投照部20和X射线接收部40保持沿射线投照方向正对。
其中，安装部14可以采用各种适当的具体形式。为避让手术台，优选地，如图1所示，所述安装部14为C型。具体的，C型的两端分别为上端和下端，中部可以活动安装于机械臂主体13，以能够相对于机械臂13调节位置，从而调节X射线接收部40和X射线投照部20的位置。此外，安装部14的上端即为机械臂头端11，穿刺物12也安装于此。如上所述，为确保穿刺物12的正常使用，需要在设置于安装部14的上端的X射线接收部40或X射线投照部20设置避让孔，为尽可能减少对X射线检测装置的正常工作产生的影响，优选将X射线接收部40设置在所述安装部14的上端，避免在X射线投照部20上开孔。
手术时，通过机械臂主体13带动安装部14移动到位，使得安装部14的C型开口对准患者和手术台定位，以便能够通过X射线检测装置对患者进行检测。
下面参考附图说明本申请的椎弓根穿刺机器人的操作。其中，图1至图7中检测影像的图片显示了穿刺物投影与椎弓根投影位置关系，为清楚显示，在图中以白色虚线标示了椎弓根表面骨皮质的投影(如图2所示，左侧图片虚线框所示为椎弓根，解剖结构近似椭圆柱体，圆柱体表面为骨皮质，其投影如图2右侧影像中以白色虚线标示的椭圆形)，以白色实线标示了穿刺物的外轮廓投影(在图1中，穿刺物为穿刺器械，在图2至图7中，穿刺物为植入螺钉，投影均标示为圆形)。
首先，根据对患者术前进行的检查结果制定术前规划，以便以此为依据对穿刺进行导航。
手术时，先根据术前规划，控制机器人本体10通过穿刺器械进行穿刺，以确定穿刺路径。具体的，可以在穿刺器械头端到达腰椎预定穿刺点骨面时开始通过X射线投照部20对穿刺位置实时投照X射线。图1中的检测影像中显示了穿刺器械头端到达腰椎预定穿刺点骨面时，穿刺器械投影与椎弓根投影位置关系。在后续穿刺过程中，可以通过X射线检测装置连续进行检测，同时监测单元连续获得X射线检测装置的检测影像并将其反馈机器人本体10的控制单元，控制单元可以根据检测影像判断穿刺是否偏离。具体的：
如所述影像中显示所述穿刺器械的投影位于椎弓根投影区域内，则判断穿刺未发生偏离，可以继续穿刺。穿刺器械头端在整个穿刺过程中均不应超过椎弓根投影区域。
如所述影像中显示所述穿刺器械的投影超出所述椎弓根外侧壁，则判断穿刺偏外，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺，此时如穿刺距离已经达到设定穿刺深度的2/3以上，可以继续尝试穿刺，但同时应适当控制穿刺速度、步进(例如以1mm为步进)，以根据实际情况随时调整；此时如穿刺距离不足设定穿刺深度的2/3，则可以退回所述穿刺器械，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
如所述影像中显示所述穿刺物的投影超出所述椎弓根内侧壁，如图5所示，则判断穿刺偏内，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺并退回所述穿刺物，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
如所述影像中显示所述穿刺物的投影超出所述椎弓根上壁，则判断穿刺偏上，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺，此时如穿刺距离已经达到设定穿刺深度的2/3以上，可以继续尝试穿刺，但同时应适当控制穿刺速度、步进(例如以1mm为步进)，以根据实际情况随时调整；此时如穿刺距离不足设定穿刺深度的2/3，则可以退回所述穿刺器械，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
如所述影像中显示所述穿刺物的投影超出所述椎弓根下壁，则判断穿刺偏下，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺并退回所述穿刺器械，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
在确定穿刺路径后，可以沿穿刺路径穿刺植入螺钉来进行植入。在穿刺过程中，可以在植入螺钉进入椎弓根内不同深度处间歇地通过X射线检测装置进行检测，同时监测单元获得X射线检测装置的检测影像并将其反馈机器人本体10的控制单元，控制单元可以根据检测影像判断穿刺是否偏离。具体的：
如所述影像中显示所述植入螺钉的投影位于椎弓根投影区域内，如图3所示，则判断穿刺未发生偏离，可以继续穿刺。植入螺钉头端在整个穿刺过程中均不应超过椎弓根投影区域。
如所述影像中显示所述植入螺钉的投影超出所述椎弓根外侧壁，如图4所示，则判断穿刺偏外，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺，此时如穿刺距离已经达到设定穿刺深度的2/3以上，可以继续尝试穿刺，但同时应适当控制穿刺速度、步进(例如以1mm为步进)，以根据实际情况随时调整；此时如穿刺距离不足设定穿刺深度的2/3，则可以退回所述植入螺钉，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
如所述影像中显示所述植入螺钉的投影超出所述椎弓根内侧壁，如图5所示，则判断穿刺偏内，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺并退回所述植入螺钉，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
如所述影像中显示所述植入螺钉的投影超出所述椎弓根上壁，如图6所示，则判断穿刺偏上(即，在图6左侧视图中，植入螺钉的穿入端向图片平面外朝向观测者所在方向偏移)，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺，此时如穿刺距离已经达到设定穿刺深度的2/3以上，可以继续尝试穿刺，但同时应适当控制穿刺速度、步进(例如以1mm为步进)，以根据实际情况随时调整；此时如穿刺距离不足设定穿刺深度的2/3，则可以退回所述植入螺钉，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
如所述影像中显示所述植入螺钉的投影超出所述椎弓根下壁，如图7所示，则判断穿刺偏下(即，在图7左侧视图中，植入螺钉的穿入端向图片平面外远离观测者所在方向偏移)，报警单元报警，同时控制单元控制机器人本体10停止穿刺并退回所述植入螺钉，随后在调整穿刺方向后重新穿刺。
以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。
Claims (10)
1.一种椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述椎弓根穿刺机器人包括机器人本体(10)和X射线检测装置，所述X射线检测装置包括X射线投照部(20)和X射线接收部(40)，所述X射线投照部(20)和X射线接收部(40)中的至少一者设置在所述机器人本体(10)上。
2.根据权利要求1所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述X射线投照部(20)设置为能够调节X射线投照角度和/或X射线投照强度。
3.根据权利要求2所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述X射线投照部(20)设置为沿椎弓根的走向投照。
4.根据权利要求1所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述机器人本体(10)包括设置于所述机器人本体(10)的机械臂头端(11)的穿刺物(12)，所述X射线投照部(20)和X射线接收部(40)中的一者设置在所述机械臂头端(11)并设置有避让所述穿刺物(12)的避让孔。
5.根据权利要求4所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述X射线检测装置包括用于监测检测结果的监测单元，所述机器人本体(10)的控制单元(15)与所述监测单元电连接。
6.根据权利要求5所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述椎弓根穿刺机器人包括报警单元，在所述穿刺物(12)的头端进入椎弓根预定距离时，所述报警单元设置为在所述监测单元监测到穿刺偏离时报警。
7.根据权利要求5所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述报警单元设置为通过声音和/或灯光报警。
8.根据权利要求5所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述机器人本体(10)响应于所述报警单元的报警停止穿刺。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述机器人本体(10)包括机械臂主体(13)和安装于所述机械臂主体(13)的安装部(14)，所述安装部(14)具有彼此相对的上端和下端，所述安装部(14)的上端形成所述机械臂头端(11)，所述X射线接收部(40)和X射线投照部(20)中的一者设置在所述安装部(14)的上端，另一者设置在所述安装部(14)的下端。
10.根据权利要求9所述的椎弓根穿刺机器人，其特征在于，所述安装部(14)为C型，和/或，所述X射线接收部(40)设置在所述安装部(14)的上端。
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