CN117357199A - 一种骨科脊柱微创手术钻 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种骨科脊柱微创手术钻，骨科脊柱微创手术钻包括激光器、控制模块、机械臂、工作部件切换装置、激光辅助装置和机械钻孔装置，控制模块设置于激光器的上方，机械臂设置于激光器的侧面，工作部件切换装置连接机械臂，激光辅助装置和机械钻孔装置设置于工作部件切换装置的相对位置，激光辅助打孔装置通过光纤连接激光器。本发明中，通过激光辅助装置去除骨组织外的软组织，形成定位孔，在简化手术过程的同时保证钻头工作的稳定性，防止打滑，并且，在机械钻孔的过程中，检测不同位置的骨骼组织硬度，适应性地调整前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度，实现钻孔强度的智能化调整。

Description

一种骨科脊柱微创手术钻

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是一种骨科脊柱微创手术钻。

背景技术

脊柱微创手术具有手术切口小、组织创伤小、出血少、操作精准度高等优点，对于腰椎间盘突出摘除髓核等具有较好的效果，在我国虽然起步较晚，但是已经取得迅猛发展。骨科脊柱微创手术钻是应用于脊柱微创手术中的医疗器械的一部分，常规的机械钻孔方式存在一系列问题：1)钻孔部位硬度值反复变化，钻孔过程中的不稳定性、热损伤及排屑问题明显；2)高度弯曲或不规则表面的斜孔钻削，医疗钻头很难达到平衡，钻头定位难，易打滑；3)为了防止钻头损伤软组织，需要进行皮肤切割、肌肉分离等操作，手术过程复杂；4)在钻头钻孔时，产生的大量机械热能或把持钻头手柄不稳,易导致钻头在骨内断留。

发明内容

为了解决现有技术中机械钻孔不稳定，无法适应骨骼硬度变化的技术问题，本发明提出的骨科脊柱微创手术钻包括激光器、控制模块、机械臂、工作部件切换装置、激光辅助装置和机械钻孔装置，所述控制模块设置于所述激光器的上方，所述机械臂设置于所述激光器的侧面，所述工作部件切换装置连接所述机械臂，所述激光辅助装置和所述机械钻孔装置设置于所述工作部件切换装置的相对位置，所述激光辅助打孔装置通过光纤连接所述激光器。

优选的，所述激光器为输出波长2um的铥激光器。

优选的，所述工作部件切换装置为圆盘结构，可以在电机的驱动下进行旋转，选择激光辅助装置或机械钻孔装置对骨组织进行操作。

优选的，所述激光辅助装置包括固定件、步进电机、空心轴丝杠、可移动部件、CCD定位相机、光纤套管和吸收装置，所述固定件安装于所述工作部件切换装置，所述空心轴丝杠设置于所述固定件的内部，连接所述步进电机和所述可移动部件，所述吸收装置设置于所述可移动部件的内部，所述吸收装置的吸气口、所述CCD定位相机和所述光纤套管均位于所述可移动部件的表面。

优选的，所述光纤依次通过所述固定件、所述空心轴丝杠和所述可移动部件到达所述光纤套管，所述吸收装置的吸气口和所述CCD定位相机均位于所述光纤套管的内部，所述CCD定位相机位于所述光纤套管的中心位置，N根光纤环绕所述CCD定位相机，所述吸气口设置于光纤之间，N≥2。

优选的，所述激光辅助装置的工作过程为通过机械臂调整光纤套管的对准位置，使得光纤套管对准目标打孔位置，在CCD定位相机的监督下，通过步进电机移动可移动部件，使得光纤套管的端面距离骨组织外的软组织2mm，开启激光器，在CCD定位相机的监督下通过激光去除骨组织外的软组织，关闭激光器，在CCD定位相机的监督下，通过步进电机再次移动可移动部件，使得光纤套管的端面距离骨组织2mm，开启激光器，在CCD定位相机的监督下通过激光在骨组织表面形成定位孔，关闭激光器，通过步进电机移动可移动部件，使得可移动部件返回初始位置，在激光器的工作过程中，启动吸收装置，将产生的烟雾、残渣和水汽吸收。

优选的，所述机械钻孔装置包括外管、内杆、钻孔驱动模块、套管、钻杆和钻头，所述外管内部设置有前后驱动电机，所述内杆设置于所述外管内部，连接所述钻孔驱动模块，所述套管设置于所述钻孔驱动模块的表面，所述套管远离所述钻孔驱动模块的端面均匀设置多个压力传感器，所述钻杆和所述钻头位于所述套管的内部，所述钻头内部设置有电涡流传感器。

优选的，所述钻孔驱动模块内部设置有旋转驱动电机、电涡流比对模块、辅助信息获取模块和转速控制单元，所述电涡流比对模块将监测到的电涡流信号与预先设定的标准值进行比较，判断当前钻头的位置，所述辅助信息获取模块用于获取压力传感器的数据，所述转速控制单元根据当前钻头的位置和压力传感器的数据控制前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度。

优选的，所述转速控制单元的具体工作过程包括根据当前钻头的位置和手术的钻孔需求判断钻头是否处于预警区间，如果钻头处于非预警区间，根据压力传感器的数据判断当前位置的骨骼组织硬度，对应调整前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度，如果钻头处于预警区间，将前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度降低为最小值，判断当前钻头的位置是否满足手术要求，一旦满足要求，立即控制前后驱动电机和旋转驱动电机停止工作。

优选的，所述控制模块包括处理器和显示装置。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过激光辅助装置去除骨组织外的软组织，形成定位孔，在简化手术过程的同时保证钻头工作的稳定性，防止打滑。

附图说明

图1是本发明骨科脊柱微创手术钻的结构示意图；

图2是本发明激光辅助装置的结构示意图；

图3是本发明光纤套管的内部结构剖面图；

图4是本发明机械钻孔装置的结构示意图。

附图说明：1-激光器，2-控制模块，3-机械臂，4-光纤，5-工作部件切换装置，6-激光辅助装置，61-固定件，62-步进电机，63-空心轴丝杠，64-可移动部件，65-CCD定位相机，66-光纤套管，67-吸收装置的吸气口，7-机械钻孔装置，71-外管，72-内杆，73-钻孔驱动模块，74-套管，75-压力传感器，76-钻杆，77-钻头，78-电涡流传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提出的骨科脊柱微创手术钻包括激光器1、控制模块2、机械臂3、工作部件切换装置5、激光辅助装置6和机械钻孔装置7。激光器1底部设置有万向轮，控制模块2设置于激光器1的上方，机械臂3设置于激光器1的侧面。工作部件切换装置5连接机械臂3，激光辅助装置6和机械钻孔装置7设置于工作部件切换装置5的相对位置，激光辅助打孔装置6通过光纤4连接激光器1。

激光器1为输出波长2um的铥激光器，其输出的脉宽为50us、频率为50Hz、单脉冲能量为400mJ，光斑直径为1mm。

工作部件切换装置5为圆盘结构，可以在电机的驱动下进行旋转，选择激光辅助装置或机械钻孔装置对骨组织进行操作。

如图2-3所示，激光辅助装置6包括固定件61、步进电机62、空心轴丝杠63、可移动部件64、CCD定位相机65、光纤套管66和吸收装置。固定件61安装于工作部件切换装置5，空心轴丝杠63设置于固定件61的内部，连接步进电机62和可移动部件64，可以在步进电机62的带动下进行前后移动。吸收装置设置于可移动部件64的内部，吸收装置的吸气口、CCD定位相机65和光纤套管66均位于可移动部件64的表面。光纤4依次通过固定件61、空心轴丝杠63和可移动部件64到达光纤套管66。吸收装置的吸气口67和CCD定位相机65均位于光纤套管66内部，CCD定位相机65位于光纤套管66的中心位置，多根光纤4环绕CCD定位相机65，吸气口67设置于光纤4之间，根据定位孔的大小确定光纤的数量。激光辅助装置6的工作过程为通过机械臂3调整光纤套管66的对准位置，使得光纤套管66对准目标打孔位置，在CCD定位相机65的监督下，通过步进电机62移动可移动部件64，使得光纤套管66的端面距离骨组织外的软组织2mm，开启激光器1，在CCD定位相机65的监督下通过激光去除骨组织外的软组织，关闭激光器1，在CCD定位相机65的监督下，通过步进电机62再次移动可移动部件64，使得光纤套管66的端面距离骨组织2mm，开启激光器1，在CCD定位相机65的监督下通过激光在骨组织表面形成特定大小的定位孔，关闭激光器1，通过步进电机62移动可移动部件64，使得可移动部件64返回初始位置，在激光器1的工作过程中，启动吸收装置，将产生的烟雾、残渣和水汽吸收。目标打孔位置的确定过程为通过CT扫描装置获取患者的骨骼数据，将骨骼数据导入Mimics软件进行三维建模，由手术的实施者在三维模型上模拟手术过程，确定目标打孔位置。

如图4所示，机械钻孔装置7包括外管71、内杆72、钻孔驱动模块73、套管74、钻杆76和钻头77。外管71内部设置有前后驱动电机。内杆72设置于外管71内部，连接钻孔驱动模块73，能够在前后驱动电机的驱动下带动钻孔驱动模块73进行运动。套管74设置于钻孔驱动模块73的表面，套管74远离钻孔驱动模块73的端面均匀设置多个压力传感器75。钻杆76和钻头77位于套管74的内部，钻杆76为空心结构，钻杆76上设置有屑槽，屑槽呈螺旋状，用于对磨掉的骨屑进行收集，钻头77内部设置有电涡流传感器78，电涡流传感器78通过钻杆76内部设置的导线连接钻孔驱动模块73。钻孔驱动模块73内部设置有旋转驱动电机、电涡流比对模块、辅助信息获取模块和转速控制单元，电涡流比对模块将监测到的电涡流信号与预先设定的标准值进行比较，判断当前钻头的位置，位置具体包括骨皮质、骨松质和软组织，辅助信息获取模块用于获取压力传感器的数据，转速控制单元根据当前钻头的位置和压力传感器的数据控制前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度，具体包括：根据当前钻头的位置和手术的钻孔需求判断钻头是否处于预警区间，如果钻头处于非预警区间，说明钻头可以正常工作，根据压力传感器的数据判断当前位置的骨骼组织硬度，对应调整前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度，如果钻头处于预警区间，说明钻头已经邻近目标位置，将前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度降低为最小值，判断当前钻头的位置是否满足手术要求，一旦满足要求，立即控制前后驱动电机和旋转驱动电机停止工作。

控制模块2包括处理器和显示装置。控制模块的功能包括：1)通过处理器控制激光器、机械臂、工作部件切换装置、激光辅助装置和机械钻孔装置的工作状态，具体工作过程包括获取目标打孔位置的具体坐标，通过机械臂调整激光辅助装置的对准位置，使其对准目标打孔位置，激光辅助装置进行工作，在骨组织表面形成定位孔，工作部件切换装置进行旋转，将激光辅助装置和机械钻孔装置的位置进行互换，控制机械钻孔装置伸入定位孔，控制机械钻孔装置进行工作，获取符合手术需求的孔；2)通过显示装置展示手术区域的三维模型，借助处理器运算得到的数据动态显示当前的钻孔进度，具体地，在激光辅助装置工作时，处理器根据CCD定位相机获取定位孔的实际深度，在机械钻孔装置工作时，处理器根据前后驱动电机的转动速度获取钻头的行进距离。

本发明通过激光辅助装置去除骨组织外的软组织，简化了手术过程，并且，通过激光辅助装置形成定位孔，保证钻头工作的稳定性，防止打滑，与此同时，本发明在机械钻孔的过程中，检测不同位置的骨骼组织硬度，适应性地调整前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度，实现钻孔强度的智能化调整。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述骨科脊柱微创手术钻包括激光器、控制模块、机械臂、工作部件切换装置、激光辅助装置和机械钻孔装置，所述控制模块设置于所述激光器的上方，所述机械臂设置于所述激光器的侧面，所述工作部件切换装置连接所述机械臂，所述激光辅助装置和所述机械钻孔装置设置于所述工作部件切换装置的相对位置，所述激光辅助打孔装置通过光纤连接所述激光器。

2.根据权利要求1所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述激光器为输出波长2um的铥激光器。

3.根据权利要求1所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述工作部件切换装置为圆盘结构，可以在电机的驱动下进行旋转，选择激光辅助装置或机械钻孔装置对骨组织进行操作。

4.根据权利要求1所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述激光辅助装置包括固定件、步进电机、空心轴丝杠、可移动部件、CCD定位相机、光纤套管和吸收装置，所述固定件安装于所述工作部件切换装置，所述空心轴丝杠设置于所述固定件的内部，连接所述步进电机和所述可移动部件，所述吸收装置设置于所述可移动部件的内部，所述吸收装置的吸气口、所述CCD定位相机和所述光纤套管均位于所述可移动部件的表面。

5.根据权利要求4所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述光纤依次通过所述固定件、所述空心轴丝杠和所述可移动部件到达所述光纤套管，所述吸收装置的吸气口和所述CCD定位相机均位于所述光纤套管的内部，所述CCD定位相机位于所述光纤套管的中心位置，N根光纤环绕所述CCD定位相机，所述吸气口设置于光纤之间，N≥2。

6.根据权利要求5所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述激光辅助装置的工作过程为通过机械臂调整光纤套管的对准位置，使得光纤套管对准目标打孔位置，在CCD定位相机的监督下，通过步进电机移动可移动部件，使得光纤套管的端面距离骨组织外的软组织2mm，开启激光器，在CCD定位相机的监督下通过激光去除骨组织外的软组织，关闭激光器，在CCD定位相机的监督下，通过步进电机再次移动可移动部件，使得光纤套管的端面距离骨组织2mm，开启激光器，在CCD定位相机的监督下通过激光在骨组织表面形成定位孔，关闭激光器，通过步进电机移动可移动部件，使得可移动部件返回初始位置，在激光器的工作过程中，启动吸收装置，将产生的烟雾、残渣和水汽吸收。

7.根据权利要求1所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述机械钻孔装置包括外管、内杆、钻孔驱动模块、套管、钻杆和钻头，所述外管内部设置有前后驱动电机，所述内杆设置于所述外管内部，连接所述钻孔驱动模块，所述套管设置于所述钻孔驱动模块的表面，所述套管远离所述钻孔驱动模块的端面均匀设置多个压力传感器，所述钻杆和所述钻头位于所述套管的内部，所述钻头内部设置有电涡流传感器。

8.根据权利要求7所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述钻孔驱动模块内部设置有旋转驱动电机、电涡流比对模块、辅助信息获取模块和转速控制单元，所述电涡流比对模块将监测到的电涡流信号与预先设定的标准值进行比较，判断当前钻头的位置，所述辅助信息获取模块用于获取压力传感器的数据，所述转速控制单元根据当前钻头的位置和压力传感器的数据控制前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度。

9.根据权利要求8所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述转速控制单元的具体工作过程包括根据当前钻头的位置和手术的钻孔需求判断钻头是否处于预警区间，如果钻头处于非预警区间，根据压力传感器的数据判断当前位置的骨骼组织硬度，对应调整前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度，如果钻头处于预警区间，将前后驱动电机和旋转驱动电机的转动速度降低为最小值，判断当前钻头的位置是否满足手术要求，一旦满足要求，立即控制前后驱动电机和旋转驱动电机停止工作。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的骨科脊柱微创手术钻，其特征在于，所述控制模块包括处理器和显示装置。