CN202146362U - 一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，包括七自由度机械臂、操纵杆、与机械臂相匹配的手术器械、固定机械臂的基座以及设置于基座内的网络控制器。该机械臂不仅能够实现术中实时导航，而且能够通过网络控制器，实现机械臂获取并处理来自光学空间定位导航仪的坐标信息，将感知信息转变为机械臂指令从而实现机械臂的可控性行为，提高了导航可视下操作的精度，从而使手术更加稳定、精确，有效改善颅颌面骨整复的手术效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学定位正颌外科导航手术技术，更具体地讲，涉及一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂。
背景技术
ROBODOC是全球第一台骨科专用手术机器人产品，已于1994年通过FDA认证，其主要应用在于全膝关节置换手术。ROBODOC系统为主动式机器人，其结构包括一台用于术前规划的计算机（ORTHODOC），一台可安装抓持、切削器械的5自由度机械臂，以及一个机器人操作平台。全膝关节置换术术前，ORTHODOC利用CT信息重建膝关节三维结构模型并选取最优化的手术方案，然后将数据（包括手术计划）通过编程传送给ROBODOC，术中采用三钛钉基准法注册辅助术中导航，ROBODOC执行操作指令自主完成切削操作，为关节置换预备骨腔通道。但目前尚无专用于颅颌面整复手术的专用外科机器人产品。
颅颌面整复手术由于解剖结构的复杂性和治疗目的的特殊性，必须以最小的创伤完成精确的术中定位操作。传统的技术方法对此却缺乏有效的治疗手段，阻碍了该领域的进一步发展和深入。目前，颅颌面整复常规手术难以克服切口较大、术野不清晰、临床操作的不稳定性等难点。除去医生技术的局限外，主要问题还是手术精度的问题，包括位置定位精度和医生手术中的执行精度。而引入计算机导航技术就能够很好的解决位置定位精度，引入多自由度机械臂进行辅助手术操作就能够很好的解决医生的手术执行精度问题。
光学导航定位跟踪系统通过传感器接收来自安装于手术器械、解剖位置的示踪器信号，从而获得示踪器的相对空间位置，配准术前基于患者影像学资料建立的颅颌面骨三维可视计算机模型，达到手术当中的实时成像，精确执行术前在重建的三维模型上制定的手术计划，能够有效减少手术时间、提高手术精度、减轻并发症等。但当前的导航技术的应用还是主要集中在术前三维重建和手术计划的确定及模拟，以及术中手术器械的定位，导航精度可达0.3-1mm，常规术者由于操作不稳定等原因难以实现这一效果。
机械臂在三维空间精细动作具有高度准确性，避免了由人手持器械造成不稳定带来的误差和损伤，具有高精度、高可靠性和微创等显著优点。目前国内尚无开发专用于颅颌面整复手术的医用机械臂，而常规医用专业机械臂专用机械臂研制成本高、设计制作周期长，精度和可靠性等性能也难以保证，风险较大，且价格昂贵，无法实现广泛推广应用。工业机械臂在各领域广泛的应用中已经证实其在操作灵活性、稳定性及准确性方面的优势，为解决外科手术中存在的精度不高、辐射过多、切口过大、操作疲劳等问题提供可能。但由于设计需要的不同，其灵活性、精确性等都还难以达到临床要求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种颅颌面整复手术中位置定位精准、手术中执行精度高的基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂。
为实现以上目的，本实用新型公开以下技术方案：一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，包括七自由度机械臂、操纵杆、与机械臂相匹配的手术器械、固定机械臂的基座以及设置于基座内的网络控制器。
所述七自由度机械臂包括肩关节三个自由度、肘关节三个自由度以及腕关节一个自由度，所述七自由度机械臂由七个伺服电机驱动。
操纵杆设置在机械臂腕关节处。
机械臂末端设置与手术器械连接的末端执行器，所述末端执行器与手术器械的接口为法兰式接口或可脱卸接口。
所述手术器械指截骨工具或钻骨工具；所述截骨工具或钻骨工具包括定位跟踪器。
所述网络控制器包括数据库模块、坐标变换和控制算法模块、网络控制器-导航仪接口模块、机械臂驱动模块、人机界面模块。
手术器械和机械臂关节点上设置用于光学导航的标志点。
机械臂上设置力传感器、碰撞传感器或者接近传感器中的一种或几种；此时，网络控制器包括数据库模块、坐标变换和控制算法模块、网络控制器-导航仪接口模块、机械臂驱动模块、人机界面模块以及传感器数据采集模块。
本实用新型的优点在于：该机械臂通过设计额外的网络控制器，机械臂能与光学空间定位导航系统相配合，接受来自后者的指令，执行颅颌面整复手术中骨切削及磨钻等操作，从而提供一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂。该机械臂不仅能够实现术中实时导航，而且能够通过网络控制器，实现机械臂获取并处理来自光学空间定位导航仪的坐标信息，将感知信息转变为机械臂指令从而实现机械臂的可控性行为，提高了导航可视下操作的精度，从而使手术更加稳定、精确，有效改善颅颌面骨整复的手术效果。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的手术器械，其中，图2-1为定为跟踪器；图2-2为定位导航截骨工具；图2-3为定位导航钻骨工具。
图3为本实用新型的操作示意图。
图中所示标号如下：1、2、3——肩关节自由度；4、5、6——肘关节自由度；7——腕关节自由度；8——基座；9——肩部；10——肘部；11——腕部；12——操纵杆；13——末端执行器；14——网络控制器；15——导航仪。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细说明，实施例的作用仅是解释而非限定本实用新型。
实施例1
如图1所示，基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，包括七自由度机械臂、操纵杆12、与机械臂相匹配的手术器械、固定机械臂的基座8以及设置于基座内的网络控制器14。
所述七自由度机械臂包括肩关节三个自由度1、2、3，肘关节三个自由度4、5、6，以及腕关节自由度7串联组装而成形成七个自由度，所述七自由度机械臂由具有7个自由度的伺服电机驱动。所谓自由度，参照机械领域的常规理解，在本发明中可以理解为本机械臂可以按照图1中标号1—7处所指向的7个箭头表示的方向分别做自由转动，从而灵活、精确定位手术器械的位置。
操纵杆12设置在机械臂腕关节处。
机械臂末端设置与手术器械连接的末端执行器13，所述末端执行器与手术器械的接口为法兰式接口或可脱卸接口。如果是单一器械可以采用简单的法兰式连接，如果手术中还需更换器械则还要设计可脱卸接口。
如图2所示，手术器械包括截骨工具2-2和钻骨工具2-3；所述截骨工具2-2和钻骨工具2-3可以安装定位跟踪器2-1。定位跟踪器2-1通过发射红外线信号被装配有光学传感器的摄像机接收，通过配准，外科医生可通过显示器准确判断出安装有定位跟踪器2-1的手术器械与手术对象的动态空间关系。截骨工具2-2和钻骨工具2-3选用颅颌面整复手术通用手术器械，通过安装定位跟踪器2-1，实现术中实时导航定位。
操作中，机械臂需要与光学定位导航系统配合使用，网络控制器14通过网络与光学定位导航系统连接，接受其指令和数据，进行相关的坐标变换和控制算法处理，转化为机械臂的运动控制指令，以远程控制方式控制机械臂运动。网络控制器14包括数据库模块、坐标变换和控制算法模块、网络控制器-导航仪接口模块、机械臂驱动模块、人机界面模块。
手术器械和机械臂关节点上设置用于光学导航的标志点（图示未画出）。
为了增强机械臂的安全性，还需要增加力传感器、碰撞传感器、接近传感器等安全措施（图示未画出），此时，网络控制器相应增加传感器数据采集模块。
如图3所示，在操作中，需要一个光学导航仪15，执行颅颌面整复手术时，末端执行器13根据手术需要安装图2中所示手术器械，术者通过操作杆12将机械臂移动到手术部位，网络控制器14实现机械臂与导航仪15的通讯连接，光学导航仪15提供光学导航实时定位，机械臂根据网络控制器14接受的指令执行操作。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1. 一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，包括七自由度机械臂、操纵杆、与机械臂相匹配的手术器械、固定机械臂的基座以及设置于基座内的网络控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，所述七自由度机械臂包括肩关节三个自由度、肘关节三个自由度以及腕关节一个自由度，所述七自由度机械臂由七个伺服电机驱动。
3. 根据权利要求2所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，操纵杆设置在机械臂腕关节处。
4. 根据权利要求1所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，机械臂末端设置与手术器械连接的末端执行器，所述末端执行器与手术器械的接口为法兰式接口或可脱卸接口。
5. 根据权利要求1所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，所述手术器械指截骨工具或钻骨工具。
6. 根据权利要求5所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，所述截骨工具或钻骨工具包括定位跟踪器。
7. 根据权利要求1所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，所述网络控制器包括数据库模块、坐标变换和控制算法模块、网络控制器-导航仪接口模块、机械臂驱动模块、人机界面模块。
8. 根据权利要求1所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，手术器械和机械臂关节点上设置用于光学导航的标志点。
9. 根据权利要求1所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，机械臂上设置力传感器、碰撞传感器或者接近传感器中的一种或几种。
10. 根据权利要求9所述的一种基于光学导航七自由度颅颌面手术辅助机械臂，其特征在于，网络控制器包括数据库模块、坐标变换和控制算法模块、网络控制器-导航仪接口模块、机械臂驱动模块、人机界面模块以及传感器数据采集模块。
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