CN214857401U - 一体化系统结构装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一体化系统结构装置，包括病床和手术机器人，手术机器人包括X射线机，机械臂和标尺；机械臂的基座通过连接基座安装在X射线机上，机械臂的活动末端安装有标尺；X射线机包括驱动装置和C臂；机械臂设置于C臂一侧。本实用新型有效整合医学影像和手术机器人，辅助医生更安全精准完成骨科手术，复杂手术简单化，常规手术微创化；且大幅减少机器使用物料成本及使用空间。

Description

一体化系统结构装置

技术领域

本实用新型涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一体化系统结构装置。

背景技术

全球骨科疾病发病率近年来逐步提高，精准治疗成为骨科手术未来的发展方向。随着医疗影像和器械技术的进步，基于机械臂技术的手术机器人被越来越多地与医疗影像数据结合，并参与辅助医生的手术过程，极大方便了医生的操作，同时提升了手术精度。由于传统手术机器人辅助系统与医学成像设备各自是一套完整系统，术前需要在病人的患病部位附近放入标尺进行术中三维扫描，便于两者坐标配准实现已经过规划的手术导航方案。

目前现有的系统解决方案下，医学成像设备和机器人是两套分离的系统，均会占用紧张的床边空间资源。同时为了保证两套系统对靶点物理空间位置的一致性，标尺是术前甚至术中必需的配准工具。一旦病人手术部位产生位移，则必须重新配准校验，以免植入发生偏差。而标尺的使用会同时占用不大的可用成像视野和实际物理空间，对于手术实施造成一定的局限。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一体化系统结构装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现有效整合医学影像和手术机器人，辅助医生更安全精准完成骨科手术，复杂手术简单化，常规手术微创化。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一体化系统结构装置，包括病床和手术机器人，所述手术机器人包括X射线机，机械臂和标尺；所述机械臂的基座通过连接基座安装在所述X射线机上，所述机械臂的活动末端安装有所述标尺；所述X射线机包括驱动装置和C臂；所述机械臂设置于所述C臂一侧。

所述机械臂还包括肩部，肘部和至少三个活动腕；且所述基座，肩部，肘部和活动腕依次转动连接。

优选的，所述机械臂至少为6轴机械臂，以保证工作时存在足够的自由度，使标尺的坐标精确。

所述驱动装置包括机架，底座，电机轴和滑车机构；所述机架固定安装于所述底座上；所述电机轴水平设置，且电机轴的输出端与所述滑车机构转动连接；所述滑车机构的连接轨道与所述C臂滑动连接。

优选的，通过电机轴水平方向的位移实现整机的推进，通过滑车机构实现C臂的调度选定，及滑车机构自身的旋转扩大C壁调节自由度。

优选的，由于系统之间在软硬件层面的一体化设计，初始化阶段已经通过在机架内安装控制单元和外部标尺将作为术中二维/三维成像系统的C臂和作为手术辅助执行系统的机械臂结合，无须使用第三方红外追踪系统来实现机器人夹持器械末端的精确导航以及与成像系统之间的数据匹配。整个操作中仅需要术前对一套设备进行摆位，扫描并重建手术部位的三维图像，无须再进行图像系统和机械臂系统坐标配准。进行手术规划后按流程执行手术。

所述机架内还设置有升降机构；所述升降机构贯穿所述机架顶面与所述电机轴底部固定连接。

所述连接基座包括机械臂安装板，L型底座和固定安装板；所述机械臂安装板上开设有两组安装孔组，一组所述安装孔组固定安装有所述机械臂，另一所述安装孔组与所述底座螺纹连接；所述固定安装板固定安装于所述电机轴上，且所述固定安装板侧壁与所述L型底座固定连接。

所述L型底座上开设有与所述安装孔组对应的孔组；且所述L型底座孔组通孔的个数大于所述安装孔组通孔的个数。

所述C臂上安装有射线源，探测器和手持部；且所述射线源和探测器分别设置于所述C臂两端，且分设于所述病床两侧；所述手持部对称安装于所述C臂两侧，且弯曲弧度与所述C臂适配。

所述机架内安设有控制单元，内电源和弹簧平衡器；所述底座底部安装有滑轮。

优选的，控制单元包括至少包括二维/三维成像模块、机械臂控制执行模块和坐标数据配准算法模块；

二维/三维成像模块负责整个医学影像系统的数据通信，图像信息统一管理，包括患者档案，设备属性、成像设备校准、二维/三维图像扫描及重建等。

机械臂控制执行模块负责实时控制机械臂，尤其是其末端位置和姿态，保证所持有的标尺或手术器具能够达到指定位点并且保持一定姿态。与此同时，通过通信端口以TCP/IP协议传输机械臂当前状态，包括各关节角度，工具中心接触点(Tool Center Point，TCP)位姿，移动速度，加速度、安全电压电流限值等。用户可以实时监控机械臂状态反馈数据，根据手术过程中的场景需求加以约束和限定，保证使用安全。

数据配准算法模块负责读取二维/三维CT重建图像数据，负责标尺靶点分割，数据标定，坐标配准，正侧位二维图像与三维模型靶点配准更新，生成体数据目标位点。

本实用新型的主要优点：(1)大幅优化手术流程，从操作三个设备到只需操作一个设备，集成化用户中心可实现全部功能，包括图像读取，手术规划，机械臂状态反馈及定位控制；(2)大幅减少物料成本：(3)大幅减少空间占用：从占用手术床两侧空间到只需一边，极大节省紧张的床边资源，实现手术空间优化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型连接基座结构示意图。

图3为本实用新型系统模块图。

图4为本实用新型系统控制方法流程图。

图5为本实用新型系统坐标标定方法流程图。

其中，1-X射线机，2-机械臂，3-标尺，4-连接基座，5-C臂，6-机架，7-底座，8-电机轴，9-滑车机构，41-机械臂安装板，42-L型底座，43-固定安装板，44-安装孔组，51-射线源，52-探测器，53-手持部。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一体化系统结构装置，包括病床和手术机器人，手术机器人包括X射线机1，机械臂2和标尺3；机械臂2的基座通过连接基座4安装在X射线机1上，机械臂2的活动末端安装有标尺3；X射线机1包括驱动装置和C臂5；机械臂2设置于C臂5一侧。

机械臂2还包括肩部，肘部和至少三个活动腕；且基座，肩部，肘部和活动腕依次转动连接。

驱动装置包括机架6，底座7，电机轴8和滑车机构9；机架6固定安装于底座7上；电机轴8水平设置，且电机轴8的输出端与滑车机构9转动连接；滑车机构9的连接轨道与C臂5滑动连接。

机架6内还设置有升降机构；升降机构贯穿机架6顶面与电机轴8底部固定连接。

连接基座4包括机械臂安装板41，L型底座42和固定安装板43；机械臂安装板41上开设有两组安装孔组44，一组安装孔组44固定安装有机械臂2，另一安装孔组4与底座42螺纹连接；固定安装板43固定安装于电机轴8上，且固定安装板3侧壁与L型底座42固定连接。

L型底座42上开设有与安装孔组44对应的孔组；且L型底座42孔组通孔的个数大于安装孔组44通孔的个数。

C臂5上安装有射线源51，探测器52和手持部53；且射线源51和探测器52分别设置于C臂5两端，且分设于病床两侧；手持部53对称安装于C臂5两侧，且弯曲弧度与C臂5适配。

机架6内安设有控制单元，内电源和弹簧平衡器；底座7底部安装有滑轮。

在本实用新型的一个实施例中，如图4，一体化系统结构装置的控制方法，包括以下步骤：

T1、,在术中对患者手术部位进行三维扫描，通过图像重建得到三维体数据中的特征位点坐标，并进行手术路径规划；

T2、机械臂根据已有坐标转换关系矩阵，计算得到基于本身基座的可执行坐标指令；

T3、正式术前，对患者部位做低剂量正侧位透视，获得手术目标位点二维图像数据，与三维模型做配准；

T4、如果发现当前配准后目标位点与三维模型中的相应位点有偏差位移，则根据透视图像数据补偿更新原有手术规划。若没有偏差，则仅以当前位点数据做替换，保留原有手术规划；

T5、控制中心对确认的手术规划相关参数和数据完成转换，形成机械臂可执行指令，通过控制端口发送给机械臂执行手术辅助流程，实现器械的定位和导航。

T3中正侧位透视还可直接监控机械臂所夹持手术器械末端与患者手术部位的相对位置关系。

在本实用新型的一个实施例中，如图5，T1中对三维体数据中的特征位点坐标的标定步骤为：

将标尺固定在机械臂末端，并将标尺移动至C臂成像范围内；

对标尺进行3D扫描，得到标尺上的各靶点中心基于C臂空间体数据的坐标；

基于机械臂各关节距离及旋转角度数据，得到标尺上的各靶点中心基于机械臂的坐标；

基于上述步骤，得到C臂三维成像空间与机械臂基座之间的坐标转换参数。

在本实用新型的另一个实施例中，如图2，安装孔组44为不对称孔组，绕机械臂安装板1设置有7个，L形底座42上对应位置的孔组为对称孔组设置有8个；使得机械臂安装板41通过调整螺纹安装位置实现与L形底座42的位置和角度，使机械臂2可适应由滑车机构9旋转形成的各个角度。

在本实用新型的又一个实施例中，滑车机构9内安装有至少两个无刷伺服电机。

在本实用新型的再一个实施例中，通过升降手摇臂实现升降机构的上下移动。

在本实用新型的又一个实施例中，对手术的辅助过程为：对患者需要手术部位进行三维扫描，根据成像数据重建出三维模型，靶点坐标。规划好的手术路径及相关参数使用调取的标定配置文件转换为机械臂执行指令。正式术前，对同一部位做正侧位低剂量扫描，获得二维投影图像。此时，将图像处理所得靶点目标与三维重建模型中的靶点坐标做匹配，如果发现产生一定位移，则以当前坐标更新手术规划，重新生成规划路径并转换为机械臂执行指令。否则，无需更新手术规划，机械臂按原路径继续执行指令。控制中心实时监控机械臂反馈状态数据，发送指令控制其运动，辅助实施手术。

本实用新型的主要优点：(1)大幅优化手术流程，从操作三个设备到只需操作一个设备，集成化用户中心可实现全部功能，包括图像读取，手术规划，机械臂状态反馈及定位控制；(2)大幅减少物料成本：(3)大幅减少空间占用：从占用手术床两侧空间到只需一边，极大节省紧张的床边资源，实现手术空间优化。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一体化系统结构装置，包括病床和手术机器人，其特征在于：所述手术机器人包括X射线机(1)，机械臂(2)和标尺(3)；所述机械臂(2)的基座通过连接基座(4)安装在所述X射线机(1)上，所述机械臂(2)的活动末端安装有所述标尺(3)；所述X射线机(1)包括驱动装置和C臂(5)；所述机械臂(2)设置于所述C臂(5)一侧。

2.根据权利要求1所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述机械臂(2)还包括肩部，肘部和至少三个活动腕；且所述基座，肩部，肘部和活动腕依次转动连接。

3.根据权利要求1所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述驱动装置包括机架(6)，底座(7)，电机轴(8)和滑车机构(9)；所述机架(6)固定安装于所述底座(7)上；所述电机轴(8)水平设置，且电机轴(8)的输出端与所述滑车机构(9)转动连接；所述滑车机构(9)的连接轨道与所述C臂(5)滑动连接。

4.根据权利要求3所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述机架(6)内还设置有升降机构；所述升降机构贯穿所述机架(6)顶面与所述电机轴(8)底部固定连接。

5.根据权利要求3所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述连接基座(4)包括机械臂安装板(41)，L型底座(42)和固定安装板(43)；所述机械臂安装板(41)上开设有两组安装孔组(44)，一组所述安装孔组(44)固定安装有所述机械臂(2)，另一所述安装孔组(4)与所述底座(42)螺纹连接；所述固定安装板(43)固定安装于所述电机轴(8)上，且所述固定安装板(3)侧壁与所述L型底座(42)固定连接。

6.根据权利要求5所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述L型底座(42)上开设有与所述安装孔组(44)对应的孔组；且所述L型底座(42)孔组通孔的个数大于所述安装孔组(44)通孔的个数。

7.根据权利要求1所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述C臂(5)上安装有射线源(51)，探测器(52)和手持部(53)；且所述射线源(51)和探测器(52)分别设置于所述C臂(5)两端，且分设于所述病床两侧；所述手持部(53)对称安装于所述C臂(5)两侧，且弯曲弧度与所述C臂(5)适配。

8.根据权利要求3所述的一体化系统结构装置，其特征在于：所述机架(6)内安设有控制单元，内电源和弹簧平衡器；所述底座(7)底部安装有滑轮。

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