基於單坐標系操控的關節手術機器人的製作方法
2023-05-26 21:40:16
專利名稱：基於單坐標系操控的關節手術機器人的製作方法
基於單坐標系操控的關節手術機器人本發明屬於一種醫療手術器械。關節疾病是常見病、多發病，如風溼、類風溼、骨性關節炎等，目前全世界每年都有成千上萬的患者進行關節置換，手術的效果主要取決於手術定位和假體安裝的精度。以全膝關節置換手術為例，目前進行定位的方法主要有傳統的人工全膝關節置換、計算機或機器人輔助膝關節手術等，前者術中定位切割依靠各種各樣的夾具系統，定位精度主要依賴於醫生的經驗，增加了手術的不確定性，影響了假體安裝的精度及膝關節運動功能的重建； 後者都要建立兩個或以上的坐標系，如美國的Robodoc手術機器人，為了對股骨頭中心定位，要先做一次專門的手術，在股骨上植入標誌鈦釘，再對股骨進行CT掃描，重建出股骨三維模型，通過三維模型所在的虛擬坐標系同機器人的坐標系匹配方能實現股骨定位。英國的ACRobot和瑞士的Galileo手術機器人也都採用類似方法進行股骨定位。國內研發的華佗關節機器人測定股骨頭中心時，無術前CT掃描三維重建定位，而是採取「已知球面上若干點(不共平面點的個數多於幻可求出球心」的基本原理，在保證股骨頭中心位置不變的情況下，改變股骨遠端位置，可以測量得到股骨遠端表面上不同位置的某點，用該點坐標的數據組來求解股骨頭中心坐標。然後將攝像機坐標系、股骨坐標系、股骨標誌點坐標系等與機器人坐標系的進行匹配，實現手術操作。由於人體並非剛體且躺在包含軟面的手術臺上， 即便在使用固定帶的情況下，轉動下肢改變股骨遠端位置時要「保證股骨頭中心位置不變」 也是很難實現的，這樣測量股骨遠端表面上某點的坐標就難以做到精準。由此可見，上述這些機器人手術方法存在一些不足之處具有多個坐標系，需多次匹配，複雜度高，精度易受影響，且操作繁瑣，手術中股骨位置一旦發生改變，重匹配算法尤為複雜。此外，有的還需要專門另外進行一次植入鈦釘的定位手術，使病人皮、肉、骨多受損傷，增加了患者的痛苦。本發明的目的是提供一種基於單坐標系操控的高精度、快速高效的關節手術機器人。本發明的技術方案是這樣實現的。該關節手術機器人由移動單元、測量系統和主控系統三部分組成。移動單元包括手術臺車、X方向(指手術臺長軸方向)移動導軌、電機和旋轉切削機構、Y方向(指手術臺短軸方向)移動導軌和電機、Z(指與手術臺垂直方向) 方向移動導軌和旋轉機構等。測量系統包括探針等。主控系統由控制臺、計算機、手控器、 外部場景顯示系統、電機驅動器、控制軟體等組成。以全膝關節置換手術為例，其主要操作過程如下首先對股骨進行CT掃描並三維重建，分別測量股骨頭中心點至股骨上表平面延長剖面與股骨內髁邊緣的交點、外髁邊緣的交點以及股骨髁間窩中心點的距離。切開膝關節顯露股骨遠端後，牢固固定股骨，用該機器人測量系統的探針探得股骨上表平面延長剖面與股骨內髁邊緣的交點、外髁邊緣的交點以及股骨髁間窩中心點三點的坐標，這三點與股骨頭中心點在空間形成一個不規則的錐形，由於這三點的坐標及它們到股骨頭中心點的長度為已知，故主控系統可計算出股骨頭中心點的坐標，如此可確定下肢的力學軸線即股骨頭中心點到股骨髁間窩中心點的連線在機器人自身一個運動坐標系中的坐標，機器人主控系統的切割控制軟體可據此確定股骨遠端截骨面並進行切割。同理，脛骨切削的定位技術與之類似，可以按照股骨定位技術的原理進行。
本發明的結構結合附圖詳述如下。脊柱微創手術機器人由由移動單元和主控系統二部分組成。移動單元包括手術臺車6、X方向(指手術臺長軸方向)移動機構光槓8、絲槓9、電機5、旋轉切削電機3、切削刀頭4等；Y方向(指手術臺短軸方向)移動機構導軌7和電機10及旋轉電機1等；、Z 方向(指與手術臺垂直方向)移動機構導軌和電機2及旋轉機構和旋轉電機11等。移動單元可從可拆卸機構12處拆開，以便消毒和清理。主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統、電機驅動器、控制軟體等組成。首先對股骨和脛骨進行CT掃描並三維重建，分別測量股骨頭中心點(D)至股骨上表平面延長剖面與內髁邊緣的交點(A)、外髁邊緣的交點(B以及股骨髁間窩(C)的距離DA、DB和DC。切開膝關節顯露股骨遠端後，用固定夾牢固固定股骨，用該機器人的探針探得A、B、C三點的坐標:A(X1, Yl, Zl)，B(X2，Y2，Z2)， C(X3，Y3，Z3)，由於DA, DB和DC長度已測知，故可計算出D的坐標D(X4，Y4，Z4)，下肢的力學軸線即D點到C點連線在機器人自身一個坐標系中的坐標從而被確定，據此機器人主控系統的切割控制軟體可生成截骨平面，以股骨遠端最低點為基準確定截骨厚度後，由機器人切削刀頭截出股骨遠端截骨五個平面。本發明具有以下優點定位及切削精度高、快速高效等優勢，不需要多坐標系相互匹配，操作簡便，能降低醫生的工作強度，可進行遠程手術，適用於多種關節置換手術。說明書
1.電機2.電機3.電機4.切削刀頭5.電機6.手術臺車7.導軌8.光槓 9.絲槓10.電機11.電機12.可拆卸機構圖1 基於單坐標系操控的關節手術機器人主視2 基於單坐標系操控的關節手術機器人俯視3 基於單坐標系操控的關節手術機器人左視圖
權利要求
1.一種基於單坐標系操控的關節手術機器人，它由它由移動單元、測量系統和主控系統組成，具有六個自由度。移動單元包括手術臺車、X方向移動導軌、電機和旋轉切削機構、 Y方向移動導軌和電機、Z方向移動導軌和旋轉機構等。測量系統有探針等。主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統、電機驅動器、控制軟體等組成。其特徵在於術前在欲手術骨的表面或內部至少取四個點並測量其相互之間的距離，術中核實骨表面的點並將其在該機器人的運動的坐標系中確定坐標位置，再根據各點間的相互距離計算出骨內部所取點的坐標，機器人通過其自身運動的一個坐標系進行操控，完成欲換表面骨的各個截骨面的定位並切削。
2.根據權力要求1所述的基於單坐標系操控的關節手術機器人，其特徵在於移動單元有可拆開用於消毒的機構。
全文摘要
一種關節手術機器人，它由移動單元、測量系統和主控系統組成，具有六個自由度。其特徵在於術前在欲手術骨的表面或內部至少取四個點並測量其相互之間的距離，術中該機器人的測量系統核准骨表面的點，主控系統確定這些點在機器人運動坐標系中坐標位置，再根據各點間的相互距離計算出骨內部所取點的坐標，機器人通過其自身運動的一個坐標系進行操控，完成欲換表面骨的各個截骨面的定位並切削。它具有定位及切削精度高、快速高效等優勢，不需要多坐標系相互匹配，操作簡便，能降低醫生的工作強度，可進行遠程手術，適用於多種關節置換手術。1.電機 2.電機 3.電機 4.切削刀頭 5.電機 6.手術臺車 7.導軌 8.光槓 9.絲槓 10.電機 11.電機 12.可拆卸機構。
文檔編號A61B17/3209GK102188279SQ20101013112
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者張春霖 申請人:張春霖