一種骨科機器人導航定位裝置製造方法
2023-07-10 19:07:31 2
一種骨科機器人導航定位裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種骨科機器人導航定位裝置，設置由定位平臺、X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置、直杆型導向裝置組成的三自由度雙平面定位機構和水平調整組件、高度調整組件、控制面板；通過設置高度調整組件和水平調整組件，使得三自由度雙平面定位機構從整體上實現高度和水平方向的調整，大大提高了骨科機器人導航裝置的靈活性，縮短手術時間，從而手術更加方便。本發明的機械臂具有三個自由度，能夠全方位捕捉導航工具的位置信息，安全可靠，導航工具反射紅外線，實現被動式紅外光學定位，操作簡單，定位系統的圖像處理模塊可以根據具有紅外採集功能的攝像頭採集到的紅外數據轉換為三維坐標系內的數據點，提高了定位的精確性。
【專利說明】一種骨科機器人導航定位裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於醫療器械【技術領域】，尤其涉及一種骨科機器人導航定位裝置。
【背景技術】
[0002]目前，隨著創傷骨科治療技術的不斷的進步和完善，已經從傳統的開放型的切開復位及固定方式，發展為閉合復位和微創固定方式，藉助這種新的治療手段，從根本上避免了由於傷患部位切開而造成的二次傷害，降低了患者受到感染的機率，使患者的恢復時間也大大的縮短。目前骨科微創手術已成為創傷骨科發展的主要方向。這種新型手術方式可以說是廣大患者的福音，但也存在一些弊病。由於是閉合復位和微創固定，這就決定了很多工作要暴露在X光下完成，在手術過程中輻射出的大量X射線容易對患者和手術醫生的健康造成嚴重的威脅甚至傷害，尤其是對於手術醫生，長時間的X射線輻射會造成免疫力低下等一系列健康問題。目前世界上很多國家都致力於開發各種新型的導航技術，以提高微創手術的精度，並儘可能減少手術醫生和患者在手術中所受到的X射線輻射。
【發明內容】
[0003]本發明實施例的目的在於提供一種骨科機器人導航定位裝置，旨在提高骨科手術的精度，並儘可能減少患者和醫生受到的X射線輻射。
[0004]本發明實施例是這 樣實現的，一種骨科機器人導航定位裝置，該骨科機器人導航定位裝置包括:三自由度雙平面定位機構、定位平臺、X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置、直杆型導向裝置、水平調整組件、高度調整組件、控制面板、機座、機座框架、萬向輪、X光光源、C型臂、X光成像裝置、計算機、骨科機器人導航裝置、導針、患肢、印表機、UPS電源、管狀直杆、伸縮管體、導向套筒；
[0005]定位平臺、X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置和直杆型導向裝置設置在三自由度雙平面定位機構內部，水平調整組件、高度調整組件和控制面板連接定位平臺，機座連接高度調整組件，機座設置在機座框架上，萬向輪設置在機座的底部，導針設置在骨科機器人導航裝置上，骨科機器人導航裝置連接計算機，計算機連接X光成像裝置、印表機和UPS電源，X光成像裝置通過C型臂連接X光光源，患肢設置在骨科機器人導航裝置的左側，導針設置在導向套筒的內部，伸縮管體設置在導向套筒的外側，管狀直杆設置在伸縮管體的外側。
[0006]進一步，X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置上設置有導軌或通過絲杆螺母作為驅動部件。
[0007]進一步，在X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置上設置傳感器或者顯示標尺刻度作為位移檢測裝置。
[0008]進一步，X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置在X、Y、Z三個方向自由度上滑動。
[0009]進一步，設置四個萬向輪。[0010]進一步，該骨科機器人導航定位裝置還包括:顯示器、支架、紅外光學定位器、導航工具、機械臂；
[0011]支架上設置有機械臂，紅外光學定位器安裝在機械臂上，紅外光學定位器與計算機相連接，計算機與顯示器相連接，導航工具連接計算機。
[0012]進一步，導航工具包括導航筆和安裝在導航筆端部的三個紅外反射球。
[0013]進一步， 機械臂具有三個自由度。
[0014]進一步，所述的紅外光學定位器包括:紅外發射和採集模塊、紅外信號處理電路、微處理器模塊、無線收發模塊、供電模塊；所述紅外發射和採集模塊包括不少於一個紅外發射器和三個具有紅外採集功能的攝像頭；
[0015]所述的紅外信號處理電路連接在紅外發射和採集模塊上面，所述的微處理器模塊連接在紅外信號處理電路的後面，通過微處理器模塊接收由紅外信號處理電路處理過的三維的紅外數據信號，然後微處理器模塊進行進一步的處理，處理完成之後，微處理器模塊將處理完成的三維紅外信號通過無線收發模塊發送到區域網內的電腦主機。
[0016]進一步，所述無線收發模塊採用的是WIFI模塊。
[0017]進一步，供電模塊為整個紅外光學定位器提供必要的電源。
[0018]本發明提供的骨科機器人導航定位裝置，放置在患肢的側面進行手術，直杆型導向裝置的位置和方向一旦確定，手術路徑就能夠實現空間上的準確的固定，省去了加工U型架時的複雜工藝，降低了成本，同時解決了 U型架由於時效變形原因導致定位不準確帶來誤差的問題，此外，由於本發明的骨科機器人導航裝置是在患肢的側面手術，只要導針位置精確確定，就可以將該導針插入到患肢內，可以在大範圍內調整該骨科機器人導航裝置與患者的相對位置，且調節方便靈活，操作也十分簡便，能夠避開零部件對醫生操作的阻擋幹涉，容易得到骨科機器人導航裝置最佳的擺放位置，提高了該裝置的順應性，打破了現有技術中由於在定位架內部放置患肢造成的對手術部位的局限性。
[0019]本發明通過設置高度調整組件，使得三自由度雙平面定位機構可以從整體上實現高度方向的大幅度調整，從而可以根據在手術床上的患肢所處於的高度對三自由度雙平面定位機構作相應調整，使骨科機器人導航裝置被調整到最佳的擺放位置，大大提高了骨科機器人導航裝置的靈活性，縮短手術時間，從而手術更加方便。同理，本發明骨科機器人導航裝置通過設置水平調整組件，使得三自由度雙平面定位機構可以從整體上實現水平方向的大幅度調整，從而可以根據在手術床上的患肢所處於的位置對三自由度雙平面定位機構作相應調整，使骨科機器人導航裝置被調整到最佳的擺放位置，避免了由於骨科機器人導航裝置擺放位置不合理對醫生手術動作造成的阻礙。
[0020]本發明的機械臂具有三個自由度，能夠全方位捕捉導航工具的位置信息，安全可靠，導航工具反射紅外線，實現被動式紅外光學定位，操作簡單，定位系統的圖像處理模塊可以根據具有紅外採集功能的攝像頭採集到的紅外數據轉換為三維坐標系內的數據點，定位精確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明實施例提供的骨科機器人導航定位裝置的結構示意圖；
[0022]圖2是本發明實施例提供的定位平臺的結構示意圖；[0023]圖3是本發明實施例提供的直杆型導向裝置的結構示意圖；
[0024]圖4是本發明實施例提供的電腦主機、顯示器和支架的結構示意圖；
[0025]圖5是本發明實施例提供的紅外光學定位器的結構示意圖。
[0026]圖中:1、三自由度雙平面定位機構；2、定位平臺；3、X方向定位裝置；4、Y方向定位裝置；5、Z方向定位裝置；6、直杆型導向裝置；7、水平調整組件；8、高度調整組件；9、控制面板；10、機座；11、機座框架；12、萬向輪；13、X光光源；14、C型臂；15、X光成像裝置；16、計算機；17、骨科機器人導航裝置；18、導針；19、患肢；20、印表機；21、UPS電源；22、管狀直杆；23、伸縮管體；24、導向套筒；25、顯示器；26、支架；27、紅外光學定位器；28、導航工具；29、機械臂；30、紅外發射和採集模塊；31、紅外信號處理電路；32、微處理器模塊；33、無線收發模塊；34、供電模塊。
【具體實施方式】
[0027]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0028]下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。
[0029]如圖1所示，本發明實施例的骨科機器人導航定位裝置主要由三自由度雙平面定位機構1、定位平臺2、X方向定位裝置3、Y方向定位裝置4、Z方向定位裝置5、直杆型導向裝置6、水平調整組件7、高度調整組件8、控制面板9、機座IO、機座框架11、萬向輪12、X光光源13、C型臂14、X光成像裝置15、計算機16、骨科機器人導航裝置17、導針18、患肢19、印表機20、UPS電源21、管狀直杆22、伸縮管體23、導向套筒24組成；
[0030]定位平臺2、X方向定位裝置3、Y方向定位裝置4、Z方向定位裝置5和直杆型導向裝置6設置在三自由度雙平面定位機構I內部，水平調整組件7、高度調整組件8和控制面板9連接定位平臺2，機座10連接高度調整組件8，機座10設置在機座框架11上，萬向輪12設置在機座10的底部，導針18設置在骨科機器人導航裝置17上，骨科機器人導航裝置17連接計算機16，計算機16連接X光成像裝置15、印表機20和UPS電源21，X光成像裝置15通過C型臂14連接X光光源13，患肢19設置在骨科機器人導航裝置17的左側，導針18設置在導向套筒24的內部，伸縮管體23設置在導向套筒24的外側，管狀直杆22設置在伸縮管體23的外側。
[0031]在本發明的實施例中:
[0032]如圖1所示，三自由度雙平面定位機構I設置於機座10上方並與機座10相連，三自由度雙平面定位機構I包括定位平臺2、x方向定位裝置3、Y方向定位裝置4、Ζ方向定位裝置5和直杆型導向裝置6，定位平臺2與機座10相連，直杆型導向裝置6與Z方向定位裝置5相連來實現自身的定位。X方向定位裝置3、Υ方向定位裝置4、Ζ方向定位裝置5上均設置有導軌(也可以通過絲杆螺母作為驅動部件)，可以在X方向定位裝置3、Y方向定位裝置4、Z方向定位裝置5上設置傳感器或者顯示標尺刻度等作為位移檢測裝置，X方向定位裝置3、Y方向定位裝置4、Z方向定位裝置5可在X、Y、Z三個方向自由度上滑動，直杆型導向裝置6位於Z方向定位裝置5上，該直杆型導向裝置6固定後實現了自身定位，能夠實現自身的位置和方向上的準確定位，該直杆型導向裝置6最終能夠實現自由度的運動，故直杆型導向裝置6實質上是一個具有定位作用和導向作用的裝置。在最常用的將導針插入到患肢中的骨科微創導航手術時，患肢被放置在手術床上，本發明的骨科機器人導航裝置放置在手術床的側面進行直杆型導向裝置6的定位，將導向套筒24放入直杆型導向裝置4中，直杆型導向裝置6的位置和方向一旦確定,導向套筒24的位置及方向就隨之精確確定，將導針插入到導向套筒24內部，同時導針的位置及方向就隨之精確確定，所以醫生能夠將導針準確的插入到患肢內部進行手術。
[0033]如圖2所示，該系統包括圖1所示的骨科機器人導航裝置17，還包括C型臂14、計算機16及儲存在計算機16內的圖像控制操作軟體、印表機20和UPS電源21，骨科機器人導航裝置17放置在患肢19的側面，其中，C型臂14包括X光光源13和X光成像裝置15，X光光源15從兩個角度照射患肢19，並在X光成像裝置15上形成圖像，將該圖像採集後經過視頻數據線傳輸至計算機16內，經計算機16內的圖像控制操作軟體建立二維坐標體系並基於雙目視覺原理進行計算處理最終確定手術路徑，即確定需插入的導針的軸線位置坐標並作為目標點幾何位置，可以在圖像控制操作軟體中設置運行按鈕，點擊該運行按鈕後能夠控制骨科機器人導航裝置17中的三自由度雙平面定位機構I運動，也可以由與計算機16相連接的印表機20列印出該圖像，進一步講，通過X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置分別運動到目標點幾何位置，然後將直杆型導向裝置6固定好，將導向套筒放入直杆型導向裝置6中，再將導針18插入該導向套筒的內部，最終將導針18插入到患肢19內完成手術。也可以設置計算機16內的圖像控制操作軟體與骨科機器人導航裝置17中的控制面板9上的控制按鈕相連，該控制按鈕用來控制X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置、高度調整組件和水平調整組件的運動，通過按動控制按鈕使得骨科機器人導航裝置17運動到目標點幾何位置。
[0034]如圖3所示，本發明骨科機器人導航裝置中的直杆型導向裝置的結構示意圖，直杆型導向裝置6包括管狀直杆22，管狀直杆22的兩端設置均有直杆狀且沿杆長方向伸縮的伸縮管 體23，直杆型導向裝置內套有導向套筒24，導向套筒24內套有導針18。也可以將導向套筒24直接與第一萬向節和第二萬向節卡接，此時導向套筒24即為直杆型導向裝置。此外，該骨科機器人導航裝置由於能夠實現手術路徑在空間上的準確的固定，故還可以實現如壞骨頭的病兆探測手術等骨科微創手術。
[0035]優選地，可將機座10設置在一個機座框架11上，並在機座框架11的四周設置萬向輪12，這樣方便對整個骨科機器人導航裝置的推移，能夠將該裝置靈活的推到手術床邊，此外還可以在機座框架11的底部設置機座固定裝置，在調整好該骨科機器人導航裝置的位置後，機座固定裝置能夠控制萬向輪12使之抬離地面，防止手術中骨科機器人導航裝置的位置發生偏移。高度調整組件8能夠實現三自由度雙平面定位機構I在高度方向的大幅度調整，水平調整組件7能夠實現三自由度雙平面定位機構I在水平方向的大幅度調整，使骨科機器人導航裝置被調整到最佳的擺放位置，相當於根據在手術床上的患肢所處於的高度和位置對直杆型導向裝置6作了相應調整，無需移動機座，使得手術更加方便。此外，還可以在該裝置上設置一個控制面板9，並在控制面板9上設置X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置、高度調整組件和水平調整組件運動的控制按鈕。
[0036]如圖4所示，本發明實施例的骨科機器人導航定位裝置包括計算機16、顯示器25、支架26、紅外光學定位器27、導航工具28、機械臂29 ；[0037]支架26上設置有機械臂29，紅外光學定位器27安裝在機械臂29上，紅外光學定位器27與計算機16相連接，計算機16與顯示器25相連接，導航工具28包括導航筆和安裝在導航筆端部的三個紅外反射球。
[0038]進一步，機械臂29具有三個自由度。
[0039]如圖5所示，紅外光學定位器27包括:紅外發射和採集模塊30、紅外信號處理電路31、微處理器模塊32、無線收發模塊33、供電模塊34 ;所述紅外發射和採集模塊30至少一個紅外發射器和三個具有紅外採集功能的攝像頭。所述的紅外信號處理電路31連接在紅外發射和採集模塊30上面，作用是接收由紅外發射和採集模塊30採集到的反回的三維的紅外數據信號，並把紅外數據信號放大，所述的微處理器模塊32連接在紅外信號處理電路31的後面，通過微處理器模塊32接收由紅外信號處理電路31處理過的三維的紅外數據信號，然後微處理器模塊32進行進一步的處理，處理完成之後，微處理器模塊32將處理完成的三維紅外信號通過無線收發模塊33發送到區域網內的電腦主機。
[0040]進一步，無線收發模塊33採用的是WIFI模塊，採用WIFI模塊可以方便的接入計算機的區域網或者是Intenet網絡，實現遠距離或是遠程的監控操作，這樣就使得醫護人員避免受到過多的X射線的影響。
[0041]進一步，供電模塊34為整個紅外光學定位器提供必要的電源。
[0042]一種骨科機器人 定位系統包括計算機16、存儲在計算機16內部的圖像處理模塊和骨科機器人導航裝置。
[0043]進一步，存儲在計算機161內部的圖像處理模塊可以根據具有紅外採集功能的攝像頭採集到的紅外數據轉換為三維坐標系內的數據點。
[0044]本發明的機械臂具有三個自由度，能夠全方位捕捉導航工具的位置信息，安全可靠，導航工具反射紅外線，實現被動式紅外光學定位，操作簡單，定位系統的圖像處理模塊可以根據具有紅外採集功能的攝像頭採集到的紅外數據轉換為三維坐標系內的數據點，定位精確。
[0045]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，該骨科機器人導航定位裝置包括:三自由度雙平面定位機構、定位平臺、X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置、直杆型導向裝置、水平調整組件、高度調整組件、控制面板、機座、機座框架、萬向輪、X光光源、C型臂、X光成像裝置、計算機、骨科機器人導航裝置、導針、患肢、印表機、UPS電源、管狀直杆、伸縮管體、導向套筒； 定位平臺、X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置和直杆型導向裝置設置在三自由度雙平面定位機構內部，水平調整組件、高度調整組件和控制面板連接定位平臺，機座連接高度調整組件，機座設置在機座框架上，萬向輪設置在機座的底部，導針設置在骨科機器人導航裝置上，骨科機器人導航裝置連接計算機，計算機連接X光成像裝置、印表機和UPS電源，X光成像裝置通過C型臂連接X光光源，患肢設置在骨科機器人導航裝置的左偵U，導針設置在導向套筒的內部，伸縮管體設置在導向套筒的外側，管狀直杆設置在伸縮管體的外側。
2.如權利要求1所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置上設置有導軌或通過絲杆螺母作為驅動部件。
3.如權利要求1所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，在X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置上設置傳感器或者顯示標尺刻度作為位移檢測裝置。
4.如權利要求1所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，X方向定位裝置、Y方向定位裝置、Z方向定位裝置在X、Y、Z三個方向自由度上滑動。
5.如權利要求1所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，設置四個萬向輪。
6.如權利要求1所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，該骨科機器人導航定位裝置還包括:顯示器、支架、紅外光學定位器、導航工具、機械臂； 支架上設置有機械臂，紅外光學定位器安裝在機械臂上，紅外光學定位器與計算機相連接，計算機與顯示器相連接，導航工具連接計算機。
7.如權利要求6所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，導航工具包括導航筆和安裝在導航筆端部的三個紅外反射球。
8.如權利要求6所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，機械臂具有三個自由度。
9.如權利要求6所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，所述的紅外光學定位器包括:紅外發射和採集模塊、紅外信號處理電路、微處理器模塊、無線收發模塊、供電模塊；所述紅外發射和採集模塊包括不少於一個紅外發射器和三個具有紅外採集功能的攝像頭; 所述的紅外信號處理電路連接在紅外發射和採集模塊上面，所述的微處理器模塊連接在紅外信號處理電路的後面，通過微處理器模塊接收由紅外信號處理電路處理過的三維的紅外數據信號，然後微處理器模塊進行進一步的處理，處理完成之後，微處理器模塊將處理完成的三維紅外信號通過無線收發模塊發送到區域網內的電腦主機。
10.如權利要求9所述的骨科機器人導航定位裝置，其特徵在於，所述無線收發模塊採用的是WIFI模塊；供電模塊為整個紅外光學定位器提供必要的電源。
【文檔編號】A61B19/00GK103919611SQ201410172344
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】張文峰, 梁豔平 申請人:張文峰, 梁豔平