一種微創骨科手術機器人的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種微創骨科手術機器人，其特征在于，所述微創骨科手術機器人由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手和單置入機器手部分組成，所述主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統以及電機驅動器組成，所述外部場景顯示系統的顯示器采用液晶顯示器，其中，將設定在人椎骨內的虛擬標識和體外配準器上同樣的虛擬標識通過X線進行配準，引導經椎弓根置入或穿刺。
【專利說明】一種微創骨科手術機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及骨科醫療器械【技術領域】，特別是一種微創骨科手術機器人。
【背景技術】
[0002]盡管脊柱手術的治療方式有多種多樣，如脊柱骨折椎弓根釘內固定、脊柱滑脫椎弓根釘內固定、脊柱側彎矯形術、椎體成形術等，但大多數都要通過椎弓根這一途徑置入螺釘內固定或穿刺方能實現。所謂椎弓根就是連接人椎骨椎體和椎弓較窄的、呈不規則圓柱狀、半中空的骨性結構，左右側各有一個，從腰椎到頸椎，其寬度和高度逐漸減小，其周圍是脊髓、血管和臟器等重要組織。毫無疑問，經椎弓根置入螺釘內固定或穿刺存在一定風險，穿透其骨皮質即有可能損傷神經、血管和臟器，造成癱瘓等災難性后果。因此，準確的經椎弓根置入在脊柱外科領域具有十分重要的意義。目前最為常用的經椎弓根途徑置入方法是人工置入，采用X線正、側位透視引導，手感調整角度，精度較差，文獻報道其失誤率可達6-41%。近年來，許多不同的方法應用于提高經椎弓根途徑置入的精確性，如誘發電位(SEP)、術中電誘發肌電圖監測(EMG),電阻抗、計算機輔助導航(computer aided surgerynavigation system, CASNS)、個體化導向模板或數字化導向模板、電磁導航(EM)、手術機器人等。SEP、EMG、電阻抗等是以將要突破椎弓根骨皮質時發出警報的方式提醒術者調整置入方向，這類技術的不足是發現失誤時可能為時已晚。個體化導向模板或數字化導向模板是利用逆向工程原理制作三維模板及引導管，模板與椎骨后表面配合后引導椎弓根置入。CASNS、EM等將術前獲取的脊柱CT、MRI圖像三維重建后數據存于“虛擬世界坐標空間”，術中定位器實時地將目標椎骨和手術器械的空間位置建立在“現實世界坐標系”中，通過這兩個坐標空間的匹配引導經椎弓根置入。根據影像采集的方式不同，CASNS可分為兩種:(I)基于CT的導航系統。術前進行手術部位脊柱CT掃描并三維重建。術者通過重新格式化和幾何測量選擇合適的進針點，術中根據系統的引導減少手術的盲目性。(2)基于C形臂X線機透視的導航系統。無需術前CT掃描，手術時將數據收集環安裝到影像增強器并掃描數據收集環空影像，然后將參考架連接到需要手術的脊柱位置開始掃描。選擇并激活圖像，術者根據多幅圖像顯示的手術器械位置，模擬手術操作的路徑，可謂是脊柱外科真正意義的實時導航。CASNS雖顯著提高了置入的準確性，但仍存在6%的失誤率，還存在影像易漂移(漂移發生率為66% )、追蹤系統易受干擾、操作繁瑣費時、定位方法有創、不能動態實時監測等不足。1995年以來，國外相繼研發了幾種用于椎弓根置入的機器人，如以色列的脊柱助理(Spineass iant)、韓國的SPINEB0T以及德國的一種機器人等，都要依賴于上述CASNS進行定位和姿態控制，這樣CASNS的不足在它們身上都可能會有體現。包含CASNS的手術機器人，不僅構成更加復雜，置入精度也難以進一步提高。綜上所述，盡管這些引導置入的方法形式迥異，但無一例外 都要參照或依賴椎骨表面的解剖標志。由于脊柱外科手術時，椎骨表面的解剖標志可能被破壞，組織也會發生變形(如椎板切除減壓硬脊膜膨隆)，這樣它們會偏離術前圖像重建所確定的位置，偏離范圍有時甚至可達幾個厘米，使術前配準和融合形成的數據在術中出現偏差，這樣無疑會影響導航的精度。而糾正這種組織變形產生誤差的最佳方法就是術中應用實時超聲、術中CT和MRI實時成像技術、實時更新定位影像，及時發現和糾正偏差。這無疑將使整個手術系統更加復雜，操作也更為繁瑣費時，臨床上難以推廣應用。
【發明內容】
[0003]為此，本發明提出一種微創骨科手術機器人，可充分地消除由于現有技術的限制和缺陷導致的一個或多個問題。
[0004]本發明另外的優點、目的和特性，一部分將在下面的說明書中得到闡明，而另一部分對于本領域的普通技術人員通過對下面的說明的考察將是明顯的或從本發明的實施中學到。通過在文字的說明書和權利要求書及附圖中特別地指出的結構可實現和獲得本發明目的和優點。
[0005]本發明提供了一種微創骨科手術機器人，其特征在于，所述微創骨科手術機器人由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手和單置入機器手部分組成，所述主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統以及電機驅動器組成，所述外部場景顯示系統的顯示器采用液晶顯示器，其中，將設定在人椎骨內的虛擬標識和體外配準器上同樣的虛擬標識通過X線進行配準，引導經椎弓根置入或穿刺。
[0006]優選的，虛擬標識可以為虛擬線段或其他虛擬形式。
[0007]優選的，機器人本體包括手術臺車和兩個六自由度移動單元，可分別使機器人本體連接器和X線透視設備沿X、Y、Z方向移動和旋轉。
[0008]優選的，機器人本體連接器左右各有一個，方便機器手插接。
[0009]優選的，線配準器的定位滑塊可成各種形狀，其外徑大于定位器的定位桿的外徑。
[0010]優選的，兩定位桿尖端間的距離與后弓弧形骨線上選取的兩點長度相等。
[0011]優選的，十字配準器金屬配準球也可以為其他各種形狀的、不透射線的材料所制成。
[0012]優選的，雙置入機器手定位器的定位桿為兩個或以上。
[0013]本發明具有以下優點:定位精度高，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，適用于多種脊柱手術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為根據本發明實施例的、微創骨科手術機器人的主視圖。
[0015]圖2為根據本發明實施例的、微創骨科手術機器人的俯視圖。
[0016]圖3為根據本發明實施例的、微創骨科手術機器人的側視圖。
[0017]圖4為根據本發明實施例的、線配準器的示意圖。
[0018]圖5為根據本發明實施例的、十字配準器的示意圖。
[0019]圖6為根據本發明實施例的、雙置入機器手的俯視圖。
[0020]
[0021]
[0022]【具體實施方式】
[0023]下面將結合附圖對本發明所述的【具體實施方式】作進一步說明。[0024]微創骨科手術機器人由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手、單置入機器手等部分組成。機器人本體包括手術臺車I和兩個六自由度移動單元，可分別使機器人本體連接器2和X線透視設備沿X方向(指手術臺長軸方向)、Y方向(指手術臺短軸方向)、Z (指與手術臺垂直方向)方向移動和旋轉。X線透視設備包括影像接收器3、球管4。機器人本體連接器2左右各有一個，以便雙或單機器手插接。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、控制軟件等組成，所述外部場景顯示系統的顯示器采用液晶顯示器。線配準器包括固定器5、刻度尺6、定位滑塊7等。固定器5可將線配準器固定于影像接收器3上。十字配準器包括固定器8、四個透X線刻度板9、四個金屬配準球10及距離調節鎖緊裝置11等。固定器8同樣可將線配準器固定于影像接收器3上。雙置入機器手包括定位器12、兩個導針13及距離調整機構(由螺紋桿14，15和手柄16等組成)、角度調整機構(由刻度盤17、轉軸18、鎖緊螺母19組成)、旋轉下降機構(由電機20、同步帶21、帶輪22，軸承23、底座24組成)和連接柱25。導針13的前段外部為螺紋，安裝于底座24的螺紋孔26內，后段為方形，尾部有一槽。帶輪22內部為方形，其旋轉可使導針13旋轉下降。尾部的槽42以便人工轉動使導針13與機器手脫離。定位器12包括兩個定位桿27、信號開關28、復位彈簧29、距離調節螺紋桿及手柄30等。轉動手柄30可調節兩定位桿27間的距離。單置入機器手包括一個導針31、旋轉升降機構(包括電機32、同步帶33、帶輪34，軸承35、底座36、透射線底托37、旋轉管38)和連接柱39。旋轉管38前段外為螺紋，后段外為方形結構，其內中空可透過射線。透射線底托37安裝于旋轉管38底部的孔40內。帶輪34內亦為方形結構，其旋轉可使導針31旋轉下降。導針31的后段外部為螺紋，尾部有一槽41以便人工旋轉使之與機器手脫開。由于臨床上以頸椎和上胸椎的椎弓根置入最為困難，下面分別以寰椎和第一胸椎為例說明該機器人的椎弓根置入過程。(I)寰椎“椎弓根”置入:寰椎由前后兩弓及兩個側塊相互連成，呈環狀。前弓前部中央有前結節，后弓后部粗隆為后結節。解剖學上寰椎并無椎弓根結構，其兩個側塊相當于其他椎骨的椎弓根。術前在頭尾向等分寰椎的CT掃描剖面上，進行以下測定:(1)左右“椎弓根”置入點43間距。(2)左右“椎弓根”中心軸線44(即在頭尾向和內外向均等分椎弓根的軸線)與寰椎正中線的夾角。⑶在寰椎正中線兩側、后弓弧形骨線上選取兩點，其距切過后結節最遠點的水平線的垂直距離相等。測量該兩點的間距，其聯線為一虛擬標識即第一虛擬線段45 ;測量兩點向切過后結節最遠點的水平線所作垂線的長度，其也為一虛擬標識即第二虛擬線段46。術中設定(I)定位器兩定位桿27相互平行并始終與X線透視設備的中心投照線垂直，兩定位桿27尖端投影恰好位于該中心投照線上。(2)令兩定位桿27尖端間的距離與后弓弧形骨線上選取的兩點長度相等。兩個定位桿27尖端之間的聯線為一虛擬標識即第三虛擬線段47。(3)將線配準器固定于X線透視的設備影像接收器3上，刻度尺6的最遠端影恰好位于X線透視設備的中心投照線上。(4)調整定位滑塊7，使其最下端至刻度尺6最遠端的距離與第二虛擬線段46的長度相等，定位滑塊7最下端與刻度尺最6遠端之間的聯線為一虛擬標識，即第四虛擬線段48。(5)用X線透視設備對寰椎進行側位投照，使左、右椎弓根投影重合。(6)通過手控器將雙置入機器手運動至寰椎后弓正上方，透視下調整·兩定位桿27，使其中心軸線頭尾向等分寰椎“椎弓根”，兩定位桿27的投影完全重合，且其尖端緊壓寰椎后弓骨面，二者上移至接通信號開關28。(7)微調雙置入機器手和X線透視設備，使定位滑塊7最下端的投影和寰椎后結節最遠點的投影剛好接觸。定位滑塊7的外徑必須大于兩定位桿27的外徑，否則無法觀察滑塊的下緣的投影。當(5)、(6)、(7)三個狀態同時滿足時，第三虛擬線段47與第一虛擬線段45、第四虛擬線段48第二虛擬線段46即實現準確配準。由于第四48和第二虛擬線段46在空間上具有相當遠的距離，寰椎或機器人與X線透視設備的位置稍有變化，定位滑塊7最下端的投影就會偏離寰椎后結節最遠點的投影，如此配準的精度就很高。(4)調整令雙置入機器手兩導針中心軸線的距離與左右“椎弓根”置入點的間距相等、兩導針13中心軸線與正中面的夾角與左右“椎弓根”中心軸線與寰椎正中線的夾角相等。(5)啟動電機20旋入導針13并實時動態監測，即在置入過程中透視觀察保持上述(5)、出)、(7)三個狀態不變，導針13即能沿椎弓根中心軸線準確置入。第一胸椎椎弓根置入:椎弓根最為狹窄的部分即椎弓根峽部，如從椎弓根標準軸位即沿中心軸線投照，椎弓根峽部骨壁的內側緣必然投影為椎弓根投影的內緣。術前(I)在頭尾向等分寰椎的CT掃描剖面上，測量位于椎弓根峽部內、外側壁內面之間的、與椎弓根中心軸線垂直的最短線的長度，此線為第一虛擬線段49。(2)在內外向等分寰椎的CT掃描剖面上，測量位于椎弓根峽部頭、尾側壁內面之間的、與椎弓根中心軸線垂直的最短線的長度，此線為第二虛擬線段50。第一與第二虛擬線段相互垂直，構成了一個虛擬十字標識即第一虛擬十字標識51。術中(I)保持X線透視設備的中心投照線與單置入機器手的導針31的中心軸線始終重合。(2)將十字配準器固定于X線透視設備的影像接收器3，四個金屬配準球10外緣間的距離按內外和頭尾向調整與上述第一 49和第二虛擬線段50的長度相等，這兩條虛擬線段相互垂直，就在四個金屬配準球外緣間形成另一個虛擬十字標識即第二虛擬十字標識52。(3)用X線透視設備從軸位對第一胸椎椎弓根投照，調整X線透視設備與單置入機器手，使四個金屬配準球10投影的外緣恰好觸及內、外和頭、尾側壁投影的內緣，這樣就實現了第二 52和第一虛擬十字標識51的配準。由于第二 52和第一虛擬十字標識51在空間上具有相當遠的距離，第一胸椎X線透視設備與單置入機器手的位置稍有變化，四個金屬配準球10投影的外緣即會偏離內、外和頭、尾側壁投影的內緣，如此配準的精度就很高。(4)啟動電機32旋入導針31并實時動態監測，即始終保持四個金屬配準球10投影的外緣恰好觸 及內、外和頭、尾側壁投影的內緣，這樣導針即能沿椎弓根中心軸線準確置入。
[0025]以上內容僅為本發明的較佳實施例，對于本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【權利要求】
1.一種微創骨科手術機器人，其特征在于，所述微創骨科手術機器人由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手和單置入機器手部分組成，所述主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統以及電機驅動器組成，所述外部場景顯示系統的顯示器采用液晶顯示器，其中，將設定在人椎骨內的虛擬標識和體外配準器上同樣的虛擬標識通過X線進行配準，引導經椎弓根置入或穿刺。
2.根據權利要求1所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，虛擬標識可以為虛擬線段或其他虛擬形式。
3.根據權利要求1所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，機器人本體包括手術臺車和兩個六自由度移動單元，可分別使機器人本體連接器和X線透視設備沿X、Y、Z方向移動和旋轉。
4.根據權利要求1所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，機器人本體連接器左右各有一個，方便機器手插接。
5.根據權利要求1所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，線配準器的定位滑塊可成各種形狀，其外徑大于定位器的定位桿的外徑。
6.根據權利要求5所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，兩定位桿尖端間的距離與后弓弧形骨線上選取的兩點長度相等。
7.根據權利要求1所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，十字配準器金屬配準球也可以為其他各種形狀的、不透射線的材料所制成。
8.根據權利要求1所述的微創骨科手術機器人，其特征在于，雙置入機器手定位器的定位桿為兩個或以上。
【文檔編號】A61B17/56GK103654960SQ201310495949
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】李建祥 申請人:江蘇艾迪爾醫療科技股份有限公司