專利名稱：一種手術(shù)導(dǎo)航工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于計(jì)算機(jī)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的手術(shù)導(dǎo)向工具。
背景技術(shù)：
目前的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)按照手術(shù)工具和手術(shù)環(huán)境的交互方式可以分為主動(dòng)式結(jié)構(gòu)和被動(dòng)式結(jié)構(gòu)。主動(dòng)式結(jié)構(gòu)主要是指手術(shù)機(jī)器人，它可以按照手術(shù)計(jì)劃進(jìn)行精確的手術(shù)操作，不需要醫(yī)生的人工干預(yù)。但是手術(shù)機(jī)器人大多是從工業(yè)機(jī)器人改進(jìn)而來的，較高的強(qiáng)度和剛度要求使得它們的結(jié)構(gòu)相對(duì)于手術(shù)空間來說，體積過大，在靈活性方面往往難于滿足手術(shù)的復(fù)雜性要求，而且必須有足夠安全的保障措施來保護(hù)醫(yī)生及患者免受可能發(fā)生的誤操作危險(xiǎn)。
目前，手術(shù)導(dǎo)航大多采用被動(dòng)式結(jié)構(gòu)，它徹底放棄了機(jī)器人結(jié)構(gòu)，采用光學(xué)定位系統(tǒng)作為探測(cè)儀器，在傳統(tǒng)的手術(shù)工具或假體安裝模板上固定發(fā)光小球或發(fā)光二極管，醫(yī)生手持手術(shù)工具實(shí)現(xiàn)與工作站影像的實(shí)時(shí)交互。這種結(jié)構(gòu)一經(jīng)面世就引起了外科醫(yī)生的興趣，它充分尊重醫(yī)生在手術(shù)中的主導(dǎo)地位，整個(gè)手術(shù)操作仍然由醫(yī)生來行使并作出判斷，導(dǎo)航系統(tǒng)作為一個(gè)輔助的設(shè)備僅僅起到了一個(gè)助手的作用。
然而，目前的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)并非盡善盡美，突出的問題是它采用了一種手持式的結(jié)構(gòu)模式，而人手在手術(shù)時(shí)間較長時(shí)容易因?yàn)槠诙故中g(shù)工具產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得，手術(shù)工具在手持狀態(tài)下，抖動(dòng)的漂移量大體在0.5～1.0mm之間。該現(xiàn)象直接影響到光學(xué)定位系統(tǒng)對(duì)手術(shù)工具的檢測(cè)精度，導(dǎo)致手術(shù)工具在手術(shù)中存在著定位和導(dǎo)向誤差，從而影響到整個(gè)手術(shù)的精度。
總之，傳統(tǒng)的手術(shù)機(jī)器人具有較高的定位精度和加工精度，但體積龐大、靈活性不夠。目前的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在靈活性和安全性方面明顯優(yōu)于手術(shù)機(jī)器人，且具有較高的可操作性，但是它在手術(shù)的精確性方面有一定的缺陷，尤其是難于解決手持式手術(shù)工具的抖動(dòng)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種不僅定位精度高，而且靈活性和安全性好的新型的手術(shù)導(dǎo)航工具。
本實(shí)用新型針對(duì)傳統(tǒng)手術(shù)機(jī)器人和現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)的不足和缺陷，提出了一種新型的手術(shù)導(dǎo)航工具，它是在采用光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)探測(cè)空間位置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有5個(gè)自由度的機(jī)械手?？蓪⑵浞Q為手眼式的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，光學(xué)定位系統(tǒng)相當(dāng)于“眼睛”，而機(jī)械手自然相當(dāng)于“手”了。其中，光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)可用于探測(cè)導(dǎo)航工具的空間位置，并予以定位。
機(jī)械手具備兩方面的功能①將手腕末端或手術(shù)器械定位到手術(shù)部位；②對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行導(dǎo)向，使其精確達(dá)到手術(shù)靶點(diǎn)。
在機(jī)械手的設(shè)計(jì)上，本實(shí)用新型遵循如下原則①占據(jù)空間小，不與手術(shù)操作空間發(fā)生干涉；②可以在任何位置鎖緊；③為一平衡機(jī)構(gòu)。按照這三項(xiàng)要求，本實(shí)用新型采用三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行鄰接的結(jié)構(gòu)形式，具有本身體積小，工作空間大，較高的定位精度和較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)直觀性等特點(diǎn)。本實(shí)用新型采用四級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，具有穩(wěn)定的瞬時(shí)傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)精度。
由于機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)是通過夾持裝置連接在患者的手術(shù)部位，或6V的微型直流伺服電機(jī)，內(nèi)置適當(dāng)減速比的行星齒輪減速器以提高驅(qū)動(dòng)扭矩，外接1000線的編碼器實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)和控制器之間的信息反饋。
本實(shí)用新型中，機(jī)械手的第一級(jí)傳動(dòng)是手動(dòng)式的，包括殼體、蝸桿、蝸輪、鎖緊螺釘、手動(dòng)螺母、兩個(gè)滾動(dòng)軸承和軸承蓋。連接方式為蝸桿通過滾動(dòng)軸承與殼體連接，手動(dòng)螺母與蝸桿的輸出軸通過固定螺釘連接；蝸輪通過滾動(dòng)軸承與殼體連接，并與蝸桿實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，鎖緊螺釘擰在殼體的螺紋孔上，可以將蝸輪進(jìn)行鎖緊。
機(jī)械手的第二級(jí)傳動(dòng)、第三級(jí)傳動(dòng)和第四級(jí)傳動(dòng)具有相同的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和連接方式。主要包括殼體、伺服電機(jī)、蝸桿、蝸輪、2個(gè)滾動(dòng)軸承、軸承蓋。連接方式為電機(jī)固定在殼體的內(nèi)部，電機(jī)軸與蝸桿通過螺釘固定，蝸輪通過兩個(gè)軸承固定在殼體內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)與蝸桿的嚙合。
各級(jí)傳動(dòng)之間通過聯(lián)軸器連接在一起。
機(jī)械手的末端是導(dǎo)向模板，通過第四級(jí)傳動(dòng)的輸出軸，可以帶動(dòng)導(dǎo)向模板在360度范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)向模板上安裝了光學(xué)定位標(biāo)記，因而導(dǎo)向模板的空間位置完全可以通過光學(xué)定位系統(tǒng)來獲得，彌補(bǔ)了各傳動(dòng)系統(tǒng)之間的累計(jì)誤差。
通過各關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)，可以帶動(dòng)導(dǎo)向模板在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維方向的運(yùn)動(dòng)，并能夠精確地到達(dá)理想的位置，為外科醫(yī)生的操作提供精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)向。
本實(shí)用新型小巧而緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)使手術(shù)操作相對(duì)于傳統(tǒng)的手術(shù)機(jī)器人更加靈活、便利，并解決了目前手術(shù)導(dǎo)航工具存在的抖動(dòng)問題，對(duì)于提高手術(shù)的精確性，減少手術(shù)創(chuàng)傷，提高手術(shù)成功率，縮短患者術(shù)后康復(fù)期等起到了非常重要的作用。


圖1本實(shí)用新型工作原理示意圖。
圖2系統(tǒng)的控制原理圖。
圖3本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1為殼體，2為蝸桿，3為蝸輪，4為電機(jī)，5為蝸輪，6為蝸桿，7為電機(jī)，8為殼體，9為殼體，10為電機(jī)，11為聯(lián)軸器，12為殼體，13為蝸桿，14為蝸輪，15為鎖緊螺釘，17為蝸輪，18為末端導(dǎo)板；19為光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)，20為手術(shù)導(dǎo)航工具，2為光學(xué)跟蹤標(biāo)記，22為髓內(nèi)釘，23為夾持工具。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，標(biāo)號(hào)20(虛線內(nèi))是本實(shí)用新型的手術(shù)導(dǎo)航工具，它的實(shí)施離不開光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)19、光學(xué)跟蹤標(biāo)記21、夾持工具23和手術(shù)假體等。以髓內(nèi)釘22植入手術(shù)為例，它在插入患者彎曲的骨髓腔的過程中出現(xiàn)一定的彎曲變形，從而使髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端的鎖釘孔產(chǎn)生了形狀變形和位置轉(zhuǎn)移，造成鎖釘?shù)牟迦敕浅＠щy。通過光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)19和手術(shù)室內(nèi)移動(dòng)式C形臂X線圖像的幫助，可以確定髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖孔相對(duì)于導(dǎo)航工具20的位置關(guān)系，求出機(jī)械手末端導(dǎo)板的理想位置。按照導(dǎo)板當(dāng)前的位置及其理想位置的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以確定導(dǎo)航工具各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。各個(gè)關(guān)節(jié)按照相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)作，到位后還可以通過末端導(dǎo)板上標(biāo)記位置信息檢查手術(shù)工具是否達(dá)到了要求的方位。如果有偏差，可以將偏差信息反饋回控制系統(tǒng)，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，直至導(dǎo)板達(dá)到預(yù)期的位置為止。
系統(tǒng)采用了光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)，因而系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)具有內(nèi)外環(huán)兩路反饋。圖2是整個(gè)系統(tǒng)的控制原理圖，虛線內(nèi)的控制結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)相同，形成內(nèi)路反饋；在虛線以外，通過光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)反饋末端導(dǎo)板的空間位置信息，并與預(yù)期的位置信息進(jìn)行比較，形成外路反饋。
圖3是本實(shí)用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，分為第一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第三級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和第四級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在第一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，蝸桿13和蝸輪14通過軸承與殼體12連接在一起，鎖緊螺釘15通過手動(dòng)能夠?qū)⑽佪嗘i緊。蝸輪的出軸通過聯(lián)軸器11與第二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體9連接起來。
在第二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，帶編碼器的伺服減速電機(jī)10固定在殼體9上，蝸桿16固定在電機(jī)10的出軸上，并與蝸輪17實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，蝸輪17通過軸承與殼體9連接在一起。第二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的蝸輪出軸通過聯(lián)軸器與第三級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體8連接起來。
在第三級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，帶編碼器的伺服減速電機(jī)7固定在殼體8上，蝸桿6固定在電機(jī)7的出軸上，并與蝸輪5實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，蝸輪5通過軸承與殼體8連接在一起。第三級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的蝸輪出軸通過聯(lián)軸器與第四級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體1連接起來。
在第四級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，帶編碼器的伺服減速電機(jī)4固定在殼體1上，蝸桿2固定在電機(jī)4出軸上，并與蝸輪3實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，蝸輪3通過軸承與殼體1連接在一起。末端導(dǎo)板18直接固定在第四級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的蝸輪出軸上。
上述結(jié)構(gòu)中，伺服電機(jī)可采用6V微型直流伺服電機(jī)。
權(quán)利要求1.一種手術(shù)導(dǎo)航工具，其特征在于是一個(gè)具有5個(gè)自由度的機(jī)械手，其中，機(jī)械手采用4級(jí)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，每級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用微型直流伺服電機(jī)，內(nèi)置行星齒輪減速器，外接1000線的編碼器實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)和控制器之間的信息反饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)導(dǎo)航工具，其特征在于機(jī)械手的第一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接方式為蝸桿通過滾動(dòng)軸承與殼體連接，手動(dòng)螺母與蝸桿的輸出軸通過固定螺釘連接；蝸輪通過滾動(dòng)軸承與殼體連接，并與蝸桿實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，鎖緊螺釘擰在殼體的螺紋孔上，將蝸輪進(jìn)行鎖緊；機(jī)械手的第二級(jí)傳動(dòng)和第三級(jí)傳動(dòng)、第四級(jí)傳動(dòng)具有相同的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和連接方式伺服電機(jī)固定在殼體的內(nèi)部，伺服電機(jī)軸與蝸桿通過螺釘固定，蝸輪通過兩個(gè)軸承固定在殼體內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)與蝸桿的嚙合，機(jī)械手的末端是導(dǎo)向模板，通過第四級(jí)傳動(dòng)的輸出軸，帶動(dòng)導(dǎo)向模板在360度范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向模板上安裝有光學(xué)定位標(biāo)記。
專利摘要本實(shí)用新型屬于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的手術(shù)導(dǎo)航工具。本實(shí)用新型在采用光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)探測(cè)手術(shù)導(dǎo)航工具空間位置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套具有5個(gè)自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。機(jī)械手采用四級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，具有穩(wěn)定的瞬時(shí)傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)精度。通過各關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)帶動(dòng)末端的導(dǎo)向模板在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維方向的運(yùn)動(dòng)，并能夠精確地到達(dá)手術(shù)靶點(diǎn)位置，為醫(yī)生的操作提供精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)向。本實(shí)用新型小巧而緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)使手術(shù)操作更加靈活、便利，并避免了抖動(dòng)問題，對(duì)于提高手術(shù)的精確性、減少手術(shù)創(chuàng)傷、提高手術(shù)成功率具有到重要的作用。
文檔編號(hào)A61B19/00GK2855353SQ20052004754
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者張文強(qiáng) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)