專利名稱：一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頜面手術(shù)輔助機(jī)械臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)定位正頌外科導(dǎo)航手術(shù)技術(shù)，更具體地講，涉及一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂。
背景技術(shù)：
R0B0D0C是全球第一臺(tái)骨科專用手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品，已于1994年通過FDA認(rèn)證，其主要應(yīng)用在于全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。R0B0D0C系統(tǒng)為主動(dòng)式機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)用于術(shù)前規(guī)劃的計(jì)算機(jī)(0RTH0D0C)，一臺(tái)可安裝抓持、切削器械的5自由度機(jī)械臂，以及一個(gè)機(jī)器人操作平臺(tái)。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)前，0RTH0D0C利用CT信息重建膝關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)模型并選取最優(yōu)化的手術(shù)方案，然后將數(shù)據(jù)(包括手術(shù)計(jì)劃)通過編程傳送給R0B0D0C，術(shù)中采用三鈦釘基準(zhǔn)法注冊(cè)輔助術(shù)中導(dǎo)航，R0B0D0C執(zhí)行操作指令自主完成切削操作，為關(guān)節(jié)置換預(yù)備骨腔通道。但目前尚無專用于顱頌面整復(fù)手術(shù)的專用外科機(jī)器人產(chǎn)品。顱頌面整復(fù)手術(shù)由于解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和治療目的的特殊性，必須以最小的創(chuàng)傷完成精確的術(shù)中定位操作。傳統(tǒng)的技術(shù)方法對(duì)此卻缺乏有效的治療手段，阻礙了該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和深入。目前，顱頌面整復(fù)常規(guī)手術(shù)難以克服切口較大、術(shù)野不清晰、臨床操作的不穩(wěn)定性等難點(diǎn)。除去醫(yī)生技術(shù)的局限外，主要問題還是手術(shù)精度的問題，包括位置定位精度和醫(yī)生手術(shù)中的執(zhí)行精度。而引入計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)就能夠很好的解決位置定位精度， 引入多自由度機(jī)械臂進(jìn)行輔助手術(shù)操作就能夠很好的解決醫(yī)生的手術(shù)執(zhí)行精度問題。光學(xué)導(dǎo)航定位跟蹤系統(tǒng)通過傳感器接收來自安裝于手術(shù)器械、解剖位置的示蹤器信號(hào)，從而獲得示蹤器的相對(duì)空間位置，配準(zhǔn)術(shù)前基于患者影像學(xué)資料建立的顱頌面骨三維可視計(jì)算機(jī)模型，達(dá)到手術(shù)當(dāng)中的實(shí)時(shí)成像，精確執(zhí)行術(shù)前在重建的三維模型上制定的手術(shù)計(jì)劃，能夠有效減少手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)精度、減輕并發(fā)癥等。但當(dāng)前的導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用還是主要集中在術(shù)前三維重建和手術(shù)計(jì)劃的確定及模擬，以及術(shù)中手術(shù)器械的定位，導(dǎo)航精度可達(dá)0. 3-lmm，常規(guī)術(shù)者由于操作不穩(wěn)定等原因難以實(shí)現(xiàn)這一效果。機(jī)械臂在三維空間精細(xì)動(dòng)作具有高度準(zhǔn)確性，避免了由人手持器械造成不穩(wěn)定帶來的誤差和損傷，具有高精度、高可靠性和微創(chuàng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)尚無開發(fā)專用于顱頌面整復(fù)手術(shù)的醫(yī)用機(jī)械臂，而常規(guī)醫(yī)用專業(yè)機(jī)械臂專用機(jī)械臂研制成本高、設(shè)計(jì)制作周期長，精度和可靠性等性能也難以保證，風(fēng)險(xiǎn)較大，且價(jià)格昂貴，無法實(shí)現(xiàn)廣泛推廣應(yīng)用。工業(yè)機(jī)械臂在各領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用中已經(jīng)證實(shí)其在操作靈活性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢(shì)，為解決外科手術(shù)中存在的精度不高、輻射過多、切口過大、操作疲勞等問題提供可能。但由于設(shè)計(jì)需要的不同，其靈活性、精確性等都還難以達(dá)到臨床要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種顱頌面整復(fù)手術(shù)中位置定位精準(zhǔn)、手術(shù)中執(zhí)行精度高的基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型公開以下技術(shù)方案一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，包括七自由度機(jī)械臂、操縱桿、與機(jī)械臂相匹配的手術(shù)器械、固定機(jī)械臂的基座以及設(shè)置于基座內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制器。所述七自由度機(jī)械臂包括肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度、肘關(guān)節(jié)三個(gè)自由度以及腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，所述七自由度機(jī)械臂由七個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。操縱桿設(shè)置在機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)處。機(jī)械臂末端設(shè)置與手術(shù)器械連接的末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器與手術(shù)器械的接口為法蘭式接口或可脫卸接口。所述手術(shù)器械指截骨工具或鉆骨工具；所述截骨工具或鉆骨工具包括定位跟蹤
O所述網(wǎng)絡(luò)控制器包括數(shù)據(jù)庫模塊、坐標(biāo)變換和控制算法模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器-導(dǎo)航儀接口模塊、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面模塊。手術(shù)器械和機(jī)械臂關(guān)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置用于光學(xué)導(dǎo)航的標(biāo)志點(diǎn)。機(jī)械臂上設(shè)置力傳感器、碰撞傳感器或者接近傳感器中的一種或幾種；此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器包括數(shù)據(jù)庫模塊、坐標(biāo)變換和控制算法模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器-導(dǎo)航儀接口模塊、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面模塊以及傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于該機(jī)械臂通過設(shè)計(jì)額外的網(wǎng)絡(luò)控制器，機(jī)械臂能與光學(xué)空間定位導(dǎo)航系統(tǒng)相配合，接受來自后者的指令，執(zhí)行顱頌面整復(fù)手術(shù)中骨切削及磨鉆等操作，從而提供一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂。該機(jī)械臂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航，而且能夠通過網(wǎng)絡(luò)控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂獲取并處理來自光學(xué)空間定位導(dǎo)航儀的坐標(biāo)信息，將感知信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械臂指令從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的可控性行為，提高了導(dǎo)航可視下操作的精度，從而使手術(shù)更加穩(wěn)定、精確，有效改善顱頌面骨整復(fù)的手術(shù)效果。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的手術(shù)器械，其中，圖2-1為定為跟蹤器；圖2-2為定位導(dǎo)航截骨工具；圖2-3為定位導(dǎo)航鉆骨工具。圖3為本實(shí)用新型的操作示意圖。圖中所示標(biāo)號(hào)如下1、2、3—一肩關(guān)節(jié)自由度；4、5、6——肘關(guān)節(jié)自由度；7——腕關(guān)節(jié)自由度；8——基座；9——肩部；10——肘部；11——腕部；12——操縱桿；13——末端執(zhí)行器；14——網(wǎng)絡(luò)控制器；15——導(dǎo)航儀。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)說明，實(shí)施例的作用僅是解釋而非限定本實(shí)用新型。實(shí)施例1如圖1所示，基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，包括七自由度機(jī)械臂、操縱桿12、與機(jī)械臂相匹配的手術(shù)器械、固定機(jī)械臂的基座8以及設(shè)置于基座內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制器14。所述七自由度機(jī)械臂包括肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度1、2、3，肘關(guān)節(jié)三個(gè)自由度4、5、6，以及腕關(guān)節(jié)自由度7串聯(lián)組裝而成形成七個(gè)自由度，所述七自由度機(jī)械臂由具有7個(gè)自由度的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。所謂自由度，參照機(jī)械領(lǐng)域的常規(guī)理解，在本發(fā)明中可以理解為本機(jī)械臂可以按照?qǐng)D1中標(biāo)號(hào)1一 7處所指向的7個(gè)箭頭表示的方向分別做自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而靈活、精確定位手術(shù)器械的位置。操縱桿12設(shè)置在機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)處。機(jī)械臂末端設(shè)置與手術(shù)器械連接的末端執(zhí)行器13，所述末端執(zhí)行器與手術(shù)器械的接口為法蘭式接口或可脫卸接口。如果是單一器械可以采用簡單的法蘭式連接，如果手術(shù)中還需更換器械則還要設(shè)計(jì)可脫卸接口。如圖2所示，手術(shù)器械包括截骨工具2-2和鉆骨工具2-3 ；所述截骨工具2_2和鉆骨工具2-3可以安裝定位跟蹤器2-1。定位跟蹤器2-1通過發(fā)射紅外線信號(hào)被裝配有光學(xué)傳感器的攝像機(jī)接收，通過配準(zhǔn)，外科醫(yī)生可通過顯示器準(zhǔn)確判斷出安裝有定位跟蹤器2-1 的手術(shù)器械與手術(shù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)空間關(guān)系。截骨工具2-2和鉆骨工具2-3選用顱頌面整復(fù)手術(shù)通用手術(shù)器械，通過安裝定位跟蹤器2-1，實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位。操作中，機(jī)械臂需要與光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)配合使用，網(wǎng)絡(luò)控制器14通過網(wǎng)絡(luò)與光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)連接，接受其指令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的坐標(biāo)變換和控制算法處理，轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制指令，以遠(yuǎn)程控制方式控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)控制器14包括數(shù)據(jù)庫模塊、 坐標(biāo)變換和控制算法模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器-導(dǎo)航儀接口模塊、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面模塊。手術(shù)器械和機(jī)械臂關(guān)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置用于光學(xué)導(dǎo)航的標(biāo)志點(diǎn)(圖示未畫出)。為了增強(qiáng)機(jī)械臂的安全性，還需要增加力傳感器、碰撞傳感器、接近傳感器等安全措施(圖示未畫出)，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器相應(yīng)增加傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。如圖3所示，在操作中，需要一個(gè)光學(xué)導(dǎo)航儀15，執(zhí)行顱頌面整復(fù)手術(shù)時(shí)，末端執(zhí)行器13根據(jù)手術(shù)需要安裝圖2中所示手術(shù)器械，術(shù)者通過操作桿12將機(jī)械臂移動(dòng)到手術(shù)部位，網(wǎng)絡(luò)控制器14實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與導(dǎo)航儀15的通訊連接，光學(xué)導(dǎo)航儀15提供光學(xué)導(dǎo)航實(shí)時(shí)定位，機(jī)械臂根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制器14接受的指令執(zhí)行操作。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，包括七自由度機(jī)械臂、操縱桿、與機(jī)械臂相匹配的手術(shù)器械、固定機(jī)械臂的基座以及設(shè)置于基座內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，所述七自由度機(jī)械臂包括肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度、肘關(guān)節(jié)三個(gè)自由度以及腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，所述七自由度機(jī)械臂由七個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，操縱桿設(shè)置在機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，機(jī)械臂末端設(shè)置與手術(shù)器械連接的末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器與手術(shù)器械的接口為法蘭式接口或可脫卸接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，所述手術(shù)器械指截骨工具或鉆骨工具。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，所述截骨工具或鉆骨工具包括定位跟蹤器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)控制器包括數(shù)據(jù)庫模塊、坐標(biāo)變換和控制算法模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器-導(dǎo)航儀接口模塊、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，手術(shù)器械和機(jī)械臂關(guān)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置用于光學(xué)導(dǎo)航的標(biāo)志點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，機(jī)械臂上設(shè)置力傳感器、碰撞傳感器或者接近傳感器中的一種或幾種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頌面手術(shù)輔助機(jī)械臂，其特征在于，網(wǎng)絡(luò)控制器包括數(shù)據(jù)庫模塊、坐標(biāo)變換和控制算法模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器-導(dǎo)航儀接口模塊、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面模塊以及傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種基于光學(xué)導(dǎo)航七自由度顱頜面手術(shù)輔助機(jī)械臂，包括七自由度機(jī)械臂、操縱桿、與機(jī)械臂相匹配的手術(shù)器械、固定機(jī)械臂的基座以及設(shè)置于基座內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制器。該機(jī)械臂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航，而且能夠通過網(wǎng)絡(luò)控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂獲取并處理來自光學(xué)空間定位導(dǎo)航儀的坐標(biāo)信息，將感知信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械臂指令從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的可控性行為，提高了導(dǎo)航可視下操作的精度，從而使手術(shù)更加穩(wěn)定、精確，有效改善顱頜面骨整復(fù)的手術(shù)效果。
文檔編號(hào)B25J13/00GK202146362SQ201020690750
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者張?jiān)娎? 林艷萍, 欒楠, 桂海軍, 沈國芳, 趙言正 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院