专利名称：基于单坐标系操控的关节手术机器人的制作方法
基于单坐标系操控的关节手术机器人本发明属于一种医疗手术器械。关节疾病是常见病、多发病，如风湿、类风湿、骨性关节炎等，目前全世界每年都有成千上万的患者进行关节置换，手术的效果主要取决于手术定位和假体安装的精度。以全膝关节置换手术为例，目前进行定位的方法主要有传统的人工全膝关节置换、计算机或机器人辅助膝关节手术等，前者术中定位切割依靠各种各样的夹具系统，定位精度主要依赖于医生的经验，增加了手术的不确定性，影响了假体安装的精度及膝关节运动功能的重建； 后者都要建立两个或以上的坐标系，如美国的Robodoc手术机器人，为了对股骨头中心定位，要先做一次专门的手术，在股骨上植入标志钛钉，再对股骨进行CT扫描，重建出股骨三维模型，通过三维模型所在的虚拟坐标系同机器人的坐标系匹配方能实现股骨定位。英国的ACRobot和瑞士的Galileo手术机器人也都采用类似方法进行股骨定位。国内研发的华佗关节机器人测定股骨头中心时，无术前CT扫描三维重建定位，而是采取“已知球面上若干点(不共平面点的个数多于幻可求出球心”的基本原理，在保证股骨头中心位置不变的情况下，改变股骨远端位置，可以测量得到股骨远端表面上不同位置的某点，用该点坐标的数据组来求解股骨头中心坐标。然后将摄像机坐标系、股骨坐标系、股骨标志点坐标系等与机器人坐标系的进行匹配，实现手术操作。由于人体并非刚体且躺在包含软面的手术台上， 即便在使用固定带的情况下，转动下肢改变股骨远端位置时要“保证股骨头中心位置不变” 也是很难实现的，这样测量股骨远端表面上某点的坐标就难以做到精准。由此可见，上述这些机器人手术方法存在一些不足之处具有多个坐标系，需多次匹配，复杂度高，精度易受影响，且操作繁琐，手术中股骨位置一旦发生改变，重匹配算法尤为复杂。此外，有的还需要专门另外进行一次植入钛钉的定位手术，使病人皮、肉、骨多受损伤，增加了患者的痛苦。本发明的目的是提供一种基于单坐标系操控的高精度、快速高效的关节手术机器人。本发明的技术方案是这样实现的。该关节手术机器人由移动单元、测量系统和主控系统三部分组成。移动单元包括手术台车、X方向(指手术台长轴方向)移动导轨、电机和旋转切削机构、Y方向(指手术台短轴方向)移动导轨和电机、Z(指与手术台垂直方向) 方向移动导轨和旋转机构等。测量系统包括探针等。主控系统由控制台、计算机、手控器、 外部场景显示系统、电机驱动器、控制软件等组成。以全膝关节置换手术为例，其主要操作过程如下首先对股骨进行CT扫描并三维重建，分别测量股骨头中心点至股骨上表平面延长剖面与股骨内髁边缘的交点、外髁边缘的交点以及股骨髁间窝中心点的距离。切开膝关节显露股骨远端后，牢固固定股骨，用该机器人测量系统的探针探得股骨上表平面延长剖面与股骨内髁边缘的交点、外髁边缘的交点以及股骨髁间窝中心点三点的坐标，这三点与股骨头中心点在空间形成一个不规则的锥形，由于这三点的坐标及它们到股骨头中心点的长度为已知，故主控系统可计算出股骨头中心点的坐标，如此可确定下肢的力学轴线即股骨头中心点到股骨髁间窝中心点的连线在机器人自身一个运动坐标系中的坐标，机器人主控系统的切割控制软件可据此确定股骨远端截骨面并进行切割。同理，胫骨切削的定位技术与之类似，可以按照股骨定位技术的原理进行。
本发明的结构结合附图详述如下。脊柱微创手术机器人由由移动单元和主控系统二部分组成。移动单元包括手术台车6、X方向(指手术台长轴方向)移动机构光杠8、丝杠9、电机5、旋转切削电机3、切削刀头4等；Y方向(指手术台短轴方向)移动机构导轨7和电机10及旋转电机1等；、Z 方向(指与手术台垂直方向)移动机构导轨和电机2及旋转机构和旋转电机11等。移动单元可从可拆卸机构12处拆开，以便消毒和清理。主控系统由控制台、计算机、手控器、外部场景显示系统、电机驱动器、控制软件等组成。首先对股骨和胫骨进行CT扫描并三维重建，分别测量股骨头中心点(D)至股骨上表平面延长剖面与内髁边缘的交点(A)、外髁边缘的交点(B以及股骨髁间窝(C)的距离DA、DB和DC。切开膝关节显露股骨远端后，用固定夹牢固固定股骨，用该机器人的探针探得A、B、C三点的坐标:A(X1, Yl, Zl)，B(X2，Y2，Z2)， C(X3，Y3，Z3)，由于DA, DB和DC长度已测知，故可计算出D的坐标D(X4，Y4，Z4)，下肢的力学轴线即D点到C点连线在机器人自身一个坐标系中的坐标从而被确定，据此机器人主控系统的切割控制软件可生成截骨平面，以股骨远端最低点为基准确定截骨厚度后，由机器人切削刀头截出股骨远端截骨五个平面。本发明具有以下优点定位及切削精度高、快速高效等优势，不需要多坐标系相互匹配，操作简便，能降低医生的工作强度，可进行远程手术，适用于多种关节置换手术。说明书
1.电机2.电机3.电机4.切削刀头5.电机6.手术台车7.导轨8.光杠 9.丝杠10.电机11.电机12.可拆卸机构图1 基于单坐标系操控的关节手术机器人主视2 基于单坐标系操控的关节手术机器人俯视3 基于单坐标系操控的关节手术机器人左视图
权利要求
1.一种基于单坐标系操控的关节手术机器人，它由它由移动单元、测量系统和主控系统组成，具有六个自由度。移动单元包括手术台车、X方向移动导轨、电机和旋转切削机构、 Y方向移动导轨和电机、Z方向移动导轨和旋转机构等。测量系统有探针等。主控系统由控制台、计算机、手控器、外部场景显示系统、电机驱动器、控制软件等组成。其特征在于术前在欲手术骨的表面或内部至少取四个点并测量其相互之间的距离，术中核实骨表面的点并将其在该机器人的运动的坐标系中确定坐标位置，再根据各点间的相互距离计算出骨内部所取点的坐标，机器人通过其自身运动的一个坐标系进行操控，完成欲换表面骨的各个截骨面的定位并切削。
2.根据权力要求1所述的基于单坐标系操控的关节手术机器人，其特征在于移动单元有可拆开用于消毒的机构。
全文摘要
一种关节手术机器人，它由移动单元、测量系统和主控系统组成，具有六个自由度。其特征在于术前在欲手术骨的表面或内部至少取四个点并测量其相互之间的距离，术中该机器人的测量系统核准骨表面的点，主控系统确定这些点在机器人运动坐标系中坐标位置，再根据各点间的相互距离计算出骨内部所取点的坐标，机器人通过其自身运动的一个坐标系进行操控，完成欲换表面骨的各个截骨面的定位并切削。它具有定位及切削精度高、快速高效等优势，不需要多坐标系相互匹配，操作简便，能降低医生的工作强度，可进行远程手术，适用于多种关节置换手术。1.电机 2.电机 3.电机 4.切削刀头 5.电机 6.手术台车 7.导轨 8.光杠 9.丝杠 10.电机 11.电机 12.可拆卸机构。
文档编号A61B17/3209GK102188279SQ20101013112
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者张春霖 申请人:张春霖