随动式脊柱自定位导航手术机器手及其定位方法

专利名称：随动式脊柱自定位导航手术机器手及其定位方法
技术领域：
本发明属于一种医疗手术器械，尤其涉及一种随动式脊柱自定位导航手术机器手及其定位方法。
背景技术：
众所周知，椎弓根是连接人椎体与椎弓的小柱状结构，经椎弓根穿刺或置入内固定目前已成为脊柱外科主要的手术方法之一，其方式多种多样，如椎体成形术、脊柱骨折内固定、脊柱滑脱内固定、脊柱侧弯矫形术等。由于椎骨隐藏于人体深部，并随呼吸上下运动，经椎弓根穿刺或置入犹如“蒙着眼睛打移动靶”，准确置入并非易事。目前用于经椎弓根置入方法可以归纳为四种1人工置入辅以X线正侧位透视、体感诱发电位和肌电图等神经
电生理以及电阻抗等方法监控置入方向。2计算机辅助导航它基于全球定位系统(GPS)原理进行引导，即将术前脊柱CT、MRI图像三维重建后获取的数据存于“虚拟世界坐标系”，术中定位器实时地再将目标椎骨和手术器械的空间位置建立在“现实世界坐标系”，然后通过这两个坐标系的匹配引导经椎弓根置入。3数字化导向模板。4手术机器人如以色列的Spineassiant (脊柱助理)、韩国的基于光学跟踪的手术机器人-SPINEB0T、德国的基于术中C臂机2D图像的手术导航系统、0臂引导的机器人手术系统等。这些方法有其各自的优势但也存在一定的不足，如有的操作繁琐费时、影像易漂移、追踪系统易受干扰、不能实时动态监测；有的需要显露范围较大，难以在经皮等微创手术条件下应用；有的受现有导航方法的限制，自身精度虽很闻，但置入精度难以进一步提闻等。有鉴于此，亟待针对上述技术问题，另辟蹊径设计一种新的随动式脊柱自定位导航手术机器手和定位方法，实现高精度地确定椎弓根钉的置入点和置入方向，提高脊柱手术的安全性及疗效。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于特定点锁定的随动式脊柱自定位导航手术机器手，该手术机器手能锁定椎骨后表面特定点、并自动调整姿态、准确控制置入点和置入方向，从而实现数字化的椎弓根准确置入，安全高效且操作简便。在此基础上，本发明的另一目的是提供一种上述随动式自定位导航手术机器手的定位方法。为解决上述技术问题，本发明提供一种随动式脊柱自定位导航手术机器手，它包括通用部分和专用部分；通用部分由随动连接机构、姿态调节机构和控制软件及传感器、调节板等组成，专用部分包括探测定位单元和置入执行单元，分为胸腰椎、颈椎专用两部分；该手术机器手能通过其随动机构保持与椎骨相对静止，并能从四周和上方等不同方向将这些特定点锁定，继而确定置入点和置入方向，数控引导经椎弓根置入。优选地，特定点为位于椎骨后表面非同一圆弧后缘线上能起限位作用的点，或所述特定点为椎骨后表面上左右两侧平行于长轴方向的线和左右椎弓根头尾向等分线的交点；或所述特定点为与所述左右椎弓根头尾等分线呈预定夹角的线和所述平行于长轴方向的线的交点。优选地，该手术机器手在一个椎骨进行左右椎弓根置入时，一次需同时锁定两个或以上椎骨后表面上的特定点。优选地，该手术机器手通过观察或采集探针的长度、压力等信号的变化进行机器手人工或自动控制姿态调整。优选地，所有的锁定针均能伸缩并分布于探针所有的锁定针均能伸缩并分布于探针或穿刺针的四周，锁定针的尖端均低于探针或穿刺针而先与骨面接触，避免它们与特定点或置入点接触后滑移，锁定特定点并确定置入点和置入方向。优选地，随动连接机构包括连接板、立柱、弹簧组成。优选地，胸腰椎专用部分的探测定位单元由两套或以上的探针机构、锁定针机构、转换针机构，置入执行单元由两套或以上的穿刺针机构等组成；探针机构包括探针、导向 柱、带刻度槽的导向筒、弹簧、指示标；锁定针机构包括锁定针、导向管、弹簧、指示标；转换针机构包括转换针、导向管、位移及角度调节座等；穿刺针机构包括穿刺针、内导向筒、开合式外导向筒、位移及角度调节座；穿刺针、内导向筒、开合式外导向筒为镂空或透X线材料制成。优选地，寰椎专用部分探测定位单元和置入执行单元包括两套或以上的探针、锁定针或穿刺针及调节座等，，其锁定针由锁定片、弹簧等组成；各锁定片可以独立伸缩，其下端可呈尖刺或其他形状。优选地，所述机器手的探测定位单元和置入执行单元，分别设于所述机器手的连接座的相对两侧。本发明还提供一种随动式脊柱自定位导航手术机器手的定位方法，所述定位方法包括如下步骤I)选定目标椎骨上的特定点；2)用所述探针及锁定针探测定位单元锁定所述特定点的位置，进而确定所述目标椎骨的置入点和置入方向。优选地，所述目标椎骨为寰椎，所述步骤I)具体为选定所述寰椎后弓后缘线上具有同一圆心但不同半径的两个圆弧上的点作为特定点；分别获取所述的第一和第二圆弧上的两特定的间距及第一和第二圆弧半径；所述步骤2)具体为21)设置所述探测定位单元的两个探针的间距等于第一圆弧上的两特定的间距；所述机器手的机器人依据该间距和第一圆弧的半径确定圆心；22)所述机器手以所述圆心为圆心，以所述第二圆弧的半径为半径做旋转运动，使两芽刺针触及裳椎后弓后缘线；23)所述机器手沿通过两穿刺针在寰椎后弓后缘线(第二圆弧)的触碰点的中点的垂线运动，锁定特定点；所述步骤2)后还包括步骤3)将所述机器手的置入执行单元的穿刺针按照预设的轨迹调整姿态后沿寰椎“椎弓根“置入。优选地，所述目标椎骨为第六颈椎，所述步骤I)具体为
选定所述第六颈椎的左右两侧边缘线与椎弓根头尾向等分线的两个交点作为特定点；获取左右两椎弓根置入点与正中线的第一距离，以及所述左右两椎弓根置入点与椎板头或尾侧的边缘点的第二距离；所述步骤2)具体为21)设置所述探测定位单元的两探针的间距等于两所述特定点的间距，移动所述探针使其触碰所述目标椎骨椎板头或尾侧的边缘点，然后将两探针向尾或头侧移动第二距离；22)移动所述机器手，使所述探测定位单元的滑筒下端接触所述特定点，将所述机器手以虚拟旋转中心点为圆心在竖直平面内小角度旋转，使左右两个所述探针的指示标高度相冋；23)将所述机器手绕其轴心所在水平线旋转180度，然后将所述置入执行单元向左或向右移动所述第一距离，再将所述置入执行单元的穿刺针按照预设的轨迹调整姿态。


图I为随动式脊柱自定位导航手术机器手正视图；图2为随动式脊柱自定位导航手术机器手侧视图；图3为随动式脊柱自定位导航手术机器手俯视图；图4为替换内导向筒结构图；图5为随动式脊柱自定位导航手术机器手胸腰椎工作原理示意图；图6为随动式脊柱自定位导航手术机器手寰椎工作原理示意图；图7为随动式脊柱自定位导航手术机器手寰椎专用部分正视图；图8为图7中底端Z向的局部放大图；图9为本发明所提供手术机器手的另一种具体实施方式
的端视图；图10为图9的侧视图；图11为图9的俯视图；图12为图9所示机器手所属的机器人的端视图；图13为本发明所提供手术机器手的定位方法的一种具体实施方式
的流程框图；图14为机器手脊柱定位导航方法示意图；图15为图14中第六颈椎的侧位示意图。其中，图I至图15中的附图标记与部件名称之间的对应关系为I.随动连接机构2.姿态调节机构3.调节板4.锁定针机构5.探针机构
6.转换针机构7.穿刺针机构8.连接板9.立柱10.弹簧11.转轴12.转轴座
13.锁紧座14、14'.位移钢15.导向槽16.导向槽17.头尾向锁定针18.左右向锁定针19.导向管20.弹簧21.指示标22、22'.探针23.特定点24.特定点25.特定点26.特定点27.导向柱28 带刻度槽的导向筒29 弹簧30、30'.指示标31.探针呈状的尖部32.转换针33.导向管34.位移及角度调节座35.穿刺针36.内导向筒37.开合式外导向筒38.位移及角度调节座39.内导向筒40.锁定针41.滑筒42.弹簧43、43'.探针44.调节座45、45'.穿刺针46.调节座47.锁定针48.锁定片49.弹簧50. “八”字结构51、51'特定点52、52' 特定点53、53'.特定点54、54'.指示标55、55'.指示标101.机器手102.手术机器103.手术台104. X方向移动导轨和电机105.Y方向移动导轨和电机 106. Z方向移动导轨和电机 107.探测定位单元 108.连接座109.置入执行单元110.轴心Q 111.探针112.探针113.调节紧固装置114.快换装置115.锁定针116.锁定针 117.锁定针 118.滑筒119.滑筒120.滑杆121.滑杆122.弹簧123.弹簧124.限位片125.限位片126.指示标127.指示标128.探测定位单元的水平线129.椎骨水平线130.机械臂131.穿刺针132.导向管133.导向筒134.锁定针135.锁定针136.锁定针137.尾盖138.弹簧139.椎弓根置入点E 140.椎弓根置入点E' 141.特定点A 142.特定点A' 143.椎弓根规划路线144.椎弓根规划路线145.正中线146.虚拟转动轴心147.椎板尾侧边缘点P148.头尾向“椎弓根”等分线与点P的距离m 149.左椎弓根规划路线143与正中线145的夹角a 150.右椎弓根规划路线与正中线的夹角a ' 151.左“椎弓根”头尾向等分线152.椎板153左椎椎弓根置入点与正中线的第一距离n 154右两椎椎弓根置入点与正中线的第一距离n'。
具体实施例方式本发明的核心为提供一种基于特定点锁定的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其能高精度地确定椎弓根钉的置入点和置入方向，提高脊柱手术的精度。在此基础上，本发明的另一核心是提供一种上述随动式自定位导航手术机器手的定位方法。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请参考图I至图4，图I为随动式脊柱自定位导航手术机器手正视图；图2为随动式脊柱自定位导航手术机器手侧视图；图3为随动式脊柱自定位导航手术机器手俯视图；图4为替换内导向筒结构图。该手术机器手随动自定位导航的基本原理是保持机器手与椎骨相对静止，其自身能触及椎骨后表面上的一些特定点，并能分别从四周和上方予以可靠锁定，继而确定置入点和置入方向，数控引导经椎弓根置入。所谓特定点，是指椎骨后表面非同一圆弧后缘线上能起限位作用的点(此椎骨后表面后缘线相当于左右椎弓根规划路径的CT剖面图椎骨后缘线)，或上述特定点为椎骨后表面上左右两侧有一些与长轴平行的线与左右椎弓根头尾向等分线的交点，或者上述特定点具体为与左右椎弓根头尾向等分线呈一定夹角的线与平行于长轴的线的交点。具体地，上述与长轴平行的线可以具体为颈椎椎骨的左右两侧边缘线、胸椎肋横突关节间隙线、腰椎关节突关节间隙线等。如图I至图4所示，该随动式脊柱自定位导航手术机器手通过机械臂与机器人本体相连，它包括通用和专用两部分。通用部分由随动连接机构I、姿态调节机构2和控制软件及传感器、调节板3组成。随动连接机构I包括连接板8、立柱9、弹簧10，当机器手下降与椎骨后表面接触时，弹簧10被压缩，机器手可跟随椎骨因呼吸产生的上下运动而运动即“随动”，机器手从而与椎骨保持相对静止。连接板8与机械臂相连。姿态调节机构2包括转轴11、转轴座12、锁紧座13、位移钢14、14'、传感器、控制软件等。位移钢14、14'可将机器手运动过程中两探针22、22'指示标30、30'的位移量通过传感器传输至机器人的主控系统，主控系统继而通过软件控制机器人本体运动使调节板3平移并绕转轴11转动，当两指示标30、30'的长度相等时，机器手停止运动，完成姿态调整。调节板3上有两个导向槽15，16，以便与专用部分转换连接。专用部分包括探测定位单元和置入执行单元，分为胸腰椎及颈椎专用两部分。胸腰椎专用部分由探针机构5、锁定针机构4、转换针机构6、穿刺针机构7等组成。探针机构5有两套，包括探针22，22'、导向柱27、带刻度槽的导向筒28、弹簧29、指示标30等。探针22的下端呈状31，可从上方触及特定点23，24。锁定针机构4包括四套头尾向锁定针17、两套左右向锁定针18、导向管19、弹簧20、指示标21等。所有锁定针17，18的尖端均低于探针22，在机器手下降、探针22逐步锁定特定点23，24的过程中，锁定针17，18先于探针22与椎骨后表面接触(必要时可刺入骨内)，锁定针17，18的指示标21可反映其是否触及骨表面及对骨表面产生压力大小的状态。由于骨表面粗糙不平，当锁定针17，18下降达一定压力触及骨面时可防止探针22滑移，保证探针22不偏离特定点23，25及左右向锁定针18不偏离特定点24，26，即可从头尾、左右方向四周可靠锁定特定点23，25，24，26。转换针机构6包括转换针32、导向管33、位移及角度调节座34等。某些情况下，探针22可能对穿刺针35的置入构成干涉，此时可将转换针32于适当位置固定于椎骨后表面，去除探针22以便穿刺针35置入的操作。穿刺针机构7为两套，由穿刺针 35、内导向筒36、开合式外导向筒37、位移及角度调节座38组成。穿刺针35、内导向筒36、替换内导向筒39、开合式外导向筒37为镂空或透X线材料制成。替换内导向筒39包括锁定针40、滑筒41、弹簧42，可保证穿刺针35准确刺入置入点。将替换内导向筒39更换为内导向筒36，以便术中从椎弓根轴位(即从椎弓根的一端)透视观察穿刺针置入过程，实时动态监测，防止穿刺针35偏离，保证穿刺针35置入准确及手术安全。开合式外导向筒37打开，穿刺针35与机器手即能脱离。寰椎专用部分包括两套探针43，43'及调节座44、两套穿刺针45，45'及调节座46等，其两锁定针47由两锁定片48、弹簧49等组成。两锁定片48可以独立伸缩，其下端一个呈“/”形，另一个呈“\”，相互构成“八”字结构50，能适应寰椎后弓的“山嵴状”结构，防止探针43，43'向头或尾侧滑移。由于寰椎后弓呈环状，穿刺针45,45^位于后弓最高处即后结节两侧时，能防止穿刺针45，45'向左或右侧滑移。两套探针43，43'落于特定点51，51'，通过调节板3使穿刺针45，45'能从上方锁定特定点53，，53'。下面分别以第I腰椎(LI)和第I颈椎(寰椎)手术为例，说明该机器手在胸腰椎和颈椎的操作方法与步骤。(一 )对于胸腰椎，请参考图5，图5为随动式脊柱自定位导航手术机器手胸腰椎工作原理示意图。如图5所示，术前在头尾向等分左右椎弓根的CT剖面图上确定四个特定点23，24，25，26 (23，25为两骨嵴的最高点；24，26为水平线L与两骨嵴底部的交点)并测量(I)特定点23，25距水平线的高度差；(2)特定点24，26与矢状线M的垂直距离；(3)左右椎弓根置入点E、E'的间距；⑷左右椎弓根规划置入角度a '，a。分别依据特定点24，26与椎骨矢状线M的垂直距离设定(I)左或右锁定针18与机器手正中面的距离；(2)左右椎弓根置入点E'，E间距设定两穿刺针35针尖之间的距离；(3)左右椎弓根置入角度a、a'设定穿刺针35的倾斜角度。在传统开放手术时，切开显露椎板及关节突后，在直视或摄像头及侧位X线透视监视下，直接使两探针22的尖部31正对椎弓根头尾向等分处下降触及两骨崎的最闻点23, 25。两侧探针22的指不标30, 30'及锁定针18的指不标21不同闻度上移，将位移钢丝14，14'将其位移量通过传感器传输至机器人的主控系统，主控系统继而通过软件控制机器人本体运动，使机器手的调节板3平移并绕转轴11转动，当双侧指示标30,30/的长度高相等时，机器手自动停止运动，姿态调整即完成，此时特定点23，2524，26即被该机器手锁定，左右侧椎弓根置入点E'，E及置入角度a'，a也随之被确定。两穿刺针35沿导向筒36下降即可按术前规划数值准确置入椎弓根内。在某些情况下，探针22锁定特定点23，25后可能对穿刺针35置入构成干涉，此时可将转换针32于适当位置固定于椎骨后表面，去除探针22以便穿刺 针35置入的操作。(二)对于寰椎，请参考图6至图8，图6为随动式脊柱自定位导航手术机器手寰椎工作原理示意；图7为随动式脊柱自定位导航手术机器手寰椎专用部分正视图；图8为图7中底端Z向的局部放大图。如图6至图8所示，术前在寰椎头尾向等分两“椎弓根”的CT剖面图上，在寰椎后弓后缘线上选取位于第一圆弧D两对称点51,51',以第一圆弧D的圆心确定第二圆弧D'，再于第二圆弧D'上对称选取两点52，52'，点51，51'，52，52'作为特定点。测量①点51，51'的间距；②第一圆弧D的半径r，第二圆弧D'的半径R ;③左右“椎弓根”置入点53，53'间距及置入角度。分别依据点51，51'的间距设定两探针43，43'针尖之间的距离；点52，52'设定两穿刺针45，45'针尖之间的距离。手术时，于颈椎后正中线取一小切口，将寰椎后弓显露后，侧位X线透视监控下先使两探针43，43'正对寰椎“椎弓根”头尾向等分处。下降机器手，探针43，3'触及第一圆弧D。由于两探针43，43'针尖之间的距离和r为已知，圆心0的坐标即能被机器人主控系统计算机确定。以0为圆心，R为半径旋转机器手，使穿刺针45，45'触及寰椎后弓骨面的第二圆弧D'，沿通过该第二个触碰点连线的中点的垂线机器手运动，两探针43，43'、两穿刺针45，45'触及51，51'，52，52'，此时两探针43，43'的指示标54，54'、穿刺针45，45'的指示标55，55'两两高度相等，表明锁定特定点51，51'，52，52'被准确锁定。机器手停止运动。依据左右“椎弓根”置入角度设定左右穿刺针45，45'的角度，左右“椎弓根”置入点53，53'间距设置穿刺针45，45'的间距，两穿刺针45，45'沿导向筒下降即可按术前规划数值准确置入“椎弓根”内。本发明具有以下优点结构合理巧妙、安全高效，操作简便，能降低或避免射线暴露，减轻医生的工作强度，并可远程手术，适用于多种脊柱经椎弓根穿刺或内固定手术。请参考图9至图12，图9为本发明所提供手术机器手的另一种具体实施方式
的端视图；图10为图9的侧视图；图11为图9的俯视图；图12为图9所示机器手所属的机器人的端视图。在另一种具体实施方式
中，如上图所示，本发明所提供的手术机器手101是手术机器102的一部分，该机器人由移动单元、主控系统等部分组成。移动单元包括手术台103、X方向(指手术台长轴方向)移动导轨和电机104、Y方向(指手术台短轴方向)移动导轨和电机105、Z(指与手术台垂直方向)方向移动导轨和电机106等。主控系统由控制台、计算机、显示器、手控器、编程控制软件等组成。机器手101包括探测定位单元107、连接座108、置入执行单元109三部分。机器手101可绕轴心QllO转动。探测定位单元107由两枚探针111，112、调节紧固装置113、快换装置114及锁定针115、116、117等组成。探针111，112具有滑筒118，119、滑杆120，121及弹簧122，123。滑筒118，119下端为平面或呈“，”形，平面者用于胸腰椎，呈“形者用于颈椎。“I”形的“ I ”部分为限位片124，125。滑杆120，121上部设有指示标126，127，下端为尖刺、三棱或其他形状，具有较好的防滑移作用。滑杆120，121位于滑筒118，119内，滑杆上端的弹簧122，123有利其伸缩复位。指示标126，127可反映探针111，112的长度和探测定位单元107的水平线128与椎骨水平线129之间成角或平行的状态。调节紧固装置113可调整并保持探针111，112的相互间距。快换装置114有利于探测定位单元107与置入执行单元109脱离，便于单独使用置入执行单元109时的手术操作。探针111，112周围各有三枚锁定针115，116，117和相应的导向槽、弹簧。导向槽、弹簧有利于锁定针115，116，117的伸缩。锁定针115，116，117的尖端低于探针111，112—定长度。当施加一定压力下降探针111，112时，三枚锁定针115，116，117先于滑杆120，121尖部呈三点状与凸凹不平骨面紧密接触，可防止探针111，112滑移，从而锁定特定点。连接座108连接机器人102的机械臂130。置入执行单元109由穿刺针131、导向管132、导向筒133、锁定针134，135，136及尾盖137组成。穿刺针131、导向管132位于导向筒133的内部，二者尾部均有台阶，以防从导向筒133中滑出。尾盖137内有弹簧138，以便穿刺针131、导向管132伸缩，这样既有利于穿刺针131、导向管132及导向筒133在微创手术时进入体内，也有利于导向筒133接触骨表面时穿刺针131、导向管132缩入导向筒133内。导向筒133为镂空结构及透X线材料制成，以便术中实时动态监测。锁定针134，135，136分布于导向筒133的周围，也有导 向槽及弹簧以利于伸缩。锁定针134，135，136的尖端同样低于穿刺针131 —定长度，其尖端呈三点状与凸凹不平的骨表面紧密接触，可防止导向筒133滑移，从而锁定置入点E139、E' 140。尾盖137与导向筒133相连，去除尾盖137及穿刺针131和导向管132后，锁定针134，135，136及导向筒133继续保留控制置入点及置入方向，此时可改由人工或其他机器手经导向筒133进行椎弓根钉置入操作。在进一步的方案中，上述置入执行单元109与探测定位单元107分别设于机器手的连接座108的相对两侧。具体的方案中，上述置入执行单元109和探测定位单元107之间的夹角为180°。采用这种结构，能够减小机器手的宽度，缩小机器手的体积，并且在手术过程中，只需将机器手绕连接座的轴向中心线翻转180°即能快速实现定位和置入导向功能的转换，使得手术机器手具有操作方便的特点。当然，上述二者的夹角也可以呈其他角度，这样同样能够减小宽度，并通过旋转一定角度实现定位和导入的功能切换。此外，本发明还提供一种随动式脊柱自定位导航手术机器手的定位方法，该方法首先选定目标椎骨上的预设点作为特定点，然后采用左右探针及锁定针对特定点锁定，在机器人的坐标系中建立虚拟转动轴心以便机器手调整姿态，进而确定椎弓根置入点及置入角度，数字化引导经椎弓根精确置入。采用这种方法，能够通过特定点的已知坐标给探测定位单元以一定的参照，使其具有更高的精度和准确度，提高手术的定位准确性。下面以第六颈椎为例，说明该机器手依据特定点进行脊柱手术定位的操作方法与步骤。请参考图13至图15，图13为本发明所提供手术机器手的定位方法的一种具体实施方式
的流程框图；图14为机器手脊柱定位导航方法示意图；图15为图14中第六颈椎的侧位示意图。
在另一种具体实施方式
中、如上图所示，当手术的目标椎骨为第六颈椎，上述定位方法可以具体包括如下步骤Sll :术前对第六颈椎进行CT扫描并三维重建后，在第六颈椎头尾向等分左右“椎弓根”的CT剖面图上，选取其左右两侧边缘线与“椎弓根”头尾向等分线的交点作为特定点A 141、A' 142。确定左右两“椎弓根”置入点E 139、E' 140和椎弓根规划路线143，144与正中线145的夹角α、a'，测量AA'和EE'线段的长度。测量左右两“椎弓根”置入点E 139、Ei 140与正中线145的第一距离run'。在内外向等分左右“椎弓根”的CT剖面图上，测量左右两“椎弓根”置入点E 139、Ei 140和椎板152头侧或尾侧边缘点P147、Pi (图中未示出)的第二距离ml48和m'(图中未示出)。将这些数据资料传输给主控系统的计算机。S12 :术中充分显露第六颈椎并固定牢稳。设置探测定位单元构的两个探针111，112的间距等于两个特定点A，A'的间距。在C形臂X线机侧位透视监测下，移动该机器手1，其探针111，112触碰点？147和？'后向头侧移动第二距离ml48和m'，令探针111，112的两中心线、头尾向左右“椎弓根”等分线与C形臂X线机的中心投照线重合。由于C臂机 X线呈日光放射状，当左右椎弓根头尾向等分线或两探针中心线中的任一线有微小距离偏离C臂X线机中心投照线时，由于“投影放大效应”，偏离线的投影即发生很大的距离偏移而被识别，这样特定点头尾向定位精度就很高。S13 :在编程软件控制下，下降探针111，12，令滑筒18，19下端的“ | ”124，125限位片与两侧特定点A、A'接触，滑杆120，12尖端触及特定点A、A'内侧骨表面，机器手以其轴心Q 10与虚拟旋转中心点146 (两侧特定点A、A'连线的中点)的间距为半径绕虚拟旋转中心点146在竖直平面内旋转，自动调整机器手I的姿态，当探针111，12的指示标126，127达同样高度时，该机器手I停止运动。此时探测定位单元的107水平线128即与椎骨水平线129保持平行。S14 :启动机器手101运动，探针111，112退出手术视野后绕轴心Q 110所在水平线旋转180°，置入执行单元9的穿刺针131、导向管132，导向筒133、锁定针134，135，136等分别向左或右移动第一距离n、n'后，垂直下降先后锁定置入点E 139和E' 140，继而穿刺针131、导向管132，导向筒133、锁定针134，135，136等按α和a'夹角转动调整姿态。此时机器手101对左右椎弓根置入点及置入方向的定位过程即告完成。由上述定位过程可知，将特定点作为基准点能够提高探测定位单元的定位准确性，从而保证椎骨手术的安全性和疗效。对于胸腰椎，由于采用胸椎肋横突关节间隙线或腰椎关节突关节间隙线等与左右椎弓根头尾向等分线的交点作为特定点，它们可能不在左右椎弓根头尾向等分线所构成的平面内，CT测量这些特定点与该平面的垂直距离后，可由该平面按此距离运动至特定点，实现探测定位单元107的水平线128与椎骨水平线129平行后，再返回至左右椎弓根头尾向等分线所构成的平面内调整姿态，完成定位及引导左右椎弓根置入。本发明具有以下优点结构合理、误差环节少，精度高，可适用于经椎弓内固定或椎骨磨削减压等多种脊柱手术。以上对本发明所提供的一种基于特定点的锁定式脊柱定位导航手术机器手及其定位方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想 。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种随动式脊柱自定位导航手术机器手，它包括通用部分和专用部分；通用部分由随动连接机构、姿态调节机构和控制软件及传感器、调节板等组成，专用部分包括探测定位单元和置入执行单元，分为胸腰椎、颈椎专用两部分；其特征在于该手术机器手能通过其随动机构保持与目标椎骨相对静止，再通过选定目标椎骨上的预设点作为特定点，然后采用左右探针及锁定针对特定点锁定，在机器人的坐标系中建立虚拟转动轴心以便机器手调整姿态，进而确定椎弓根置入点及置入角度的定位方法，数字化引导经椎弓根精确置入。
2.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于特定点为位于椎骨后表面非同一圆弧的后缘线上能起限位作用的点，或所述特定点为椎骨后表面上左右两侧平行于长轴方向的线和左右椎弓根头尾向等分线的交点；或所述特定点为与所述左右椎弓根头尾等分线呈预定夹角的线和所述平行于长轴方向的线的交点。
3.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于该手术机器手在一个椎骨进行左右椎弓根置入时，一次需同时锁定两个或以上椎骨后表面上的特定点。
4.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于该手术机器手通过观察或采集探针的长度、压力等信号的变化进行机器手人工或自动控制姿态调難iF. O
5.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于所有的锁定针均能伸缩并分布于探针或穿刺针的四周，锁定针的尖端均低于探针或穿刺针而先与骨面接触，避免探针或穿刺针与特定点或置入点接触后滑移，锁定特定点以便确定置入点和置入方向。
6.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于随动连接机构包括连接板、立柱、弹簧组成。
7.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于胸腰椎专用部分的探测定位单元与置入执行单元由两套或以上的探针机构、锁定针机构、转换针机构、穿刺针机构等组成；探针机构包括探针、导向柱、带刻度槽的导向筒、弹簧、指示标；锁定针机构包括锁定针、导向管、弹簧、指示标；转换针机构包括转换针、导向管、位移及角度调节座等；穿刺针机构包括穿刺针、内导向筒、开合式外导向筒、位移及角度调节座；穿刺针、内导向筒、开合式外导向筒为镂空或透X线材料制成。
8.根据权利要求I所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于颈椎专用部分的探测定位单元与置入执行单元包括两套或以上的探针、锁定针、穿刺针及调节座等，其锁定针由锁定片、弹簧等组成；各锁定片可以独立伸缩，其下端可呈尖刺或其他形状。
9.根据权利要求1-8任一项所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于，所述机器手的探测定位单元与置入执行单元分别设于所述机器手的连接座的相对两侧。
10.一种随动式脊柱自定位导航手术机器手的定位方法，其特征在于，所述定位方法包括如下步骤 1)选定目标椎骨上的预设点作为特定点； 2)用所述探测定位单元探测、锁定所述特定点的位置，进而确定所述目标椎骨的置入点和置入方向。
11.一种随动式脊柱自定位导航手术机器手的定位方法，其特征在于，所述目标椎骨为寰椎，所述步骤I)具体为 选定所述寰椎后弓后缘线上具有同一圆心但不同半径的两个圆弧上的点作为特定点；分别获取所述的第一圆弧和第二圆弧上的两特定的间距及第一圆弧和第二圆弧的半径； 所述步骤2)具体为 21)设置所述探测定位单元的两个探针的间距等于第一圆弧上的两特定的间距；所述机器手的机器人依据该间距和第一圆弧的半径确定圆心； 22)所述机器手以所述圆心为圆心，以所述第二圆弧的半径为半径做旋转运动，使两穿刺针触及裳椎后弓后缘线； 23)所述机器手沿通过穿刺针在寰椎后弓后缘线的两触碰点的中点的垂线运动，锁定特定点； 所述步骤2)后还包括步骤3) 将所述机器手的置入执行单元的穿刺针按照预设的轨迹调整姿态后沿椎弓根置入。
12.一种随动式脊柱自定位导航手术机器手的定位方法，其特征在于，所述目标椎骨为第六颈椎，所述步骤I)具体为 选定所述第六颈椎的左右两侧边缘线与“椎弓根”头尾向等分线的两个交点作为特定点；获取左右两椎弓根置入点与正中线的第一距离，以及所述左右两椎弓根置入点与椎板头或尾侧边缘点的第二距离； 所述步骤2)具体为 21)设置所述探测定位单元的两个探针的间距等于两个所述特定点的间距，移动所述探针使其触碰所述目标椎骨的头或尾侧边缘点，然后将两个探针向尾侧或头侧移动第二距离； 22)移动所述机器手，使所述探测定位单元的滑筒下端接触所述特定点，将所述机器手以虚拟旋转中心点为圆心在竖直平面内小角度旋转，使左右两个所述探针的高度相同； 23)将所述机器手绕其轴心所在水平线旋转180度，然后将所述置入执行单元向左或向右移动所述第一距离，再将所述置入执行单元的穿刺针按照预设的轨迹调整姿态。
全文摘要
本发明公开了一种随动式脊柱自定位导航手术机器手，包括通用部分和专用部分；通用部分由随动连接机构、姿态调节机构和控制软件及传感器、调节板等组成，专用部分包括探测定位单元和置入执行单元，分为胸腰椎、颈椎专用两部分；能通过其随动机构保持与目标椎骨相对静止，再通过选定目标椎骨上的预设点作为特定点，然后采用左右探针及锁定针对特定点锁定，在机器人的坐标系中建立虚拟转动轴心以便机器手调整姿态，进而确定椎弓根置入点及置入角度的定位方法，数字化引导经椎弓根精确置入。上述结构的手术机器手能够提高手术过程中的定位及置入的精确性，保证脊柱手术的安全性和疗效。本发明还公开一种随动式脊柱自定位导航手术机器手的定位方法。
文档编号A61B17/90GK102715947SQ201210233830
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者张春霖 申请人:张春霖