一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置的制作方法

本发明属于医疗设备领域，具体地说是一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置。

背景技术：

目前，骨科手术中所使用的椎弓根钉棒固定系统，均是由若干枚椎弓根钉(以下简称“钉“)与连接各椎弓根钉的连接棒(以下简称”棒“)所组成，早期的椎弓根钉棒固定系统是根据被称为“黄金定律”的“刚性固定融合”理论而制作，其特点是：连接棒是一条刚性棒，各椎弓根钉虽然有“单轴钉”与“万向钉”之区分，但在手术的尾段，即将螺塞锁紧连接棒后，整个椎弓根钉棒系统，连同所植入的病变椎体，均被固定成为一个无相对活动的整体；但随着学术界的继续发展，人们发明一个现像，即：当手术后的各椎体，若能够保持微小的相对活动，则更有利于减少相邻节段的应力集中而造成的可能的损伤，有利于其康复。

现有的椎弓根螺钉组件多数为固定安装，且连接棒需要提前折弯，安装后如果曲度不合适还需要取下再次折弯，操作难度大，不利于安装，且只能一次性使用，难以回收再利用，现有的椎弓根钉棒固定系统在整体组装完成后，难以进行进一步的调整或微调，随着５g技术等科技的发展，远程手术慢慢开始发展，混合现实技术可以应用于远程医疗手术，还可以作为年轻医生的模拟训练手段，提高手术技巧。

技术实现要素：

本发明提供一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，用以解决现有技术中的缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，包括手术床、平面移动机构、多自由度机械臂、数个球头螺钉、数个方形块、连接棒组件和夹持组件，平面移动机构通过支架安装在手术床上侧，多自由度机械臂安装在平面移动机构，平面移动机构可带动多自由度机械臂手术床上侧的平面内移动，夹持组件安装在多自由度机械臂的自由端；方形块顶端开设第一通孔，第一通孔下端内部为球形，第一通孔内部开设螺纹，方形块的前后左右四个侧面均开设上端开口的第一透槽，第一透槽与第一通孔连通，球头螺钉的球头部与第一通孔下端内部的球形相配合，球头螺钉的球头部上侧设有第一螺纹压块，第一螺纹压块与第一通孔内螺纹螺纹连接，球头螺钉的球头部开设六方孔；连接棒组件包括数根截面为矩形的杆体，杆体内开设两个相互平行的上下分布的第二通孔，第二通孔的两端均配合安装活塞杆，杆体中间的顶部及底部对应第二通孔的位置均开设第三通孔，第三通孔内端设置球形塞，球形赛与第三通孔内部远离第三通孔的一侧通过弹簧固定连接，弹簧的弹力使球形塞将第三通孔的内端封闭，第三通孔的内端两侧均设置挡板，挡板外圈与第三通孔内壁密闭固定连接，挡板中间开设第四通孔，第四通孔的内端设置封板，封板内侧与相应的球形塞通过连杆固定连接，封板可以将对应的第四通孔内端封闭，位于右侧的活塞杆的外端固定安装铰接母件，位于左侧的活塞杆外端固定安装铰接子件，铰接子件与相邻的活塞杆外端的铰接母件转动连接；夹持组件包括竖管，竖管下端套装外螺纹管，外螺纹管与竖管通过轴承连接，外螺纹管上配合安装螺母，竖管的下端固定安装横板，螺母的左侧固定安装套环，套环内配合安装导向轴，导向轴的下端与横板左端固定连接，横板与螺母的右侧均固定安装夹板，夹板为内部中空，两块夹板右端相对的一侧均固定安装半球形的弹性气囊，弹性气囊中心穿过一根顶管，顶管与弹性气囊连接处为密封固定连接，弹性气囊与夹板侧面连接处为密封固定连接，顶管的内端与夹板固定连接并与对应的夹板内部连通，竖管内中上部固定安装两个上下分布的隔板，竖管内位于隔板下侧均配合安装活塞，竖管的内部对应活塞的下部固定安装竖向的电动伸缩杆，电动伸缩杆活动杆上端与对应的活塞固定连接，相邻的隔板与活塞之间形成密闭的柱形腔，上侧的柱形腔与上侧的夹板内部之间以及下侧的柱形腔与下侧的夹板内部之间均通过软管连通，顶管的外端开设有缺口，外螺纹管上端固定套装环形齿圈，环形齿圈的齿朝上，竖管侧部固定安装小型电机，电机的输出轴上固定安装齿轮，齿轮与环形齿圈啮合配合；杆体穿过其中一个方形块上相对的两个第一透槽，第一通孔上端内设有第二螺纹压块，第二螺纹压块与第一通孔螺纹配合，第二螺纹压块与第一螺纹压块均开设六方孔，第二螺纹压块底部与第一螺纹压块顶部均开设十字凹槽，第一透槽底部均开设第二透槽，杆体顶部及底部对应第三通孔的位置均开设第一球形凹槽，弹性气囊能与第一球形凹槽相配合，第三通孔的直径大于顶管的直径。

如上所述的一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，所述的杆体上固定安装两个限位环，两个限位环间距等于方形块的宽度。

如上所述的一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，所述的铰接母件为球形壳体，铰接子件为球体，球体可在球形壳体内转动。

如上所述的一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，所述的铰接母件为圆柱形壳体，铰接子件为圆柱体，圆柱体可在圆柱形壳体内沿其轴转动，圆柱体的轴为水平。

如上所述的一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，所述的第三通孔内端开设第二球形凹槽，球形塞朝向第三通孔的一侧包覆有橡胶层，球形塞包覆橡胶层的部分与对应的第二球形凹槽配合。

如上所述的一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，所述的活塞柱的内端安装第一密封圈，第四通孔内端固定安装第二密封圈，第二密封圈与对应的封板贴合。

如上所述的一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，所述的平面移动机构包括x轴移动组件和y轴移动组件，x轴移动组件包括两根第一滑轨和两个第一电动滑块，y轴移动组件包括第二滑轨和第二电动滑块，两根第一滑轨相互平行，第二滑轨的两端与对应的第一滑轨之间配合安装第一电动滑块，第二电动滑块配合安装在第二滑轨下侧，多自由度机械臂的固定端与第二电动滑块固定连接。

本发明的优点是：本发明的手术床周围安装有图像扫描收集装置，将通过扫描以及后期处理所获得的真实的人体器官模型数据导入到仿真软件中搭建而成，操作者通过操作具有力反馈的多自由度操作手柄来控制计算机虚拟手术场景中的手术器械（此为现有成熟技术，本申请是在现有技术基础上进行，此处不在赘述），操作者可以远程控制平面移动机构、多自由度机械臂及夹持组件。本发明的连接棒组件使用时如图１所示进行组装，首先将球头螺钉穿过第一通孔使球头部与第一通孔下端内部的球形相配合，球头螺钉的球头部上侧设有第一螺纹压块，可以将球头螺钉与方形块进行连接，通过第二螺纹压块将杆体压紧在方形块的两个相对的第一透槽内，此时保证第三通孔位于方形块的中间位置，连接棒组件的杆体的数量可以有多种数量的规格，根据实际手术的需要选择合适的连接棒组件，组装完毕后，将夹持组件的两个夹板通过上下两个十字凹槽伸入，通过电机转动外螺纹管，在螺纹配合下螺母带动上侧的夹板移动，从而调整两块夹板的间距，通过弹性气囊与第一球形凹槽配合，两根顶管分别深入到两个第三通孔内（如图８和１１所示），然后继续使两个夹板靠近，弹性气囊变形并将对应的第三通孔外端封闭，部分变形的弹性气囊挤入到第三通孔上端内部，然后顶管电动对应球形塞移动（如图１３所示），在连杆的作用下封板随之移动，此时第三通孔和第四通孔同时被打开，通过转动内螺纹套，通过电动伸缩杆的伸缩可以带动对应的活塞上下移动，活塞下移时柱形腔内的空气被挤压如第一通孔内，该管体上侧的活塞杆在第一通孔内向外移动，反之箱内移动，通过调整上下两个第一通孔内的活塞杆的伸缩，可以调整相邻的两根杆体之间的距离和夹角，同时铰接子件在对应的铰接母件内转动一定角度，调整好后使两个夹板远离，顶管首先与球形塞分离，球形塞将第三通孔内端封闭后，然后弹性气囊与第三通孔外端分开，解除对第三通孔的封闭，球形塞和封板复位，通过多自由度机械臂将夹持组件从连接棒组件上取下，活塞杆内端与挡板之间的空间保证恒定，活塞杆伸出的长度可以被锁止，由于每根杆体的一端伸出两根活塞杆，在两组铰接子件与铰接母件的配合下，相邻的两根杆体之间的夹角保持稳定（如图９所示），同理可以根据椎弓曲度调整多个杆体之间的夹角来调整整个连接棒组件的曲度，调整好后连接棒组件的曲度在一定小角度内可以实现缓冲，活塞杆内端与挡板之间的空气柱的长度在外力下可以在一定范围内进行较小的变化，该设计保证本组件在收到外力下整体具有一定的缓冲效果，使得相邻的椎弓根螺钉之间并非刚性的连接，更好地减低相邻节段的应力集中，降低相邻节段退变的发生，通过上述设计可以在螺钉安装或进行相邻节段之间的角度与距离的微调，微调后可以快速固定，可以弥补钻孔角度不准确而造成的相邻节段的角度调整难度大的问题，可以在手术过程后根据实际情况在进行微调，而且本装置的连接连接棒组件可以拆卸后经过消毒清洗多次使用，降低了材料成本，降低了浪费；该设计实现了远程操作夹持组件主动调整相邻的杆体的夹角，通过气压进行精细化调整，相对于传统的调整方式更加精确，可以在整个组件装配完成后期实现再次的调整，还可通过夹持组件进行连接棒组件的夹持式组装，可以方便在狭小空间内进行操作，更加方便卫生。

本发明即可配合远程图像的实时传输与计算机的图像处理能力让远程的人员实现了远程操作脊柱手术中椎弓根螺钉支撑组件的调整，实现了相邻节段之间的角度与距离的微调，让更加有经验的医师远程操作这一个重要的手术步骤，其余的连接棒组件的组装等工作可以让现场的工作辅助人员辅助完成，这样就实现了远程与现场的共同协作，有利于手术的顺利进行。

本发明还可以通过混合现实技术的配合训练年轻医师的远程操控机械手臂、夹持组件的能力，通过计算机模拟的手术场景进行手术模拟训练，提高训练效率。。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的连接棒组件与球头螺钉的组装结构示意图；图3是图2的a向的铰接子件为球形的视图的放大图；图4是图2的a向的铰接子件为圆柱形的视图的放大图；图5是图2的ⅰ部的局部放大图；图6是图2的ⅱ部的局部放大图；图7是图3的ⅲ部的局部放大图；图8是图4的ⅳ部的局部放大图；图9是夹持组件的结构示意图；图10是十字凹槽结构示意图；图11是相邻的杆体角度调节后的使用状态图；图12是图9的ⅴ部的局部放大图；图13是图9的ⅵ部的局部放大图；图14是弹性气囊31与第一球形凹槽配合的使用状态图；图15是图14的ⅶ部的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于混合现实技术的新型脊柱外科手术装置，如图所示，包括手术床102、平面移动机构103、多自由度机械臂101、数个球头螺钉1、数个方形块2、连接棒组件和夹持组件，平面移动机构通过支架安装在手术床上侧，多自由度机械臂101安装在平面移动机构，平面移动机构可带动多自由度机械臂手术床上侧的平面内移动，夹持组件安装在多自由度机械臂101的自由端；方形块顶端开设第一通孔3，第一通孔3下端内部为球形，第一通孔3内部开设螺纹，方形块2的前后左右四个侧面均开设上端开口的第一透槽4，第一透槽4与第一通孔3连通，球头螺钉1的球头部与第一通孔下端内部的球形相配合，球头螺钉1的球头部上侧设有第一螺纹压块5，第一螺纹压块5与第一通孔3内螺纹螺纹连接，球头螺钉1的球头部开设六方孔；连接棒组件包括数根截面为矩形的杆体6，杆体6内开设两个相互平行的上下分布的第二通孔7，第二通孔7的两端均配合安装活塞杆8，杆体6中间的顶部及底部对应第二通孔7的位置均开设第三通孔9，第三通孔9内端设置球形塞10，球形赛10与第三通孔内部远离第三通孔9的一侧通过弹簧11固定连接，弹簧11的弹力使球形塞10将第三通孔9的内端封闭，第三通孔9的内端两侧均设置挡板12，挡板12外圈与第三通孔9内壁密闭固定连接，挡板12中间开设第四通孔13，第四通孔13的内端设置封板14，封板14内侧与相应的球形塞10通过连杆固定连接，封板14可以将对应的第四通孔13内端封闭，位于右侧的活塞杆8的外端固定安装铰接母件15，位于左侧的活塞杆8外端固定安装铰接子件16，铰接子件16与相邻的活塞杆8外端的铰接母件15转动连接；夹持组件包括竖管24，竖管24下端套装外螺纹管25，外螺纹管25与竖管24通过轴承连接，外螺纹管25上配合安装螺母26，竖管24的下端固定安装横板27，螺母26的左侧固定安装套环28，套环28内配合安装导向轴29，导向轴29的下端与横板27左端固定连接，横板与螺母26的右侧均固定安装夹板30，夹板30为内部中空，两块夹板30右端相对的一侧均固定安装半球形的弹性气囊31，弹性气囊31中心穿过一根顶管32，顶管32与弹性气囊31连接处为密封固定连接，弹性气囊31与夹板30侧面连接处为密封固定连接，顶管32的内端与夹板30固定连接并与对应的夹板30内部连通，竖管24内中上部固定安装两个上下分布的隔板33，竖管内位于隔板33下侧均配合安装活塞34，竖管的内部对应活塞34的下部固定安装竖向的电动伸缩杆35，电动伸缩杆35活动杆上端与对应的活塞34固定连接，相邻的隔板33与活塞之间形成密闭的柱形腔40，上侧的柱形腔与上侧的夹板内部之间以及下侧的柱形腔与下侧的夹板内部之间均通过软管连通，顶管32的外端开设有缺口42，外螺纹管25上端固定套装环形齿圈45，环形齿圈45的齿朝上，竖管侧部固定安装小型电机46，电机46的输出轴上固定安装齿轮47，齿轮47与环形齿圈45啮合配合；杆体6穿过其中一个方形块2上相对的两个第一透槽4，第一通孔3上端内设有第二螺纹压块19，第二螺纹压块19与第一通孔3螺纹配合，第二螺纹压块19与第一螺纹压块均开设六方孔，第二螺纹压块底部与第一螺纹压块顶部均开设十字凹槽20，第一透槽底部均开设第二透槽21，杆体6顶部及底部对应第三通孔9的位置均开设第一球形凹槽41，弹性气囊31能与第一球形凹槽41相配合，第三通孔9的直径大于顶管的直径。本发明的手术床周围安装有图像扫描收集装置，将通过扫描以及后期处理所获得的真实的人体器官模型数据导入到仿真软件中搭建而成，操作者通过操作具有力反馈的多自由度操作手柄来控制计算机虚拟手术场景中的手术器械（此为现有成熟技术，本申请是在现有技术基础上进行，此处不在赘述），操作者可以远程控制平面移动机构、多自由度机械臂及夹持组件。本发明的连接棒组件使用时如图１所示进行组装，首先将球头螺钉1穿过第一通孔3使球头部与第一通孔下端内部的球形相配合，球头螺钉1的球头部上侧设有第一螺纹压块5，可以将球头螺钉与方形块进行连接，通过第二螺纹压块将杆体压紧在方形块的两个相对的第一透槽4内，此时保证第三通孔9位于方形块的中间位置，连接棒组件的杆体的数量可以有多种数量的规格，根据实际手术的需要选择合适的连接棒组件，组装完毕后，将夹持组件的两个夹板通过上下两个十字凹槽伸入，通过电机转动外螺纹管25，在螺纹配合下螺母带动上侧的夹板移动，从而调整两块夹板的间距，通过弹性气囊与第一球形凹槽配合，两根顶管分别深入到两个第三通孔9内（如图８和１１所示），然后继续使两个夹板靠近，弹性气囊变形并将对应的第三通孔9外端封闭，部分变形的弹性气囊挤入到第三通孔9上端内部，然后顶管电动对应球形塞移动（如图１３所示），在连杆的作用下封板14随之移动，此时第三通孔9和第四通孔13同时被打开，通过转动内螺纹套，通过电动伸缩杆的伸缩可以带动对应的活塞34上下移动，活塞下移时柱形腔内的空气被挤压如第一通孔3内，该管体上侧的活塞杆在第一通孔3内向外移动，反之箱内移动，通过调整上下两个第一通孔3内的活塞杆的伸缩，可以调整相邻的两根杆体之间的距离和夹角，同时铰接子件16在对应的铰接母件内转动一定角度，调整好后使两个夹板远离，顶管首先与球形塞分离，球形塞将第三通孔9内端封闭后，然后弹性气囊与第三通孔9外端分开，解除对第三通孔9的封闭，球形塞和封板复位，通过多自由度机械臂将夹持组件从连接棒组件上取下，活塞杆内端与挡板12之间的空间保证恒定，活塞杆伸出的长度可以被锁止，由于每根杆体的一端伸出两根活塞杆，在两组铰接子件16与铰接母件的配合下，相邻的两根杆体之间的夹角保持稳定（如图９所示），同理可以根据椎弓曲度调整多个杆体之间的夹角来调整整个连接棒组件的曲度，调整好后连接棒组件的曲度在一定小角度内可以实现缓冲，活塞杆内端与挡板12之间的空气柱的长度在外力下可以在一定范围内进行较小的变化，该设计保证本组件在收到外力下整体具有一定的缓冲效果，使得相邻的椎弓根螺钉之间并非刚性的连接，更好地减低相邻节段的应力集中，降低相邻节段退变的发生，通过上述设计可以在螺钉安装或进行相邻节段之间的角度与距离的微调，微调后可以快速固定，可以弥补钻孔角度不准确而造成的相邻节段的角度调整难度大的问题，可以在手术过程后根据实际情况在进行微调，而且本装置的连接连接棒组件可以拆卸后经过消毒清洗多次使用，降低了材料成本，降低了浪费；该设计实现了远程操作夹持组件主动调整相邻的杆体的夹角，通过气压进行精细化调整，相对于传统的调整方式更加精确，可以在整个组件装配完成后期实现再次的调整，还可通过夹持组件进行连接棒组件的夹持式组装，可以方便在狭小空间内进行操作，更加方便卫生。

本发明即可配合远程图像的实时传输与计算机的图像处理能力让远程的人员实现了远程操作脊柱手术中椎弓根螺钉支撑组件的调整，实现了相邻节段之间的角度与距离的微调，让更加有经验的医师远程操作这一个重要的手术步骤，其余的连接棒组件的组装等工作可以让现场的工作辅助人员辅助完成，这样就实现了远程与现场的共同协作，有利于手术的顺利进行。

本发明还可以通过混合现实技术的配合训练年轻医师的远程操控机械手臂、夹持组件的能力，通过计算机模拟的手术场景进行手术模拟训练，提高训练效率。

具体而言，如图所示，本实施例所述的杆体6上固定安装两个限位环22，两个限位环22间距等于方形块的宽度。将杆体6与方形块配合安装时，两个限位环22位于方向快的第一透槽4外端，可以将杆体6在方形块上进行位置的固定，避免杆体相对于方形块自行移动，不保证本装置的装配稳定性。

具体的，如图所示，本实施例所述的铰接母件15为球形壳体，铰接子件16为球体，球体可在球形壳体内转动。该设计使得相连接的两根杆体实现多角度的调节，可应用于对连接棒组件进行多方向弯曲的特殊情况使用。

进一步的，如图所示，本实施例所述的铰接母件15为圆柱形壳体，铰接子件16为圆柱体，圆柱体可在圆柱形壳体内沿其轴转动，圆柱体的轴为水平。该设计使得相邻的两根杆体之间的角度仅可在竖直平面内调节角度，角度锁定后可以将椎骨固定在正确的曲度更加稳定，该设计可以保证连接棒组件可以维持在一定的角度，不会自行弯曲，结构稳定性更高。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的第三通孔9内端开设第二球形凹槽，球形塞朝向第三通孔9的一侧包覆有橡胶层23，球形塞包覆橡胶层的部分与对应的第二球形凹槽配合。该设计可以将提高对第三通孔的封闭的效果。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的活塞柱的内端安装第一密封圈，第四通孔13内端固定安装第二密封圈，第二密封圈与对应的封板14贴合。通过该设计可以提高本组件的气密性，保证结构的稳定性。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的平面移动机构包括x轴移动组件和y轴移动组件，x轴移动组件包括两根第一滑轨1031和两个第一电动滑块1032，y轴移动组件包括第二滑轨1033和第二电动滑块1034，两根第一滑轨相互平行，第二滑轨1033的两端与对应的第一滑轨1031之间配合安装第一电动滑块，第二电动滑块1034配合安装在第二滑轨下侧，多自由度机械臂的固定端与第二电动滑块固定连接。通过该设计可以实现多自由度机械臂的更大范围的移动，方便远程操控。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。