一种脊柱微创手术机器人辅助定位设备及其使用方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种脊柱微创手术机器人辅助定位设备及其使用方法。

背景技术：

目前，骨科微创手术已成为骨科发展的主要方向。随着计算机及其控制操作软件的发展，骨科机器人等先进的手术辅助设备在骨科微创手术中得到日益广泛应用，大大促进了骨科微创手术的发展。有关该领域的专利申请也逐渐增多，如中国发明专利《骨科机器人导航装置及定位系统》(申请号为cn200910237998.6)等。骨骼深植于人体内部，隐蔽性较强，尤其是脊柱等骨结构，无法解剖实现肉眼观察，手术时容易伤及术区其他结构或其他组织和器官，这就要求医生手术时有高的精准度。为了提高医生进行脊柱等骨科手术的精准度，通常需要从仪器设备和医生操作两个方面出发。一方面，为了提高脊柱手术部位定位精准度，避免伤及非患病部位的组织和器官，通常需要切开或延长伤口并在棘突上放置患者示踪器(patienttracker，可参考中国实用新型专利《用于脊柱手术导航示踪器的无创固定装置》，申请号为cn201720026308.2)。另一方面，为了提高医生脊柱手术的操作精准度，需要对医生的操作水平进行训练，除了通过尸体解剖剖析增强医生手术实践积累经验外，中国发明专利《一种脊柱椎间孔镜手术模型及其制作方法》(申请号为cn201810941626.0)公开了一种高仿真的脊柱椎间孔镜手术模型，为医生在脊柱手术模型上提供操作机会以提升其手术水平。

然而，在利用现有骨科机器人对患者或脊柱模型进行脊柱手术时发现，由于采用现有的钳夹器械将患者示踪器固定于脊柱骨性突起部位时，需要表皮切开伤口，该切开过程容易导致出血，延长了手术操作时间，也难以达到高标准的手术精准度要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种脊柱微创手术机器人定位的辅助设备，以提高手术的精准度。另外，本发明还提供该辅助设备的使用方法，用以训练医生在人体模型上进行脊柱手术，使医生的手术技巧得到快速提高，节约训练成本、缩短训练周期。

本发明提供的脊柱微创手术机器人定位辅助设备，包括

导航示踪器，包括多边形框支架，所述多边形框支架上设有多个导航示踪器连接球窝；

万向节，所述万向节的两端分别设置有上杆件和下杆件，其中所述上杆件与所述多边形框支架固定连接；

三杆连接件，与所述下杆件固定连接；

左连接杆和右连接杆，分别设置于所述三杆连接件的两侧；

左克氏针和右克氏针，分别与所述左连接杆和所述右连接杆可拆卸固定连接。

具体地，所述万向节为球形万向节，还包括活动球、圆弧球套和若干定位螺钉，所述活动球和所述圆弧球套分别与所述上杆件和所述下杆件固定连接；所述圆弧球套为横截面为圆弧形的球套，所述圆弧球套套设在所述活动球的外侧；所述圆弧球套上间隔设置有若干定位螺钉通孔，所述定位螺钉通孔的内部上设置有内螺纹，所述定位螺钉的外壁设置有外螺纹，若干个所述定位螺钉分别设置于若干个所述定位螺钉通孔内，以抵触拧固所述活动球。

具体地，所述下杆件为全螺纹螺杆，所述三杆连接件包括螺杆头和第一螺母，所述下杆件的底端与所述螺杆头固定连接且一体成型，所述圆弧球套的底部开设有螺杆孔，所述螺杆孔的内壁上设有内螺纹，所述左连接杆和所述右连接杆的顶端端面垂直设置有通孔，所述螺杆头从下自上依次穿过所述左连接杆的通孔、所述右连接杆的通孔和所述第一螺母，且所述螺杆头的顶端与所述圆弧球套通过螺纹固定连接；当通过拧动所述第一螺母沿着所述下杆件向下运动，将所述左连接杆和所述右连接杆锁紧固定。

具体地，所述下杆件与所述螺杆头的一体成型件为外六角全牙螺栓。

具体地，所述左连接杆和所述右连接杆的底端分别开设有左克氏针孔和右克氏针孔，所述左克氏针孔和所述右克氏针孔的侧壁上分别设置有左克氏针定位螺钉和右克氏针定位螺钉，所述左克氏针和所述右克氏针的顶端插设于所述左克氏针孔和所述右克氏针孔内，并分别通过所述左克氏针定位螺钉和所述右克氏针定位螺钉紧固。

具体地，所述左连接杆和所述右连接杆均包括第一杆和第二杆，所述第一杆的端部和所述第二杆的端部固定连接形成一体。

具体地，所述三杆连接件包括开槽套筒、螺栓和第二螺母，所述开槽套筒与所述下杆件固定连接；所述开槽套筒的内壁设置有内螺纹，所述开槽套筒上设置有与内部连通的左连接杆杆端槽和右连接杆杆端槽，所述左连接杆和所述右连接杆的顶端端面垂直设置有通孔，所述左连接杆和所述右连接杆的通孔端分别设置于所述左连接杆杆端槽和所述右连接杆杆端槽内，所述螺栓穿过所述开槽套筒及所述左连接杆和所述右连接杆的通孔；所述第二螺母套设所述螺栓的露出端，以将所述左连接杆和所述右连接杆锁紧固定。

具体地，所述左克氏针和所述右克氏针分别与所述左连接杆和所述右连接杆卡接或套筒连接。

具体地，所述左连接杆和所述右连接杆的底端端部设置有外螺纹，

所述左克氏针和所述右克氏针的顶端端部设置有外螺纹，

所述左连接杆和所述右连接杆的底端分别与所述左克氏针和所述右克氏针的顶端通过内丝套筒连接。

本发明提供的一种为医生在假体模型上进行培训使用上述脊柱微创手术机器人定位辅助设备的方法，包括以下步骤：

步骤s1：所述左克氏针和所述右克氏针经假体模型表皮穿刺于脊柱双侧椎弓根上；

步骤s2：先将导航示踪器、万向节、三杆连接件、左连接杆、右连接杆从上自下依次连接，再将所述左连接杆和所述右连接杆分别与所述左克氏针和所述右克氏针可拆卸连接组装成整体；

步骤s3：调整左连接杆、右连接杆、上杆件和下杆件的角度，锁紧万向节和三杆连接件；

步骤s4：将骨科手术机器人的光学跟踪系统与导航示踪器连接球窝相连接；

步骤s5：标定脊柱的手术部位；

步骤s6：开展手术模拟训练，直至手术完成；

步骤s7：分别拆卸所述左连接杆与所述左克氏针的连接处和所述右连接杆与所述右克氏针的连接处，松紧万向节和三杆连接件，拆除各个组件；

步骤s8：从脊柱上拔出所述左克氏针和所述右克氏针。

本发明的有益效果是：

本发明公开的一种脊柱微创手术机器人辅助定位设备及其使用方法，该设备中的克氏针、连接杆、万向节和导航示踪器均采用可拆卸连接，首先将克氏针钉入脊柱或骨科内后，然后在手术前将各部件组装成型，最后应用于椎弓根等脊柱手术以及骨科手术中，克氏针定位一次性完成无交叉感染，可避免手术钳多次使用造成的大伤口创伤、大出血，进而增长手术时间，造成手术精准度降低；该使用方法可应用于脊柱等骨科手术模型，可降低脊柱手术的训练成本、缩短医生的训练周期，进而可提高医生对活体脊柱和骨科手术的专业度和精确性，还能减小患者创伤。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的三杆连接件处的横断面剖视图；

图3为本发明实施例1提供的左连接杆或右连接杆的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备的结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的左连接杆或右连接杆的结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的三杆连接件的结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的内丝套筒的结构示意图；

图8为本发明实施例3提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备应用于脊柱手术模型时的正面剖视图；

图9为本发明实施例3提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备应用于脊柱手术模型时的侧面剖视图。

具体实施方式

实施例1

实施例1提供一种脊柱微创手术机器人辅助定位设备，下面对其结构进行详细描述。

参考图1，该脊柱微创手术机器人辅助定位设备包括导航示踪器1、万向节2、三杆连接件3、左连接杆41和右连接杆42、左克氏针51和右克氏针52。

其中，导航示踪器1包括多边形框支架11，多边形框支架11为梯形框支架，多边形框支架11的四个角落分别设有四个导航示踪器连接球窝12。多边形框支架11内对角固定x形支撑筋13，x形支撑筋13交叉部中心设有垂直通孔，上杆件21的顶端设置成圆头端，上杆件21的圆头端紧配合插设于x形支撑筋13的垂直通孔内。

万向节2为球形万向节，包括活动球、圆弧球套和若干定位螺钉20以及两端的上杆件21和下杆件22，圆弧球套为横截面为圆弧形的球套，圆弧球套套设在活动球的外侧；圆弧球套上间隔设置有若干定位螺钉通孔，定位螺钉通孔的内部上设置有内螺纹，定位螺钉20的外壁设置有外螺纹，若干个定位螺钉20分别设置于若干个定位螺钉通孔内，以抵触拧固活动球。活动球与上杆件21的底端固定连接。

继续参考图1，结合图2和图3，下杆件22为全螺纹螺杆，三杆连接件3包括螺杆头31和第一螺母32，下杆件22的底端与螺杆头31固定连接且一体成型，圆弧球套的底部开设有螺杆孔，螺杆孔的内壁上设有内螺纹，左连接杆41和右连接杆42的顶端端面垂直设置有通孔40，螺杆头31从下自上依次穿过左连接杆41的通孔40、右连接杆42的通孔和第一螺母32，且螺杆头31的顶端与圆弧球套通过螺纹固定连接；当通过拧动第一螺母32沿着下杆件22向下运动，将左连接杆41和右连接杆42锁紧固定。

进一步地，下杆件22与螺杆头31的一体成型件为外六角全牙螺栓。

左克氏针51和右克氏针52分别与左连接杆41和右连接杆42可拆卸固定连接。

具体地，参考图3，左连接杆41和右连接杆42均包括第一杆43和第二杆44，第一杆43的端部和第二杆44的端部固定连接形成一体，而且第一杆43和第二杆44之间的夹角为直角。

左连接杆41和右连接杆42的底端分别开设有左克氏针孔和右克氏针孔，左克氏针孔和右克氏针孔的侧壁上分别设置有左克氏针定位螺钉501和右克氏针定位螺钉502，该处的左克氏针定位螺钉501和右克氏针定位螺钉502的设置方式与定位螺钉20相同，这里不再赘述。

左克氏针51和右克氏针52的顶端插设于左克氏针孔和右克氏针孔内，并分别通过左克氏针定位螺钉501和右克氏针定位螺钉502紧固。

需要说明的是，采用外六角全牙螺栓和第一螺母32作为下杆件22和三杆连接件3，可将左连接杆41和右连接杆42限定位于同一水平面上的运动。

为了验证该设备的有效性，通过对100例患者脊柱影像学资料进行总结发现，两侧的椎体椎弓根间距离范围为21.57至51.16mm，优选地，左克氏针51和右克氏针52底端间距为21.57至51.16mm。为了实验操作的方便，左连接杆41和左克氏针51的高度和与右连接杆42和右克氏针52的高度和相等，都为81.56-120.60mm的刺入深度。

实施例2

由于实施例1提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备，其左连接杆41和右连接杆42被限定位于同一水平面上的运动，然而脊柱手术过程时，需要对左连接杆41和右连接杆42的运动限定位于同一垂直面上，为此，实施例2提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备，在实施例1的基础上，对三杆连接件3和下杆件22及其连接关系作了进一步的改进，下面对其结构的改进进行详细描述。

参考图5，左连接杆41和右连接杆42的第一杆43和第二杆44之间的夹角为钝角。

参考图4和图6，三杆连接件3包括开槽套筒30、螺栓和第二螺母，其中开槽套筒30与下杆件22固定连接，左连接杆41和右连接杆42分别枢接于三杆连接件3的两侧。

在上述实施例中，开槽套筒30的内壁设置有内螺纹，开槽套筒30上设置有与内部连通的左连接杆杆端槽301和右连接杆杆端槽302，左连接杆41和右连接杆42的顶端端面垂直设置有通孔40。

左连接杆41和右连接杆42的通孔端分别设置于左连接杆杆端槽301和右连接杆杆端槽302内，螺栓穿过开槽套筒30及左连接杆41和右连接杆42的通孔40且其露出端通过套设第二螺母固定，以实现固定左连接杆41和右连接杆42分别固定于三杆连接件3的两侧。

作为一种优选的实施方案，下杆件22为伸缩杆。

作为优选的技术方案，左克氏针51和右克氏针52分别与左连接杆41和右连接杆42卡接或套筒连接。

具体地，左连接杆41和右连接杆42的底端端部设置有外螺纹，左克氏针51和右克氏针52的顶端端部设置有外螺纹，左连接杆41和右连接杆42的底端分别与左克氏针51和右克氏针52的顶端通过内丝套筒6连接。内丝套筒6的外部结构如图7所示。

实施例3

实施例3提供一种脊柱微创手术机器人辅助定位设备的使用方法，采用实施例2提供的脊柱微创手术机器人辅助定位设备，且配置天智航公司生产的天玑牌骨科手术机器人，该骨科手术机器人由机械臂主机、光学跟踪系统和主控台车等构成，以现有的中国发明专利公开高仿真的脊柱手术模型申请号为(cn201810941626.0)为实验对象，参考图8和图9，该方法包括以下步骤：

步骤s1：左克氏针51和右克氏针52经假体模型100表皮穿刺于脊柱200双侧椎弓根上，且椎体椎弓根间距离为21.57至51.16mm。

步骤s2：先将导航示踪器1、万向节2、三杆连接件3、左连接杆41、右连接杆42从上自下依次连接，再将左连接杆41和右连接杆42分别与左克氏针51和右克氏针52可拆卸连接组装成整体；

步骤s3：调整左连接杆41、右连接杆42、上杆件21和下杆件22的角度，锁紧万向节2和三杆连接件3；

步骤s4：将骨科手术机器人的光学跟踪系统与导航示踪器连接球窝12相连接；

步骤s5：标定脊柱200的手术部位；

步骤s6：开展手术模拟训练，直至手术完成；

步骤s7：分别拆卸左连接杆41与左克氏针51的连接处和右连接杆42与右克氏针52的连接处，松紧万向节2和三杆连接件3，拆除各个组件；

步骤s8：从脊柱200上拔出左克氏针51和右克氏针52。

该脊柱微创手术机器人辅助定位设备的使用方法可用于骨科医生专业技能的训练中，借助于骨科手术机器人，是给那些困扰临床上百年之久的问题如骨质的精确切除、植入物的精准安放、人工关节置换等手术过程中人为误差的校准和消除提供了解决之道。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。