专利名称：股骨头坏死髓芯清除操作臂的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医疗设备和机器人技术领域，具体而言涉及一种具有三个自由度的股骨头坏死髓芯清除操作臂。
背景技术：
股骨头缺血性坏死(AVascular Necrosis of Femeral Head, AVNFH)是常见的骨科疾病，当出现软骨面塌陷时将导致髋关节病废而不能行走，或不可避免地要接受全髋关节置换手术，是危害大的疾病之一。目前主要采用外科手术进行治疗，如各种髓芯减压植骨法等，而彻底清除死骨则是各种外科手术法关键的第一步。但是坏死区有着多种不同的几何形状和空间分布形式，而由于股骨颈的尺寸限制，这种外科手术操作距离长、通道狭窄，器械较难准确到达股骨坏死区。这些因素使得手术清除死骨时，只能依赖于医生通过勺子凭手感和经验配合磁共振造影(Magnetic Resonance Imaging, MR)来挖掘进行，不可避免地存在部分死骨清除困难且不精准、不彻底、费时费力等不足。这将影响后续植骨术对AVNHl的治疗效果。另外，对于软骨面塌陷的修复手术，一般是死骨刮出后顶推复位。目前也是医生凭经验和感觉进行，缺乏精准的复位，影响术后骨愈合和骨支撑，易造成再次塌陷。因此，开发一种操作方便的精准的专门用于清除股骨头坏死区和软骨面塌陷复位的手术仪器设备——股骨头坏死髓芯清除操作臂，是当务之急。从20世纪90时年代初期至今，外科手术机器人的研制取得了飞跃性的发展，并已成为机器人领域的一个研究热点。机器人辅助外科手术在减轻医生工作强度、减轻患者手术痛苦、提高手术效率、缩短术后痊愈时间、改善手术疗效等等方面有着巨大的发挥空间。 然而目前世界上用于治疗AVNHl的股骨头坏死髓芯清除和塌陷软骨面复位的设备尚未见报道。因此，开发一种微创、精准的专门用于彻底清除股骨头坏死区和塌陷软骨面复位的手术设备，进而将外科手术机器人进一步推广至股骨头手术，具有重要意义。
实用新型内容本实用新型的目的在于为股骨头缺血性坏死的手术治疗提供一种能彻底地清除股骨头坏死髓芯和精确地对塌陷软骨面进行复位，从而改善手术治疗效果的股骨头坏死髓芯清除操作臂。为实现本实用新型的目的，采用如下技术方案一种股骨头坏死髓芯清除操作臂，包括磨削头、电机座前部、电机座后部、驱动电机、摆转关节端盖、两个同步带轮、摆动关节基座、同步齿形带、空心套管、带轮基座前部、摆动手轮、滚珠轴承、带轮基座后部、把手、转动轴、套筒、摆动轴、挡块、固定支架和固定螺钉， 磨削头通紧固于驱动电机的电机轴上，驱动电机由电机座前部和电机座后部包裹密封；磨削头、驱动电机、电机座前部、电机座后部组成操作臂摆动关节前部；电机座后部为叉耳结构，摆动轴贯穿叉耳两端；摆动轴两端与叉耳连接处各开有用于装入起传动作用的方形挡块的方形孔，方形挡块将摆动轴的转动转化为摆动关节前部的俯仰运动；第一同步带轮与摆动轴固接；摆动轴通过滚珠轴承支承于摆动端盖，而摆动端盖则由螺钉固定于摆动关节基座上；摆动轴两端安装有用于安装防止摆动轴串动的螺母；同步齿形带的一端安装在第一同步带轮上，另一端也装在第二同步带轮上，第二同步带轮固定于转动轴上；转动轴两端装有两个摆动手轮，摆动手轮中心开有孔，转动轴与摆动手轮结合处开有使转动轴与手轮不能相对转动的平面；转动轴通过滚珠轴承支承于带轮基座前部和带轮基座后部形成的安装孔内，带轮基座前部和带轮基座后部直接固定连接；带轮基座前部与摆动关节基座通过空心套管连接；同步齿形带藏于空心套管内部；空心套管套于固定支架的轴套内，且能在轴套内移动及回转。上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中，固定支架通过螺钉固定于患者的股骨侧面上。上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中，所述磨削头通过螺钉紧固于电机轴上。上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中，第一同步带轮及摆动轴二者由紧定螺钉固接；第二同步带轮也通过紧定螺钉固定于转动轴上。上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中，带轮基座前部和后部则通过螺钉径向固定。上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中，带轮基座后部末端套有把手。本实用新型的操作臂设置三个自由度，包括两个转动和一个移动，在医生的操作下运动(其位置可由相应的传感器反馈，本实用新型未涉及)。磨削头安装在操作臂的末端， 在电机的驱动下旋转以清除股骨头坏死髓芯，复位时换上专用顶推头；磨削头、电机、电机座和摆动轴等构成末端摆动关节，其摆动由位于把手附近的手轮通过同步带传动来驱动， 医生通过来回拨动手轮即可控制该关节的俯仰摆动；空心套管套装于固定支架的轴套内， 通过旋转及推拉把手即可实现操作臂的绕空心套管轴线的回转和沿该轴线的移动；固定支架通过螺钉等固定于患者股骨侧面上。本实用新型的操作臂能执行航股骨头坏死髓芯清除和塌陷软骨复位手术，具有结构简单紧凑、操作方便、成本低、易于推广和普及等特点。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1.自由度少，但能保证手术所需要到达的工作空间，动作灵活；2.兼具股骨头坏死髓芯清除和塌陷软骨复位两种功能；3.结构简单、操作方便，磨削头由电机驱动，减轻医生工作量；而关节运动则由医生人工操作，能保证手术的安全性。
图1是本实用新型的外观图；图2是本实用新型的剖面图；图3是本实用新型的机构简图；图4为操作臂的工作空间示意图；图5是本实用新型的工作示意图。
具体实施方式
[0022]
以下结合附图对本实用新型的实施作进一步说明但本实用新型的实施和保护不限于此。如图1、图2所示为本实用新型的结构，具体包括磨削头01、电机座前部02、驱动电机03、电机座后部04、摆转关节端盖05、同步带轮06、摆动关节基座07、同步齿形带08、 空心套管09、带轮基座前部10、摆动手轮11、滚珠轴承12、带轮基座后部13、把手14、转动轴15、套筒16、摆动轴17、挡块18、螺母19、固定支架20、固定螺钉21等。各零部件的连接方式为磨削头01通过螺钉紧固于电机轴上，电机03则由电机座前部02、电机座后部04包裹密封，从而组成操作臂摆动关节的前部；电机座后部04为叉耳结构，摆动轴17贯穿叉耳两端；摆动轴17两端与叉耳连接处各开有小平面(装配后为一方形孔洞)，装入方形挡块后即可起传动键的作用，从而将摆动轴17的转动转化为摆动关节前部的俯仰运动；同步带轮 06及摆动轴17 二者由紧定螺钉固接；摆动轴17通过滚珠轴承12支承于摆动端盖05，而摆动端盖05则由螺钉固定于摆动关节基座07上；摆动轴17两端开有螺纹，通过螺母19防止摆动轴17串动；同步齿形带08另一端也装有同步带轮，该同步带轮也通过紧定螺钉固定于转动轴15上；转动轴15两端装有两个手轮11，而手轮11中心开有孔，转动轴15与手轮结合处开有小平面，配合后转动轴15与手轮11即不能相对转动；转动轴15通过滚珠轴承12 支承于带轮基座前部10和带轮基座后部13形成的安装孔内，带轮基座前部10和后部13 则通过螺钉径向固定；带轮基座前部10与摆动关节基座07通过空心套管09连接，螺纹固定；同步齿形带08藏于空心套管09内部，连接起前后两个同步带轮，即往复拨动手轮即可控制摆动关节的俯仰运动；带轮基座后部13末端套有塑料把手14，便于握持；空心套管09 套于固定支架20的轴套内，且可在轴套内移动及回转；手术时固定支架20通过螺钉21固定于患者的股骨侧面上。如图3所示为实用新型的机构简图。由图可见该操作臂具有三个自由度(左图)， 包括两个转动和一个移动，即磨削头末端俯仰自由度θ ”操作臂相对固定支架的回转自由度θ 2，以及操作臂相对于固定支架的移动自由度A115其工作空间为一半球体加圆柱体所包络的封闭空间(如图4)。如图5所示为利用本实用新型进行手术时的示意图。手术前先钻孔打通手术入路，将操作臂的固定支架固定于股骨头侧面上。结合图2和图3，医生手握该操作臂把手进行推拉和扭转即可分别实现磨削头相对于固定支架的移动和回转；往复拨动手轮即可实现磨削头绕末端摆动轴的俯仰运动。手术完毕后，将俯仰关节伸直，卸掉固定支架螺钉，即可将操作臂取出。换上专用于复位的顶推头，该股骨头坏死髓芯清除操作臂就可以用于塌陷软骨面的复位。
权利要求1.股骨头坏死髓芯清除操作臂，其特征在于包括磨削头、电机座前部、电机座后部、驱动电机、摆转关节端盖、两个同步带轮、摆动关节基座、同步齿形带、空心套管、带轮基座前部、摆动手轮、滚珠轴承、带轮基座后部、把手、转动轴、套筒、摆动轴、挡块、固定支架和固定螺钉，磨削头通紧固于驱动电机的电机轴上，驱动电机由电机座前部和电机座后部包裹密封；磨削头、驱动电机、电机座前部、电机座后部组成操作臂摆动关节前部；电机座后部为叉耳结构，摆动轴贯穿叉耳两端；摆动轴两端与叉耳连接处各开有用于装入起传动作用的方形挡块的方形孔；第一同步带轮与摆动轴固接；摆动轴通过滚珠轴承支承于摆动端盖， 而摆动端盖则由螺钉固定于摆动关节基座上；摆动轴两端安装有用于安装防止摆动轴串动的螺母；同步齿形带的一端安装在第一同步带轮上，另一端装在第二同步带轮上，第二同步带轮固定于转动轴上；转动轴两端装有两个摆动手轮，摆动手轮中心开有孔，转动轴与摆动手轮结合处开有使转动轴与手轮不能相对转动的平面；转动轴通过滚珠轴承支承于带轮基座前部和带轮基座后部形成的安装孔内，带轮基座前部和带轮基座后部直接固定连接；带轮基座前部与摆动关节基座通过空心套管连接；同步齿形带藏于空心套管内部；空心套管套于固定支架的轴套内。
2.根据权利要求1所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂，其特征在于固定支架通过螺钉固定于患者的股骨侧面上。
3.根据权利要求1所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂，其特征在于所述磨削头通过螺钉紧固于电机轴上。
4.根据权利要求1所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂，其特征在于第一同步带轮及摆动轴二者由紧定螺钉固接；第二同步带轮也通过紧定螺钉固定于转动轴上。
5.根据权利要求1所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂，其特征在于带轮基座前部和后部则通过螺钉径向固定。
6.根据权利要求1所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂，其特征在于带轮基座后部末端套有把手。
专利摘要本实用新型公开股骨头坏死髓芯清除操作臂。该操作臂有三个自由度，包括两个转动和一个移动，由医生操作驱动，主要包括磨削头及其驱动电机、摆动轴、带轮、传动带、关节基座、空心套管、摆动手轮、把手、固定架等。磨削头安装在操作臂末端，在电机驱动下高速旋转以清除作业；磨削头、电机及其安装壳体构成末端摆动关节，其摆动由位于把手附近的手轮通过带传动来实现；末端摆动关节还通过前端的回转关节和移动关节实现绕空心套管轴线的回转和直线移动，从而形成所需要的工作空间。各关节的位置均由相应的传感器检测以计算磨削头的实际位置和姿态。该操作臂结构紧凑，操作方便，可在医生的操作下对股骨头坏死髓芯进行精确的清除和塌陷软骨复位。
文档编号A61B17/56GK202211739SQ20112030858
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者张宏, 张宪民, 朱海飞, 管贻生, 肖志光, 郑志芳, 金文涛 申请人:华南理工大学