神经外科辅助机器人的制作方法

本发明属于医疗领域，并且更具体地属于神经外科领域。

背景技术：

本发明涉及包括刚性支撑臂的神经外科辅助机器人，该刚性支撑臂允许相对于患者的头部来定位机器人并且在神经外科手术期间使患者的头部保持适当地固定。

已知至少三种医疗装置，这些医疗装置允许在神经外科手术期间根据患者的解剖结构和位置来调整神经外科辅助机器人的位置，并且因此使得患者的头部能够被保持。

第一种已知的装置是神经外科辅助机器人，这种装置具有尤其是通过被封固在地面中的支柱而被固定在手术室中的特性。这种装置具有主要与其在地面上的固定有关的多个缺点：这种装置在手术室中占据很大尺寸，这种装置改变了手术室的结构并且实际上导致这种装置在神经外科中的特殊化。此外，这种装置的刚性方面(紧固至地面)降低了其适应患者的定位的可能性。

同样用途的第二种医疗装置使用手术台的滑轨作为紧固支撑器，该紧固支撑器一方面用于支撑患者的头部的头枕，另一方面用于神经外科辅助机器人本身。这种装置不包括机器人和患者的头部之间的直接刚性连接。此外，多个分开的机械接头允许将头枕和机器人紧固到手术台的滑轨，这需要多重调节以便使手术装置的紧固适应患者待手术的位置。此外，每个接头代表相对于机器人来保持患者的头部时的潜在刚性损失。

该第二种装置还具有导致相对于机器人保持头枕的缺点，这种保持最终取决于手术台的刚性。

由本申请人开发的第三种医疗装置是神经外科辅助机器人，该神经外科辅助机器人包括固定的刚性支撑臂。细的支撑臂被设计成在手术期间通过标准的头枕来刚性地保持患者的头部。因此，这种装置包括在机器人和患者的头部之间的直接刚性连接，但是这种装置具有难以适应解剖结构、尤其是难以适应对被系固至手术台的患者的定位的缺点。此外，支撑臂是固定且不可拆卸的事实使得这种装置更为笨重、在手术室的环境简化的情况下不易移动、并且最终在不使用时不易储存。

技术实现要素：

本发明解决了上述缺陷和问题，并且旨在提供一种符合人体工程学的神经外科辅助机器人，即在这种情况下，该神经外科辅助机器人易于相对于患者的位置和解剖结构定位，同时在神经外科手术期间确保对患者的头部的足够刚性且可靠的保持。

在所提供的优点中，本发明的神经外科辅助机器人还在定位设置中提供了足以使得该机器人能够适应放置机器人的多变构型的幅度。

为此，本发明的神经外科辅助机器人通常包括可移动的外壳，该外壳的底架设置有用于与头枕连接的刚性支撑臂，该头枕支撑躺卧于手术台上的患者的头部，该神经外科辅助机器人被设计为使得所述支撑臂能够相对于底架在缩回到该外壳的体积部内的位置和多个延伸位置之间移动，本发明的神经外科辅助机器人设置有用于将所述臂锁定在任何位置的锁定装置。

从尺寸的角度并因此从手术室中的空间管理的角度来看，缩回和调整的可能通过提高机器人相对于患者的定位适应性而有助于本发明的机器人的使用灵活性，从而有助于手术精度。

根据有利的构型，底架具有刚性基准结构，该刚性基准结构包括板，在该板下面紧固有用于控制支撑臂的移动性的控制装置，并且第二工具承载机械臂被紧固在该板上。

本发明类型的手术机器人的其中一个重要方面在于手术姿势的精度所要求的稳定性，在这种情况下，该稳定性应当与尺寸的可变性/模块性相协调。对于患者的头部的位置的最佳适应的目的不应以损害保证该稳定性的机械刚性而得以满足。因此，设置了刚性基准结构，该刚性基准结构设置有元件(板)，该元件(板)一方面直接与手术机械臂制成一体，并且另一方面直接与头部支撑臂制成一体，该手术机械臂和头部支撑臂相对于该板的分布进一步增强了组件的机械刚性和稳定性。

在实践中，为了改善对机器人及其底架相对于手术台的相对定位的评估，支撑臂可以包括用于标记该支撑臂的位置的标记装置，该标记装置使得操作者能够在术前阶段相对于患者的头部预先定位机械臂。

更具体地，根据一种可能，支撑臂可以包括与适配的锁定装置相结合的标记刻度，该标记刻度使能够以高精度调整支撑臂。

根据极佳地满足上述刚性/稳定性要求的可能构型，所述锁定装置被连接至底架并且能够包括至少一个分度指，所述至少一个分度指被弹簧装置朝着形成在刚性支撑臂中的至少一个凹部偏压。

在这种情况下，该分度指可以优选地包括锥形自由端、并且与沿着平移方向形成在支撑臂面向该分度指的表面中的一系列孔配合。即使是在患者的头部施加显著的手术应力时，这种设计仍使得支撑臂能够可靠且鲁棒地固定在任何位置。

根据一个实施例，锁定装置可以被控制杆启用/停用，该控制杆能够在至少两个位置之间移动，该至少两个位置分别对应于锁定装置的启用和停用。

优选地，本发明的神经外科辅助机器人的支撑臂能够相对于外壳按照单个自由度平移移动。在这种情况下，同样优选地是，该平移沿着水平轴线。

从实现用于位置调整(这种位置调整保证头枕的支撑臂的每个稳定位置的足够刚性)的自由度的角度来看，根据本发明的支撑臂包括至少一个滑轨，该至少一个滑轨沿着底架的滑道滑动并且与被紧固至底架的至少一个一体式导靴配合。

在实践中，一个或多个导靴优选地设置在一个或多个滑道的出口处。

还根据优选实施例，支撑臂实际上包括两个侧向滑轨，这两个侧向滑轨沿着被彼此面对地紧固至底架的两个滑道滑动。由于在支撑臂的位移期间施加至该臂的应力被两个滑轨支撑并因此对于每个滑轨而言该应力减少了一半，所以这种功能在支撑臂相对于底架的稳定中起到了成倍的作用。

最后，根据本发明，支撑臂的自由端可以通过射线可透部件连接至头枕，该射线可透部件刚性地紧固至所述支撑臂的自由端并且包括用于连接至头枕的界面，该界面控制至少两个自由度。

通常，患者的头部和机器人之间的直接固定系统由易于制造和装配的少量机械部件形成，这有利地使机械稳定性/刚性损失的风险和生产成本被最大程度地最小化。可以从机械鲁棒性中看出这种相对简单性的另一个优点，即极大地减少了使用之间的维护需要。

由于支撑臂的可缩回性，患者的头部和本发明的机器人之间的连接系统使得整个机器人装置能够在手术室的范围内具有合理的尺寸，该尺寸对应于使支撑臂更容易被存储的缩回状态。

附图说明

从附图中所示的本发明的非限制性的示例性实施例的详细描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见：

图1是本发明的神经外科辅助机器人的透视图，该神经外科辅助机器人的支撑臂缩回；

图2示出了底架明显并且支撑臂部分延伸的所述机器人；

图3示出了这种机器人的支撑臂完全缩回的底架；

图4是支撑臂完全延伸的所述底架的示意图；

图5示出了支撑臂以及支撑臂在其中滑动的滑道的装置；

图6以局部透视图示出了设置成用于与支撑臂配合的锁定装置，该锁定装置位于非启用位置；

图7示出了处于启用位置的所述锁定装置，该锁定装置刚性地锁止支撑臂；

图8示出了本发明的神经外科辅助机器人用于对躺卧于手术台上的患者的颅腔进行手术的运行；以及

图9以侧视图示出机器人与患者之间的相互作用。

具体实施方式

参考图1，本发明的神经外科辅助机器人包括能够借助轮子(2)移动的外壳(1)，在该外壳(1)上方安装有机械臂(3)，该机械臂(3)的自由端设置有至少一个工具。该神经外科辅助机器人还具有辅助屏幕(4)，该辅助屏幕(4)使得操作者能可视化正在进行的手术，尤其是可视化设置在机械臂(3)上的工具的工作，在这种情况下该操作者为外科医生。

可移动的外壳(1)包围在图2中可见的底架(5)，该底架(5)设置有刚性支撑臂(6)，将在下文中更详细解释该刚性支撑臂(6)的功能。所述支撑臂(6)能够相对于底架(5)在缩回到外壳(1)或底架(5)的体积部内的位置和多个延伸位置之间移动。该支撑臂(6)包括设置有板(7)的端部，该板(7)用于紧固至设备、尤其是用于保持患者的头部的设备。

在术前阶段中，操作者首先通过借助神经外科辅助机器人的滚轮(2)移动该机器人来粗略地调整该机器人的位置，随后通过根据患者的定位延伸支撑臂(6)来更精确地调整该机器人的位置，由此相对于手术台(18)调整该机器人的位置。一旦确定支撑臂(6)的最佳位置，则本发明提供锁定装置(12)，该锁定装置(12)允许将所述臂(6)刚性地保持在几乎任何位置。因此，患者的头部在手术期间被以刚性且尤其可靠的方式保持。对于脑外科手术应用，相对于患者保持承载机械臂(3)的外壳(1)/底架(5)的稳定定位的这种刚性和精度明显是相当重要的。

图1示出了支撑臂(6)位于外壳(1)内的缩回位置的神经外科辅助机器人。有利地，在该构型中，可移动的外壳(1)易于在诸如手术室的拥挤环境中被操作和运输。

图2更具体地示出了如何将支撑臂(6)和第二机械臂(3)以确保与大脑治疗相关的手术使用所需的稳定性的方式紧固至神经外科辅助机器人。为此，底架(5)包括刚性基准结构，该刚性基准结构尤其包括板(8)，该板(8)具体在图3和图4中可见，在该板(8)下方紧固有用于控制支承臂(6)的移动性(在这种情况下为平移)的控制装置(9)，并且第二机械臂(3)被紧固在该板(8)上。

在实践中，支撑臂(6)能够相对于底架(5)按照单个自由度平移移动。更具体地，支撑臂(6)的平移沿着水平轴线进行。为此，底架(5)包括图5所示的导向块(9)，该导向块(9)设置有彼此面对的两个滑道，两个侧向滑轨(10)在这两个滑道中滑动。两个侧向滑轨(10)安装在支撑臂(6)的竖直侧的两个侧面上，以便对应于导向块(9)中的滑道的位置。这种布置使得能够在分别于图3和图4中可见的两个极限位置、即缩回位置和延伸位置之间获得被精密引导并因此非常稳定的所述支撑臂(6)的水平平移。

导向块(9)例如通过在角形托架(11)位置螺栓连接来被紧固在板(8)下面，该板(8)被与底架(5)制成一体。导向块(9)包括设置在块(9)的出口处的两个导靴(14)，这两个导靴(14)有助于在支撑臂(6)滑动期间的滑移。实际上，导靴(14)与安装在支撑臂(6)上的滑轨(10)配合并最优化支撑臂(6)的平移的精度。

有利地，如将在下文中所阐明的，即使当在患者的头部上施加相当大的应力并且该应力被传递到臂(6)上时，导靴(14)仍有助于将支撑臂(6)的位置可靠地保持在延伸位置。

为了进一步确保连接的稳定性和刚性，除了引导本身外，块(9)内的容置部的形状对应于包括滑轨(10)的臂(6)的外形，这也在位移期间的任何时间并针对每个延伸位置改善了滑轨在块中的定位。

如上所述，支撑臂(6)包括标记装置(未示出)，该标记装置例如由用于标记所述支撑臂(6)的位置的刻度形成。这种特征尤其在术前阶段使得操作者能相对于患者的头部以足够的精度预先定位神经外科辅助机器人。

图6和图7更具体地示出了紧固至底架(5)的锁定装置(12)的操作，所述装置(12)被放置在滑道(9)的出口以便使得易于接近控制杆(13)。

这些锁定装置(12)包括至少一个分度指(15)，在图6中示出了该分度指(15)的锥形端，该锥形端被设计为居中位于在支撑臂(6)的下表面内以规则间隔分布的孔(16)中。该分度指(15)被弹簧装置朝着形成在支撑臂(6)中的这些孔或凹部(16)偏压。弹簧装置例如可以由传统的压缩弹簧形成。

更具体地，分度指(15)的锥形自由端在其与沿着位移方向布置的孔(16)配合时使得支承臂(6)能够以取决于孔的直径的尺寸精度来选用大量离散的稳定位置。在本发明的应用中，指(15)以最小的间隙配合在孔(16)中，以防止支撑臂(6)的任何不可控的位移、即使是很小的位移。

锁定装置(12)被控制杆(13)启用/停用，该控制杆(13)能够在至少两个位置之间、即在如图7所示的启用位置和例如分别如图5及图6所示的停用位置之间移动。使用诸如本发明的控制杆的可移动控制杆(13)使得能快速且有效地锁止支撑臂(6)的平移。指(15)的锥形端在其居中位于孔(16)中时稍微修改由用户在该机器人的预设阶段手动初始选择的尺寸设定。

如图6所示，当控制杆(13)处于停用位置时，分度指(15)克服弹簧装置的作用缩回在它的容置凹部中，随后操作者可以通过平移来自由调整支撑臂(6)的位置。

一旦确定最佳位置，操作者将可移动控制杆(13)移至启用位置以释放弹簧装置，该弹簧装置偏压分度指(15)并且将分度指(15)的锥形端保持抵靠在面向该锥形端的孔(16)中，或者在任何情况下将该锥形端保持抵靠在允许居中的最接近的孔(16)中，随后锁定臂(6)的位置和延伸。

这种锁定装置(12)通过将指(15)刚性锁定在具有对应直径的孔(16)中来使支撑臂(6)能够快速、可靠且鲁棒地固定在任何位置处。即使是在患者的头部上施加了相当大的应力时，患者的头部的位置也可以被可靠地保持，即支撑患者的头部的结构具有足够的固定度。

在图8和图9中实际地示出了锁定患者的头部的可能方式；支撑臂(6)的自由端在这种情况下被连接至用于锁定躺卧在手术台(18)上的患者的头部的标准系统(19)。在所示的构型中，这种锁定是经由被附接至板(7)的射线可透部件(17)来实现的，该板(7)采用刚性框架的形式。在术中阶段，所述部件(17)的射线可透性使得能够通过消除靠近患者的头部的环境中的所有射线干扰来使用利用x射线的成像器拍摄并获得快照。

由于射线可透框架(17)被与用于锁定患者的头部的标准系统(19)制成一体，因此该射线可透框架(17)必须通过支配至少两个自由度的连接界面而完全刚性地紧固至支撑臂(6)的自由端。因此，在必要的时候，在机械链中接管(charge)此点处的相对移动性。

在手术期间，界面部件的自由度使得能更精确地相对于患者的头部调整神经外科辅助机器人的定位，该界面部件例如附接至如图8和图9所示的标准头枕(19)。自由度的机械控制被规划为尽可能地靠近患者的头部。因此，当在患者的头部上施加相当大的应力(这通常发生在涉及颅腔的骨部分上的初步工作阶段的手术期间)时，被施加到控制自由度的每个连接部上的扭矩(couple)或应力被尽可能地减小。

在所示的示例中，射线可透框架(17)和标准头枕(19)之间的连接界面具有五个自由度。

具有用于保持患者的头部的标准头枕(19)的替代方案，这些替代方案在本发明的范围内优选可用的、例如为基于具有两个自由度的立体框架的装置。

未示出这种可能：通常，借助附图描述的构型并不是本发明的详尽描述，本发明还包括形状和结构的变型，即，但非排他地涉及本发明的机器人在延伸位置的尺寸调节。