一种矩阵针式骨表面坐标映射器的制作方法

本发明涉及一种坐标映射器，尤其涉及一种矩阵针式骨表面坐标映射器。

背景技术：

近年来，相继有一些骨科手术机器人投入到临床，如脊柱手术机器人、关节手术机器人等。它们通过骨表面坐标采集及配准技术，使数字骨科手术技术水平得到了很大的提高，对骨科手术向个性化、精确化、微创化方向快速发展起到至关重要的推进作用。

对于骨科手术导航及手术机器人系统的关键技术—骨坐标采集及配准方法，可以分为以下几类。

1、非接触式骨表面坐标采集技术，其包括：

(1)激光扫描。如robodoc系统早期采取有创的标记物定位，后期在膝关节切开暴露术野后仅使用手持传感设备在关节表面完成标记点定位。

(2)线结构光自扫描测量。一种由ccd摄像机、振镜和激光线投射器组成的全视觉自扫描测量系统可以实现对复杂自由曲面的快速精确测量。

(3)基于机器视觉三维激光线扫描系统。由两个面阵ccd摄像机、一个带有30个参考点(已知坐标)的靶标、一个半导体线激光器、两块图像采集卡、一块运动控制卡、一台pc机及相应的控制硬件和软件组成。利用ccd摄像机获得三维物体的二维图像，实现空间世界坐标系与摄像机平面坐标系之间的透视变换。通过由两个摄像机从不同方向拍摄的两帧二维图像，即可综合测出物体的三维曲面轮廓或三维空间点位。非接触式测量技术可以在不接触被测量物体表面的情况下快速准确地获取物体三维坐标。

但是，由于骨科手术呈现个性化、精确化、微创化发展的趋势，微创手术的显露范围必然越来越小，加之受骨膜覆盖、出血、呼吸运动等干扰因素的影响，骨科手术机器人术中大范围剥离骨膜显露骨表面进行非接触式坐标数据采集显然难以实现。

2、接触式骨表面坐标采集技术，其包括：

(1)基于igps和机器人的接触式测量系统。主要由机器人、igps(indoorgps)全局定位系统、接触式探针、手持框架和计算机辅助系统等组成。其中，接触式探针通过手持框架安装在机器人法兰盘末端作为工业机器人的工具端，手持框架上安装igps接收器，使igps定位系统可以实时获取工具端的坐标。

(2)基于扫描白光干涉法的接触式测量其测量方式为将探针组件的平面反射镜置于物镜下方，由平面反射镜反射测量光，与参考光产生干涉条纹，通过调整宽带光干涉装置获得一组稳定的干涉条纹。测量时，将探针压在被测工件上，对于峰谷最大差值小于5μm的表面形貌，计量型垂直位移工作台不扫描，由步进电机驱动x-y工作台移动，放在其上的工件也跟着移动。

当探针相对被测表面移动时，被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动，从而引起杠杆另一端的平面反射镜的摆动，使得干涉条纹随之移动。对于峰谷最大差值大于5μm的表面轮廓，干涉条纹移出视场，计量型垂直位移工作台移动，将干涉条纹拉回原位，计量衍射光栅计量垂直位移工作台移动的高度值(大数)，与探针记录的高度值(小数)之和，反映了工件高度的变动。接触式测量具有精度高、重复性好等优点，但是其测量速度慢、效率低、测量范围受限，且产生的数据稀疏。并且该方式常规用于工业，直接应用到医用领域需要进行改造替换，且实施起来不是很便捷。

基于上述认识，本申请人已在之前申请了一种测量针可复位的骨表面坐标映射器(申请号2019102874455、2019103380274)。但实际应用中，发现它由于结构问题，其仍存在一次测量数据稀疏、需通过移动增加测量位置提高数据密度等缺陷，这样必须有复杂的高精度移动换位机构辅助方能实现，导致效率低、测量精度可能受限移动影响等不足。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种矩阵针式骨表面坐标映射器，以适应现代微创数字治疗手术技术的需求，提高骨科机器人手术的精度、可靠性及安全性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种矩阵针式骨表面坐标映射器。

本发明的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，包括有外套管，所述外套管内设置有测量针，其中：所述外套管内设置有若干弹性限位组件，所述测量针套设在弹性限位组件内，所述测量针为若干保护针与若干采集针构成，所述保护针的直径大于采集针，所述外套管内安装有施压组件，所述施压组件的工作端与采集针的尾端相对应。

进一步地，上述的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述弹性限位组件为弹性圈，所述弹性圈的外壁与外套管的内部相结合，所述弹性圈的内壁约束连接有测量针。

更进一步地，上述的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述外套管的内壁设置有嵌槽，所述弹性圈的外壁嵌入嵌槽内，所述弹性圈至少有两个，分别构成上端弹性圈与下端弹性圈。

更进一步地，上述的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述采集针呈矩阵排列，所述保护针环绕排列在采集针的外围。

更进一步地，上述的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述施压组件为气枪，所述气枪包括有输气管，所述输气管上连接有衔接头。

再进一步地，上述的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述外套管上安装有激光测距仪。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、测量针采用保护针与采集针相互配合，保护针能够令采集针产生内聚作用，排列更为密集，避免采集针发生变形，获取的坐标更为精确。

2、可以配合气枪使用满足有效的柔性加压，使保护针与采集针可刺透骨膜(但不刺入骨内)与骨表面理想接触，从而避免骨膜、出血或组织液渗出等因素对骨表面坐标采集的影响，

3、泛用性较好，可适用于各种骨科机器人手术并可拓展至其他外科手术。

4、可以通过激光测距仪存在，对测量针反馈的幅度进行精确采集，获取有效的骨表面坐标点。

5、整体构造简单，便于加工，操作便利。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是矩阵针式骨表面坐标映射器的外部结构示意图(未安装施压组件)。

图2是矩阵针式骨表面坐标映射器的剖面结构示意图(未安装施压组件)。

图3是保护针、采集针的位置分布仰视图。

图4是矩阵针式骨表面坐标映射器的的使用示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1外套管2测量针

3弹性限位组件4保护针

5采集针6输气管

7衔接头8骨表面

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至4的一种矩阵针式骨表面坐标映射器，包括有外套管1，外套管1内设置有测量针2，其与众不同之处在于：外套管1内设置有若干弹性限位组件3，测量针2套设在弹性限位组件3内。同时，为了实现使用期间的测量针2的整体保护，测量针2为若干保护针4与若干采集针5构成，且保护针4的直径大于采集针5。这样，可以让保护针4对采集针5来进行保护。并且，为了满足对采集针5尾端的柔性施压，在外套管1内安装有施压组件，施压组件的工作端与采集针5的尾端相对应。

结合本发明一较佳的实施方式来看，为了实现对采集针5的约束限位，确保其拥有较佳的矩阵排列的同时拥有适当的密度，采用的弹性限位组件3为弹性圈。具体来说，弹性圈的外壁与外套管1的内部相结合，弹性圈的内壁约束连接有测量针2。实施期间，弹性圈的材质为橡胶或非橡胶，只要拥有适当弹性即可。并且，通常保护针4位于外围，其与弹性圈直接接触。

进一步来看，为了保证安装的稳固性，外套管1的内壁设置有嵌槽，弹性圈的外壁嵌入嵌槽内。并且，弹性圈至少有两个，分别构成上端弹性圈与下端弹性圈。这样，可以对采集针5的上端、下端进行同时束缚。

结合实际实施来看，采集针5呈矩阵排列，保护针4环绕排列在采集针5的外围，可以产生一定的内聚作用力，确保排列整齐到位。具体来说，较细的采集针5位于中心部分相互直接接触，较粗的保护针4位于采集针5外围四周，即使采集针5在倾斜骨面有侧向受力时，也可以保证采集针5不发生形变。

再进一步来看，为了便于操作，本发明采用的施压组件为气枪，气枪包括有输气管6，输气管6上连接有衔接头7。当然，在实际实施的时候，气枪可以安装在坐标映射器的外部，作为独立的部件，也可以安装到对应操作的机器人上，可根据实际手术实施的需要进行调节。并且，为了能够及时收集测量针2采集到骨表面数据，获取精确的坐标，可在外套管1上安装有激光测距仪。当然，针对不同的实施方式，也可以将激光测距仪外设安装到机器人上，这样能够减轻坐标映射器的自重。需要注意的是，为了更好的展示本发明的构造，附图中为了避免出现结构遮挡，没有绘出激光测距仪。因为其安装位置不限定，结构或是品牌都可以采用目前市售常规的用于医疗测量的激光测距仪，为此没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

通过气枪对测量针的尾部进行柔性加压，保证每一枚测量针的针尖刺透骨膜(但不刺入骨内)与骨表面理想接触，减少顾损伤。针对目前常用的搭建型保持架的结构，可以实现近似于无保持架的结构。由此，测量针的尾部能够以更为密集的方式一次映射出所需测量部位的骨表面8的坐标，从而提高骨表面坐标采集的精度、效率及可靠性。

通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，拥有如下优点：

1、测量针采用保护针与采集针相互配合，保护针能够令采集针产生内聚作用，排列更为密集，避免采集针发生变形，获取的坐标更为精确。

2、可以配合气枪使用满足有效的柔性加压，使保护针与采集针可刺透骨膜(但不刺入骨内)与骨表面理想接触，从而避免骨膜、出血或组织液渗出等因素对骨表面坐标采集的影响，

3、泛用性较好，可适用于各种骨科机器人手术并可拓展至其他外科手术。

4、可以通过激光测距仪存在，对测量针反馈的幅度进行精确采集，获取有效的骨表面坐标点。

5、整体构造简单，便于加工，操作便利。

此外，本发明所描述的指示方位或位置关系，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或构造必须具有特定的方位，或是以特定的方位构造来进行操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“主”、“副”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“主”、“副”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

同样，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。并且它可以直接在另一个组件上或者间接在该另一个组件上。当一个组件被称为是“连接于”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或间接连接至该另一个组件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。