非复位矩阵针式骨表面坐标映射器的制作方法

本实用新型涉及一种坐标映射器，尤其涉及一种非复位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，以期创设一种非复位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，本实用新型的目的是提供一种非复位矩阵针式骨表面坐标映射器。

本实用新型的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，包括有外套管，其特征在于：所述外套管内设置有测量针，所述外套管内设置有若干定位隔套，所述定位隔套之间设置有定位片，所述定位隔套、定位片呈“井”字形排列，所述定位片与外套管的内壁之间设置有橡胶或非橡胶材质的弹性圈，所述定位片间分布有若干测量引导孔，所述测量针穿过测量引导孔，所述测量针的尖端露出外套管的下端。

进一步地，上述的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述定位隔套从上至下依次分为第一定位隔套、第二定位隔套、第三定位隔套、第四定位隔套、第五定位隔套，所述定位片从上至下依次分为第一定位片、第二定位片、第三定位片、第四定位片，所述第一定位隔套、第二定位隔套之间夹持有第一定位片，所述第二定位隔套、第三定位隔套之间夹持有第二定位片，所述第三定位隔套，第四定位隔套之间夹持有第三定位片，所述第四定位隔套、第五定位隔套之间夹持有第四定位片。

更进一步地，上述的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述测量针采用若干测量针组件矩阵排列构成，所述各个测量针组件的长度、直径均相同。

更进一步地，上述的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述测量针组件的下端设置有尖锐接触面，所述尖锐接触面的尖角角度为20至60度。

更进一步地，上述的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述尖角角度为45度。

更进一步地，上述的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述外套管内安装有气枪。

再进一步地，上述的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，其中，所述外套管上设置有激光测距仪。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、采用定位隔套、定位片构成“井”字形结合的构造，可以对测量针进行有效的束缚与定位，提高测量针的挺度及分布密度，提升采集精度。

2、可以配合气枪使用，也能够实现某些特殊的免气枪使用操作，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。

3、整体构造简单，便于加工，操作便利。

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

附图说明

图1是非复位矩阵针式骨表面坐标映射器的整体结构示意图。

图2是非复位矩阵针式骨表面坐标映射器的剖面结构示意图。

图3是非复位矩阵针式骨表面坐标映射器的使用示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1外套管2测量针

3第一定位隔套4第一定位片

5弹性圈6第二定位隔套

7第二定位片8第三定位隔套

9第四定位隔套10第五定位隔套

11第三定位片12第四定位片

13气枪14骨表面

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1至3的非复位矩阵针式骨表面坐标映射器，包括有外套管1，其与众不同之处在于：外套管1内设置有测量针2，在外套管1内设置有若干定位隔套，定位隔套之间设置有定位片。由此，令定位隔套、定位片呈“井”字形排列，对测量针2实现更好的定位及移动引导。同时，定位片与外套管1的内壁之间设置有弹性圈。由此，依托于弹性圈的弹性力，令定位片将测量针2“抱紧”，对测量针2实现有效的支撑固定作用。再者，本实用新型定位片间分布有若干测量引导孔，测量针2穿过测量引导孔，测量针2的尖端露出外套管1的下端。为了能够第一时间获取骨表面坐标，可在外套管上设置有激光测距仪。这样，能够配合实际使用期间的测量针2针尾位置即骨表面坐标的反馈，获取较佳的定位及骨表面坐标采集。需要注意的是，激光测距仪可以安装在对应的手术辅助机器人上，为此附图中没有赘述。

结合本实用新型一较佳的实施方式来看，为了实现对测量针2更为稳固的限位引导，且实现定位隔套、定位片的“井”字形排列，采用的定位隔套从上至下依次分为第一定位隔套3、第二定位隔套6、第三定位隔套8、第四定位隔套9、第五定位隔套10，定位片从上至下依次分为第一定位片4、第二定位片7、第三定位片11、第四定位片12。同时，第一定位隔套3、第二定位隔套6之间夹持有第一定位片4，第二定位隔套6、第三定位隔套8之间夹持有第二定位片7，第三定位隔套8，第四定位隔套9之间夹持有第三定位片11第四定位隔套9、第五定位隔套10之间夹持有第四定位片12。这样，各个定位隔套、定位片纵横交错，构成稳固的“井”字形结合。

进一步来看，本实用新型使用的测量针2采用若干测量针组件矩阵排列构成，各个测量针组件的长度、直径均相同。这样，可以在与骨表面接触后获取精确的骨表面坐标。同时，为了针对某些患处进行更为精确的采集，在测量针组件的下端设置有尖锐接触面，尖锐接触面的尖角角度为20至60度。通过多次对比试验后发现，尖角角度为45度时，可以起到较佳的效果。

再进一步来看，为了能够在使用期间对测量针2的伸出测量进行更加细微的控制，在外套管1内可以安装有气枪13。当然，实际实施的时候，即便没有气枪13的参与，也可以完成测量。

本实用新型的工作原理如下：

实施期间，构成测量针2的各个测量针组件是相互独立的，可以按照传统方式，在测量针2下降与骨表面14接触的过程中，可以采用气枪13对测量针2的尾部进行柔性加压，实现测量针2的针尖与骨表面14的理想接触。也可以令外套管1下降至一定位置，带动测量针2下移而使其针尖与骨表面14理想接触，测量针2的针尾部一次映射出所需测量部位的骨表面坐标。由此，提高骨表面坐标采集的效率及可靠性。

通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本实用新型后，拥有如下优点：

1、采用定位隔套、定位片构成“井”字形结合的构造，可以对测量针进行有效的束缚与定位，提高测量针的挺度及分布密度，提升采集精度。

2、可以配合气枪使用，也能够实现某些特殊的免气枪使用操作，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。

3、整体构造简单，便于加工，操作便利。

此外，本实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型的描述中，“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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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