一种脊柱椎板磨削装置的制造方法
【专利摘要】本发明适用于医疗器械技术领域，公开了一种脊柱椎板磨削装置，包括手术床、滑动连接在所述手术床上方的床侧支架、设置在所述床侧支架上且用于对所述手术床上的患者按预先规划的路径进行椎板手术的磨削机械臂，以及设置在所述床侧支架上且用于驱动所述磨削机械臂以调整其位置和姿态的驱动组件。本发明包括手术床、起支撑作用的床侧支架、能够按预先规划的路径进行椎板手术的磨削机械臂，以及调整磨削机械臂的位置和姿态的驱动组件，能够实现针对不同脊椎段的椎弓根钉钉道姿态和位置的定位和调整，为手术操作提供导向，且其定位精度高，同时可以实现实时定位技术。
【专利说明】
一种脊柱椎板磨削装置
技术领域
[0001]本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种脊柱椎板磨削装置。
【背景技术】
[0002]现代医学统计表明，椎管肿瘤、黄韧带骨化症以及脊髓或马尾神经受压发病的概率逐年上升，严重患者会对脊髓造成直接压迫，使得患者下肢无力、行走不稳甚至瘫痪等症状。传统椎板切除手术，医生使用咬骨钳以及刮匙等锐利的工具对椎板进行切除，由于椎管有脊髓和神经，因此，在进行手术时，对医生的经验有着极高的要求。利用串联机械臂进行末端调整，完成椎弓根植钉手术的手术机器人(CN 102764156A)，由于刚度和自身精度的不足，无法满足椎板磨削手术的精度要求。而外国专利US2002/0038118中，Shoham等设计的MARS(Mini Ature Robot for Surgical procedure)系统，针对的是传统临床手术中，医生徒手操作植钉手术过程中定位不准和姿态导向不确定等问题，其采用6自由度的并联机构，在术前对植钉位置以及植钉角度进行规划，机器人按照规划好的位置和植钉角度进行调节，提供被动手术的导向，该系统直接固定在解剖结构上，进行脊柱外科椎弓根螺钉或创伤骨科远端带锁髓内钉的植入，该方案在其固定、支撑方案上存在缺陷，因而会导致手术精度和安全度无法得到保证。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术中椎板磨削手术精度和安全度难以得到保证的缺陷，提供了一种脊柱椎板磨削装置，其定位精度较高且可以实现实时定位技术。
[0004]本发明的技术方案是:提供了一种脊柱椎板磨削装置，包括手术床、滑动连接在所述手术床上方的床侧支架、设置在所述床侧支架上且用于对所述手术床上的患者按预先规划的路径进行椎板手术的磨削机械臂，以及设置在所述床侧支架上且用于驱动所述磨削机械臂以调整其位置和姿态的驱动组件
[0005]实施本发明的一种脊柱椎板磨削装置，具有以下有益效果:其包括手术床、起支撑作用的床侧支架、能够按预先规划的路径进行椎板手术的磨削机械臂，以及调整磨削机械臂的位置和姿态的驱动组件，能够实现针对不同脊椎段的椎弓根钉钉道姿态和位置的定位和调整，为手术操作提供导向，且其定位精度高，同时可以实现实时定位技术。
【附图说明】
[0006]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0007]图1是本发明实施例提供的脊柱椎板磨削装置的立体结构示意图；
[0008]图2是本发明实施例提供的床侧支架的立体结构示意图；
[0009]图3是本发明实施例提供的磨削机械臂的立体结构示意图；
[0010]图4是本发明实施例提供的驱动组件的立体结构示意图；
[0011 ]图5是本发明实施例提供的张紧调整机构的立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0013]需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接或间接在另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接或间接连接到另一个元件。
[0014]还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
[0015]如图1所示，本发明实施例提供的脊柱椎板磨削装置包括手术床1、床侧支架2、磨削机械臂3和驱动组件4。其中，手术床I可以采用现有技术中常用的手术床I，其用于手术时供患者7躺卧;床侧支架2滑动连接在手术床I上方，且可沿着手术床I的长度方向滑动，其主要用于支撑磨削机械臂3和驱动组件4，并带动磨削机械臂3移动至患者7需手术的位置，进而实现粗略的定位;磨削机械臂3安装在床侧支架2上，且用于对手术床I上的患者7按预先规划的路径进行椎板手术;驱动组件4安装在床侧支架2上，且用于驱动磨削机械臂3以调整磨削机械臂3的位置和姿态，进而使得磨削机械臂3可以按预先规划的路径进行椎板手术。
[0016]在手术时，先将患者7固定在手术床I上，将床侧支架2滑动连接在床侧，并固定在与患者7脊突相对应的位置上。然后利用术中CT或C型臂对患者7进行术中扫描，建立患者7脊柱图像和支架标志点之间的坐标变换关系。之后在床侧支架2上安装磨削机械臂3，利用已知的定位信息，使磨削机械臂3能够按照术前规划好的磨削路径进行椎板手术。
[0017]本发明实施例的脊柱椎板磨削装置包括手术床1、起支撑作用的床侧支架2、能够按预先规划的路径进行椎板手术的磨削机械臂3，以及调整磨削机械臂3的位置和姿态的驱动组件4，能够实现针对不同脊椎段的椎弓根钉钉道姿态和位置的定位和调整，为手术操作提供导向，且其定位精度高，同时可以实现实时定位技术。
[0018]具体地，如图2所示，床侧支架2包括竖直支架组件21和水平支架组件22。其中，竖直支架组件21水平滑动连接在手术床I上，且位于手术床I长度方向的两侧，即该竖直支架组件21可在手术床I的两侧水平滑动;水平支架组件22竖直滑动连接在竖直支架组件21上，即该水平支架组件22可在竖直支架组件21上上下滑动，该水平支架组件22沿手术床I的长度方向设置。上述磨削机械臂3和驱动组件4均设置在水平支架组件22上。
[0019]进一步地，本发明实施例的磨削装置还包括设置在手术床I两侧的床侧导轨5，在两侧床侧导轨5上均滑动连接有上述竖直支架组件21。上述竖直支架组件21包括导轨滑槽211、床侧支撑柱212和手柄螺栓213。其中，导轨滑槽211滑动连接在床侧导轨5上，床侧支撑柱212竖直连接在导轨滑槽211上，手柄螺栓213设置在导轨滑槽211的两侧，且该手柄螺栓213用于在床侧支撑柱212的位置粗略确定后将导轨滑槽211固定住。可以理解的是，在需要调整床侧支架2的水平位置时，可以解开手柄螺栓213的锁定，进而使得床侧支架2又可以在床侧导轨5上滑动。
[0020]进一步地，上述水平支架组件22包括横向支架221、转接件222、支架主块223、第一锁紧螺栓224、纵向支架225、第二锁紧螺栓226、磨削支架227、脊突夹连接件228和脊突夹229。其中，横向支架221垂直于床侧支撑柱212设置，且通过转接件222固定在床侧支撑柱212上。支架主块223滑动套设在横向支架221外，即支架主块223可在横向支架221上横向滑动，而第一锁紧螺栓224用于在支架主块223的位置确定后将其锁定。纵向支架225滑动连接在支架主块223下方，即纵向支架225可在支架主块223下方前后滑动，该纵向支架225沿手术床I的长度方向延伸设置，而第二锁紧螺栓226用于在纵向支架225的位置确定后将其锁定。磨削支架227设置在纵向支架225上，且该磨削支架227用于连接上述磨削机械臂3。脊突夹连接件228和脊突夹229连接在纵向支架225的前端，即纵向支架225远离支架主块223的一端，该脊突夹229的一端固定在脊突夹连接件228上，该脊突夹229的另一端用于夹持在患者7的脊突上。
[0021]优选地，纵向支架225前端与脊突夹连接件228通过设计的球副进行连接，保证纵向支架225与脊突夹229之间能够在任何姿态角度进行固连。脊突夹229的一端通过螺栓与脊突夹连接件228固连，脊突夹229的另一端直接夹持在患者7的脊突上实现床侧支架2与患者7脊突之间相对稳定的固定方式。
[0022]进一步地，在纵向支架225上开设有多个定位槽220，且多个定位槽220沿纵向支架225的长度方向排列布置，上述磨削支架227通过螺栓固定在相应的定位槽220内，进而实现磨削支架227的定位。
[0023]在本发明实施例中，磨削机械臂3采用四自由度的串联磨削机械臂3，其是整个系统的执行机构，包括一个移动自由度和三个旋转自由度。
[0024]具体地，如图3所示，该四自由度磨削机械臂3包括底座31、滑动平台32、第一可动臂33、第二可动臂34和第三可动臂35、螺栓固定支架36、骨钻37和六维力传感器38。其中，底座31设置在磨削支架227上，滑动平台32通过导轨与底座31滑动连接，第一可动臂33通过轴承与滑动平台32转动连接，第二可动臂34通过轴承与第一可动臂33的末端转动连接，第三可动臂35通过轴承与第二可动臂34的末端转动连接。六维力传感器38通过螺栓使其一端与第三可动臂35的末端连接，六维力传感器38的另一端通过螺栓固定支架36与骨钻37连接，即螺栓固定支架36连接在六维力传感器38的另一端，而骨钻37连接在螺栓固定支架36上。该骨钻37用于对患者7进行椎板磨削手术。
[0025]进一步地，本发明实施例的磨削装置还包括钢丝绳6(如图5所示)，该钢丝绳6的一端连接在驱动组件4上，另一端与滑动平台32或第一可动臂33的线轮或第二可动臂34的线轮或第三可动臂35的线轮连接。在本实施例中，采用四根钢丝绳6，其一端连接在驱动组件4上，而另一端分别连接在滑动平台32、第一可动臂33的线轮、第二可动臂34的线轮和第三可动臂35的线轮上。本发明实施例利用钢丝绳6实现驱动组件4与执行装置(磨削机械臂3)的分离，通过钢丝绳6将驱动组件4的动力传递至四自由度串联磨削机械臂3，实现定位和姿态调整，进而使得骨钻37能够实现位置和姿态的调整。
[0026]进一步地，如图4所示，驱动组件4包括底座支架41、多个电机421 (422/423/424)、多个联轴器431 (432/433/434)、多个主动轮441 (442/443/444)和多个张紧调整机构451(452/453/454)。其中，底座支架41通过螺栓固定在支架主块223上，多个电机421 (422/423/424)竖直固定在底座支架41上，多个联轴器431 (432/433/434)分别连接在每一电机421的输出轴上且联轴器431的个数与电机421的个数匹配，多个主动轮441(442/443/444)分别与每一联轴器431连接且还通过轴承固定在底座支架41上，进而实现动力的传递，而多个张紧调整机构451 (452/453/454)固定在底座支架41上，且分别用于调整每一钢丝绳6的张紧度。在本发明实施例中，电机421、联轴器431、主动轮441和张紧调整机构451的个数均相同。
[0027]进一步地，如图5所示，张紧调整机构451 (452/453/454)包括张紧支架461、导向柱462、滑动轴463、压轴块464、张紧轮465和调整螺栓466。其中，张紧支架461固定在底座支架41上，导向柱462横向设置在张紧支架461内，滑动轴463和压轴块464均滑动连接在导向柱462上，张紧轮465与压轴块464连接且套设在滑动轴463上，调整螺栓466伸缩连接在张紧支架461侧部且用于推动压轴块464。上述钢丝绳6绕过张紧轮465的边缘并在调整螺栓466的推动下实现张紧力的改变。
[0028]具体地，调整螺栓466通过螺纹在张紧支架461上实现前后伸缩，前端推动压轴块464，压轴块464推动滑动轴463，张紧轮465与压轴块464相连并且能够绕其旋转，压轴块464、滑动轴463与导向柱462相连且能够在上滑动。钢丝绳6与张紧轮465接触，钢丝绳6预先有一定的张紧力，通过旋转调整螺栓466，实现推动压轴块464，压轴块464推动滑动轴463，从而推动张紧轮465移动实现改变钢丝的预紧力，进而实现张紧力调整。
[0029]进一步地，在本发明的一个实施例中，驱动组件4包括底座支架41、四个电机421/422/423/424、四个联轴器431/432/433/434、四个主动轮441/442/443/444以及四个张紧调整机构451/452/453/454。其中，电机421/422/423/424固定在底座支架41上，电机421/422/423/424输出轴与联轴器431/432/433/434连接，主动轮441/442/443/444通过轴承固定在底座支架41上，并且与联轴器431/432/433/434相连，实现动力的传递。张紧调整机构451/452/453/454固定在底座支架41上。因此，四个主动轮441/442/443/444分别连接有钢丝绳6，并分别通过钢丝绳6驱动滑动平台32、第一可动臂33、第二可动臂34和第三可动臂35。
[0030]综上所述，本发明实施例的脊柱椎板磨削装置主要由支撑部分(床侧导轨5、床侧支架2)、定位部分(定位槽220、驱动组件4)和调整部分(四自由度串并联磨削机械臂3)构成，能够实现针对不同脊椎段的椎弓根钉钉道姿态和位置的定位和调整，并通过导向套筒，为手术操作提供导向；利用钢丝绳6实现驱动组件4与执行装置分离，通过钢丝将驱动组件4的动力传递至四自由度串联臂，实现定位和姿态调整；四自由度串联臂位置、姿态调整机构采用固定支架能够与患者7脊柱相对固定，采用执行机构与动力装置分离，利用绳驱将动力传递至执行机构，实现执行机构紧凑小巧;此外，四自由度串联臂位姿调整机构的可动臂长度，自由度布局，绳驱也可为电机直驱。
[0031]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种脊柱椎板磨削装置，其特征在于，包括手术床、滑动连接在所述手术床上方的床侧支架、设置在所述床侧支架上且用于对所述手术床上的患者按预先规划的路径进行椎板手术的磨削机械臂，以及设置在所述床侧支架上且用于驱动所述磨削机械臂以调整其位置和姿态的驱动组件。2.如权利要求1所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述床侧支架包括水平滑动连接在所述手术床上的竖直支架组件，以及竖直滑动连接在所述竖直支架组件上且沿所述手术床的长度方向设置的水平支架组件，所述磨削机械臂和驱动组件均设置在所述水平支架组件上。3.如权利要求2所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述磨削装置还包括设置在所述手术床两侧的床侧导轨，所述竖直支架组件包括滑动连接在所述床侧导轨上的导轨滑槽、竖直连接在所述导轨滑槽上的床侧支撑柱，以及设置在所述导轨滑槽的两侧且用于固定所述导轨滑槽的手柄螺栓。4.如权利要求3所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述水平支架组件包括横向支架、用于将所述横向支架固定在所述床侧支撑柱上的转接件、滑动套设在所述横向支架外的支架主块、用于锁定所述支架主块的第一锁紧螺栓、滑动连接在所述支架主块下方且沿所述手术床的长度方向延伸的纵向支架、用于锁定所述纵向支架的第二锁紧螺栓、设置在所述纵向支架上且用于连接所述磨削机械臂的磨削支架，以及连接在所述纵向支架前端的脊突夹连接件和脊突夹，所述脊突夹的一端固定在所述脊突夹连接件上，另一端夹持在患者的脊突上。5.如权利要求4所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述纵向支架上开设有多个定位槽，所述磨削支架通过螺栓固定在相应的所述定位槽内。6.如权利要求4所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述磨削机械臂包括设置在所述磨削支架上的底座、滑动连接在所述底座上的滑动平台、转动连接在所述滑动平台上的第一可动臂、转动连接在所述第一可动臂末端的第二可动臂、转动连接在所述第二可动臂末端的第三可动臂、一端连接在所述第三可动臂末端的六维力传感器、连接在所述六维力传感器另一端的螺栓固定支架，以及连接在所述螺栓固定支架上的骨钻。7.如权利要求6所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述磨削装置还包括一端连接在所述驱动组件上，另一端与所述滑动平台或第一可动臂的线轮或第二可动臂的线轮或第三可动臂的线轮连接的钢丝绳。8.如权利要求7所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述驱动组件包括固定在所述支架主块上的底座支架、竖直固定在所述底座支架上的多个电机、分别连接在每一所述电机的输出轴的多个联轴器、分别与每一所述联轴器连接且连接有所述钢丝绳的多个主动轮，以及固定在所述底座支架上且用于调整所述钢丝绳的张紧度的多个张紧调整机构。9.如权利要求8所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述张紧调整机构包括固定在所述底座支架上的张紧支架、设置在所述张紧支架内的导向柱、滑动连接在所述导向柱上的滑动轴和压轴块、与所述压轴块连接且套设在所述滑动轴上的张紧轮，以及伸缩连接在所述张紧支架侧部且用于推动所述压轴块的调整螺栓，所述钢丝绳绕过所述张紧轮的边缘并在所述调整螺栓的推动下实现张紧力的改变。10.如权利要求8所述的脊柱椎板磨削装置，其特征在于，所述驱动组件包括主体支架、四个电机、四个联轴器、四个主动轮和四个张紧调整机构。
【文档编号】A61B17/88GK105997250SQ201610268677
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】高鹏, 胡颖, 张朋, 孙宇, 赵保亮, 樊路平, 赵世佳
【申请人】中国科学院深圳先进技术研究院