一種顱面外科整形手術輔助裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于顱面外科整形手術的輔助裝置，包括支撐模塊，位置控制模塊姿態(tài)控制模塊，電機運動模塊和手術操作模塊。支撐模塊包括底座支架、橫梁桿、工字型支撐架及圓形套固定件；位置控制模塊由階梯桿與轉動桿組成，通過螺栓聯(lián)接調整手術所需的空間位置；姿態(tài)控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件通過軸承聯(lián)接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態(tài)；電機運動模塊包括伺服電機，聯(lián)軸器，絲杠、光杠、軸承、固定架及聯(lián)接板，聯(lián)接聯(lián)軸器通過絲杠與聯(lián)接板、光杠等機構實現(xiàn)沿軸向的運動。手術操作模塊包括手柄、導軌固定塊、滑塊、光杠、夾具及刀具。夾具內貼有應變片傳感器，術中實時顯示力的大小，以此判斷截骨的深度。
【專利說明】一種顱面外科整形手術輔助裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微創(chuàng)外科整形手術機器人領域，具體地，涉及一種用于顱面外科整形手術的輔助裝置。
【背景技術】
[0002]計算機輔助技術在醫(yī)學領域的應用日趨廣泛，近20年來己成為外科領域研究應用的常規(guī)方向之一。
[0003]機器人手術逐漸成為外科微創(chuàng)手術的主流。機器人系統(tǒng)具有人手無法比擬的穩(wěn)定性與精確性，術中可精確定位，減少手術創(chuàng)傷及并發(fā)癥，提高手術成功率。
[0004]整形外科手術主要的治療對象是各種先、后天因素造成的顱面骨及相應軟組織的嚴重畸形。由于顱頜面部解剖結構復雜，生命感覺器官密布，多數(shù)情況下顱頜面手術視野有限，重要神經血管的結構位于骨組織內，或位于后方；同時必須做到容貌和功能兼顧。
[0005]傳統(tǒng)整形手術中，顱面整形手術為醫(yī)生徒手操作手術刀具，目前仍停留在傳統(tǒng)的手工測量、目測估計和拓制模型手術設計方法上，手術方案受醫(yī)生個人經驗、習慣等主觀思維因素影響甚大。
[0006]因此，建立的適用于整形外科的輔助機器人裝置對于減輕醫(yī)生作業(yè)疲勞，減少手術創(chuàng)傷，提高精確定位及手術成功率具有十分重要的意義。
[0007]經對現(xiàn)有技術專利檢索發(fā)現(xiàn)，只檢索到名為“一種用于鼻尖整形手術的鼻軟骨支架輔助裝置”，中國專利號為200880019014.0。未發(fā)現(xiàn)關于顱面整形手術相關專利。
[0008]由于顱頜面部解剖結構復雜且內含有動脈血管，稍有偏差就有引起動脈出血。經驗豐富的醫(yī)生手持手術刀對下頜骨進行切削手術，由于術中手術刀切向受力復雜且不均勻，醫(yī)生需花大力維持手術刀的穩(wěn)定；長時間操作醫(yī)生極易疲勞，難以確保手術穩(wěn)定精確進行。
[0009]基于上述原因，技術人員致力于研發(fā)一款精確定位的顱面整形外科手術機器人輔助裝置。在此輔助裝置中，通過機械結構可實現(xiàn)在狹小手術視野范圍內的精確定位，從而提高手術的成功率。

【發(fā)明內容】

[0010]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種顱面外科整形手術輔助裝置，在使用咬合板作為固定坐標的顱面整形手術中，該輔助裝置是一種輔助精確定位機器人系統(tǒng)，能夠在有限的空間內精確定位到達完成手術目的。
[0011 ] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種顱面外科整形手術輔助裝置，包括支撐模塊，位置控制模塊，姿態(tài)控制模塊，電機運動模塊和手術操作模塊；其中位置控制模塊固定在支撐模塊上，兩者連接部位的中心軸線與底座支架中心軸平行；姿態(tài)控制模塊與位置控制模塊通過側邊兩對稱連接件固定；電機運動模塊與姿態(tài)控制模塊聯(lián)接，且電機運動模塊中心軸線與姿態(tài)控制模塊上側軸線共線；手術操作模塊聯(lián)接在電機運動模塊底部，兩者中心軸線共線。
[0012]所述的支撐模塊包括底座支架、橫梁桿、工字型支撐架及圓形套固定件，支撐架分別固定在底座支架與橫梁桿上，用來保持橫梁桿的穩(wěn)定，圓形套固定件固定在底座支架上。工字型支撐架末端與位置控制模塊相連接。
[0013]所述的位置控制模塊由階梯桿與轉動桿組成，階梯桿一端聯(lián)接上述工字型支撐架上，階梯桿另一端則與轉動桿聯(lián)接，調整手術所需的空間位置，轉動桿另一端則與姿態(tài)控制模塊上弧形桿件聯(lián)接。
[0014]所述的姿態(tài)控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件通過軸承聯(lián)接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態(tài)。兩個弧形桿件中:上端弧形桿件與上述轉動桿聯(lián)接，下端弧形桿件與電機運動模塊固定架聯(lián)接。 [0015]所述的電機運動模塊包括伺服電機，聯(lián)軸器，絲杠，第一光杠，軸承，固定架及兩個聯(lián)接板。電機聯(lián)接在固定架上與聯(lián)軸器聯(lián)接，聯(lián)軸器另一端聯(lián)接絲杠，通過軸承固定在固定架底部，絲杠與聯(lián)接凸板通過螺紋咬合，另一端則固定在聯(lián)接凹板上；第一光杠一端聯(lián)接固定架，另一端則固定在聯(lián)接凹板，其中聯(lián)接凹板固定，聯(lián)接凸板與絲桿螺紋配合。當電機正轉或反轉時，通過絲杠傳遞運動，使得聯(lián)接凸板實現(xiàn)軸向運動。
[0016]所述的手術操作模塊包括手柄、導軌固定塊、滑塊、第二光杠、夾具及手術刀具。導軌固定塊與聯(lián)接凸板聯(lián)接，手柄聯(lián)接導軌固定塊側面，第二光杠在導軌固定塊底部固定滑塊，而后固定夾具夾持刀具。夾具內貼有四片應變片，術中實時顯示力的大小，以此判斷截骨的深度。
[0017]本發(fā)明通過階梯桿、轉動桿與正交的弧形桿件組成笛卡爾坐標系運動軸，實現(xiàn)三維空間的運動。通過這樣的機構運動，很容易實現(xiàn)在狹小有限的口腔范圍內的手術視角精確定位，從而順利完成手術。
[0018]本發(fā)明整個機器人輔助裝置采用鋁合金制造，保證強度與剛度的前提下，可有效減輕裝置的重量，該裝置還配有重力補償機構即:兩側相對應的彈簧聯(lián)接工字型支撐架與位置控制模塊轉動桿，運動過程中彈簧拉緊補償由于重力因素導致位置精度的誤差。
[0019]優(yōu)選地，所述手術操作模塊具有I自由度來實現(xiàn)顱骨面的鉆孔要求，此外還需具有力反饋環(huán)節(jié)，手術時，根據(jù)醫(yī)學圖像，操作手柄進行鉆孔手術；當?shù)竭_第一鉆孔點時，開動手術刀具中的電鉆與電機開關，電機驅動電鉆向下運動，此時，應變片會有力信號傳出，以此判斷鉆孔深度及鉆頭所到的位置；再完成第一個鉆孔后，電機反轉，鉆頭遠離，到達上述電機零點后停止轉動。
[0020]優(yōu)選地，所述伺服電機運動具有零點位置以及緊急停止裝置；所述零點位置通過外接的附加電路判斷，當聯(lián)接凸板運動到指定點時，外聯(lián)電路接通，通過示波器顯示一個與開路狀態(tài)相反的電信號，由此確定零點位置。
[0021]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0022]本發(fā)明在進行顱面整形手術過程中，機器人輔助系統(tǒng)能快速精確定位，拓寬顱面外科醫(yī)生有限的視覺范圍并輔助完成手術。因此，其對于提高手術定位精度、減少手術損傷、優(yōu)化手術路徑及提高手術成功率等具有十分重要的意義。本發(fā)明適用于微創(chuàng)外科領域，并可以實時檢測術中力值，克服了傳統(tǒng)治療局限性，以提高整形手術的精確性和安全性，具有重要的臨床意義?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0023]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:[0024]圖1是顱面整形手術輔助裝置裝配的總體結構示意圖。[0025]圖2是支撐模塊結構前視圖。[0026]圖3是位置控制模塊結構示意圖。[0027]圖4是姿態(tài)控制模塊結構示意圖。[0028]圖5是電機運動模塊結構示圖。[0029]圖6是手術操作模塊結構示圖。[0030]圖7是機器人系統(tǒng)中的力反饋回路。[0031]重要部件參考符號說明:[0032]支撐模塊10，位置控制模塊20，姿態(tài)控制模塊30，電機運動模塊40和手術操作模塊50 ；[0033]底座支架101，橫梁桿105，工字型支撐架103，圓形套固定件102，螺紋螺母聯(lián)接104、106 ；[0034]階梯桿203，轉動桿201，螺栓聯(lián)接202，螺紋孔204、205 ；[0035]直立桿304，環(huán)形桿302，螺紋303、305，軸承301、306 ；[0036]伺服電機401，聯(lián)軸器404，絲杠410，光杠405，固定架403，聯(lián)接凸板409，聯(lián)接凹板 408，軸承 404、406，螺紋 402、407、411 ；[0037]手柄501，導軌固定塊508，滑塊502，光杠503，夾具505、506，手術刀504，螺紋507,509ο
【具體實施方式】[0038]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。[0039]如圖1所示，本發(fā)明一實施例提供的顱面外科整形手術輔助裝置，其包括支撐模塊10，位置控制模塊20，姿態(tài)控制模塊30，電機運動模塊40和手術操作模塊50，見圖1。其中位置控制模塊20通過螺栓螺母聯(lián)接固定在支撐模塊10上，兩者連接部位的中心軸線與支撐模塊中底座支架101中心軸平行；姿態(tài)控制模塊30與位置控制模塊20通過側邊兩對稱螺絲固定；電機運動模塊40與姿態(tài)控制模塊30則通過側邊四個螺紋聯(lián)接，且電機運動模塊40中心軸線與姿態(tài)控制模塊30上側軸線共線；手術操作模塊50通過螺紋聯(lián)接在電機運動模塊40底部，中心軸線共線。[0040]如圖2所示，所述的支撐模塊包括底座支架101，橫梁桿105，工字型支撐架103，圓形套固定件102。工字型支撐架103通過螺紋螺母聯(lián)接104連接到橫梁桿105，另一端則通過螺紋螺母聯(lián)接106聯(lián)接圓形套固定件102 ;支撐架用來保持橫梁桿的穩(wěn)定，分別通過四個沉頭螺釘固定在底座支架101與橫梁桿105，圓形套固定件102則由螺母固定在底座支架101 上。
[0041]如圖3所示，所述的位置控制模塊由階梯桿203與轉動桿201組成，階梯桿203 —端聯(lián)接上述工字型支撐架103上，階梯桿203另一端則與轉動桿201通過螺栓聯(lián)接202，調整手術所需的空間位置，轉動桿201另一端則與姿態(tài)控制模塊上弧形桿件(直立桿304)聯(lián)接。
[0042]在轉動桿201的中心位置設有螺紋孔204，此處為重力補償裝置彈簧卡口點。
[0043]如圖4所示，所述的姿態(tài)控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件(即直立桿304、環(huán)形桿302)通過軸承聯(lián)接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態(tài)。直立桿304上端與軸承306過盈配合，通過螺紋305聯(lián)接螺紋孔205固定在轉動桿201上。同上，直立桿304下端與軸承301過盈配合，通過螺紋303與環(huán)形桿302相連接，可實現(xiàn)垂直方向轉動。
[0044]如圖5所示，所述的電機運動模塊包括伺服電機401，聯(lián)軸器404，絲杠410，第一光杠405，固定架403，聯(lián)接凸板409，聯(lián)接凹板408，軸承404、406，螺紋402、407、411。電機401通過螺紋402固定在固定架403上并與聯(lián)軸器404聯(lián)接，聯(lián)軸器404另一端聯(lián)接絲杠410，通過軸承404過盈配合固定在固定架403底部，絲杠410與聯(lián)接凸板409通過螺紋咬合，另一端則通過軸承406固定在聯(lián)接凹板408上；第一光杠405 —端聯(lián)接固定架403,另一端則通過螺絲固定在聯(lián)接凹板408。當電機正轉或反轉時，通過絲杠410傳遞運動，使得聯(lián)接凸板409實現(xiàn)軸向上或下運動。
[0045]如圖6所示，手術操作模塊包括手柄501，導軌固定塊508，滑塊502，第二光杠503，夾具505、506，手術刀504，螺紋507、509。手柄501通過螺紋與導軌固定塊508相連接，滑塊502通過螺紋507與導軌固定塊508聯(lián)接，第二光杠503通過螺紋509聯(lián)接夾具505、506固定在滑塊502底部，手術刀504由夾具505、506夾緊固定。
[0046]夾具內貼有四片應變片，應變片位置設置在夾具505、506夾持部位內側，對稱放置。術中實時檢測電鉆反饋力(軸向力)的大小，通過外接的顯示器顯示，以此判斷截骨的深度。
[0047]本實施例使用情況:手術前，用CT掃描手術需要數(shù)據(jù)信息，在圖像處理平臺實現(xiàn)三維頭顱影像的重建，提取手術關鍵信息形成虛擬影像，而后根據(jù)手術部位設計模板支架后放置模板，將戴好模板的實物模型與虛擬影像相結合。手術開始時，將經消毒后的機器人輔助裝置放置在適當位置，根據(jù)術前設計虛擬現(xiàn)實出患者需要手術的部位，預調機器人裝置確定手術刀的大致空間位置，而后調節(jié)姿態(tài)模塊精確確定手術刀位置，即與虛擬現(xiàn)實影像出的平面平行。伺服電機轉動驅動絲杠、光桿運動，驅使手術操作模塊上下移動，輔助醫(yī)生順利完成手術。
[0048]為了考慮手術的安全性，在本發(fā)明的一本實施例中，所述的電機運動模塊具有零點位置以及緊急停止裝置。主要結構如下:伺服電機401通過螺絲固定在固定架403上，固定架403與聯(lián)接凹板408由光杠405螺紋聯(lián)接；當電機轉動時，帶動聯(lián)軸器404、絲杠410一起轉動，由于聯(lián)接凸板409與絲杠410為螺紋配合且絲杠410固定，因此，聯(lián)接凸板409帶動光杠405沿軸向運動。在絲桿410某處與聯(lián)接凸板409上各焊帶有金屬不導電塊，然后外接到附加電路中，當聯(lián)接凸板409運動到此處時，外聯(lián)附加電路接通，示波器則顯示一個與開路狀態(tài)相反的電信號，由此確定零點位置。此外，還需加緊急制止裝置來防止突發(fā)事件，緊急裝置為外設斷電裝置，斷電后立即停止。[0049]在本發(fā)明的一本實施例中，所述的手術操作模塊應具有I自由度來實現(xiàn)顱骨面的鉆孔要求。主要結構如下:滑塊502與導軌固定塊508，導軌固定塊508與手柄501均為螺紋聯(lián)接，滑塊可沿導軌固定塊508滑動并可以固定在某一需要位置；夾具505，506與手術刀504螺栓螺母聯(lián)接，可適當調節(jié)刀具夾持位置。手術時，依據(jù)醫(yī)學圖像，醫(yī)生操作手柄進行鉆孔手術；當?shù)竭_第一鉆孔點時，開動電鉆(電鉆位于手術刀504內，由外接電源控制)與電機401開關，電機驅動電鉆向下運動；此時，應變片會有力信號傳出，醫(yī)生以此判斷鉆孔深度及鉆頭所到的位置。再完成第一個鉆孔后，電機反轉(與前一轉向相反)，鉆頭遠離患者顱骨，到達上述電機零點后停止轉動。醫(yī)生擰松滑塊502，滑動滑塊502到第二鉆孔點后擰緊滑塊502，重復第一鉆孔的動作直至鉆完所以設計的孔。
[0050]卸下機器人輔助裝置，更換手術刀具。醫(yī)生沿上述鉆完的一系列孔依次截骨，這樣極大減輕醫(yī)生的手術量，更精確的完成手術。
[0051]所述機器人系統(tǒng)中的力反饋回路如圖7所示。醫(yī)生根據(jù)自己經驗判斷手術刀大概位置，通過通信設置控制機械手運動，在醫(yī)學影像下配準定位，控制手術刀運動；反饋手術刀的位置以及感應受力情況，繼而反饋給醫(yī)生，實時把握手術進程。
[0052]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。
【權利要求】
1.一種顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:包括支撐模塊，位置控制模塊，姿態(tài)控制模塊，電機運動模塊和手術操作模塊；其中位置控制模塊固定在支撐模塊上，兩模塊連接部位中心軸線與底座支架中心軸平行；姿態(tài)控制模塊與位置控制模塊通過側邊兩對稱連接件固定；電機運動模塊與姿態(tài)控制模塊聯(lián)接，且電機運動模塊中心軸線與姿態(tài)控制模塊上側軸線共線；手術操作模塊聯(lián)接在電機運動模塊底部，兩者中心軸線共線； 所述的支撐模塊包括底座支架、橫梁桿、工字型支撐架及圓形套固定件，支撐架分別固定在底座支架與橫梁桿上，用來保持橫梁桿的穩(wěn)定，圓形套固定件固定在底座支架上，工字型支撐架末端與位置控制模塊相連接； 所述的位置控制模塊由階梯桿與轉動桿組成，階梯桿一端聯(lián)接上述工字型支撐架上，階梯桿另一端則與轉動桿聯(lián)接，調整手術所需的空間位置，轉動桿另一端則與姿態(tài)控制模塊上弧形桿件聯(lián)接； 所述的姿態(tài)控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件通過軸承聯(lián)接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態(tài)；兩個弧形桿件中:上端弧形桿件與上述轉動桿聯(lián)接，下端弧形桿件與電機運動模塊固定架聯(lián)接；所述階梯桿、轉動桿與正交的弧形桿件組成笛卡爾坐標系運動軸，實現(xiàn)三維空間的運動； 所述的電機運動模塊包括伺服電機，聯(lián)軸器，絲杠，第一光杠，軸承，固定架、聯(lián)接凹板及聯(lián)接凸板，電機聯(lián)接在固定架上與聯(lián)軸器聯(lián)接，聯(lián)軸器另一端聯(lián)接絲杠，通過軸承固定在固定架底部，絲杠與聯(lián)接凸板通過螺紋咬合，另一端則固定在聯(lián)接凹板上；第一光杠一端聯(lián)接固定架，另一端也固定在聯(lián)接凹板上，其中聯(lián)接凹板固定，聯(lián)接凸板與絲桿螺紋配合；當電機正轉或反轉時，通過絲杠傳遞運動，使得聯(lián)接凸板實現(xiàn)軸向運動； 所述的手術操作模塊包括手柄、導軌固定塊、滑塊、第二光杠、夾具及手術刀具；導軌固定塊與聯(lián)接凸板聯(lián)接，手柄聯(lián)接導軌固定塊側面，第二光杠在導軌固定塊底部固定滑塊，第二光杠聯(lián)接夾具固定在滑塊底部，手術刀具由夾具夾緊固定，夾具內貼有四片應變片，術中實時顯示力的大小，以此判斷截骨的深度。
2.根據(jù)權利要求1所述`的顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:所述支撐模塊通過支撐架用來保持橫梁桿的穩(wěn)定，分別通過四個沉頭螺釘固定在底座支架與橫梁桿，圓形套固定件則由螺母固定在底座支架上；轉動桿的中心位置設有螺紋孔，此處為重力補償裝置彈簧卡口點，以此來實現(xiàn)重力補償。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:所述伺服電機運動具有零點位置以及緊急停止裝置；所述零點位置通過外接的附加電路判斷，當聯(lián)接凸板運動到指定點時，外聯(lián)電路接通，通過示波器顯示一個與開路狀態(tài)相反的電信號，由此確定零點位置。
4.根據(jù)權利要求3所述的顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:所述伺服電機通過螺絲固定在固定架上，固定架與聯(lián)接凹板由光杠螺紋聯(lián)接；當伺服電機轉動時，帶動聯(lián)軸器、絲杠一起轉動，聯(lián)接凸板與絲杠為螺紋配合且絲杠固定，因此，聯(lián)接凸板帶動第一光杠沿軸向運動，在絲桿某處與聯(lián)接凸板上各焊帶有金屬不導電塊，然后外接到附加電路中，當聯(lián)接凸板運動到此處時，外聯(lián)附加電路接通，示波器則顯示一個與開路狀態(tài)相反的電信號，由此確定零點位置。
5.根據(jù)權利要求3所述的顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:所述緊急停止裝置為外設斷電裝置，斷電后立即停止。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:所述手術操作模塊具有I自由度來實現(xiàn)顱骨面的鉆孔要求，此外還具有力反饋環(huán)節(jié)，手術時，根據(jù)醫(yī)學圖像，操作手柄進行鉆孔手術；當?shù)竭_第一鉆孔點時，開動手術刀具中的電鉆與伺服電機開關，伺服電機驅動電鉆向下運動，此時，應變片會有力信號傳出，以此判斷鉆孔深度及鉆頭所到的位置；再完成第一個鉆孔后，伺服電機反轉，鉆頭遠離，到達上述伺服電機零點后停止轉動。
7.根據(jù)權利要求6所述的顱面外科整形手術輔助裝置，其特征在于:所述滑塊與導軌固定塊，導軌固定塊與手柄均為螺紋聯(lián)接，滑塊可沿導軌固定塊滑動并可以固定在某一需要位置；夾具與手術刀具螺栓螺母聯(lián)接，可調節(jié)刀具夾持位置。
【文檔編號】A61B19/00GK103598916SQ201310526110
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權日:2013年10月29日
【發(fā)明者】謝叻, 柴崗, 張艷, 周朝政, 朱明
申請人:謝叻, 柴崗