一種顱面外科整形手術輔助裝置制造方法
【專利摘要】本發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，通過螺栓聯接調整手術所需的空間位置；姿態控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件通過軸承聯接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態；電機運動模塊包括伺服電機，聯軸器，絲杠、光杠、軸承、固定架及聯接板，聯接聯軸器通過絲杠與聯接板、光杠等機構實現沿軸向的運動。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] 本發明涉及微創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方向之一。
[0003]機器人手術逐漸成為外科微創手術的主流。機器人系統具有人手無法比擬的穩定性與精確性，術中可精確定位，減少手術創傷及并發癥，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]傳統整形手術中，顱面整形手術為醫生徒手操作手術刀具，目前仍停留在傳統的手工測量、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生作業疲勞，減少手術創傷，提高精確定位及手術成功率具有十分重要的意義。
[0007]經對現有技術專利檢索發現，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。未發現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，醫生需花大力維持手術刀的穩定；長時間操作醫生極易疲勞，難以確保手術穩定精確進行。
[0009]基于上述原因，技術人員致力于研發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。
【發明內容】
[0010]針對現有技術中的缺陷，本發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，能夠在有限的空間內精確定位到達完成手術目的。
[0011 ] 為實現上述目的，本發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控制模塊聯接，且電機運動模塊中心軸線與姿態控制模塊上側軸線共線；手術操作模塊聯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，階梯桿一端聯接上述工字型支撐架上，階梯桿另一端則與轉動桿聯接，調整手術所需的空間位置，轉動桿另一端則與姿態控制模塊上弧形桿件聯接。
[0014]所述的姿態控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件通過軸承聯接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態。兩個弧形桿件中:上端弧形桿件與上述轉動桿聯接，下端弧形桿件與電機運動模塊固定架聯接。 [0015]所述的電機運動模塊包括伺服電機，聯軸器，絲杠，第一光杠，軸承，固定架及兩個聯接板。電機聯接在固定架上與聯軸器聯接，聯軸器另一端聯接絲杠，通過軸承固定在固定架底部，絲杠與聯接凸板通過螺紋咬合，另一端則固定在聯接凹板上；第一光杠一端聯接固定架，另一端則固定在聯接凹板，其中聯接凹板固定，聯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，使得聯接凸板實現軸向運動。
[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。導軌固定塊與聯接凸板聯接，手柄聯接導軌固定塊側面，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，實現三維空間的運動。通過這樣的機構運動，很容易實現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]優選地，所述手術操作模塊具有I自由度來實現顱骨面的鉆孔要求，此外還需具有力反饋環節，手術時，根據醫學圖像，操作手柄進行鉆孔手術；當到達第一鉆孔點時，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，當聯接凸板運動到指定點時，外聯電路接通，通過示波器顯示一個與開路狀態相反的電信號，由此確定零點位置。
[0021]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0022]本發明在進行顱面整形手術過程中，機器人輔助系統能快速精確定位，拓寬顱面外科醫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。本發明適用于微創外科領域，并可以實時檢測術中力值，克服了傳統治療局限性，以提高整形手術的精確性和安全性，具有重要的臨床意義。【專利附圖】
【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，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:[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，螺紋螺母聯接104、106 ；[0034]階梯桿203，轉動桿201，螺栓聯接202，螺紋孔204、205 ；[0035]直立桿304，環形桿302，螺紋303、305，軸承301、306 ；[0036]伺服電機401，聯軸器404，絲杠410，光杠405，固定架403，聯接凸板409，聯接凹板 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明，但不以任何形式限制本發明。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。這些都屬于本發明的保護范圍。[0039]如圖1所示，本發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與姿態控制模塊30則通過側邊四個螺紋聯接，且電機運動模塊40中心軸線與姿態控制模塊30上側軸線共線；手術操作模塊50通過螺紋聯接在電機運動模塊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通過螺紋螺母聯接104連接到橫梁桿105，另一端則通過螺紋螺母聯接106聯接圓形套固定件102 ;支撐架用來保持橫梁桿的穩定，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通過螺栓聯接202，調整手術所需的空間位置，轉動桿201另一端則與姿態控制模塊上弧形桿件(直立桿304)聯接。
[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，所述的姿態控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件(即直立桿304、環形桿302)通過軸承聯接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態。直立桿304上端與軸承306過盈配合，通過螺紋305聯接螺紋孔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與環形桿302相連接，可實現垂直方向轉動。
[0044]如圖5所示，所述的電機運動模塊包括伺服電機401，聯軸器404，絲杠410，第一光杠405，固定架403，聯接凸板409，聯接凹板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上并與聯軸器404聯接，聯軸器404另一端聯接絲杠410，通過軸承404過盈配合固定在固定架403底部，絲杠410與聯接凸板409通過螺紋咬合，另一端則通過軸承406固定在聯接凹板408上；第一光杠405 —端聯接固定架403,另一端則通過螺絲固定在聯接凹板408。當電機正轉或反轉時，通過絲杠410傳遞運動，使得聯接凸板409實現軸向上或下運動。
[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聯接，第二光杠503通過螺紋509聯接夾具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掃描手術需要數據信息，在圖像處理平臺實現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，根據術前設計虛擬現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，而后調節姿態模塊精確確定手術刀位置，即與虛擬現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，輔助醫生順利完成手術。
[0048]為了考慮手術的安全性，在本發明的一本實施例中，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與聯接凹板408由光杠405螺紋聯接；當電機轉動時，帶動聯軸器404、絲杠410一起轉動，由于聯接凸板409與絲杠410為螺紋配合且絲杠410固定，因此，聯接凸板409帶動光杠405沿軸向運動。在絲桿410某處與聯接凸板409上各焊帶有金屬不導電塊，然后外接到附加電路中，當聯接凸板409運動到此處時，外聯附加電路接通，示波器則顯示一個與開路狀態相反的電信號，由此確定零點位置。此外，還需加緊急制止裝置來防止突發事件，緊急裝置為外設斷電裝置，斷電后立即停止。[0049]在本發明的一本實施例中，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螺栓螺母聯接，可適當調節刀具夾持位置。手術時，依據醫學圖像，醫生操作手柄進行鉆孔手術；當到達第一鉆孔點時，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。醫生沿上述鉆完的一系列孔依次截骨，這樣極大減輕醫生的手術量，更精確的完成手術。
[0051]所述機器人系統中的力反饋回路如圖7所示。醫生根據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，繼而反饋給醫生，實時把握手術進程。
[0052]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發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控制模塊聯接，且電機運動模塊中心軸線與姿態控制模塊上側軸線共線；手術操作模塊聯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，階梯桿一端聯接上述工字型支撐架上，階梯桿另一端則與轉動桿聯接，調整手術所需的空間位置，轉動桿另一端則與姿態控制模塊上弧形桿件聯接； 所述的姿態控制模塊則由兩個相互正交的弧形桿件通過軸承聯接，通過空間轉動構成手術所需要的末端姿態；兩個弧形桿件中:上端弧形桿件與上述轉動桿聯接，下端弧形桿件與電機運動模塊固定架聯接；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，實現三維空間的運動； 所述的電機運動模塊包括伺服電機，聯軸器，絲杠，第一光杠，軸承，固定架、聯接凹板及聯接凸板，電機聯接在固定架上與聯軸器聯接，聯軸器另一端聯接絲杠，通過軸承固定在固定架底部，絲杠與聯接凸板通過螺紋咬合，另一端則固定在聯接凹板上；第一光杠一端聯接固定架，另一端也固定在聯接凹板上，其中聯接凹板固定，聯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，使得聯接凸板實現軸向運動； 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；導軌固定塊與聯接凸板聯接，手柄聯接導軌固定塊側面，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，以此來實現重力補償。
3.根據權利要求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，當聯接凸板運動到指定點時，外聯電路接通，通過示波器顯示一個與開路狀態相反的電信號，由此確定零點位置。
4.根據權利要求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，固定架與聯接凹板由光杠螺紋聯接；當伺服電機轉動時，帶動聯軸器、絲杠一起轉動，聯接凸板與絲杠為螺紋配合且絲杠固定，因此，聯接凸板帶動第一光杠沿軸向運動，在絲桿某處與聯接凸板上各焊帶有金屬不導電塊，然后外接到附加電路中，當聯接凸板運動到此處時，外聯附加電路接通，示波器則顯示一個與開路狀態相反的電信號，由此確定零點位置。
5.根據權利要求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自由度來實現顱骨面的鉆孔要求，此外還具有力反饋環節，手術時，根據醫學圖像，操作手柄進行鉆孔手術；當到達第一鉆孔點時，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接，可調節刀具夾持位置。
【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 優先權日:2013年10月29日
【發明者】謝叻, 柴崗, 張艷, 周朝政, 朱明
申請人:謝叻, 柴崗