CN103598916A - 一种颅面外科整形手术辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于颅面外科整形手术的辅助装置，包括支撑模块，位置控制模块姿态控制模块，电机运动模块和手术操作模块。支撑模块包括底座支架、横梁杆、工字型支撑架及圆形套固定件；位置控制模块由阶梯杆与转动杆组成，通过螺栓联接调整手术所需的空间位置；姿态控制模块则由两个相互正交的弧形杆件通过轴承联接，通过空间转动构成手术所需要的末端姿态；电机运动模块包括伺服电机，联轴器，丝杠、光杠、轴承、固定架及联接板，联接联轴器通过丝杠与联接板、光杠等机构实现沿轴向的运动。手术操作模块包括手柄、导轨固定块、滑块、光杠、夹具及刀具。夹具内贴有应变片传感器，术中实时显示力的大小，以此判断截骨的深度。

Description

一种颅面外科整形手术辅助装置

技术领域

本发明涉及微创外科整形手术机器人领域，具体地，涉及一种用于颅面外科整形手术的辅助装置。

背景技术

计算机辅助技术在医学领域的应用日趋广泛，近20年来己成为外科领域研究应用的常规方向之一。

机器人手术逐渐成为外科微创手术的主流。机器人***具有人手无法比拟的稳定性与精确性，术中可精确定位，减少手术创伤及并发症，提高手术成功率。

整形外科手术主要的治疗对象是各种先、后天因素造成的颅面骨及相应软组织的严重畸形。由于颅颌面部解剖结构复杂，生命感觉器官密布，多数情况下颅颌面手术视野有限，重要神经血管的结构位于骨组织内，或位于后方；同时必须做到容貌和功能兼顾。

传统整形手术中，颅面整形手术为医生徒手操作手术刀具，目前仍停留在传统的手工测量、目测估计和拓制模型手术设计方法上，手术方案受医生个人经验、习惯等主观思维因素影响甚大。

因此，建立的适用于整形外科的辅助机器人装置对于减轻医生作业疲劳，减少手术创伤，提高精确定位及手术成功率具有十分重要的意义。

经对现有技术专利检索发现，只检索到名为“一种用于鼻尖整形手术的鼻软骨支架辅助装置”，中国专利号为200880019014.0。未发现关于颅面整形手术相关专利。

由于颅颌面部解剖结构复杂且内含有动脉血管，稍有偏差就有引起动脉出血。经验丰富的医生手持手术刀对下颌骨进行切削手术，由于术中手术刀切向受力复杂且不均匀，医生需花大力维持手术刀的稳定；长时间操作医生极易疲劳，难以确保手术稳定精确进行。

基于上述原因，技术人员致力于研发一款精确定位的颅面整形外科手术机器人辅助装置。在此辅助装置中，通过机械结构可实现在狭小手术视野范围内的精确定位，从而提高手术的成功率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种颅面外科整形手术辅助装置，在使用咬合板作为固定坐标的颅面整形手术中，该辅助装置是一种辅助精确定位机器人***，能够在有限的空间内精确定位到达完成手术目的。

为实现上述目的，本发明提供一种颅面外科整形手术辅助装置，包括支撑模块，位置控制模块，姿态控制模块，电机运动模块和手术操作模块；其中位置控制模块固定在支撑模块上，两者连接部位的中心轴线与底座支架中心轴平行；姿态控制模块与位置控制模块通过侧边两对称连接件固定；电机运动模块与姿态控制模块联接，且电机运动模块中心轴线与姿态控制模块上侧轴线共线；手术操作模块联接在电机运动模块底部，两者中心轴线共线。

所述的支撑模块包括底座支架、横梁杆、工字型支撑架及圆形套固定件，支撑架分别固定在底座支架与横梁杆上，用来保持横梁杆的稳定，圆形套固定件固定在底座支架上。工字型支撑架末端与位置控制模块相连接。

所述的位置控制模块由阶梯杆与转动杆组成，阶梯杆一端联接上述工字型支撑架上，阶梯杆另一端则与转动杆联接，调整手术所需的空间位置，转动杆另一端则与姿态控制模块上弧形杆件联接。

所述的姿态控制模块则由两个相互正交的弧形杆件通过轴承联接，通过空间转动构成手术所需要的末端姿态。两个弧形杆件中：上端弧形杆件与上述转动杆联接，下端弧形杆件与电机运动模块固定架联接。

所述的电机运动模块包括伺服电机，联轴器，丝杠，第一光杠，轴承，固定架及两个联接板。电机联接在固定架上与联轴器联接，联轴器另一端联接丝杠，通过轴承固定在固定架底部，丝杠与联接凸板通过螺纹咬合，另一端则固定在联接凹板上；第一光杠一端联接固定架，另一端则固定在联接凹板，其中联接凹板固定，联接凸板与丝杆螺纹配合。当电机正转或反转时，通过丝杠传递运动，使得联接凸板实现轴向运动。

所述的手术操作模块包括手柄、导轨固定块、滑块、第二光杠、夹具及手术刀具。导轨固定块与联接凸板联接，手柄联接导轨固定块侧面，第二光杠在导轨固定块底部固定滑块，而后固定夹具夹持刀具。夹具内贴有四片应变片，术中实时显示力的大小，以此判断截骨的深度。

本发明通过阶梯杆、转动杆与正交的弧形杆件组成笛卡尔坐标系运动轴，实现三维空间的运动。通过这样的机构运动，很容易实现在狭小有限的口腔范围内的手术视角精确定位，从而顺利完成手术。

本发明整个机器人辅助装置采用铝合金制造，保证强度与刚度的前提下，可有效减轻装置的重量，该装置还配有重力补偿机构即：两侧相对应的弹簧联接工字型支撑架与位置控制模块转动杆，运动过程中弹簧拉紧补偿由于重力因素导致位置精度的误差。

优选地，所述手术操作模块具有1自由度来实现颅骨面的钻孔要求，此外还需具有力反馈环节，手术时，根据医学图像，操作手柄进行钻孔手术；当到达第一钻孔点时，开动手术刀具中的电钻与电机开关，电机驱动电钻向下运动，此时，应变片会有力信号传出，以此判断钻孔深度及钻头所到的位置；再完成第一个钻孔后，电机反转，钻头远离，到达上述电机零点后停止转动。

优选地，所述伺服电机运动具有零点位置以及紧急停止装置；所述零点位置通过外接的附加电路判断，当联接凸板运动到指定点时，外联电路接通，通过示波器显示一个与开路状态相反的电信号，由此确定零点位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在进行颅面整形手术过程中，机器人辅助***能快速精确定位，拓宽颅面外科医生有限的视觉范围并辅助完成手术。因此，其对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义。本发明适用于微创外科领域，并可以实时检测术中力值，克服了传统治疗局限性，以提高整形手术的精确性和安全性，具有重要的临床意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是颅面整形手术辅助装置装配的总体结构示意图。

图2是支撑模块结构前视图。

图3是位置控制模块结构示意图。

图4是姿态控制模块结构示意图。

图5是电机运动模块结构示图。

图6是手术操作模块结构示图。

图7是机器人***中的力反馈回路。

重要部件参考符号说明：

支撑模块10，位置控制模块20，姿态控制模块30，电机运动模块40和手术操作模块50；

底座支架101，横梁杆105，工字型支撑架103，圆形套固定件102，螺纹螺母联接104、106；

阶梯杆203，转动杆201，螺栓联接202，螺纹孔204、205；

直立杆304，环形杆302，螺纹303、305，轴承301、306；

伺服电机401，联轴器404，丝杠410，光杠405，固定架403，联接凸板409，联接凹板408，轴承404、406，螺纹402、407、411；

手柄501，导轨固定块508，滑块502，光杠503，夹具505、506，手术刀504，螺纹507、509。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一实施例提供的颅面外科整形手术辅助装置，其包括支撑模块10，位置控制模块20，姿态控制模块30，电机运动模块40和手术操作模块50，见图1。其中位置控制模块20通过螺栓螺母联接固定在支撑模块10上，两者连接部位的中心轴线与支撑模块中底座支架101中心轴平行；姿态控制模块30与位置控制模块20通过侧边两对称螺丝固定；电机运动模块40与姿态控制模块30则通过侧边四个螺纹联接，且电机运动模块40中心轴线与姿态控制模块30上侧轴线共线；手术操作模块50通过螺纹联接在电机运动模块40底部，中心轴线共线。

如图2所示，所述的支撑模块包括底座支架101，横梁杆105，工字型支撑架103，圆形套固定件102。工字型支撑架103通过螺纹螺母联接104连接到横梁杆105，另一端则通过螺纹螺母联接106联接圆形套固定件102；支撑架用来保持横梁杆的稳定，分别通过四个沉头螺钉固定在底座支架101与横梁杆105，圆形套固定件102则由螺母固定在底座支架101上。

如图3所示，所述的位置控制模块由阶梯杆203与转动杆201组成，阶梯杆203一端联接上述工字型支撑架103上，阶梯杆203另一端则与转动杆201通过螺栓联接202，调整手术所需的空间位置，转动杆201另一端则与姿态控制模块上弧形杆件（直立杆304）联接。

在转动杆201的中心位置设有螺纹孔204，此处为重力补偿装置弹簧卡口点。

如图4所示，所述的姿态控制模块则由两个相互正交的弧形杆件（即直立杆304、环形杆302）通过轴承联接，通过空间转动构成手术所需要的末端姿态。直立杆304上端与轴承306过盈配合，通过螺纹305联接螺纹孔205固定在转动杆201上。同上，直立杆304下端与轴承301过盈配合，通过螺纹303与环形杆302相连接，可实现垂直方向转动。

如图5所示，所述的电机运动模块包括伺服电机401，联轴器404，丝杠410，第一光杠405，固定架403，联接凸板409，联接凹板408，轴承404、406，螺纹402、407、411。电机401通过螺纹402固定在固定架403上并与联轴器404联接，联轴器404另一端联接丝杠410，通过轴承404过盈配合固定在固定架403底部，丝杠410与联接凸板409通过螺纹咬合，另一端则通过轴承406固定在联接凹板408上；第一光杠405一端联接固定架403，另一端则通过螺丝固定在联接凹板408。当电机正转或反转时，通过丝杠410传递运动，使得联接凸板409实现轴向上或下运动。

如图6所示，手术操作模块包括手柄501，导轨固定块508，滑块502，第二光杠503，夹具505、506，手术刀504，螺纹507、509。手柄501通过螺纹与导轨固定块508相连接，滑块502通过螺纹507与导轨固定块508联接，第二光杠503通过螺纹509联接夹具505、506固定在滑块502底部，手术刀504由夹具505、506夹紧固定。

夹具内贴有四片应变片，应变片位置设置在夹具505、506夹持部位内侧，对称放置。术中实时检测电钻反馈力（轴向力）的大小，通过外接的显示器显示，以此判断截骨的深度。

本实施例使用情况：手术前，用CT扫描手术需要数据信息，在图像处理平台实现三维头颅影像的重建，提取手术关键信息形成虚拟影像，而后根据手术部位设计模板支架后放置模板，将戴好模板的实物模型与虚拟影像相结合。手术开始时，将经消毒后的机器人辅助装置放置在适当位置，根据术前设计虚拟现实出患者需要手术的部位，预调机器人装置确定手术刀的大致空间位置，而后调节姿态模块精确确定手术刀位置，即与虚拟现实影像出的平面平行。伺服电机转动驱动丝杠、光杆运动，驱使手术操作模块上下移动，辅助医生顺利完成手术。

为了考虑手术的安全性，在本发明的一本实施例中，所述的电机运动模块具有零点位置以及紧急停止装置。主要结构如下：伺服电机401通过螺丝固定在固定架403上，固定架403与联接凹板408由光杠405螺纹联接；当电机转动时，带动联轴器404、丝杠410一起转动，由于联接凸板409与丝杠410为螺纹配合且丝杠410固定，因此，联接凸板409带动光杠405沿轴向运动。在丝杆410某处与联接凸板409上各焊带有金属不导电块，然后外接到附加电路中，当联接凸板409运动到此处时，外联附加电路接通，示波器则显示一个与开路状态相反的电信号，由此确定零点位置。此外，还需加紧急制止装置来防止突发事件，紧急装置为外设断电装置，断电后立即停止。

在本发明的一本实施例中，所述的手术操作模块应具有1自由度来实现颅骨面的钻孔要求。主要结构如下：滑块502与导轨固定块508，导轨固定块508与手柄501均为螺纹联接，滑块可沿导轨固定块508滑动并可以固定在某一需要位置；夹具505，506与手术刀504螺栓螺母联接，可适当调节刀具夹持位置。手术时，依据医学图像，医生操作手柄进行钻孔手术；当到达第一钻孔点时，开动电钻（电钻位于手术刀504内，由外接电源控制）与电机401开关，电机驱动电钻向下运动；此时，应变片会有力信号传出，医生以此判断钻孔深度及钻头所到的位置。再完成第一个钻孔后，电机反转（与前一转向相反），钻头远离患者颅骨，到达上述电机零点后停止转动。医生拧松滑块502，滑动滑块502到第二钻孔点后拧紧滑块502，重复第一钻孔的动作直至钻完所以设计的孔。

卸下机器人辅助装置，更换手术刀具。医生沿上述钻完的一系列孔依次截骨，这样极大减轻医生的手术量，更精确的完成手术。

所述机器人***中的力反馈回路如图7所示。医生根据自己经验判断手术刀大概位置，通过通信设置控制机械手运动，在医学影像下配准定位，控制手术刀运动；反馈手术刀的位置以及感应受力情况，继而反馈给医生，实时把握手术进程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：包括支撑模块，位置控制模块，姿态控制模块，电机运动模块和手术操作模块；其中位置控制模块固定在支撑模块上，两模块连接部位中心轴线与底座支架中心轴平行；姿态控制模块与位置控制模块通过侧边两对称连接件固定；电机运动模块与姿态控制模块联接，且电机运动模块中心轴线与姿态控制模块上侧轴线共线；手术操作模块联接在电机运动模块底部，两者中心轴线共线；

所述的支撑模块包括底座支架、横梁杆、工字型支撑架及圆形套固定件，支撑架分别固定在底座支架与横梁杆上，用来保持横梁杆的稳定，圆形套固定件固定在底座支架上，工字型支撑架末端与位置控制模块相连接；

所述的位置控制模块由阶梯杆与转动杆组成，阶梯杆一端联接上述工字型支撑架上，阶梯杆另一端则与转动杆联接，调整手术所需的空间位置，转动杆另一端则与姿态控制模块上弧形杆件联接；

所述的姿态控制模块则由两个相互正交的弧形杆件通过轴承联接，通过空间转动构成手术所需要的末端姿态；两个弧形杆件中：上端弧形杆件与上述转动杆联接，下端弧形杆件与电机运动模块固定架联接；所述阶梯杆、转动杆与正交的弧形杆件组成笛卡尔坐标系运动轴，实现三维空间的运动；

所述的电机运动模块包括伺服电机，联轴器，丝杠，第一光杠，轴承，固定架、联接凹板及联接凸板，电机联接在固定架上与联轴器联接，联轴器另一端联接丝杠，通过轴承固定在固定架底部，丝杠与联接凸板通过螺纹咬合，另一端则固定在联接凹板上；第一光杠一端联接固定架，另一端也固定在联接凹板上，其中联接凹板固定，联接凸板与丝杆螺纹配合；当电机正转或反转时，通过丝杠传递运动，使得联接凸板实现轴向运动；

所述的手术操作模块包括手柄、导轨固定块、滑块、第二光杠、夹具及手术刀具；导轨固定块与联接凸板联接，手柄联接导轨固定块侧面，第二光杠在导轨固定块底部固定滑块，第二光杠联接夹具固定在滑块底部，手术刀具由夹具夹紧固定，夹具内贴有四片应变片，术中实时显示力的大小，以此判断截骨的深度。

2.根据权利要求1所述的颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：所述支撑模块通过支撑架用来保持横梁杆的稳定，分别通过四个沉头螺钉固定在底座支架与横梁杆，圆形套固定件则由螺母固定在底座支架上；转动杆的中心位置设有螺纹孔，此处为重力补偿装置弹簧卡口点，以此来实现重力补偿。

3.根据权利要求1或2所述的颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：所述伺服电机运动具有零点位置以及紧急停止装置；所述零点位置通过外接的附加电路判断，当联接凸板运动到指定点时，外联电路接通，通过示波器显示一个与开路状态相反的电信号，由此确定零点位置。

4.根据权利要求3所述的颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：所述伺服电机通过螺丝固定在固定架上，固定架与联接凹板由光杠螺纹联接；当伺服电机转动时，带动联轴器、丝杠一起转动，联接凸板与丝杠为螺纹配合且丝杠固定，因此，联接凸板带动第一光杠沿轴向运动，在丝杆某处与联接凸板上各焊带有金属不导电块，然后外接到附加电路中，当联接凸板运动到此处时，外联附加电路接通，示波器则显示一个与开路状态相反的电信号，由此确定零点位置。

5.根据权利要求3所述的颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：所述紧急停止装置为外设断电装置，断电后立即停止。

6.根据权利要求1或2所述的颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：所述手术操作模块具有1自由度来实现颅骨面的钻孔要求，此外还具有力反馈环节，手术时，根据医学图像，操作手柄进行钻孔手术；当到达第一钻孔点时，开动手术刀具中的电钻与伺服电机开关，伺服电机驱动电钻向下运动，此时，应变片会有力信号传出，以此判断钻孔深度及钻头所到的位置；再完成第一个钻孔后，伺服电机反转，钻头远离，到达上述伺服电机零点后停止转动。

7.根据权利要求6所述的颅面外科整形手术辅助装置，其特征在于：所述滑块与导轨固定块，导轨固定块与手柄均为螺纹联接，滑块可沿导轨固定块滑动并可以固定在某一需要位置；夹具与手术刀具螺栓螺母联接，可调节刀具夹持位置。

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