專利名稱：機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設(shè)備，是一種借助于機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)骨科導(dǎo)航手術(shù)的外科手術(shù)設(shè)備，具體地說是指一種機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)裝置。
背景技術(shù)：
普通的骨科手術(shù)床，是專門針對(duì)某些骨科手術(shù)而設(shè)計(jì)的，針對(duì)性較強(qiáng)。其功能大都是調(diào)整患者的手術(shù)姿態(tài)，來方便醫(yī)生完成手術(shù)。普通手術(shù)床對(duì)醫(yī)生的外科手術(shù)沒有導(dǎo)航輔助作用，醫(yī)生在做手術(shù)時(shí)是通過經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)的C型臂X光機(jī)檢查來修正自己的手術(shù)動(dòng)作，進(jìn)行骨科手術(shù)的。手術(shù)結(jié)果的好壞同醫(yī)生本人掌握的手術(shù)技巧及手術(shù)經(jīng)驗(yàn)有較大的直接關(guān)系，同時(shí)，由于手術(shù)過程中過多地使用了X光設(shè)備，大量的X光線的輻射也大大地傷害了醫(yī)生和患者的健康。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提出一種綜合利用機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來進(jìn)行骨科手術(shù)的裝置。
本發(fā)明的目的之二是提供一種通過計(jì)算機(jī)及其軟件對(duì)機(jī)器人空間到圖像空間的映射、手術(shù)空間到圖像空間的映射變換的方法，根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像處理結(jié)果對(duì)骨科手術(shù)的手術(shù)路徑進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)要進(jìn)行手術(shù)的動(dòng)作進(jìn)行導(dǎo)航，虛擬地顯示醫(yī)生的手術(shù)動(dòng)作，評(píng)估手術(shù)動(dòng)作的偏差。
本發(fā)明的裝置減小了X光線對(duì)患者和醫(yī)生的傷害，提高了手術(shù)精度和效率，減小了手術(shù)創(chuàng)傷。該裝置按照較佳的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行到手術(shù)空間的規(guī)劃位置，借助醫(yī)療器械，進(jìn)行鉆孔，擰入螺釘?shù)绕餍?，并在?jì)算機(jī)控制下進(jìn)行微動(dòng)精細(xì)的前進(jìn)后退運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行有關(guān)的髓內(nèi)釘打入、固定手術(shù)。
本發(fā)明的機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)裝置，包括計(jì)算機(jī)、C型臂X光機(jī)、手術(shù)床機(jī)構(gòu)，還包括拉伸機(jī)構(gòu)和導(dǎo)航機(jī)器人，以及醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，拉伸機(jī)構(gòu)安裝在手術(shù)床機(jī)構(gòu)的右活動(dòng)支撐的球座上，C型臂X光機(jī)和導(dǎo)航機(jī)器人隨手術(shù)床機(jī)構(gòu)的位置擺放而移動(dòng)，由C型臂X光機(jī)采集圖像，經(jīng)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像軟件處理。
所述的手術(shù)床機(jī)構(gòu)，床底架在同一側(cè)面平行伸出有兩個(gè)支臂，床支架安裝在床底架的框體上，床支架上端面安裝有上架，上架上安裝有床板，上架同床底架支臂平行水平面安裝有托板支撐軸，上架的其余面上有掛件，托板架安裝在托板和托板支撐軸上，橫擋安裝在托板上；床底架的底部有固定支撐和滾輪，床底架的一支臂活動(dòng)連接右滑軌，右滑塊在右滑軌上滑動(dòng)，支撐板固定在右滑軌上，滾輪安裝在支撐板的底面，右固定支撐安裝在右滑塊上，右固定支撐連接有右活動(dòng)支撐，右固定支撐上有升降調(diào)節(jié)手柄，用于調(diào)節(jié)右活動(dòng)支撐的升降，右活動(dòng)支撐的端部安裝有一球座，球座的一端安裝有擺動(dòng)球，拉伸裝置通過螺桿安裝在右活動(dòng)支撐的擺動(dòng)球上。
床底架的另一支臂活動(dòng)連接左滑軌，左滑塊在左滑軌上滑動(dòng)，支撐板固定在左滑軌上，滾輪安裝在支撐板的底面，左固定支撐安裝在左滑塊上，左固定支撐連接有左活動(dòng)支撐，左固定支撐上有升降調(diào)節(jié)手柄，用于調(diào)節(jié)左活動(dòng)支撐的升降，左活動(dòng)支撐上端面安裝有左腳板架。
所述的拉伸機(jī)構(gòu)，拉伸框通過左端蓋、右端蓋安裝在絲杠上，拉伸框內(nèi)有蝸輪、蝸桿，絲杠的一端安裝在連接板上，連接板上安裝有拉力傳感器，連接板通過滑軸連接腳板。
所述的導(dǎo)航機(jī)器人，升降支撐架、固定支撐安裝在底座上，滾輪安裝在底座的底面，電機(jī)通過聯(lián)軸器連接在絲杠上，絲杠安裝在絲杠支撐上，絲杠支撐安裝在升降支撐架上，升降軸安裝在絲母連接件上，通過絲母在絲杠的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下升降，絲杠的一邊安裝有側(cè)板，側(cè)板上安裝有線性導(dǎo)軌，線性導(dǎo)軌通過連接件與升降軸的底部連接，升降支撐架上部的四個(gè)方向上安裝有四個(gè)調(diào)節(jié)滾輪，升降軸頂部安裝有可手控調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸，平行底板的滑塊安裝在升降軸頂部的旋轉(zhuǎn)板上，平行底板的滑塊通過絲杠與線性導(dǎo)軌與底板連接，平行底板內(nèi)安裝有電機(jī)，電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與絲杠的一端連接，平行底板通過轉(zhuǎn)臺(tái)連接小臂，小臂內(nèi)安裝有電機(jī)，電機(jī)的輸出軸安裝在減速器的內(nèi)孔上，減速器的輸出軸通過聯(lián)軸器與小臂軸連接，小臂通過小臂軸同手腕座連接，手腕軸通過軸承支撐在手腕座上，手腕軸的內(nèi)部安裝有電機(jī)，電機(jī)的輸出軸同減速器的內(nèi)孔連接，手腕座的端部有法蘭，連接件活動(dòng)連接在法蘭上，標(biāo)定器活動(dòng)連接在連接件上。
本發(fā)明的機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)床有以下優(yōu)點(diǎn)(1)采用已有的C型臂X光機(jī)獲取圖像，降低了成本，提高了普及率，圖像的獲取方便、實(shí)時(shí)?？梢栽谑中g(shù)過程中實(shí)時(shí)采集，方便了手術(shù)，使手術(shù)更加精確，效率更高。
(2)在手術(shù)過程中采用的是實(shí)時(shí)圖像導(dǎo)航，所以在手術(shù)過程中醫(yī)生和患者可以避免X光的輻射。
(3)手術(shù)過程中，醫(yī)生在計(jì)算機(jī)上對(duì)手術(shù)方案進(jìn)行規(guī)劃，并可以對(duì)規(guī)劃的結(jié)果進(jìn)行虛擬演示，獲得最佳的手術(shù)方案。
(4)醫(yī)生得到的最佳手術(shù)方案用機(jī)器人來進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航，可以精確地將醫(yī)生的規(guī)劃結(jié)果在手術(shù)空間表達(dá)出來，減小了由于醫(yī)生技術(shù)水平的高低等原因引起的手術(shù)誤差。
(5)機(jī)器人在根據(jù)手術(shù)方案對(duì)手術(shù)路徑導(dǎo)航后，可以在手術(shù)空間中充當(dāng)醫(yī)生手術(shù)的平臺(tái)，可以減小因?yàn)獒t(yī)生的人為因數(shù)引起的誤差。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明拉伸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明導(dǎo)航機(jī)器人的平移裝置部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是床支架、床底架的裝配圖。
圖5是床板、托板的裝配圖。
圖6是拉伸裝置、右支撐的裝配圖。
圖7是左支撐的裝配圖。
圖8是機(jī)器人升降支撐架的裝配圖。
圖9是機(jī)器人平移裝置的裝配圖。
圖10是機(jī)器人腕部的裝配圖。
圖11是醫(yī)學(xué)圖像軟件處理的流程框圖。
圖中1.手術(shù)床機(jī)構(gòu) 2.拉伸機(jī)構(gòu)3.導(dǎo)航機(jī)器人 4.連接件5.標(biāo)定器101.床底架 102.床支架103.上架 104.固定支撐 105.滾輪106.掛件107.床板 108.海棉墊109.托板支撐軸110.托板架111.托板112.橫擋 113.右滑軌114.右滑塊 115.支撐板116.滾輪117.右固定支撐118.右活動(dòng)支撐119.升降調(diào)節(jié)手柄120.球座121.擺動(dòng)球122.左滑軌123.左滑塊 124.支撐板125.滾輪126.左固定支撐127.左活動(dòng)支撐128.升降調(diào)節(jié)手柄129.連接板130.左腳板架201.拉伸框 202.絲母 203.絲杠 204.蝸輪205.蝸桿 206.左端蓋207.右端蓋 208.連接板209.拉力傳感器210.滑軸 211.右腳板架
301.底座302.固定支撐303.滾輪 304.升降支撐架305.電機(jī)306.聯(lián)軸器 307.絲杠308.絲母 309.絲母連接件310.絲杠支撐311.止動(dòng)擋塊 312.側(cè)板 313.線性滑軌314.連接件 315.調(diào)節(jié)滾輪316.導(dǎo)向套317.升降軸 318.轉(zhuǎn)軸319.螺釘320.滑塊321.絲母322.絲杠 323.絲母連接件324.線性滑軌325.電機(jī)326.法蘭 327.聯(lián)軸器328.后絲杠支撐 329.平移底板 330.前絲杠支撐331.轉(zhuǎn)臺(tái)332.旋轉(zhuǎn)連接件 333.小臂 334.小臂蓋 335.電機(jī)336.法蘭337.減速器 338.輸出軸 339.聯(lián)軸器340.小臂支撐341.軸承342.小臂軸 343.防護(hù)罩 344.軸承蓋345.手腕座 346.手腕軸347.減速器 348.電機(jī)349.法蘭具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參見附圖所示，本發(fā)明是一種機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)裝置，由C型臂X光機(jī)(為常規(guī)手術(shù)用設(shè)備，圖中未表示出)、計(jì)算機(jī)設(shè)備以及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的醫(yī)學(xué)圖像軟件、手術(shù)床機(jī)構(gòu)1、拉伸機(jī)構(gòu)2和導(dǎo)航機(jī)器人3組成，拉伸機(jī)構(gòu)2安裝在手術(shù)床機(jī)構(gòu)1的右活動(dòng)支撐118的球座120上，C型臂X光機(jī)和導(dǎo)航機(jī)器人3隨手術(shù)床機(jī)構(gòu)3的位置擺放而移動(dòng)，由C型臂X光機(jī)采集圖像，經(jīng)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像軟件處理。
手術(shù)床機(jī)構(gòu)1，床底架101在同一側(cè)面平行伸出有兩個(gè)支臂，床支架102安裝在床底架101的框體上，床支架102上端面安裝有上架103，上架103上安裝有床板107，上架103同床底架101支臂平行水平面安裝有托板支撐軸109，上架103的其余面上有掛件106，托板架110安裝在托板111和托板支撐軸109上，橫擋112安裝在托板111上；床底架101的底部有固定支撐104和滾輪105，床底架101的一支臂活動(dòng)連接右滑軌113，右滑塊114在右滑軌113上滑動(dòng)，支撐板115固定在右滑軌113上，滾輪116安裝在支撐板115的底面，右固定支撐117安裝在右滑塊114上，右固定支撐117連接有右活動(dòng)支撐118，右固定支撐117上有升降調(diào)節(jié)手柄119，用于調(diào)節(jié)右活動(dòng)支撐118的升降，右活動(dòng)支撐118的端部安裝有一球座119，球座119的一端安裝有擺動(dòng)球120，拉伸裝置2通過螺桿安裝在右活動(dòng)支撐118的擺動(dòng)球120上；床底架101的另一支臂活動(dòng)連接左滑軌，左滑塊在左滑軌上滑動(dòng)，支撐板固定在左滑軌上，滾輪安裝在支撐板的底面，左固定支撐安裝在左滑塊上，左固定支撐連接有左活動(dòng)支撐，左固定支撐上有升降調(diào)節(jié)手柄，用于調(diào)節(jié)左活動(dòng)支撐的升降，左活動(dòng)支撐上端面安裝有左腳板架；拉伸機(jī)構(gòu)2，拉伸框201通過左端蓋206、右端蓋207安裝在絲杠203上，拉伸框201內(nèi)有蝸輪204、蝸桿205，蝸輪204、蝸桿205與拉伸絲杠203固連，絲杠203的一端安裝在連接板208上，當(dāng)蝸桿205帶動(dòng)蝸輪204轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠203同時(shí)隨蝸輪204轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉伸機(jī)構(gòu)2的拉伸運(yùn)動(dòng)，連接板208上安裝有拉力傳感器209，連接板208通過滑軸210連接腳板211，腳板211可以沿著滑軸210移動(dòng)。在本發(fā)明中，調(diào)節(jié)升降桿可以控制拉伸機(jī)構(gòu)2的上下方向的位置，擺動(dòng)球120用于調(diào)節(jié)拉伸機(jī)構(gòu)2的姿態(tài)，拉伸機(jī)構(gòu)2的姿態(tài)調(diào)好后，使用升降調(diào)節(jié)手柄118鎖緊固定。
導(dǎo)航機(jī)器人3，升降支撐架304安裝在底座301上，固定支撐302、滾輪303安裝在底座301底面，電機(jī)305通過聯(lián)軸器306與絲杠307連接，絲杠307安裝在絲杠支撐310上，絲杠支撐310安裝在升降支撐架304上，升降軸317安裝在絲母連接件309上，通過絲母308在絲杠307的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下升降，絲杠307的一邊安裝有側(cè)板312，側(cè)板312上安裝有線性導(dǎo)軌313，線性導(dǎo)軌313通過連接件314與升降軸317的底部連接，升降支撐架304上部的四個(gè)方向上安裝有四個(gè)調(diào)節(jié)滾輪315，升降軸317頂部安裝有可手控調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸318，平行底板329的滑塊320安裝在升降軸318頂部的旋轉(zhuǎn)板上，平行底板329的滑塊320通過絲杠322與線性導(dǎo)軌324與底板連接，平行底板329內(nèi)安裝有電機(jī)325，電機(jī)325的輸出軸通過聯(lián)軸器327與絲杠322的一端連接，平行底板329通過轉(zhuǎn)臺(tái)331連接小臂333，小臂333內(nèi)安裝有電機(jī)335，電機(jī)335的輸出軸安裝在減速器337的內(nèi)孔上，減速器337的輸出軸通過聯(lián)軸器339與小臂軸342連接，小臂333通過小臂軸342同手腕座345連接，手腕軸346通過軸承支撐在手腕座345上，手腕軸346的內(nèi)部安裝有電機(jī)348，電機(jī)348的輸出軸同減速器347的內(nèi)孔連接，手腕座345的端部有法蘭349，連接件4活動(dòng)連接在法蘭349上，標(biāo)定器5活動(dòng)連接在連接件4上。
在本發(fā)明中，根據(jù)患者手術(shù)的部位，可以將左、右固定支撐、滑軌進(jìn)行相互交換安裝。
在本發(fā)明中，發(fā)明人提出的技術(shù)方案是由圖像引導(dǎo)定位方法來控制數(shù)字化機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航，并對(duì)骨科手術(shù)床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，對(duì)計(jì)算機(jī)的輔助軟件可以由圖像引導(dǎo)定位方法、醫(yī)療圖像模型、手術(shù)環(huán)境標(biāo)定方法組成。
一、圖像引導(dǎo)定位方法為了準(zhǔn)確地引導(dǎo)手術(shù)動(dòng)作，在手術(shù)空間精確的定位，必須準(zhǔn)確地確定手術(shù)空間、圖像空間之間的映射關(guān)系。因此首先要利用計(jì)算機(jī)處理圖像，確定圖像空間中的手術(shù)對(duì)象和手術(shù)器械的位置和姿態(tài)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃并模擬手術(shù)效果，選擇最佳的手術(shù)方案，并將最終規(guī)劃的參數(shù)傳給系統(tǒng)各個(gè)部分，完成手術(shù)導(dǎo)航動(dòng)作。
采用普通的C型臂X光機(jī)，即可以進(jìn)行復(fù)雜的骨科導(dǎo)航手術(shù)，在醫(yī)生不吃線的環(huán)境下或少吃線的環(huán)境下，完成手術(shù)操作。
二、醫(yī)療圖像和臨床手術(shù)環(huán)境的標(biāo)定方法在計(jì)算機(jī)與機(jī)器人輔助手術(shù)的過程中，首先需要解決的問題是實(shí)現(xiàn)醫(yī)療圖像和臨床手術(shù)環(huán)境的標(biāo)定，即將二維影像的手術(shù)規(guī)劃路徑位置映射到手術(shù)空間的實(shí)際操作路徑的位置上。
在本發(fā)明中，利用導(dǎo)航機(jī)器人、普通的C型臂X光機(jī)，提出了無創(chuàng)傷的映射方法這里我們定義虛擬空間是基于X光的圖像空間，現(xiàn)實(shí)空間是機(jī)器人和病人所在的空間，X光圖像空間是二維空間，它上面的每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)手術(shù)空間中的一條沿X光射線的空間直線，顯然在兩個(gè)不同位置獲得的X光圖像上，如果都有空間某目標(biāo)點(diǎn)的投影，這點(diǎn)的投影對(duì)應(yīng)的兩條投影直線的交點(diǎn)就是空間的目標(biāo)點(diǎn)。
為了解決這個(gè)問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了位置測(cè)量模塊，該模塊測(cè)量出兩次投影空間的相對(duì)位置，利用空間幾何換算，可以確定出虛擬空間到手術(shù)現(xiàn)實(shí)空間的變換矩陣，從而實(shí)現(xiàn)一種快速的有效定位算法。
在使用時(shí)，將C型臂X光機(jī)移到手術(shù)空間，采集一幅圖像，圖像上有裝在機(jī)器人末端的標(biāo)定器和手術(shù)空間目標(biāo)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)C型臂X光機(jī)一個(gè)角度采集另一幅有相同標(biāo)定器和手術(shù)空間目標(biāo)點(diǎn)的圖像。同時(shí)位置測(cè)量模塊記錄兩次圖像采集的相對(duì)位置。通過變換矩陣，可以建立機(jī)器人空間、手術(shù)空間、和圖像空間的相互映射關(guān)系。
在本發(fā)明中提出的映射方法，突出的特點(diǎn)是無創(chuàng)傷，定位問題簡(jiǎn)單方便。
三、數(shù)字化機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)床的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)方案包括手術(shù)器械，機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能控制算法和通訊程序。
數(shù)字化機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)床，實(shí)現(xiàn)了基于圖像導(dǎo)航的人機(jī)交互界面，醫(yī)生可以通過計(jì)算機(jī)或操作盒實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。通過控制程序，醫(yī)生可以在采集的兩幅圖像上對(duì)手術(shù)方案進(jìn)行規(guī)劃，選擇最佳的手術(shù)方案。同時(shí)該手術(shù)方案的一些參數(shù)通過映射變化，確定了機(jī)器人和手術(shù)空間的映射，機(jī)器人將醫(yī)生在圖像空間規(guī)劃的手術(shù)方案和手術(shù)路徑在手術(shù)空間中表達(dá)出來，然后工作人員可以使用相關(guān)的手術(shù)器械，進(jìn)行手術(shù)操作。
本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)及醫(yī)學(xué)圖像來實(shí)現(xiàn)圖像引導(dǎo)定位方法(見圖11所示)，實(shí)現(xiàn)在圖標(biāo)驅(qū)動(dòng)下的可視化手術(shù)動(dòng)作導(dǎo)航定位。首先將標(biāo)定器夾持在導(dǎo)航機(jī)器人腕部的連接件上，然后將標(biāo)定器置于手術(shù)空間，手術(shù)空間的世界坐標(biāo)系由標(biāo)定器確定。打開計(jì)算機(jī)及醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，通過C型臂X光機(jī)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定器采集一副圖像，此時(shí)應(yīng)判斷圖像中是否包括了所需的六個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，如果可視點(diǎn)的數(shù)目不到六個(gè)，需要重新采集圖像。C型臂X光機(jī)成像的幾何關(guān)系可以簡(jiǎn)化為針孔模型，這樣就可以根據(jù)針孔成像原理，由已知的不共面空間六點(diǎn)標(biāo)定出C型臂X光機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)。C型臂X光機(jī)的內(nèi)參數(shù)就是它的焦距，外參數(shù)表示點(diǎn)光源相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。將C型臂X光機(jī)轉(zhuǎn)過一定的角度(記下此角度)，在重復(fù)以上過程求出此位置與C型臂X光機(jī)的外參數(shù)。
C型臂X光機(jī)標(biāo)定完成后，將患者置于手術(shù)空間，對(duì)其采集一副圖像，由所求點(diǎn)的像在圖像中的坐標(biāo)和C型臂X光機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)可求出像點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。通過C型臂X光機(jī)點(diǎn)光源和所求點(diǎn)的像點(diǎn)作一條直線，此直線過所求點(diǎn)。將C型臂X光機(jī)轉(zhuǎn)回到初始位置，重復(fù)上而步驟再求出一條過所求點(diǎn)的直線。理論上，這兩條直線都過同一點(diǎn)，所以可求出它們的交點(diǎn)，即所求點(diǎn)。但由于誤差的存在，求兩條直線的交點(diǎn)時(shí)，可能不存在解，所以使用最小二乘解方法近似求出直線的交點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
軟件主要功能介紹(1)前坐標(biāo)系軟件的圖片框調(diào)入X光圖像后，單擊此按鈕后，依次點(diǎn)擊標(biāo)定器的前坐標(biāo)系的三點(diǎn)在X光圖像上的像點(diǎn)。點(diǎn)擊完成后，程序中的相應(yīng)的變量也將記下前坐標(biāo)系三點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)。此按鈕的操作完成，此操作稱之為前坐標(biāo)系的標(biāo)定。
(2)后坐標(biāo)系前坐標(biāo)系標(biāo)定完成后，單擊此按鈕，然后依次點(diǎn)擊后坐標(biāo)系的三點(diǎn)在X光圖像上的像點(diǎn)。點(diǎn)擊完成后，三個(gè)像點(diǎn)的在圖像中的坐標(biāo)也被記下來。加上前坐標(biāo)系的三像點(diǎn)的坐標(biāo)，此時(shí)程序記下六個(gè)像點(diǎn)的坐標(biāo)。由這六個(gè)像點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)定出C型臂的內(nèi)外參數(shù)，即焦距、位置、姿態(tài)。
(3)前孔中心點(diǎn)單擊“后坐標(biāo)系”按鈕并分別點(diǎn)擊后坐標(biāo)系的三像點(diǎn)后，程序即可完成C型臂的內(nèi)、外參數(shù)標(biāo)定。然后將包含所求點(diǎn)的X光圖像調(diào)入軟件，單擊此按鈕后，再對(duì)所求點(diǎn)的像點(diǎn)單擊。此時(shí)，由已知C型臂內(nèi)、外參數(shù)和所求點(diǎn)的像點(diǎn)的位置，可以求出一條過所求點(diǎn)的直線方程。
(4)后孔中心點(diǎn)此按鈕的操作與“前孔中心點(diǎn)”按鈕的操作相同，當(dāng)單擊所求點(diǎn)的像點(diǎn)后，也求出一條過所求點(diǎn)的直線方程。程序接著算出兩條直線的交點(diǎn)，即所求點(diǎn)的空間坐標(biāo)。
本發(fā)明的軟件操作系統(tǒng)具有一般Window操作平臺(tái)，下面只針對(duì)在本發(fā)明中增加的功能圖標(biāo)進(jìn)行說明。
(A)讀寫文件操作圖標(biāo)從C型臂X光機(jī)上采集透射圖片，并在顯示器上顯示出來，或者將修改的圖像和手術(shù)數(shù)據(jù)記錄存入文件，或者將手術(shù)參數(shù)、病例報(bào)告輸出打印。
(B)圖標(biāo)功能之二是，在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的圖像上，選者手術(shù)的進(jìn)入點(diǎn)(C)圖標(biāo)功能之三是，在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的圖像上，選者手術(shù)的路徑的終止點(diǎn)。
(D)圖標(biāo)功能之四是，根據(jù)功能圖標(biāo)2和3的操作，通過幾何變換，計(jì)算出相對(duì)于圖像坐標(biāo)的路徑X、Y、Z坐標(biāo)，選擇手術(shù)的進(jìn)入點(diǎn)。
(E)圖標(biāo)功能之五是，在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的圖像上，模擬手術(shù)規(guī)劃的路徑，對(duì)手術(shù)規(guī)劃的動(dòng)作進(jìn)行模擬。
(F)圖標(biāo)的功能之六是，根據(jù)圖標(biāo)功能之四的操作，將路徑的參數(shù)傳給導(dǎo)航機(jī)器人、拉伸模塊、手術(shù)床等系統(tǒng)設(shè)備，控制他們的運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)裝置，包括計(jì)算機(jī)、C型臂X光機(jī)、手術(shù)床機(jī)構(gòu)，其特征在于還包括拉伸機(jī)構(gòu)(2)和導(dǎo)航機(jī)器人(3)，以及醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，拉伸機(jī)構(gòu)(2)安裝在手術(shù)床機(jī)構(gòu)(1)的右活動(dòng)支撐(118)的球座(120)上，C型臂X光機(jī)和導(dǎo)航機(jī)器人(3)隨手術(shù)床機(jī)構(gòu)(1)的位置擺放而移動(dòng)，由C型臂X光機(jī)采集圖像，經(jīng)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像軟件處理，所述的手術(shù)床機(jī)構(gòu)(1)，床底架(101)在同一側(cè)面平行伸出有兩個(gè)支臂，床支架(102)安裝在床底架(101)的框體上，床支架(102)上端面安裝有上架(103)，上架(103)上安裝有床板(107)，上架(103)同床底架(101)支臂平行水平面安裝有托板支撐軸(109)，上架(103)的其余面上有掛件(106)，托板架(110)安裝在托板(111)和托板支撐軸(109)上，橫擋(112)安裝在托板(111)上；床底架(101)的底部有固定支撐(104)和滾輪(105)，床底架(101)的一支臂活動(dòng)連接右滑軌(113)，右滑塊(114)在右滑軌(113)上滑動(dòng)，支撐板(115)固定在右滑軌(113)上，滾輪(116)安裝在支撐板(115)的底面，右固定支撐(117)安裝在右滑塊(114)上，右固定支撐(117)連接有右活動(dòng)支撐(118)，右固定支撐(117)上有升降調(diào)節(jié)手柄(119)，用于調(diào)節(jié)右活動(dòng)支撐(118)的升降，右活動(dòng)支撐(118)的端部安裝有一球座(119)，球座(119)的一端安裝有擺動(dòng)球(120)，拉伸裝置(2)通過螺桿安裝在右活動(dòng)支撐(118)的擺動(dòng)球(120)上；床底架(101)的另一支臂活動(dòng)連接左滑軌(122)，左滑塊(123)在左滑軌(122)上滑動(dòng)，支撐板(124)固定在左滑軌(122)上，滾輪(125)安裝在支撐板(124)的底面，左固定支撐(126)安裝在左滑塊(123)上，左固定支撐(126)連接有左活動(dòng)支撐(127)，左固定支撐(126)上有升降調(diào)節(jié)手柄(128)，用于調(diào)節(jié)左活動(dòng)支撐(127)的升降，左活動(dòng)支撐(127)上端面通過連接板(129)安裝有左腳板架(130)；所述的拉伸機(jī)構(gòu)(2)，拉伸框(201)通過左端蓋(206)、右端蓋(207)安裝在絲杠(203)上，拉伸框(201)內(nèi)有蝸輪(204)、蝸桿(205)，絲杠(203)的一端安裝在連接板(208)上，連接板(208)上安裝有拉力傳感器(209)，連接板(208)通過滑軸(210)連接腳板(211)；所述的導(dǎo)航機(jī)器人(3)，升降支撐架(304)、固定支撐(302)安裝在底座(301)上，滾輪(303)安裝在底座(301)的底面，電機(jī)(305)通過聯(lián)軸器(306)連接在絲杠(307)上，絲杠(307)安裝在絲杠支撐(310)上，絲杠支撐(310)安裝在升降支撐架(304)上，升降軸(317)安裝在絲母連接件(309)上，通過絲母(308)在絲杠(307)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下升降，絲杠(307)的一邊安裝有側(cè)板(312)，側(cè)板(312)上安裝有線性導(dǎo)軌(313)，線性導(dǎo)軌(313)通過連接件(314)與升降軸(317)的底部連接，升降支撐架(304)上部的四個(gè)方向上安裝有四個(gè)調(diào)節(jié)滾輪(315)，升降軸(317)頂部安裝有可手控調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸(318)，平行底板(329)的滑塊(320)安裝在升降軸(318)頂部的旋轉(zhuǎn)板上，平行底板(329)的滑塊(320)通過絲杠(322)與線性導(dǎo)軌(324)與底板連接，平行底板(329)內(nèi)安裝有電機(jī)(325)，電機(jī)(325)的輸出軸通過聯(lián)軸器(327)與絲杠(322)的一端連接，平行底板(329)通過轉(zhuǎn)臺(tái)(331)連接小臂(333)，小臂(333)內(nèi)安裝有電機(jī)(335)，電機(jī)(335)的輸出軸安裝在減速器(337)的內(nèi)孔上，減速器(337)的輸出軸通過聯(lián)軸器(339)與小臂軸(342)連接，小臂(333)通過小臂軸(342)同手腕座(345)連接，手腕軸(346)通過軸承支撐在手腕座(345)上，手腕軸(346)的內(nèi)部安裝有電機(jī)(348)，電機(jī)(348)的輸出軸同減速器(347)的內(nèi)孔連接，手腕座(345)的端部有法蘭(349)，連接件(4)活動(dòng)連接在法蘭(349)上，標(biāo)定器(5)活動(dòng)連接在連接件(4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨科手術(shù)裝置，其特征在于左、右固定支撐可以交換安裝在床底架的支臂上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨科手術(shù)裝置，其特征在于采用C型臂X光機(jī)、標(biāo)定器(5)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的參數(shù)標(biāo)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨科手術(shù)裝置，其特征在于醫(yī)學(xué)圖像軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人空間、手術(shù)空間、圖像空間的相互映射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)器人導(dǎo)航骨科手術(shù)裝置，包括計(jì)算機(jī)、C型臂X光機(jī)、手術(shù)床機(jī)構(gòu)、拉伸機(jī)構(gòu)和導(dǎo)航機(jī)器人，以及醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，拉伸機(jī)構(gòu)安裝在手術(shù)床機(jī)構(gòu)的球座上，C型臂X光機(jī)和導(dǎo)航機(jī)器人隨手術(shù)床機(jī)構(gòu)的位置擺放而移動(dòng)，由C型臂X光機(jī)采集圖像，經(jīng)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像軟件處理。該裝置綜合利用機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來進(jìn)行骨科手術(shù)，從機(jī)器人空間到圖像空間的映射、手術(shù)空間到圖像空間的映射變換，根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像處理結(jié)果對(duì)骨科手術(shù)的手術(shù)路徑進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)要進(jìn)行手術(shù)的動(dòng)作進(jìn)行導(dǎo)航，虛擬地顯示醫(yī)生的手術(shù)動(dòng)作，評(píng)估手術(shù)動(dòng)作的偏差。該裝置減小了X光線對(duì)患者和醫(yī)生的傷害，提高了手術(shù)精度和效率，減小了手術(shù)創(chuàng)傷。
文檔編號(hào)A61B17/56GK1481764SQ0315327
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2003年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者王田苗, 王滿宜, 胡磊, 王軍強(qiáng), 張 杰, 孫磊, 劉文勇, 張力丹, 趙永濤, 高翌飛, 王豫, 王振清, 高書圖, 王宗仁, 丑武勝 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)