專利名稱：人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及虛擬仿真技術(shù)，特別涉及一種人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器。
背景技術(shù)：
手術(shù)虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，是目前數(shù)字化手術(shù)技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。借助手術(shù)虛擬仿真技術(shù)，醫(yī)生可制定優(yōu)化手術(shù)方案；也可以不借助尸體標(biāo)本而進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，從而降低外科醫(yī)生手術(shù)訓(xùn)練費(fèi)用并縮短培養(yǎng)周期，手術(shù)虛擬仿真技術(shù)克服了傳統(tǒng)外科醫(yī)生培訓(xùn)模式下醫(yī)生實(shí)際動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少、操作對象(尸體標(biāo)本)成本高的不足，對提高醫(yī)學(xué)手術(shù)培訓(xùn)的質(zhì)量和效率具有重要意義。脊柱是人體最重要的器官之一。近年來人們的脊柱病變和骨折脫位發(fā)生率呈上升趨勢。以椎弓根螺釘植入為基礎(chǔ)的脊柱內(nèi)固定手術(shù)具有周期短、見效快等優(yōu)點(diǎn)，往往成為醫(yī)生和患者的首選。脊柱椎弓根螺釘植入手術(shù)需要在椎體上確定理想的進(jìn)釘入口，并實(shí)時(shí)監(jiān)控螺釘或手術(shù)工具與椎體之間的相對位姿關(guān)系，而且，醫(yī)生的可視區(qū)域有限，依靠反復(fù)獲取患部的X光，不連續(xù)地獲取植入物或手術(shù)工具與患骨之間的相對位姿信息，這給醫(yī)生的手術(shù)操作水平提出了很高的要求。為了在短時(shí)間內(nèi)以較低的成本提高醫(yī)生的技術(shù)水平，有必要開發(fā)專門面向脊柱椎弓根螺釘植入的手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)。為了達(dá)到逼真的手術(shù)虛擬仿真效果，從而根據(jù)人體椎體不同部位物理特性的不同以及打孔及植釘深度、方位、速度、加速度等參數(shù)的不同而輸出不同的反饋力，力覺反饋系統(tǒng)是必不可少的組成部分。基本的力覺反饋系統(tǒng)包括力反饋裝置及力覺建?！，F(xiàn)有的力覺模型牽涉大量的復(fù)雜計(jì)算且理論性很強(qiáng)，而人體椎體的結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)特性非常復(fù)雜，單純靠理論計(jì)算得出的力覺信息與手術(shù)中表現(xiàn)出的真實(shí)反饋力具有一定的差別，從而影響手術(shù)虛擬仿真的逼真度。與單純的理論計(jì)算相比，通過力覺采集裝置采集實(shí)際椎弓根螺釘植入術(shù)中真實(shí)的反饋力信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析和研究是一種更為直接有效的解決手段。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專利號(hào)為ZL02118522. 0的中國實(shí)用新型專利《虛擬手術(shù)刀裝置》(公告號(hào)為CN1176448C)公開了一種虛擬手術(shù)刀，申請?zhí)枮?00410031486. 1 的中國實(shí)用新型專利《一種手術(shù)刀的力采集裝置》(公開號(hào)為CN1677064A)則公開了這種虛擬手術(shù)刀的力采集裝置，申請?zhí)枮?00910308169. 2的中國實(shí)用新型專利《虛擬手術(shù)力覺信息采集裝置》(公開號(hào)為CN101653356A)公開了一種虛擬手術(shù)力覺信息采集裝置。這三個(gè)專利均涉及人體軟組織力反饋信息采集，但未考慮信息采集過程中操作對象(人體組織) 的夾緊定位，到目前為止，尚無面向椎弓根釘植入虛擬手術(shù)的力覺信息采集裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的，就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案一種人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其包括手柄，由連成一體的梨形尾部和圓筒形頭部構(gòu)成，手柄內(nèi)設(shè)有軸向貫通的型槽；扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)，嵌裝在手柄的型槽內(nèi)，包括活動(dòng)卡套相連的扭矩傳感器和扭轉(zhuǎn)接頭，扭矩傳感器設(shè)置在手柄的圓筒形頭部的后部，扭轉(zhuǎn)接頭設(shè)置在手柄的圓筒形頭部的前部并與圓筒形頭部形成可轉(zhuǎn)動(dòng)連接；拉壓傳力機(jī)構(gòu)，連接在扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的前端，包括拉壓接頭和拉壓傳感器，拉壓接頭與扭轉(zhuǎn)接頭嵌套相連并與扭轉(zhuǎn)接頭形成可移動(dòng)連接，拉壓接頭的后部設(shè)有型腔，拉壓傳感器設(shè)置在拉壓接頭的型腔內(nèi)并與拉壓接頭固定連接，拉壓傳感器的后部與扭轉(zhuǎn)接頭固定連接； 操作頭，連接在拉壓傳力機(jī)構(gòu)的前端，包括安裝套頭和切割器，安裝套頭與拉壓接頭固定連接，切割器與安裝套頭嵌套活動(dòng)相連并與拉壓接頭嵌套傳動(dòng)相連；參考架，連接在拉壓接頭上。所述的手柄的梨形尾部外表面開有軸向防滑槽；所述的手柄的圓筒形頭部的筒壁上設(shè)有6個(gè)用于固定扭轉(zhuǎn)傳感器的螺紋孔和8個(gè)用于定位扭轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔。所述的扭矩傳感器的主體呈圓柱體形，圓柱體表面設(shè)有軸向防滑槽，圓柱體尾端連接有一根導(dǎo)線，該導(dǎo)線從手柄的梨形尾部穿出；所述的扭轉(zhuǎn)接頭呈階梯軸結(jié)構(gòu)，包括直徑較大的前段和直徑較小的后段；扭轉(zhuǎn)接頭前段外壁設(shè)有4個(gè)均勻間隔分布的軸向滑槽；扭轉(zhuǎn)接頭后段外壁設(shè)有兩道環(huán)形滑槽，扭轉(zhuǎn)接頭后段與手柄內(nèi)的型腔形成間隙配合，通過將8 顆連接螺釘從手柄的圓筒形頭部的8個(gè)用于連接扭轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔旋入，使8個(gè)連接螺釘與扭轉(zhuǎn)接頭后段的兩道環(huán)形滑槽配合，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)接頭與手柄的圓筒形頭部的可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。所述的拉壓傳感器包括頭部螺紋軸段、中部圓盤段和后部螺紋軸段，頭部螺紋軸段與拉壓接頭固定連接，中部圓盤狀段連接有導(dǎo)線，該導(dǎo)線徑向穿過拉壓接頭向外伸出，后部螺紋軸段與扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)接頭固定連接；所述的拉壓接頭包括直徑依次縮小的后段、中段和前段；所述的拉壓接頭后部的型腔設(shè)置在拉壓接頭的后段并延伸到中段，后段腔壁外表面設(shè)有兩個(gè)呈對稱分布的削平面，腔壁上設(shè)有4個(gè)均勻間隔分布的徑向螺釘孔；拉壓接頭的前段為螺紋軸，螺紋軸的頂端順延為V形凸出；通過向4個(gè)螺釘孔內(nèi)旋入4個(gè)連接螺釘，使4個(gè)連接螺釘?shù)念^部與扭轉(zhuǎn)接頭上的4個(gè)軸向滑槽配合，實(shí)現(xiàn)拉壓接頭與扭轉(zhuǎn)接頭的可移動(dòng)連接。所述的切割器為破骨器、通路器或螺紋絲攻中的一種，切割器尾端開有用于與拉壓接頭的V形凸出嵌套傳動(dòng)相連的V形連接槽，切割器前端設(shè)有切削刃；所述的安裝套頭為圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，安裝套頭前部外表面設(shè)有兩個(gè)呈對稱分布的削平面。所述的參考架包括順序連成一體的支桿、十字形載球架和紅外反射球；支桿下端固定于拉壓傳力機(jī)構(gòu)的拉壓接頭上，支桿上端與十字形載球架的交叉點(diǎn)固連，紅外反射球共4個(gè)分別連接在十字形載球架的4個(gè)角點(diǎn)處。本實(shí)用新型人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器配合光學(xué)定位系統(tǒng)使用，可在椎弓根螺釘植入手術(shù)過程中直接作用于人體胸、腰椎，并同步采集反饋力信息；也可通過專門的信息采集實(shí)驗(yàn)作用于人體胸、腰椎標(biāo)本，采集反饋力信息。所采集的力覺信息可用于虛擬椎弓根釘植入手術(shù)系統(tǒng)中的力覺模型構(gòu)建。
圖1為本實(shí)用新型人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型中的手柄的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型中的扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型中的扭轉(zhuǎn)接頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型中的拉壓傳力機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型中的拉壓接頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實(shí)用新型中的拉壓傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本實(shí)用新型中的操作頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本實(shí)用新型中的安裝套頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本實(shí)用新型中的切割器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為本實(shí)用新型中的參考架的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。參見圖1、圖2，本實(shí)用新型人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，包括手柄1、扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)2、拉壓傳力機(jī)構(gòu)3、操作頭4和參考架5。繼續(xù)參見圖1、圖2，配合參見圖3，本實(shí)用新型中的手柄1由連成一體的梨形尾部 11和圓筒形頭部12構(gòu)成，手柄內(nèi)設(shè)有軸向貫通的型槽13。在梨形尾部11外表面開有軸向防滑槽111，在圓筒形頭部12的筒壁上設(shè)有6個(gè)用于固定扭轉(zhuǎn)傳感器的螺紋孔121和8個(gè)用于定位扭轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔122。繼續(xù)參見圖1、圖2，配合參見圖4、圖5，本實(shí)用新型中的扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)2嵌裝在手柄1的型槽13內(nèi)，包括活動(dòng)卡套相連的扭矩傳感器21和扭轉(zhuǎn)接頭22，扭矩傳感器21設(shè)置在手柄的圓筒形頭部12的后部，扭轉(zhuǎn)接頭22設(shè)置在手柄的圓筒形頭部12的前部并與圓筒形頭部12形成可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。扭矩傳感器21的主體呈圓柱體形，圓柱體表面設(shè)有軸向防滑槽211，圓柱體尾端連接有一根導(dǎo)線23，該導(dǎo)線從手柄的梨形尾部11穿出。扭轉(zhuǎn)接頭22呈階梯軸結(jié)構(gòu)，包括直徑較大的前段221和直徑較小的后段222，前段外壁設(shè)有4個(gè)均勻間隔分布的軸向滑槽223，后段外壁設(shè)有兩道環(huán)形滑槽224，扭轉(zhuǎn)接頭后段222與手柄內(nèi)的型腔 13形成間隙配合。通過將8顆連接螺釘從手柄的圓筒形頭部12的8個(gè)用于連接扭轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔122旋入，使8個(gè)連接螺釘與扭轉(zhuǎn)接頭22后段的兩道環(huán)形滑槽2M配合，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)接頭22與手柄的圓筒形頭部12的可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。上述扭矩傳感器21只承受扭轉(zhuǎn)力矩，扭轉(zhuǎn)接頭22同時(shí)承受扭轉(zhuǎn)力矩及拉壓力。繼續(xù)參見圖1、圖2，配合參見圖6、圖7、圖8，本實(shí)用新型中的拉壓傳力機(jī)構(gòu)3連接在扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)2的前端，包括拉壓接頭31和拉壓傳感器32，拉壓接頭31與扭轉(zhuǎn)接頭22 嵌套相連并與扭轉(zhuǎn)接頭22形成可移動(dòng)連接，拉壓接頭31的后部設(shè)有型腔，該型腔設(shè)置在拉壓接頭31的后段并延伸到中段。拉壓傳感器32設(shè)置在該型腔內(nèi)并與拉壓接頭31固定連接，拉壓傳感器32的后部與扭轉(zhuǎn)接頭22固定連接。拉壓接頭31包括直徑依次縮小的后段 311、中段312和前段313 ；后段311外表面設(shè)有兩個(gè)呈對稱分布的削平面3111，并設(shè)有4個(gè)均勻間隔分布的徑向螺釘孔3112 ；拉壓接頭的前段313為螺紋軸，螺紋軸的頂端順延為V 形凸出314。通過向4個(gè)螺釘孔3112內(nèi)旋入4個(gè)連接螺釘，使4個(gè)連接螺釘?shù)念^部與扭轉(zhuǎn)接頭22上的4個(gè)軸向滑槽223配合，實(shí)現(xiàn)拉壓接頭31與扭轉(zhuǎn)接頭22的可移動(dòng)連接。拉壓傳感器32包括頭部螺紋軸段321、中部圓盤段322和后部螺紋軸段323，頭部螺紋軸段321 與拉壓接頭31固定連接，中部圓盤狀段322連接有導(dǎo)線33，該導(dǎo)線33徑向穿過拉壓接頭 31向外伸出，后部螺紋軸段323與扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)接頭22固定連接。上述拉壓傳感器 32只承受拉壓力，拉壓接頭31同時(shí)承受扭轉(zhuǎn)力矩及拉壓力。繼續(xù)參見圖1、圖2，配合參見圖9、圖10、圖11，本實(shí)用新型中的操作頭4連接在拉壓傳力機(jī)構(gòu)3的前端，包括安裝套頭41和切割器42，安裝套頭41與拉壓接頭31固定連接， 切割器42與安裝套頭41嵌套相連并與拉壓接頭31嵌套傳動(dòng)相連。其中的安裝套頭41為圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，安裝套頭41前部外表面設(shè)有兩個(gè)呈對稱分布的削平面411。切割器42為破骨器、通路器或螺紋絲攻中的一種，切割器42尾端開有用于與拉壓接頭31的V形凸出314 嵌套傳動(dòng)相連的V形連接槽421，切割器前端設(shè)有切削刃422。配合參見圖12，本實(shí)用新型中參考架5連接在拉壓接頭31上，包括順序連成一體的支桿51、十字形載球架52和紅外反射球53 ；支桿51下端固定于拉壓傳力機(jī)構(gòu)的拉壓接頭31上，支桿51上端與十字形載球架52的交叉點(diǎn)固連，紅外反射球53共4個(gè)分別連接在十字形載球架52的4個(gè)角點(diǎn)處。
權(quán)利要求1.一種人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其特征在于，包括手柄，由連成一體的梨形尾部和圓筒形頭部構(gòu)成，手柄內(nèi)設(shè)有軸向貫通的型槽；扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)，嵌裝在手柄的型槽內(nèi)，包括活動(dòng)卡套相連的扭矩傳感器和扭轉(zhuǎn)接頭，扭矩傳感器設(shè)置在手柄的圓筒形頭部的后部，扭轉(zhuǎn)接頭設(shè)置在手柄的圓筒形頭部的前部并與圓筒形頭部形成可轉(zhuǎn)動(dòng)連接；拉壓傳力機(jī)構(gòu)，連接在扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的前端，包括拉壓接頭和拉壓傳感器，拉壓接頭與扭轉(zhuǎn)接頭嵌套相連并與扭轉(zhuǎn)接頭形成可移動(dòng)連接，拉壓接頭的后部設(shè)有型腔，拉壓傳感器設(shè)置在拉壓接頭的型腔內(nèi)并與拉壓接頭固定連接，拉壓傳感器的后部與扭轉(zhuǎn)接頭固定連接；操作頭，連接在拉壓傳力機(jī)構(gòu)的前端，包括安裝套頭和切割器，安裝套頭與拉壓接頭固定連接，切割器與安裝套頭嵌套相連并與拉壓接頭嵌套傳動(dòng)相連；參考架，連接在拉壓接頭上。
2.如權(quán)利要求1所述的人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其特征在于所述的手柄的梨形尾部外表面開有軸向防滑槽；所述的手柄的圓筒形頭部的筒壁上設(shè)有6個(gè)用于固定扭轉(zhuǎn)傳感器的螺紋孔和8個(gè)用于定位扭轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔。
3.如權(quán)利要求1所述的人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其特征在于所述的扭矩傳感器的主體呈圓柱體形，圓柱體表面設(shè)有軸向防滑槽，圓柱體尾端連接有一根導(dǎo)線，該導(dǎo)線從手柄的梨形尾部穿出；所述的扭轉(zhuǎn)接頭呈階梯軸結(jié)構(gòu)，包括直徑較大的前段和直徑較小的后段；扭轉(zhuǎn)接頭前段外壁設(shè)有4個(gè)均勻間隔分布的軸向滑槽；扭轉(zhuǎn)接頭后段外壁設(shè)有兩道環(huán)形滑槽，扭轉(zhuǎn)接頭后段與手柄內(nèi)的型腔形成間隙配合，通過將8顆連接螺釘從手柄的圓筒形頭部的8個(gè)用于連接扭轉(zhuǎn)接頭的螺紋孔旋入，使8個(gè)連接螺釘與扭轉(zhuǎn)接頭后段的兩道環(huán)形滑槽配合，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)接頭與手柄的圓筒形頭部的可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其特征在于所述的拉壓傳感器包括頭部螺紋軸段、中部圓盤段和后部螺紋軸段，頭部螺紋軸段與拉壓接頭固定連接， 中部圓盤狀段連接有導(dǎo)線，該導(dǎo)線徑向穿過拉壓接頭向外伸出，后部螺紋軸段與扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)接頭固定連接；所述的拉壓接頭包括直徑依次縮小的后段、中段和前段；所述的拉壓接頭后部的型腔設(shè)置在拉壓接頭的后段并延伸到中段，后段腔壁外表面設(shè)有兩個(gè)呈對稱分布的削平面，腔壁上設(shè)有4個(gè)均勻間隔分布的徑向螺釘孔；拉壓接頭的前段為螺紋軸，螺紋軸的頂端順延為V形凸出；通過向4個(gè)螺釘孔內(nèi)旋入4個(gè)連接螺釘，使4個(gè)連接螺釘?shù)念^部與扭轉(zhuǎn)接頭上的4個(gè)軸向滑槽配合，實(shí)現(xiàn)拉壓接頭與扭轉(zhuǎn)接頭的可移動(dòng)連接。
5.如權(quán)利要求1所述的人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其特征在于所述的切割器為破骨器、通路器或螺紋絲攻中的一種，切割器尾端開有用于與拉壓接頭的V形凸出嵌套傳動(dòng)相連的V形連接槽，切割器前端設(shè)有切削刃；所述的安裝套頭為圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，安裝套頭前部外表面設(shè)有兩個(gè)呈對稱分布的削平面。
6.如權(quán)利要求1所述的人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，其特征在于所述的參考架包括順序連成一體的支桿、十字形載球架和紅外反射球；支桿下端固定于拉壓傳力機(jī)構(gòu)的拉壓接頭上，支桿上端與十字形載球架的交叉點(diǎn)固連，紅外反射球共4個(gè)分別連接在十字形載球架的4個(gè)角點(diǎn)處。
專利摘要一種人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器，包括手柄、扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)、拉壓傳力機(jī)構(gòu)、操作頭和參考架。扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)嵌裝在手柄的型槽內(nèi)，拉壓傳力機(jī)構(gòu)連接在扭轉(zhuǎn)傳力機(jī)構(gòu)的前端，操作頭連接在拉壓傳力機(jī)構(gòu)的前端，參考架連接在拉壓接頭上。本實(shí)用新型人體胸、腰椎手術(shù)力覺信息采集器配合光學(xué)定位系統(tǒng)使用，可在椎弓根螺釘植入手術(shù)過程中直接作用于人體胸、腰椎，并同步采集反饋力信息；也可通過專門的信息采集實(shí)驗(yàn)作用于人體胸、腰椎標(biāo)本，采集反饋力信息。所采集的力覺信息可用于虛擬椎弓根釘植入手術(shù)系統(tǒng)中的力覺模型構(gòu)建。
文檔編號(hào)A61B5/22GK202027587SQ20112004785
公開日2011年11月9日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者閆士舉 申請人:上海理工大學(xué)