專利名稱：打孔的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，該方法用于在骨結(jié)構(gòu)手術(shù)中中將標(biāo)記開(kāi)孔方向的裝置與固定在帶有可動(dòng)臂的機(jī)器上的位置確定裝置對(duì)準(zhǔn)在一起，并且涉及所述的這些裝置。
與本方法有關(guān)的例如髖骨骨折外科手術(shù)包括許多技術(shù)。腿部受傷的患者仰臥在骨折臺(tái)上，使骨折復(fù)位的操作就此開(kāi)始?；颊呤軅鹊哪_部牢固地固定在一個(gè)特殊制造的靴子上。直到骨折的斷骨復(fù)位之前，來(lái)施加牽引和旋轉(zhuǎn)。
受傷的腿的固定通常很牢固不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，除非給腿施加足夠的力。以帶“C形臂”的移動(dòng)式X光機(jī)，用兩個(gè)相垂直的X射線圖象，前后(anteropoisteruir)(AP)的投影和側(cè)面(Lat)的投影，來(lái)檢查骨折復(fù)位質(zhì)量。骨折復(fù)位的結(jié)果只能通過(guò)所述至少兩個(gè)X射線圖象進(jìn)行判斷，無(wú)法對(duì)髖骨旋轉(zhuǎn)的變化進(jìn)行修正。
插入螺釘以便固定斷骨部分。用一個(gè)手持式電鉆導(dǎo)入螺釘，該電鉆為螺釘鉆出導(dǎo)向孔，由此外科醫(yī)生必須從所述兩個(gè)垂直的X射線圖象判斷鉆孔的位置，并且手工調(diào)節(jié)三維空間中的電鉆位置，這是一項(xiàng)很難的工作。
不幸的是，常常需要重復(fù)螺釘插入的過(guò)程。重復(fù)的插入努力會(huì)破壞股骨頸的骨結(jié)構(gòu)。
為了能夠在髖骨骨折外科手術(shù)后檢查質(zhì)量，開(kāi)發(fā)了一種確定固定部件的手術(shù)后位置的方法。本發(fā)明的發(fā)明者在斯德哥爾摩1993,ISBN 91-628-0804-4中發(fā)表的題為“股骨頸骨折的內(nèi)部固定”的論文中對(duì)此進(jìn)行了介紹。不過(guò)，該發(fā)明僅用于手術(shù)后質(zhì)量的檢查和科學(xué)統(tǒng)計(jì)，并且，對(duì)本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，下述的方案是不能想到或者說(shuō)并不是顯而意見(jiàn)的，所述方案是修改該方法，而使其可用于在股骨骨折中確定怎樣以及在何處鉆孔，以便于加裝固定部件，并且便于以最佳的方式促進(jìn)所述骨折痊愈。
今天，整形外科手術(shù)已經(jīng)向著復(fù)雜的高技術(shù)植入物發(fā)展，該植入物通過(guò)精確的技術(shù)人工插入。在目前的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，為了人工插入，植入技術(shù)是一項(xiàng)需要由具有例如10年經(jīng)驗(yàn)的高度熟練的整形外科醫(yī)生進(jìn)行的操作。
對(duì)于癥候群(其中匯集了許多受傷處)，手術(shù)進(jìn)行的結(jié)果與可能達(dá)到的相比不能令人滿意。髖骨骨折屬于這樣的癥候群。僅在瑞典每年發(fā)生約18000次事故，其中9000個(gè)發(fā)生在頸部，9000個(gè)發(fā)生在pertrochanteric，損失約14億SEK(瑞典克朗)。
盡管對(duì)付這種骨折有100多種不同的固定方法，然而實(shí)施手術(shù)的效果仍較差。在全部頸骨折中幾乎35％沒(méi)有愈合，且有20％不得不在1-2年的時(shí)間內(nèi)再次手術(shù)。對(duì)于pertrochanteric骨折來(lái)說(shuō)，上述比率分別是10％和4％。每個(gè)再次手術(shù)需花費(fèi)約185,000SEK。
再次手術(shù)比例高的主要原因是固定螺釘定位不適當(dāng)，這已經(jīng)得到外科醫(yī)生和其他專家的贊同，在以后的愈合過(guò)程中這些固定螺釘用于將骨折處固定在一起，參見(jiàn)文獻(xiàn)“股骨頸骨折的固定Uppsala和Von Bahr螺釘?shù)谋容^”，Rehnberg&Olerud,Acta Orthop Scand 60,1989,579-584頁(yè)。
考慮到一次再次手術(shù)須花費(fèi)185000 SEK，如將這種手術(shù)的比例降低50％，每年的手術(shù)費(fèi)用將節(jié)省1.6億。一所較大的瑞典醫(yī)院將節(jié)省約800萬(wàn)SEK，更不用說(shuō)在解除骨折病人痛苦方面的收益。
支持手術(shù)的公知的裝置是所謂的ROBODOC手術(shù)輔助系統(tǒng)。ROBODOC機(jī)器人能夠?yàn)闊o(wú)粘接劑修補(bǔ)物的放置精確地準(zhǔn)備通道。
由于骨折外科中涉及的手控外科技術(shù)，以及在手術(shù)/外科治療期間實(shí)時(shí)地根據(jù)所述X射線圖象診斷，而不使用任何工具進(jìn)行分析，對(duì)病人和手術(shù)人員來(lái)說(shuō)在手術(shù)期間X射線輻射過(guò)高。
在Finley的美國(guó)專利US-A-5,603,243中，公開(kāi)了一種用于對(duì)準(zhǔn)X射線圖像的對(duì)準(zhǔn)裝置。該裝置包括兩個(gè)處于彼此垂直結(jié)構(gòu)的支撐在支撐框架上的細(xì)長(zhǎng)元件。在每個(gè)元件中，具有四個(gè)預(yù)定的軸，在每根軸上安裝有多個(gè)球。這些球最好具有不同的尺寸，或者設(shè)計(jì)成能夠吸收不同量的X射線，使得在X射線板上各個(gè)求的圖像可以被單獨(dú)區(qū)分出來(lái)。由于這些球的取向和間隔已經(jīng)已知，則通過(guò)計(jì)算可以確定體現(xiàn)在在X射線圖象中的病人的部分的精確的位置和精確的取向。
這種支撐框架和具有包括多個(gè)球的軸的細(xì)長(zhǎng)元件構(gòu)成了一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的裝置，并且對(duì)于X射線圖像的對(duì)準(zhǔn)需要大量的計(jì)算，因此需要計(jì)算簡(jiǎn)單的方法或裝置。
因此，需要提供一種幫助外科醫(yī)生準(zhǔn)備和支持整形外科手術(shù)的方法和裝置。這種方法和裝置在所附的獨(dú)立權(quán)利要求中提出。本發(fā)明的具體實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中提出。因此，本發(fā)明的方法和裝置及其細(xì)節(jié)提供了這種優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是解決與骨結(jié)構(gòu)手術(shù)的放大的X射線圖象中決定位置、方向和距離有關(guān)的問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種方法，用于在手術(shù)時(shí)的骨結(jié)構(gòu)中將用于標(biāo)記開(kāi)孔方向的裝置與安裝在帶可動(dòng)臂的機(jī)器上的位置確定裝置相對(duì)準(zhǔn)，包括下列步驟將標(biāo)記銷安裝到所述用于標(biāo)記的裝置上；激活所述機(jī)器，并使所述用于標(biāo)記的裝置運(yùn)動(dòng)到限定的起始位置；賦予所述機(jī)器一第一起始操作位置，改換其坐標(biāo)系統(tǒng)，使得標(biāo)記銷的運(yùn)動(dòng)大致在可運(yùn)動(dòng)標(biāo)記銷固定器的截面內(nèi)完成；將所述位置確定裝置關(guān)于所述用于標(biāo)記的裝置對(duì)準(zhǔn)，所述位置確定裝置具有至少四個(gè)圓形元件；將所述位置確定裝置垂直于參考表面定位，并進(jìn)行調(diào)整，使得當(dāng)機(jī)器以方形圖案運(yùn)動(dòng)特定距離時(shí)，標(biāo)記銷指向一個(gè)方向，其軸線與每個(gè)圓形元件一致；將所述位置確定裝置靠近身體將要開(kāi)孔的部分的附近布置；設(shè)置移動(dòng)式X射線機(jī)并且將其調(diào)整成下述狀態(tài)當(dāng)?shù)玫絏射線圖象時(shí)，四個(gè)圓形元件中的兩個(gè)在兩個(gè)垂直的投影平面中彼此重疊在一起；確定起始位置，借此所述兩個(gè)重合的圓形元件的位置代表機(jī)器的起始位置；將所述兩個(gè)X射線圖象數(shù)字化，使用在所述射線圖象中的兩個(gè)未重疊圓形元件之間的距離，代表放大系數(shù)，并計(jì)算以及顯示出來(lái)，放大率與機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)有關(guān)；將標(biāo)記銷穿透皮膚和肌肉，達(dá)到接近將要開(kāi)孔的骨結(jié)構(gòu)的位置；測(cè)量出標(biāo)記銷固定器須運(yùn)動(dòng)的距離，由此根據(jù)標(biāo)記銷固定器運(yùn)動(dòng)的距離給出機(jī)器第二操作位置，借此機(jī)器臂圍繞該第二位置運(yùn)動(dòng)，即使銷和第二柱體被取下也是如此，由此所有機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以發(fā)生在病人身體的外側(cè)，但運(yùn)動(dòng)中心將仍然靠近病人身體內(nèi)的骨骼；從所述數(shù)字化的X射線圖象上測(cè)量標(biāo)記鋼銷的位置和在所述標(biāo)記銷上到預(yù)定標(biāo)記的長(zhǎng)度，對(duì)標(biāo)記銷位置的比例系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；在數(shù)字化的X射線圖象上標(biāo)記出所述開(kāi)孔裝置的理想位置對(duì)骨骼中的所述開(kāi)孔裝置的理想位置和所述標(biāo)記銷的實(shí)際位置進(jìn)行比較；對(duì)放大和換算進(jìn)行修正；計(jì)算出機(jī)器的臂須運(yùn)動(dòng)的角度和距離，以將標(biāo)記銷與骨骼中理想的開(kāi)孔位置對(duì)準(zhǔn)；根據(jù)所述計(jì)算的距離和角度對(duì)機(jī)器再次進(jìn)行定位；通過(guò)所述機(jī)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼的打孔。
在一個(gè)實(shí)施例中，將標(biāo)記銷變換成開(kāi)孔器，其被類似的銷固定器固定，所述開(kāi)孔器適合于鉆孔、螺釘連接(screwing)、銷釘連接(pinning)、銑切(milling)、磨削(grinding)或穿線連接(threading)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，將選中的開(kāi)孔器通過(guò)在所述裝置中的所述銷固定器向前送出，使得其進(jìn)入皮膚和肌肉，達(dá)到靠近骨骼的位置。
在又一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)標(biāo)記和描繪出開(kāi)孔器方向和位置并將其與標(biāo)記的開(kāi)孔位置比較來(lái)實(shí)施檢測(cè)操作過(guò)程，由此如果開(kāi)孔器的軌跡從標(biāo)記的理想位置偏離超出一定距離，則在目前的位置再進(jìn)行一次定位過(guò)程，這將顯著地減小機(jī)器須運(yùn)動(dòng)的距離，并且由此減小定位誤差。
在又一個(gè)實(shí)施例中，在所述裝置中的所述銷固定器是可滑動(dòng)的，并且其設(shè)置成不同的尺寸，帶有不同尺寸的用于裝配標(biāo)記銷和開(kāi)孔器的中央孔。
為了完成本發(fā)明的目的，兩個(gè)裝置也是本發(fā)明的一部分。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種在骨結(jié)構(gòu)手術(shù)中用于標(biāo)記方向并固定開(kāi)孔工具的裝置，其固定到帶有可動(dòng)臂的機(jī)器上，所述裝置包括帶有用于固定內(nèi)套管的開(kāi)孔的外套管，所述套管中的一個(gè)能夠相對(duì)于所述可動(dòng)臂滑動(dòng)。所述內(nèi)套管具有用于固定所述開(kāi)孔裝置的固定機(jī)構(gòu)。裝置被固定到在所述機(jī)器上的可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐部上，或者可轉(zhuǎn)動(dòng)、可傾斜的支撐部上。
在一個(gè)實(shí)施例中，可滑動(dòng)的套管被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)地前后運(yùn)動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述套管中的一個(gè)是可轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)供鉆孔、磨削、銑切或在開(kāi)孔過(guò)程中用到的其它運(yùn)動(dòng)。
在又一個(gè)實(shí)施例中，所述固定機(jī)構(gòu)能夠裝配上用于鉆孔、磨削、銑切或在開(kāi)孔過(guò)程中用到的其它運(yùn)動(dòng)的機(jī)器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種在骨結(jié)構(gòu)手術(shù)中用于尋找開(kāi)孔方向的位置確定裝置，其被固定在帶有可動(dòng)臂的機(jī)器上。該裝置具有第一板和第二板兩個(gè)板對(duì)方向相互垂直的X射線大致上都是透明的，并且以相互垂直結(jié)構(gòu)安裝，所述第一板設(shè)置有四個(gè)圓形元件，所述第二板被安裝在可轉(zhuǎn)動(dòng)和可傾斜的支撐部上，以安裝到所述機(jī)器上或初始安裝，借此當(dāng)所述圓形元件中的兩個(gè)在兩個(gè)相垂直的、從骨結(jié)構(gòu)得出并包括所述圓形元件在內(nèi)的X射線圖象中都彼此覆蓋時(shí)，就可以確定涉及兩個(gè)X射線圖象的X射線放大系數(shù)，所述放大系數(shù)通過(guò)將所述兩個(gè)不重疊的圓形元件之間的距離決定，并且依賴于所述機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明位置確定裝置的一個(gè)實(shí)施例中，所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐部被安裝在所述機(jī)器的可動(dòng)構(gòu)架上，借此其可以放置在裝置的前方，所述裝置用于對(duì)方向進(jìn)行標(biāo)記并將用來(lái)開(kāi)孔的工具固定在所述機(jī)器上。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述圓形元件對(duì)于X射線輻射是不透明的。所述圓形元件是由諸如鉭，鉛，鋼或上述材料的合金的對(duì)X射線輻射不透明的材料制成。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述圓形元件以方形結(jié)構(gòu)布置在所述第一板上。
為了更完整地理解本發(fā)明，以及發(fā)明的進(jìn)一步目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖進(jìn)行描述。其中

圖1示意性示出了股骨結(jié)構(gòu)的透視圖，它示出根據(jù)已有技術(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的符號(hào)；圖2示出脫位的髖骨骨折的橫截面，示出了本發(fā)明的固定部件符號(hào)；圖3示出沒(méi)有脫位的髖骨骨折的橫截面，它示出本發(fā)明的固定部件的符號(hào)；圖4示出前后投影的股骨結(jié)構(gòu)，其具有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的螺釘位置；圖5示出側(cè)面投影的股骨結(jié)構(gòu)，其具有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的螺釘位置；圖6示出本發(fā)明的裝置的側(cè)立視圖；圖7示出本發(fā)明的裝置的頂平面圖；圖8示出本發(fā)明的裝置的前立視圖9示出本發(fā)明的方法采取的步驟的流程圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的箱體的側(cè)視圖，所述箱體在一支撐部上具有工具固定器；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的具有工具固定器的箱體的俯視平面圖；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的箱體的側(cè)視圖，所述箱體具有工具固定器和安裝在機(jī)器人臂上的支撐部；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的安裝在支撐部上并固定在機(jī)器人基體或立柱上的位置確定裝置。
為了更好的確定在骨折的骨骼上于何處定位固定部件，例如螺釘，銷，釘?shù)龋景l(fā)明介紹了一種特為該任務(wù)開(kāi)發(fā)的方法。這里公開(kāi)的針對(duì)髖骨骨折的方法和裝置僅是為了說(shuō)明的目的，而不是為了限制本發(fā)明。因此，根據(jù)本發(fā)明的對(duì)骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行打孔的方法和裝置可以用于對(duì)各種骨結(jié)構(gòu)的打孔，而并不是僅涉及髖骨骨折手術(shù)。
下面結(jié)合圖1-9的描述的主題涉及是一個(gè)相關(guān)的共同待審的專利申請(qǐng)。圖10-13描述了本發(fā)明。
利用本發(fā)明的技術(shù)，當(dāng)在髖骨骨折外科手術(shù)中加裝固定螺釘，以及確定螺釘長(zhǎng)度，螺釘固定角度，和骨折的脫位程度時(shí)，有可能獲得±1.0mm的精度。根據(jù)本發(fā)明，所述方法提供用來(lái)將手術(shù)中獲取的數(shù)字X射線圖象和病人記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以供質(zhì)量檢查和科學(xué)研究的裝置。
在根據(jù)已有技術(shù)的股骨頸骨折的X射線照片中，銷或螺釘相對(duì)于分析用股骨頸軸的位置可通過(guò)測(cè)量任意點(diǎn)到分析用股骨頸軸的距離來(lái)確定，該點(diǎn)位于與在AP和側(cè)面投影內(nèi)的股骨頭中心到銷或螺釘?shù)木嚯x相同的位置處。如果滿足下列標(biāo)準(zhǔn)，可獲得準(zhǔn)確的定位1．前后和側(cè)面X射線板平行于股骨頸軸并相互垂直，且前后X射線板平行于股骨骨干軸。
2．在前后和側(cè)面投影中的中心X射線束的方向垂直于股骨頸軸。
3．在前后和側(cè)面投影中的放大程度相等。
相反的方法，即以最佳的方式確定在何處布置銷或螺釘?shù)姆椒ㄔ诒景l(fā)明中加以介紹。
通過(guò)利用圖像增強(qiáng)器來(lái)調(diào)節(jié)股骨頸在空間中的位置，以滿足標(biāo)準(zhǔn)1-3的要求。然而，這很耗時(shí)，而且在常規(guī)檢查中不可實(shí)施。在內(nèi)部固定股骨頸骨折的常規(guī)X射線圖象中，在連續(xù)檢查和連續(xù)曝光中髖骨旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，即上述標(biāo)準(zhǔn)號(hào)1-3不能滿足。為了在該X射線圖象中確定在何處放置銷/螺釘，旋轉(zhuǎn)的投影必須反旋轉(zhuǎn)到正(straight)前后(AP)和側(cè)面(Lat)投影。當(dāng)解讀常規(guī)X射線圖象時(shí)，這憑直覺(jué)實(shí)現(xiàn)，但這種反旋轉(zhuǎn)是主觀的且不可再現(xiàn)。
然而，通過(guò)確定反旋轉(zhuǎn)角度(Ω)，髖骨的旋轉(zhuǎn)可以再現(xiàn)的方式得到補(bǔ)償。
圖1示意性示出以用于數(shù)學(xué)計(jì)算的符號(hào)標(biāo)記的股骨結(jié)構(gòu)的透視圖。如上所述，圖1表示在髖骨骨折位置進(jìn)行手術(shù)后確定在何處設(shè)置固定部件的已有技術(shù)的方法。該方法由本發(fā)明的發(fā)明人在其論文“股骨頸骨折的內(nèi)部固定”，斯德哥爾摩1993,ISBN 91-628-0804-4中進(jìn)行了介紹和應(yīng)用。盡管如此，該方法僅用于手術(shù)后的質(zhì)量檢查和科學(xué)統(tǒng)計(jì)，參見(jiàn)“在股骨頸骨折中復(fù)位和皮層螺釘支承的質(zhì)量”，由Stig Lindequist和Hans Toernkvist撰寫(xiě)，整形外科損傷雜志，第9卷，第3期，第215-221頁(yè)，1995 Raven Press Ltd.NewYork。根據(jù)本發(fā)明的相反方法可用來(lái)確定在股骨骨折中如何以及在何處鉆眼，以便以最佳方式促進(jìn)所述骨折痊愈。
盡管事實(shí)上在股骨頸骨折中固定部件的位置對(duì)于實(shí)施手術(shù)的結(jié)果來(lái)說(shuō)極其重要，然而，在文獻(xiàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有公知精度的確定該位置的其它方法。
公知的事實(shí)是固定部件，例如螺釘，應(yīng)盡可能靠近股骨頸結(jié)構(gòu)(皮層(cortex)10布置，并以股骨頭12為中心，因此骨折了的頸10可承受較重的荷載。1500N的荷載是常見(jiàn)的。這應(yīng)與年長(zhǎng)者的骨結(jié)構(gòu)中內(nèi)部狹窄的老化一起考慮，而這更強(qiáng)調(diào)了螺釘靠近皮層布置的重要性。
Ogata K和Goldsand EM.J在“骨關(guān)節(jié)外科手術(shù)(AM)”，1979,61:846-51上發(fā)表的“測(cè)量前傾角和和頸-骨干角度的簡(jiǎn)單的雙平面法”，和Herrlin和Ekelund在“Acta Orthop Scand”,1983；54:141-46上發(fā)表的“股骨前傾的X射線照相測(cè)量”描述了前傾角度θ(未表示)和頸骨干角度δ如何根據(jù)已測(cè)量的股骨頸角度α和β和傾斜角度ε來(lái)計(jì)算。根據(jù)其方法，前傾角度θ由將大腿骨的近端假想反旋轉(zhuǎn)到在AP和Lat投影內(nèi)前傾為零度來(lái)獲得。該反旋沿股骨骨干軸14進(jìn)行，且側(cè)面X射線圖象板沿股骨骨干布置。然而，大腿骨的近端假想反旋轉(zhuǎn)到在AP和Lat投影內(nèi)前傾為零度也可沿股骨頸軸16進(jìn)行。圍繞股骨頸軸16的反旋角定義為Ω。股骨頸的旋轉(zhuǎn)角度Ω，投射的股骨頸角度α和β，傾斜角度ε，偏移角κ和真股骨頸骨干角度δ之間的關(guān)系可用下式表示sinΩ=CD/AC=HI/AC=tanβo*(AB+AI)/tanδ*ABtanκ=AI/AD和tanα=AD/AB，因此sinΩ=tanβo*(AB+tanα*tanκ*AB)/tanδ*ABsinΩ=tanβo*(1+tanα*tanκ)/tanδtanδ=AC/AB和cosΩ=AD/AC，因此tanΩ=tanβo*tanκ+tanβo/tanα這里κ是在側(cè)面投影中中心X射線束從垂直于股骨頸軸的方向的偏移角度，且ε=δ±κ如果假設(shè)股骨頸10發(fā)生反旋Ω度，沿股骨頸軸布置的銷也旋轉(zhuǎn)Ω度。如果在數(shù)字化的X射線圖象中的銷位置的坐標(biāo)是X和Y，在直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的矩陣，X’=Y*sinΩ+X*cosΩY’=Y*cosΩ將給出在正AP和Lat投影中的銷/螺釘位置的校正的坐標(biāo)X’和Y’。
圖1還表示距離和角度OADG在AP投影15中平行于膠片平面11；OAEF在側(cè)面投影17中平行于膠片平面13；OB股骨頸10的中心軸；BC股骨骨干18的中心軸；α在AP投影15中的股骨頸角度(Cervicofemoralangle)；β當(dāng)中心X射線束垂直于股骨頸軸16時(shí)，在側(cè)面投影17中的股骨頸角度；βo當(dāng)中心X射線束不垂直于股骨頸軸10時(shí)，在側(cè)面投影17中的股骨頸角度；ε在側(cè)面投影17中中心X射線束的傾斜角度；κ在側(cè)面投影17中中心X射線束從垂直于股骨頸軸10的方向偏移角度；δ真股骨頸骨干角度，和Ω股骨頸旋轉(zhuǎn)角度。
在股骨頭12中的轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)X′和Y′繪制在笛卡兒坐標(biāo)系中，并用中心位于坐標(biāo)系的原點(diǎn)上的一個(gè)圓加以限定，其半徑等于在測(cè)量點(diǎn)的股骨頭12的半徑。獲得的圖表示在測(cè)量點(diǎn)水平上股骨頭的橫截面，這如下面的圖2和3表示。
對(duì)于股骨頸10，轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)X′和Y′繪制在坐標(biāo)系中，并用股骨頭10的橫截面圖限定。
如果一系列X射線圖象相互比較，通過(guò)將距離除以在所述膠片(film)上的股骨頭12的直徑，所有測(cè)量的距離從mm轉(zhuǎn)換成測(cè)量單位。銷坐標(biāo)值用股骨頭的直徑的分?jǐn)?shù)表示。
與本發(fā)明一起提出的是，采用公知的方法，即PINTRACETM并對(duì)其加以發(fā)展，以在AP及LatX射線圖象中的所述股骨頸軸10和所述股骨骨干軸14內(nèi)提出螺釘位置，而不是僅對(duì)已經(jīng)應(yīng)用的螺釘加以分析。公知的舊方法PINTRACETM由本發(fā)明的發(fā)明人研究提出，參見(jiàn)其論文“股骨頸骨折的內(nèi)部固定“，斯德哥爾摩1993,ISBN91-628-0804-4。
在原始的舊方法PINTRACETM中，插入的固定銷/螺釘?shù)奈恢媒?jīng)過(guò)計(jì)算，并呈現(xiàn)在股骨頸10和頭12的構(gòu)造橫截面內(nèi)。一種全新的PINTRACE2.0TM方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)。實(shí)際上，在舊的公知的PINTRACETM和新的PINTRACE2.0TM方法之間的相同部分是提供圖1的構(gòu)造，以便使必要的計(jì)算成為可能。舊的PINTRACETM方法是與本發(fā)明一起提出的方法的子方法，其中股骨頸10和頭12的形狀被確定，被構(gòu)造，并在例如計(jì)算機(jī)屏幕上顯示成中空橫截面圖形。這允許外科醫(yī)生設(shè)置固定銷/螺釘?shù)姆?hào)，或?qū)@示的預(yù)定位置用作這種符號(hào)。應(yīng)理解設(shè)置符號(hào)是動(dòng)態(tài)的，考慮到設(shè)置銷/螺釘使之盡可能靠近皮層的重要性，因而，設(shè)置符號(hào)根據(jù)不同病人而變化。設(shè)置的符號(hào)的位置被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的AP和LatX射線圖象，并以厚度變化的彩色線的形式疊加于其上。
根據(jù)本發(fā)明，為幫助使用者檢測(cè)股骨頸半徑的不正確的測(cè)量(PINTRACETM)，使用標(biāo)準(zhǔn)的頸/頭比(AP圖=0.70,Lat圖=0.57:Backman在Karolinska協(xié)會(huì)，斯德哥爾摩1957上發(fā)表的“股骨的近端”，和，Hoaglund和Low在Clin.Orthop152:10-16,1980上發(fā)表的“高加索和中國(guó)香港的股骨頸和頭的解剖的對(duì)比數(shù)據(jù)”)，以便預(yù)先計(jì)算股骨頸AP和側(cè)面半徑。如果計(jì)算好的標(biāo)準(zhǔn)半徑與在對(duì)應(yīng)膠片上測(cè)量的半徑不同，使用者可改變?cè)撚?jì)算好的標(biāo)準(zhǔn)半徑。
圖2示出了脫位的髖骨骨折的橫截面，其中顯示了固定部件的符號(hào)，這里的螺釘由虛線和充滿的圓表示，這些內(nèi)容與本發(fā)明相關(guān)，因此在這里被一起提出。
圖2中頭12(股骨頭)和股骨頸10(collum femoris)的橫截面圖示出了具有兩個(gè)加裝的螺釘?shù)拿撐坏捏y骨骨折。充滿的黑色圓20表示在股骨頸10中的所述螺釘?shù)奈恢?，且充滿的白色圓表示頭12中的螺釘?shù)奈恢?。相鄰的圓24，26表示標(biāo)出的螺釘位置的不確定的具體程度。
而且，圖3表示沒(méi)有脫位髖骨骨折的橫截面，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的固定部件的符號(hào)，這里螺釘由虛線和充滿的圓表示。
圖3中頭12和股骨頸10的橫截面表示具有兩個(gè)加裝螺釘?shù)臎](méi)有脫位的髖骨骨折。充滿的黑色圓20表示在股骨頸10中所述螺釘?shù)奈恢?，且充滿的白色圓表示在頭12中螺釘?shù)奈恢谩Ｏ噜彽膱A24,26表示標(biāo)出的螺釘位置的不確定的具體程度。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖4和5。
圖4示出了由前后投影15得出的股骨結(jié)構(gòu)30，其中帶有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的兩個(gè)螺釘。
圖5示出了由前后投影17得出的股骨結(jié)構(gòu)30，其中帶有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的兩個(gè)螺釘32。
在AP和Lat X射線圖象投影15,17中，標(biāo)出了股骨頸10和骨干18的中心軸14,16，且測(cè)出了股骨頸角度α和β。當(dāng)手術(shù)時(shí)，在Lat圖17中的一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處從股骨頸軸16到指出在何處布置螺釘32的標(biāo)記的距離，用來(lái)表示X坐標(biāo)，而在AP圖15中，該距離表示銷的Y坐標(biāo)。圖1，圖4和圖5中所示的角度用來(lái)使股骨結(jié)構(gòu)30在空間中定位，這樣，最終指出插入螺釘32的方向。
股骨頭12和頸10的下半部或后半部的坐標(biāo)設(shè)為負(fù)值，見(jiàn)圖2和圖3。
對(duì)于股骨頸10，股骨頭球和股骨頸軸16的交點(diǎn)用作測(cè)量點(diǎn)。在AP和Lat投影15,17中，在測(cè)量點(diǎn)處確定了圖4和5中虛線表示的股骨頭12和頸10的直徑34,35。
由于在AP和Lat投影中的放大系數(shù)經(jīng)常不同，通過(guò)計(jì)算最大和最小的股骨頭直徑之比，然后在該投影內(nèi)將具有最小直徑的距離乘以該比值，來(lái)調(diào)節(jié)所有的測(cè)量的距離。
因此，本發(fā)明提出了一種與本發(fā)明相關(guān)的方法，該方法通過(guò)對(duì)所述骨折的至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象的手術(shù)前分析，可三維地確定在髖骨骨折中在何處定位固定部件。它包括下列步驟
在所述圖象中由所述股骨骨干軸14上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過(guò)所述中點(diǎn)畫(huà)出一條線來(lái)確定一個(gè)分析用的股骨骨干軸14；由所述頸軸16上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過(guò)所述中點(diǎn)畫(huà)出一條線來(lái)確定一個(gè)分析用股骨頸軸16；確定股骨頸角度α,β；通過(guò)在股骨頭12的外周設(shè)置一個(gè)圓，來(lái)在所述圖象上確定股骨頭直徑34；利用在所述數(shù)字化的X射線圖象中的股骨骨干和Y軸之間的角度，和股骨頭12的所述直徑34，將所述X射線圖象換算(scaling)并旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置；確定從所述頸軸16到所述股骨頭的中心的距離，它表示髖骨骨折的剩余位移，這是由所述直徑34隱含得知的；從前后的圖象測(cè)量出中間皮層19的高度；顯示所述股骨頸角度α,β；以預(yù)定精度顯示股骨頭12和頸10的橫截面(圖2和圖3)；旋轉(zhuǎn)所述股骨頭12和頸10的橫截面，以確定由于骨折造成的髖骨的反旋角度，在所述前后的以及側(cè)面的X射線圖象中顯示髖骨旋轉(zhuǎn)度Ω；和在一個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)裝置中采用所述步驟，以在三維空間中確定用于加裝所述固定部件32的位置，并預(yù)先調(diào)節(jié)好一種工具，以便在所述位置工作。
股骨頸/骨干角度α,β最好顯示成線和所述數(shù)字化的圖象中的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫(huà)。
所述線可能由兩個(gè)中點(diǎn)確定，但應(yīng)理解的是，通過(guò)從在所述軸上的至少三個(gè)中點(diǎn)回歸出一條線則可以獲得更精確的線。
用于所述固定部件的符號(hào)20,22設(shè)置在股骨頸10的橫截面內(nèi)，且如果所述固定部件布置在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)的股骨頸10的外部，則啟動(dòng)警告功能。
加裝的固定部件32經(jīng)過(guò)本身已經(jīng)公知的圖示部件自動(dòng)地顯示在所述圖象內(nèi)，這與已進(jìn)行的測(cè)量相對(duì)應(yīng)。而且，還能夠在數(shù)字化的X射線圖象中記下固定部件32的符號(hào)20。
根據(jù)本發(fā)明，在任何外科治療之前可對(duì)X射線圖象進(jìn)行分析，且測(cè)量和計(jì)算的值可作為控制輸入應(yīng)用于裝置40，該裝置40可完成插入的引導(dǎo)，例如為骨折固定部件32打孔，所述裝置40如下所述。
圖6表示因與本發(fā)明相關(guān)而提出的裝置40的側(cè)立視圖；圖7表示根據(jù)圖6的裝置40的俯視平面圖；圖8表示根據(jù)圖6和7的裝置40的前立視圖。
根據(jù)圖6-8中示意性地示出的實(shí)施例的裝置40是在移動(dòng)臺(tái)42上的機(jī)器人，該移動(dòng)臺(tái)42與輪44連接，當(dāng)需要時(shí)，還可與可調(diào)節(jié)立腳，例如用來(lái)穩(wěn)定的桿，柱46或類似物連接。另外的附屬部件是具有電纜連接線路50的控制箱48，該電纜連接線路50與具有伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)54的鉸接機(jī)器人臂52連接。變壓器56分配能量?？刂葡?8適合與外圍設(shè)備連接，這些設(shè)備包括例如具有用于控制和通訊的I/O端口的計(jì)算機(jī)，顯示器，打印機(jī)，掃描儀，幀抓取器和其它公知的計(jì)算機(jī)裝置。
而且，加裝在機(jī)器人臂52上的是工具夾持器58，例如用來(lái)固定鉆孔機(jī)。
在本發(fā)明中，用來(lái)控制機(jī)器人的所述控制箱48包含硬件裝置，用器件實(shí)現(xiàn)的操作系統(tǒng)和由處理器控制的軟件，每種裝置本身是公知的，但形成了根據(jù)本發(fā)明的單一應(yīng)用實(shí)體。在本發(fā)明的該最佳實(shí)施例中，盡管僅有一個(gè)測(cè)量裝置被描述用來(lái)測(cè)量，但可以理解，測(cè)量裝置/功能可由多個(gè)裝置組成，或集合成一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的如下所述的裝置/功能。
這樣，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中包括一些部件和/或功能，例如一種測(cè)量部件或功能，可完成下述測(cè)量，即由所述股骨骨干軸上的至少兩個(gè)中點(diǎn)，計(jì)算并畫(huà)出一條經(jīng)過(guò)所述中點(diǎn)的線，從所述圖象中測(cè)量出股骨骨干軸14。進(jìn)而，一種測(cè)量部件或功能可完成下述測(cè)量由所述股骨頸軸16上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、計(jì)算并畫(huà)出一條經(jīng)過(guò)所述中點(diǎn)的線而得到一個(gè)分析用股骨頸軸16。確定股骨頸角度α,β。下一步，從所述前后的圖象測(cè)量出皮層19的高度。而且，一測(cè)量部件，通過(guò)在股骨頭12的周圍設(shè)置一個(gè)圓，而從所述圖象中測(cè)量、計(jì)算并確定出股骨頭直徑34，并測(cè)量，計(jì)算或確定從股骨頸軸16到所述股骨頭12的中心的距離，它表示骨折的剩余位移，而這是由所述股骨頭直徑34暗含已知的，由此通過(guò)在股骨頭球和中心股骨頸軸16的交點(diǎn)處畫(huà)一條垂直于股骨頸軸的線，來(lái)在所述圖象上測(cè)量、計(jì)算并確定股骨頸直徑35；
換算功能，利用顯示中的股骨骨干和Y軸之間的角度來(lái)將所述X射線圖象換算和旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置，與所述數(shù)字化的X射線圖象一起顯示坐標(biāo)軸，和所述股骨頭直徑34；顯示部件，用于顯示對(duì)髖骨骨折外科手術(shù)重要的數(shù)據(jù)，例如數(shù)字化的X射線圖象，頸角度α，髖骨旋轉(zhuǎn)Ω，橫截面(圖2和3)，計(jì)算的數(shù)字，線16,14等的顯示部件；提供對(duì)所述股骨頭12和股骨頸10的所述橫截面進(jìn)行顯示的功能；一種驅(qū)動(dòng)器，用于旋轉(zhuǎn)所述股骨頭12和頸10的橫截面，以確定由于骨折造成的所述頭和頸之間的髖骨的反旋角度；所述裝置向機(jī)器人提供控制輸入，所述機(jī)器人具有用于所述機(jī)器人的直立部件46，在所述機(jī)器人上具有用于在所述控制輸入所給出的方向上工作的工具裝置，和補(bǔ)償X射線失真(X-ray distortion)的失真補(bǔ)償裝置。
股骨頸角度α,β通過(guò)所述顯示器顯示成線和所述數(shù)字化的圖象內(nèi)的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫(huà)，這最好由軟件和/或繪圖部件控制。
所述固定部件的符號(hào)20設(shè)置在股骨頸的橫截面內(nèi)，并通過(guò)所述顯示部件顯示。
還包括一種部件或功能如果在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)固定部件32被設(shè)置在股骨頭或頸的外側(cè)，則啟動(dòng)警告功能。
而且，還包括，通過(guò)軟件，加裝的固定部件自動(dòng)地顯示在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)，這與所進(jìn)行的測(cè)量相對(duì)應(yīng)。
設(shè)置一種部件，例如繪圖驅(qū)動(dòng)器，以便在本發(fā)明的數(shù)字化的X射線圖象中記下固定部件20,24,32的符號(hào)。
所述方法最好用來(lái)控制機(jī)器人，以利用其工具在合適的方向上工作，并為插入例如螺釘，銷，釘?shù)鹊墓潭ú考鳒?zhǔn)備。
根據(jù)本發(fā)明的失真補(bǔ)償裝置在下文中進(jìn)行描述。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖9，其示出了本發(fā)明的方法中采用的步驟900至980的流程圖，它作為控制信息用于一個(gè)裝置中。
在步驟900，通過(guò)C形臂X射線透視而獲得AP和Lat的X射線圖象。通過(guò)為此目的的驅(qū)動(dòng)器，將X射線圖象數(shù)字化，旋轉(zhuǎn)并換算，即910，接下來(lái)進(jìn)行步驟920，即利用前述部件或功能，在髖骨骨折的X射線圖象上進(jìn)行必要的測(cè)量操作。
利用軟件，從所完成的測(cè)量得到股骨頸和頭橫截面圖的構(gòu)造，即930，該圖顯示在屏幕上。在940中，在顯示的橫截面中用銷/螺釘?shù)臉?biāo)志進(jìn)行標(biāo)記，該標(biāo)志可由軟件改變。這樣，在950中，在數(shù)字的X射線圖象中完成對(duì)標(biāo)出的銷/螺釘位置繪出輪廓。
采用步驟900-950，來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位，即步驟960，以便在所述位置鉆孔。隨后最終檢查確定的位置。最后，在外科手術(shù)期間，外科醫(yī)生手動(dòng)地插入銷/螺釘980。
因此，應(yīng)該理解的是，PINTRACETM方法或類似的方法適用于由該流程圖所描述的方法。
下面，結(jié)合附圖10-13描述本發(fā)明。下列的描述是針對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的，但是本發(fā)明并不限制在該具體的實(shí)施例中。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的箱體的側(cè)視圖，所述箱體在一支撐部上具有工具固定器；和圖11示出了根據(jù)圖10的具有工具固定器的箱體的俯視平面圖。
在圖10和圖11中示出的具有工具固定器或鉆孔引導(dǎo)系統(tǒng)的裝置100包括將被安裝在機(jī)器40上的支撐部110，類似于帶有鉸接臂52的機(jī)器人。該裝置還包括用于支撐部110的安裝部件112和帶有可滑動(dòng)的內(nèi)套管116的外套管114，所述內(nèi)套管116被用作所謂的端部操作器的固定器或工具固定器，另外還帶有用來(lái)鎖定內(nèi)套管116的止動(dòng)螺釘118。還設(shè)置了法蘭盤120，其為內(nèi)套管116形成死點(diǎn)位置。最后，X射線標(biāo)記銷122被內(nèi)套管固定。標(biāo)記銷122也可以替換為其它的端部操作器，例如用于鉆孔、螺釘連接、銷釘連接、銑切、磨削或穿線連接等的工具，或者，甚至可以將用于同樣目的的機(jī)械安裝在內(nèi)套管116上。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，支撐112是可轉(zhuǎn)動(dòng)并且可鎖定的(未示出)。
下面參考圖12，其中示出了安裝到鉸接的機(jī)器人臂52上的根據(jù)圖10和11的安裝。該裝置包括與前面兩圖中的相同的構(gòu)件和可滑動(dòng)部件200，可滑動(dòng)部件200包括上部可滑動(dòng)板124和下部可滑動(dòng)板126。下部可滑動(dòng)板126被安裝到電絕緣板128上，工作臺(tái)130(臺(tái)架130)被鉸接安裝到機(jī)器人臂52上。
安裝在機(jī)器人工作法蘭盤130上的可滑動(dòng)板124,126令裝置100的一部分可以運(yùn)動(dòng)，或者是由手動(dòng)或者是由電器帶動(dòng)在前后方向上運(yùn)動(dòng)。電子距離測(cè)量裝置被安裝到滑動(dòng)部件200上，并且向機(jī)器人提供有關(guān)可滑動(dòng)部件所作的運(yùn)動(dòng)距離的輸入。
套管114可以是一個(gè)金屬柱體，并且被安裝到支撐部112上。另一個(gè)套管116也由金屬柱體形成并且裝配到第一柱體114中。套管116中設(shè)置有中央孔，穿過(guò)該孔可以插入銷或鉆頭。內(nèi)柱體116可以形成有不同直徑的中央孔，穿過(guò)這些不同直徑的中央孔可以插入各種不同的諸如鉆頭、螺釘，銷等的端部操作器。
具有距一個(gè)端部每25毫米的X射線標(biāo)記小的鋼銷122穿過(guò)該中央孔引入，并用作測(cè)量引導(dǎo)件。
而且，在圖12中還示出了在準(zhǔn)備手術(shù)過(guò)程中用于抗菌保護(hù)的消毒布132。
下面參照?qǐng)D13，其示出了根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置140，其安裝在支撐部150上，并且還固定到與機(jī)器人基體或者立柱42相連的支撐部上。
X射線失真通過(guò)一創(chuàng)新的方法和用于此目的的裝置140,150來(lái)補(bǔ)償。
X射線失真諸如放大是發(fā)散的X射線束在從X射線管向射線板放射時(shí)發(fā)生的。因此，通過(guò)從管的預(yù)定距離處得到一個(gè)參考值，就可以由在射線板上測(cè)量的距離與已知的參考距離之比得到一個(gè)放大系數(shù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置包括一樹(shù)脂玻璃板152，該玻璃板具有四個(gè)與之連接的布置成矩形圖案的鉛球154。當(dāng)在AP和Lat投影中平行于球圖案透射時(shí)，調(diào)節(jié)兩個(gè)鉛球154以布置在輻射場(chǎng)的中心，使得它們彼此完全重疊。這樣，只要能夠保持射線管和樹(shù)脂玻璃板152之間的預(yù)定距離不變，通過(guò)測(cè)量未重合的兩個(gè)球之間的距離，就可確定失真的絕對(duì)測(cè)量(放大率)。在距離的確定完成時(shí)，該距離與工作距離相對(duì)應(yīng)。最終采用百分比的計(jì)算以調(diào)節(jié)機(jī)器人的臂。
在圖13中，示出了打開(kāi)的豎直玻璃盒體140，其帶有彼此垂直地固定的兩個(gè)板154,156。板154在圖13中為豎直方向，設(shè)置有四個(gè)布置成方形的對(duì)X射線不透明的球。板154,156安裝在支撐部150上，該支撐部150又安裝在機(jī)器人的基體42上。四個(gè)安裝部件組成了支撐部150。第一部件158，在這里是一個(gè)桿，被安裝在機(jī)器人基體42的框架160上，其可相對(duì)于框架160前后運(yùn)動(dòng)。第二部件162圍繞桿158可運(yùn)動(dòng)，并安裝到桿158上。第三部件164被安裝到軸166上，這使得部件164可在所述部件164的垂直方向上運(yùn)動(dòng)。最后，第四部件168在相對(duì)于第三部件164的水平方向上可運(yùn)動(dòng)，并且如果必要的話在360度中可能的所有方向中可滑動(dòng)。
所述板152,156是由對(duì)X射線大致透明的材料制成，并且具有布置成方形結(jié)構(gòu)的圓形元件。圓形元件是由對(duì)X射線不透明的諸如鉭，鉛，鋼等的材料制成。支撐件150在三維空間中可運(yùn)動(dòng)，使得它可以放置在機(jī)器人40端部操作器的前面，并且在測(cè)量之后能夠收回，從而不干擾機(jī)器人臂52的運(yùn)動(dòng)。
下面的具體步驟1)-3)用于對(duì)根據(jù)本發(fā)明的位置確定等操作進(jìn)行控制，步驟為1)設(shè)計(jì)用來(lái)從測(cè)量量規(guī)(位置確定裝置)上的測(cè)量值計(jì)算放大系數(shù)的計(jì)算機(jī)程序；2)設(shè)計(jì)用來(lái)從經(jīng)過(guò)ⅰ)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的位置；ⅱ)標(biāo)記銷的位置；ⅲ)鉆頭/螺釘/銷在骨中的標(biāo)記位置的輸入測(cè)量值計(jì)算機(jī)器人臂的理想運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序；3)檢測(cè)機(jī)器人最終位置的計(jì)算機(jī)程序。
下面，描述本發(fā)明所使用的方法。
A)激活機(jī)器人臂，并使其運(yùn)動(dòng)到限定的起始位置例如為鉆孔的起始位置，用于標(biāo)記的裝置100指向前方；標(biāo)記銷122放置在位并延伸出例如50毫米。機(jī)器人被賦予了第一起始工具位置，即機(jī)器人調(diào)整了其坐標(biāo)系統(tǒng)，使得各運(yùn)動(dòng)圍繞標(biāo)記銷122展開(kāi)。所述測(cè)量量規(guī)140放置在鉆頭導(dǎo)引100之前，將測(cè)量量規(guī)垂直于地板放置，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)使得當(dāng)機(jī)器人以方形模式運(yùn)動(dòng)了特定的距離時(shí)，標(biāo)記銷122能夠擊到每個(gè)圓形元件154。
B)將測(cè)量量規(guī)140靠近身體將要鉆孔/鉆螺釘孔的部分的附近布置。設(shè)置移動(dòng)式X射線機(jī)(C形臂)并且將其調(diào)整成下述狀態(tài)當(dāng)?shù)玫絏射線圖象時(shí)，四個(gè)圓形元件154中的兩個(gè)在兩個(gè)垂直的平面(AP和Lat投影)中彼此重疊在一起。兩個(gè)重合的圓形元件的位置代表機(jī)器人的起始位置。所述兩個(gè)X射線圖象被數(shù)字化并輸入計(jì)算機(jī)，兩個(gè)未重疊圓形元件之間的距離，代表放大系數(shù)，被計(jì)算機(jī)程序計(jì)算并被顯示出來(lái)。放大率與機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
C)在一個(gè)端部帶有25毫米的X射線標(biāo)記的所述細(xì)鋼銷122(標(biāo)記銷)穿入第二柱體的中央孔，使得其突出50毫米。通過(guò)使可滑動(dòng)部件200向前運(yùn)動(dòng)，標(biāo)記銷122穿透皮膚和肌肉，達(dá)到接近將要鉆孔的骨骼的位置。通過(guò)人工或電子測(cè)量元件測(cè)量出可滑動(dòng)部件須運(yùn)動(dòng)的距離，并將其輸入到機(jī)器人40的計(jì)算機(jī)程序中?，F(xiàn)在，根據(jù)可滑動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的距離，將機(jī)器人設(shè)定在第二工具位置，起始工具位置2?，F(xiàn)在，使得臂52圍繞該第二位置運(yùn)動(dòng)，即使銷和第二柱體被取下也是如此，這意味著所有機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以發(fā)生在病人身體的外側(cè)，但運(yùn)動(dòng)中心將仍然靠近病人身體內(nèi)的骨骼。
D)得到兩個(gè)X射線圖象(AP和Lat)并將其數(shù)字化，而后輸入計(jì)算機(jī)。標(biāo)記鋼銷122的位置和25毫米標(biāo)記的長(zhǎng)度在所述數(shù)字化的X射線圖象上進(jìn)行測(cè)量。對(duì)該位置的比例系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
E)在數(shù)字化的X射線圖象上標(biāo)記出鉆孔/銷/螺釘?shù)睦硐胛恢谩，F(xiàn)在，計(jì)算程序?qū)趋乐械你@孔/銷/螺釘?shù)睦硐胛恢煤蜆?biāo)記銷的實(shí)際位置相比較。在完成放大(B)和換算(D)的修正之后，計(jì)算機(jī)計(jì)算出機(jī)器人須運(yùn)動(dòng)的角度和距離，以將標(biāo)記銷與骨骼中理想的鉆孔/銷/螺釘?shù)奈恢脤?duì)準(zhǔn)。這些距離和角度輸入給機(jī)器人計(jì)算機(jī)并且機(jī)器人據(jù)此再次進(jìn)行定位。
F)在機(jī)器人40運(yùn)動(dòng)進(jìn)入新位置之后，標(biāo)記銷122和第二柱體116被替換成適于鉆孔、螺釘連接、銷釘連接的類似的裝置。將選中的端部操作器通過(guò)可滑動(dòng)部件200的方式向前送出，使得其進(jìn)入皮膚和肌肉，達(dá)到靠近骨骼的位置。此時(shí)，獲取AP和Lat的X射線圖象，并數(shù)字化。計(jì)算機(jī)程序通過(guò)標(biāo)記和描繪出端部操作器(螺釘/銷/鉆孔)的方向和位置并將其與標(biāo)記的理想的銷/螺釘鉆孔位置比較來(lái)實(shí)施檢測(cè)操作過(guò)程如果端部操作器的軌跡從標(biāo)記的理想位置偏離超出一定距離，則在目前的位置再進(jìn)行一次定位過(guò)程。這將顯著地減小機(jī)器人須運(yùn)動(dòng)的距離，并且由此減小定位誤差。
G)當(dāng)端部操作器被最佳地定位時(shí)，手術(shù)醫(yī)生手動(dòng)地將銷/螺釘或鉆頭插入帶有不同尺寸中央孔的第二柱體116。也可將鉆孔機(jī)固定到可滑動(dòng)裝置上，并自動(dòng)地引入端部操作器。為了確保穩(wěn)定和安全，在鉆孔過(guò)程中機(jī)器人臂被鎖定，由此為這些過(guò)程產(chǎn)生穩(wěn)定的工作平臺(tái)。
由此可相信，通過(guò)前面的描述使得本發(fā)明的操作和結(jié)構(gòu)更為鮮明，雖然所示或所描述的方法被認(rèn)為是優(yōu)選的，但顯然，在不超出由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，本發(fā)明可作許多變化和修改。
權(quán)利要求
1．一種方法，用于在手術(shù)時(shí)的骨結(jié)構(gòu)中將用于標(biāo)記開(kāi)孔方向的裝置(100,200)與安裝在帶可動(dòng)臂(52)的機(jī)器(40)上的位置確定裝置(140,150)相對(duì)準(zhǔn)，其特征在于將標(biāo)記銷(122)安裝到所述用于標(biāo)記的裝置(100,200)上；激活所述機(jī)器(40)，并使所述用于標(biāo)記的裝置運(yùn)動(dòng)到限定的起始位置；賦予機(jī)器(40)第一操作位置，改換其坐標(biāo)系統(tǒng)，使得標(biāo)記銷(122)的運(yùn)動(dòng)大致在可運(yùn)動(dòng)標(biāo)記銷固定器(114,116)的截面內(nèi)完成；將所述位置確定裝置(140,150)關(guān)于所述用于標(biāo)記的裝置(100,200)對(duì)準(zhǔn)，所述位置確定裝置具有至少四個(gè)圓形元件(154)；將所述位置確定裝置(140,150)垂直于參考表面定位，并進(jìn)行調(diào)整，使得當(dāng)機(jī)器以方形圖案運(yùn)動(dòng)特定距離時(shí)，標(biāo)記銷(122)指向一個(gè)方向，其軸線與每個(gè)圓形元件(154)一致；將所述位置確定裝置(140,150)靠近身體將要開(kāi)孔的部分的附近布置；設(shè)置移動(dòng)式X射線機(jī)并且將其調(diào)整成下述狀態(tài)當(dāng)?shù)玫絏射線圖象時(shí)，四個(gè)圓形元件(154)中的兩個(gè)在兩個(gè)垂直的投影平面中彼此重疊在一起；確定起始位置，借此所述兩個(gè)重合的圓形元件(154)的位置代表機(jī)器(40)的起始位置；將所述兩個(gè)X射線圖象數(shù)字化，使用在所述射線圖象中的另外兩個(gè)未重疊圓形元件之間的距離，代表放大系數(shù)，并計(jì)算以及顯示出來(lái)，放大率與機(jī)器臂(52)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)；將標(biāo)記銷(122)穿透皮膚和肌肉，達(dá)到接近將要開(kāi)孔的骨結(jié)構(gòu)(30)的位置；測(cè)量出標(biāo)記銷固定器(114,116)須運(yùn)動(dòng)的距離，由此根據(jù)標(biāo)記銷固定器運(yùn)動(dòng)的距離給出機(jī)器(40)第二操作位置，借此臂(52)圍繞該第二位置運(yùn)動(dòng)，即使銷和第二柱體(116)被取下也是如此，由此所有機(jī)器的運(yùn)動(dòng)可以發(fā)生在病人身體的外側(cè)，但運(yùn)動(dòng)中心將仍然靠近病人身體內(nèi)的骨骼；從所述數(shù)字化的X射線圖象測(cè)量標(biāo)記鋼銷(122)的位置和在所述標(biāo)記銷(122)上到預(yù)定標(biāo)記的長(zhǎng)度，對(duì)標(biāo)記銷位置的比例系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；在數(shù)字化的X射線圖象上標(biāo)記出所述開(kāi)孔裝置的理想位置對(duì)骨骼中的所述開(kāi)孔裝置的理想位置和所述標(biāo)記銷(122)的實(shí)際位置進(jìn)行比較；對(duì)放大和換算進(jìn)行修正；計(jì)算出機(jī)器的臂須運(yùn)動(dòng)的角度和距離，以將標(biāo)記銷與骨骼中的開(kāi)孔位置對(duì)準(zhǔn)；根據(jù)所述計(jì)算的距離和角度自動(dòng)對(duì)機(jī)器(40)再次進(jìn)行定位；通過(guò)所述機(jī)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼的打孔。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將標(biāo)記銷變換成開(kāi)孔器，其被類似的銷固定器固定，所述開(kāi)孔器適合于鉆孔、螺釘連接、銷釘連接、銑切、磨削或穿線連接。
3．如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于將選中的端部操作器通過(guò)在所述裝置(100,200)中的所述銷固定器(114,116)向前送出，使得其進(jìn)入皮膚和肌肉，達(dá)到靠近骨骼的位置。
4．如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過(guò)標(biāo)記和描繪出開(kāi)孔器方向和位置并將其與標(biāo)記的開(kāi)孔位置比較來(lái)實(shí)施檢測(cè)過(guò)程，由此如果開(kāi)孔器的軌跡從標(biāo)記的理想位置偏離超出一定距離，則在目前的位置再進(jìn)行一次定位過(guò)程，這將顯著地減小機(jī)器(40)須運(yùn)動(dòng)的距離，并且由此減小定位誤差。
5．如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在所述裝置(100,200)中的所述銷固定器(114,116)是可滑動(dòng)的，并且其設(shè)置成不同的尺寸，帶有不同尺寸的用于裝配標(biāo)記銷(122)和開(kāi)孔器的中央孔。
6．一種在骨結(jié)構(gòu)手術(shù)中用于標(biāo)記方向并固定開(kāi)孔正具的裝置(100,200)，其被固定到帶有可動(dòng)臂(52)的機(jī)器(40)上，其特征在于，其包括帶有用于固定內(nèi)套管(116)的開(kāi)孔的外套管(114)，所述套管(116)中的一個(gè)能夠相對(duì)于所述可動(dòng)臂(52)滑動(dòng)，所述內(nèi)套管(116)具有用于固定所述開(kāi)孔裝置的固定機(jī)構(gòu)。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述裝置被固定到在所述機(jī)器上的可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐部(112)上，或者可轉(zhuǎn)動(dòng)、可傾斜的支撐部上。
8．如權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于所述可滑動(dòng)的套管(116)被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)地前后運(yùn)動(dòng)。
9．如權(quán)利要求6-8所述的裝置，其特征在于所述套管中的一個(gè)(116)是可轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)供鉆孔、磨削、銑切或在開(kāi)孔過(guò)程中用到的其它運(yùn)動(dòng)。
10．如權(quán)利要求6-8所述的裝置，其特征在于所述固定機(jī)構(gòu)能夠裝配上用于鉆孔、磨削、銑切或在開(kāi)孔過(guò)程中用到的其它運(yùn)動(dòng)的機(jī)器。
11．一種在骨結(jié)構(gòu)手術(shù)中用于尋找開(kāi)孔方向的位置確定裝置(140,150)，其被固定在帶有可動(dòng)臂(52)的機(jī)器(40)上，其特征在于，具有第一板(152)和第二板(156)，在垂直方向中兩個(gè)板對(duì)射線大致上都是透明，并且以垂直結(jié)構(gòu)安裝，所述第一板(152)設(shè)置有四個(gè)圓形元件(154)，所述第二板(156)被安裝在可轉(zhuǎn)動(dòng)和可傾斜的支撐部(160,162,164)上，以安裝到所述機(jī)器(40)上或初始安裝，借此當(dāng)所述圓形元件中的兩個(gè)在兩個(gè)相垂直的、從骨結(jié)構(gòu)得出并包括所述圓形元件(154)在內(nèi)的X射線圖象中都彼此覆蓋時(shí)，就可以確定涉及兩個(gè)正交的X射線圖象的X射線放大系數(shù)，所述放大系數(shù)通過(guò)將所述兩個(gè)未重疊的圓形元件之間的距離決定，并且依賴于所述機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)。
12．如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐部被安裝在所述機(jī)器的可動(dòng)構(gòu)架上，借此其可以放置在裝置(100,200)的前方，所述裝置(100,200)用于對(duì)方向進(jìn)行標(biāo)記并將用來(lái)開(kāi)孔的工具固定在所述機(jī)器上。
13．如權(quán)利要求11或12中所述的裝置，其特征在于所述圓形元件(154)對(duì)于X射線輻射是不透明的。
14．如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述圓形元件(154)是由對(duì)X射線輻射不透明的諸如鉭，鉛，鋼或上述材料的合金材料制成。
15．如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述圓形元件以方形結(jié)構(gòu)布置在所述第一板上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)骨折的至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象的手術(shù)前分析來(lái)三維地確定在髖骨骨折結(jié)構(gòu)(30)中在何處定位固定部件(32)的方法,該方法可用于控制具有工具的裝置(100,140,150,200),以便利用工具在正確方向鉆孔,從而使骨折的髖骨結(jié)構(gòu)(30)進(jìn)行最佳的可能的治愈,由此確定位置、距離、X射線失真等。
文檔編號(hào)A61B6/12GK1303249SQ99806879
公開(kāi)日2001年7月11日 申請(qǐng)日期1999年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月1日
發(fā)明者斯蒂格·林德奎斯特 申請(qǐng)人:醫(yī)學(xué)機(jī)器人技術(shù)斯德哥爾摩公司