[發(fā)明專利]一種能實(shí)現(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機(jī)器人半剛性智能器械臂

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410574026.7
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104287836A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 代煜;雪原;張建勛
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00
• 代理公司: 天津佳盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明屬于手術(shù)輔助器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及能夠?qū)崿F(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機(jī)器人半剛性智能器械臂。

背景技術(shù)

骨外科手術(shù)中醫(yī)生常用手術(shù)動(dòng)力工具暴露或切除病變部位，手術(shù)動(dòng)力工具通過輸出可控的機(jī)械動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)銑刀、鉆頭等器械完成手術(shù)。對于傳統(tǒng)的人工手術(shù)方式而言，切削骨組織的技術(shù)參數(shù)（包括進(jìn)給量、切削深度和切削速度等）完全由手術(shù)醫(yī)生自行掌握，因此動(dòng)力工具的靈活運(yùn)用必須依靠醫(yī)生長期體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)積累。很多骨外科手術(shù)的工作空間都比較狹小，病人個(gè)體之間又有一定的病理變異和解剖變異，手術(shù)過程中高速旋轉(zhuǎn)的刀具很容易碰到重要組織而造成無法修復(fù)的損傷。

手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)為解決上述問題提供了可能。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)嘗試將狀態(tài)監(jiān)測方法用于骨外科手術(shù)機(jī)器人中：通過安裝在機(jī)器人手臂上的傳感器檢測切削刀具與骨組織相對接觸位置的變化，如果遇到危險(xiǎn)狀態(tài)就及時(shí)改變切削骨質(zhì)的技術(shù)參數(shù)，從而避免對正常組織的損傷，但這種方法獲得的力信號信噪比較低。手術(shù)動(dòng)力工具作為一個(gè)機(jī)械動(dòng)能的輸出設(shè)備，不僅通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)的刀具來切削骨組織，還是一個(gè)振動(dòng)的激勵(lì)源，不同的組織在這個(gè)激勵(lì)下呈現(xiàn)出不同的特征，因此可以通過檢測振動(dòng)幅度的方法來判斷刀具與組織的相對位置關(guān)系。目前還未見到能夠?qū)崟r(shí)采集手術(shù)動(dòng)力工具的振動(dòng)信號并用于鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的發(fā)明出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是解決手術(shù)機(jī)器人在進(jìn)行鉆磨作業(yè)時(shí)的安全監(jiān)控問題，提供一種手術(shù)機(jī)器人半剛性智能器械臂，以便根據(jù)測量的手術(shù)動(dòng)力工具的振動(dòng)信號檢測刀具與組織的相對位置關(guān)系，并在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)及時(shí)停止鉆進(jìn)，避免損傷重要器官。

本發(fā)明提供的能夠?qū)崿F(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機(jī)器人半剛性智能器械臂，是在手術(shù)機(jī)器人本體與手術(shù)動(dòng)力工具的加持部位之間加裝一個(gè)半剛性懸臂機(jī)構(gòu)，在半剛性懸臂機(jī)構(gòu)和手術(shù)動(dòng)力工具的加持部位之間粘附一個(gè)振動(dòng)傳感器，振動(dòng)傳感器的輸出信號送入器械臂的運(yùn)動(dòng)控制器，由運(yùn)動(dòng)控制器對振動(dòng)傳感器的輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷手術(shù)動(dòng)力工具中的刀具在兩層皮質(zhì)骨中切削的狀態(tài)。器械臂的運(yùn)動(dòng)控制器是指用于驅(qū)動(dòng)器械臂各關(guān)節(jié)按照指令運(yùn)動(dòng)的硬件電路（其核心通常為數(shù)字信號處理器和高級精簡指令集處理器）及軟件系統(tǒng)（通常為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）。

所述的半剛性懸臂機(jī)構(gòu)是一種圓弧切口結(jié)構(gòu)，即在長方體本體的沿高度方向的中間開有一個(gè)截面兩端呈半圓中間為矩形的長條通孔，兩端半圓的半徑為R₁，在長方體本體的上下表面各開有一個(gè)凹槽，該凹槽截面的兩端為半徑R₁的圓弧，中間為直線。

所述長方體本體中長條通孔的長度L≥50mm，深度W≥50mm，長方體本體的高度D₁=4R₁+2D₂，其中，D₂為長條通孔與上下凹槽之間的壁厚，且R₁/3≤D₂≤R₁/2。

所述的由器械臂的運(yùn)動(dòng)控制器對振動(dòng)傳感器的輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換處理是，提取f，2f，3f處的傅里葉系數(shù)A₁，A₂和A₃，并計(jì)算A=?A₁A₂A₃，其中，f為手術(shù)動(dòng)力工具主軸頻率；通過分析譜線的幅度檢測骨質(zhì)被磨穿前的臨界狀態(tài)。當(dāng)?shù)毒叽┰接捕炔煌琴|(zhì)產(chǎn)生的振動(dòng)信號會(huì)有所不同，皮質(zhì)骨A值較大，松質(zhì)骨A值較小，在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)及時(shí)控制機(jī)器人停止刀具的進(jìn)給，避免損傷重要組織。

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本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)測量骨組織磨削過程中的振動(dòng)信號，根據(jù)信號就能夠識(shí)別刀具與骨組織相對接觸位置的變化，從而提高機(jī)器人輔助骨外科手術(shù)的安全性，靈敏度較高。

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附圖說明

圖1是手術(shù)機(jī)器人半剛性智能器械臂整體結(jié)構(gòu)及振動(dòng)傳感器的固定位置示意圖。

圖2是半剛性懸臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：