基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的制作方法

本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人。

背景技术：

生物3D打印技术，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用生物细胞或生物构造块，通过“按需打印”一层层的生物细胞或生物构造块来制造真正的活体组织或人体活器官的技术。

细胞三维受控组装，是将活细胞与生物相容性较好的基质材料共混，装入针管或喷腔，利用离散－堆积成形原理，通过快速成形技术按事先设计的立体网格结构将细胞/基质由针头挤出或喷头喷出，形成特定的三维结构；利用明胶、纤维蛋白等基质材料的物理、化学特性保持成形后的三维结构稳定，细胞在三维结构中继续存活、增殖、连接等，其中三维结构中细胞/基质的粗细度可控制在几微米到几百微米、或更宽的范围内。此技术广泛应用于人体组织与器官的修复和重建(再生)、药物检测、生物体微系统和生物传感器等诸多技术前沿方面。

例如，传统的骨科手术需要主刀医生根据临床经验对患者病变骨骼进行切削或钻铣，部分缺损修补手术更是需要主刀医生从患者身上取骨头，现场粘接、拼合填补缺损部位，修补完善的程度则全靠主刀医生的业务水平。

然而，本申请发明人发现，传统的手术过程存在无法精确定位和修复的问题，即手术过程中的所有切割和修复工作都只能根据主刀医生的临床经验判断，从而对主刀医生的临床经验有极高的要求。

因此，如何提供一种基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人，以既能够实现对骨骼的原位打印再造，又能够用来辅助主刀医生进行高精度定位切割和原位修补，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人，以解决传统的手术过程存在无法精确定位和修复的技术问题。

本实用新型提供一种基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人，包括：控制台；工具头组件；所述工具头组件设置在所述控制台上，且至少包括有手术刀具工具头、三维扫描工具头和生物3D打印工具头；所述手术刀具工具头用于钻孔、切割、打磨及定位持械，所述三维扫描工具头用于扫描手术中的创面和缺损，所述生物3D打印工具头用于挤出生物材料或活细胞以修复、填补、粘合手术中的缺损；机械臂；所述机械臂设置在所述控制台上，所述机械臂用于抓取、切换所述手术刀具工具头、所述三维扫描工具头和所述生物3D打印工具头，并带动所述手术刀具工具头、所述三维扫描工具头和所述生物3D打印工具头沿所需的工作路径移动；控制器；所述控制器与所述机械臂连接，所述控制器用于控制所述机械臂的工作状态及运动路径。

实际应用时，所述基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还包括：力反馈操作手柄；所述力反馈操作手柄与所述控制器连接，且所述手术刀具工具头上设置有力学传感器。

其中，所述基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还包括：图像处理器；所述图像处理器与所述三维扫描工具头和所述控制器连接，所述图像处理器用于将所述三维扫描工具头获取的创面信息和缺损信息转换为三维数据，并发送给所述控制器。

具体地，所述基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还包括：手术台；所述手术台上设置有与所述图像处理器连接的摄像机，所述摄像机用于获取所述手术台上的患者的手术信息和形体信息，并发送给所述图像处理器。

进一步地，所述图像处理器还用于将所述摄像机获取的所述手术信息和所述形体信息转换为三维数据，并发送给所述控制器。

实际应用时，所述基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还包括：抽吸装置；所述抽吸装置用于清理手术过程中溢出的体液和/或骨粉残渣。

其中，所述手术刀具工具头中内置有电动驱动器。

具体地，所述生物3D打印工具头为气源使能或电动使能。

进一步地，所述机械臂为多臂结构。

更进一步地，所述工具头组件还包括：微创骨科手术工具头。

相对于现有技术，本实用新型所述的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人具有以下优势：

本实用新型提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人中，包括：控制台、工具头组件、机械臂和控制器；其中，工具头组件设置在控制台上，且至少包括有手术刀具工具头、三维扫描工具头和生物3D打印工具头；具体地，手术刀具工具头用于钻孔、切割、打磨及定位持械，三维扫描工具头用于扫描手术中的创面和缺损，生物3D打印工具头用于挤出生物材料或活细胞以修复、填补、粘合手术中的缺损；进一步地，机械臂设置在控制台上，机械臂用于抓取、切换手术刀具工具头、三维扫描工具头和生物3D打印工具头，并带动手术刀具工具头、三维扫描工具头和生物3D打印工具头沿所需的工作路径移动；更进一步地，控制器与机械臂连接，控制器用于控制机械臂的工作状态及运动路径。由此分析可知，使用本实用新型提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人时，由于控制器能够控制机械臂的工作状态及运动路径，机械臂能够抓取、切换工具头组件中的手术刀具工具头、三维扫描工具头和生物3D打印工具头，并带动工具头组件中的相应工具头沿所需的工作路径移动，并且手术刀具工具头能够钻孔、切割、打磨及定位持械，三维扫描工具头能够扫描手术中的创面和缺损，生物3D打印工具头能够挤出生物材料或活细胞以修复、填补、粘合手术中的缺损，因此本实用新型提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人能够辅助主刀医生进行高精确定位切割和原位修补，同时能够实现对骨骼的原位打印再造。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的主视结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的右视结构示意图。

图中：

1－控制台； 2－工具头组件；

21－手术刀具工具头； 22－三维扫描工具头；

23－生物3D打印工具头； 3－机械臂；

4－控制器； 5－力反馈操作手柄；

6－图像处理器； 7－手术台；

8－摄像机； 9－抽吸装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1为本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的主视结构示意图。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人，包括：控制台1；工具头组件2；工具头组件2设置在控制台1上，且至少包括有手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23；手术刀具工具头21用于钻孔、切割、打磨及定位持械，三维扫描工具头22用于扫描手术中的创面和缺损，生物3D打印工具头23用于挤出生物材料或活细胞以修复、填补、粘合手术中的缺损；机械臂3；机械臂3设置在控制台1上，机械臂3用于抓取、切换手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23，并带动手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23沿所需的工作路径移动；控制器4；控制器4与机械臂3连接，控制器4用于控制机械臂3的工作状态及运动路径。

相对于现有技术，本实用新型实施例所述的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人具有以下优势：

本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人中，如图1所示，包括：控制台1、工具头组件2、机械臂3和控制器4；其中，工具头组件2设置在控制台1上，且至少包括有手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23；具体地，手术刀具工具头21用于钻孔、切割、打磨及定位持械，三维扫描工具头22用于扫描手术中的创面和缺损，生物3D打印工具头23用于挤出生物材料或活细胞以修复、填补、粘合手术中的缺损；进一步地，机械臂3设置在控制台1上，机械臂3用于抓取、切换手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23，并带动手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23沿所需的工作路径移动；更进一步地，控制器4与机械臂3连接，控制器4用于控制机械臂3的工作状态及运动路径。由此分析可知，使用本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人时，由于控制器4能够控制机械臂3的工作状态及运动路径，机械臂3能够抓取、切换工具头组件2中的手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23，并带动工具头组件2中的相应工具头沿所需的工作路径移动，并且手术刀具工具头21能够钻孔、切割、打磨及定位持械，三维扫描工具头22能够扫描手术中的创面和缺损，生物3D打印工具头23能够挤出生物材料或活细胞以修复、填补、粘合手术中的缺损，因此本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人能够辅助主刀医生进行高精确定位切割和原位修补，同时能够实现对骨骼的原位打印再造。

此处需要补充说明的是，本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人，由于具有工具头组件2，且工具头组件2具备多种不同功能的工具头(例如：手术刀具工具头21、三维扫描工具头22和生物3D打印工具头23)，同时能够通过控制器4和机械臂3进行自动抓取、切换，即通过控制器4起到控制机械臂3的运动、统筹各工具头的切换及控制工具头的工作状态的作用，因此能够有效避免因人工切换工具头而造成的掉落现象，从而能够有效避免手术污染等问题。

实际应用时，为了起到使手术机器人与主刀医生进行交互的作用，如图1所示，基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还可以包括：力反馈操作手柄5；该力反馈操作手柄5可以与控制器4电气连接或信号连接，且手术刀具工具头21上可以设置有力学传感器，从而主刀医生能够通过力学传感器获取对骨骼切割时手术刀具工具头21的真实力度，并能够根据不同的手术情况进行适当调整，进而在提升主刀医生手术手感的同时设置力度预警，以避免因手术操作过力而造成的不可逆损伤。此外，上述力反馈操作手柄5还能够通过控制器4控制机械臂3的工作状态及运动路径。

此处需要补充说明的是，通过安装在手术刀具工具头21上的力学传感器进行反馈，并通过识别手术刀具工具头21的信息，读入手术刀具工具头21的几何尺寸和质量信息进行计算，从而自动转换手术刀具工具头21末端的受力情况。

其中，为了提高控制器4的控制精度、控制效率和效果，如图1所示，基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还可以包括：图像处理器6；该图像处理器6可以与三维扫描工具头22和控制器4电气连接或信号连接，从而图像处理器6能够将三维扫描工具头22获取的创面信息和缺损信息转换为三维数据，并发送给控制器4，以提升控制器4的控制精度、控制效率和效果。

图2为本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的俯视结构示意图。

具体地，为了便于承载和固定手术患者，如图2所示，基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还可以包括：手术台7，从而通过手术台7以承载安放并固定手术患者。同时，为了能够较好地实时检测手术中患者的情况，如图2结合图1所示，上述手术台7上可以设置有与图像处理器6电气或信号连接的摄像机8，从而通过该摄像机8以获取手术台7上的患者的手术信息和形体信息，并及时发送给图像处理器6。

此处需要补充说明的是，为了保证检测效果，避免出现拍摄死角，上述摄像机8可以设置有多个，例如设置有四个，且四个摄像机8可以分别位于手术台7的四个顶角区域，如图2所示。

进一步地，为了根据具体检测情况进行手术方案的适当调整，上述图像处理器6还能够将摄像机8获取的手术信息和形体信息转换为三维数据，并发送给控制器4，从而主刀医生能够通过力反馈操作手柄5和控制器4根据具体检测情况进行手术方案的适当调整。

图3为本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人的右视结构示意图。

实际应用时，为了提高手术机器人的整体性能，如图3所示，基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人还可以包括：抽吸装置9，从而通过该抽吸装置9以清理手术过程中溢出的体液和/或骨粉残渣，进而提高手术效果及效率。

实际装配时，如图1－图3所示，上述抽取装置9可以临近手术台7设置，从而有效提高抽取时的便捷性和效率。

其中，为了保证手术刀具工具头21的灵活操作，上述手术刀具工具头21中可以内置有电动驱动器。

具体地，为了保证生物3D打印工具头23具有良好地工作性能，上述生物3D打印工具头23可以为气源使能或电动使能。

实际生产制造时，上述机械臂3可以为单臂结构。进一步地，为了保证机械臂3能够向多个方向灵活运动，以使机械臂3能够将工具头组件2中的工具头精确定位至相应位置，上述机械臂3可以优选为多臂结构，从而通过多个相互连接的单臂，以进行多个不同方向的移动。

更进一步地，为了使手术机器人能够适应更多不同的手术情况，例如骨科微创手术，上述工具头组件2还可以包括：微创骨科手术工具头，从而通过微创骨科手术工具头进行骨科微创手术。当然，还可以包括其它工具头，具体情况可以根据手术情况而定。

下面对使用本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人进行的手术过程进行简单说明。

主刀医生手工切开患者手术区域的皮肤，暴露手术视场；通过控制器的控制界面选择目标手术刀具(例如：手术刀具工具头)；通过操作力反馈手柄控制手术刀具工具头进行切割，打磨，钻孔等操作(手术过程中的位置及角度信息，可由患者CT数据进行自动三维重建获取并导航)；由主刀医生手工安装假体，骨钉，钛板等植入体；由三维扫描工具头扫描患者需要填补的缺损位置，获取缺损部位的三维信息；由生物3D打印工具头并使用骨科修复材料对需要填补的缺损部位进行网孔填充(填充部分的孔隙率等参数可由主刀医生通过控制器进行参数设置)；主刀医生缝合患者皮肤，结束手术。

本实用新型实施例提供的基于生物3D打印技术的切割修复一体化手术机器人，以多轴机器人为基础，以多喷头3D打印系统为核心，在骨科手术中能够同步复合三维扫描与生物3D打印技术，对患者的骨骼缺损部位进行自动的三维填补和修复。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。