一种智能骨科手术机器人及其控制系统的制作方法

1.本发明涉及一种医疗机器人，尤其涉及一种智能骨科手术机器人及其控制系统。


背景技术：

2.社会渐渐向高龄化发展，越来越多的人会去骨科看病，骨科行业市场迅速扩大。传统的骨科手术严重依赖骨科医生的临床经验。而医生因为看不到患者的内部结构，需要剖开皮肤肌肉才知道暴露骨折的位置，而且打螺钉的时候人手的稳定性和操作精度不够，导致打螺钉的误差比较大。为了解决上述问题，提高手术精度，减少病患的痛苦，加快康复速度，几家公司开始尝试开发骨科手术机器人，进行个性化手术规划和实施，已开发出来的系统基本不能提供力反馈，通过把动力反馈系统整合到骨科手术机器人系统中，从而提升主刀医生的精准度。
3.为解决医生做骨科手术时存在的看不清身体内部骨骼结构、做手术时拿不稳手术刀、开刀面积大、开刀位置不精准等等各种问题，本申请提出发明一套骨科手术机器人，实现骨科手术的智能化进行。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术的不足，提供一种智能骨科手术机器人及其控制系统。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种智能骨科手术机器人，包括：主控台、移动组件、视觉组件；所述主控台上设置有计算机，所述移动组件包括底座与机械臂，所述底座顶部设置有旋转座，所述旋转座能够旋转，所述旋转座顶部设置有机械臂，所述机械臂端部设置有扫描仪，所述机械臂为多段结构；
6.所述视觉组件包括控制机构以及设置在控制机构两端的第一定位机构与第二定位机构，所述第一定位机构与所述第二定位机构分别通过第一连杆与第二连杆至控制机构，所述第一定位机构一侧设置有第一红外机构。
7.在本发明的一个较佳实施例中，所述计算机电性连接有键盘与鼠标。
8.在本发明的一个较佳实施例中，所述主控台一侧设置有两个柜门，所述柜门通过合页配合连接。
9.在本发明的一个较佳实施例中，所述底座底部设置有底板，所述底座底部四角均设置有固定孔，所述固定孔通过螺旋固定值地板上。
10.在本发明的一个较佳实施例中，所述控制机构底部设置有支撑杆，所述支撑杆底部设置有固定盘。
11.在本发明的一个较佳实施例中，所述第二定位机构一侧设置有第二红外机构，所述第一定位机构与所述第二定位机构对称设置。
12.为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案为：一种控制系统，应用于智能骨科机器人，包括：视觉模块与导航模块；
13.所述视觉模块件利用光学测量与成像原理测量机械臂与患者的运动轨迹及姿态；
14.所述机械臂对患者进行ct扫描，得到图像信息，将图像信息传输至计算机，计算机对图像进行处理，生成3d模型；
15.通过3d模型进行患者手术部位定准，得到打钉位置信息；
16.所述导航模块驱动机械臂至指定位置进行打钉操作。
17.在本发明的一个较佳实施例中，所述患者身上固定标志点，用于实时追踪患者位置。
18.在本发明的一个较佳实施例中，所述3d模型用于手术规划，自动生成钉道位置及置钉角度，根据规划建立虚拟场景，并通过虚拟场景进行过程演示。
19.本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
20.(1)仿生机器臂不仅能从事人能从事的工作，还比人手有更多的自由度和灵活度。它提供了骨科医生无法提供的稳定性和精度，它精确限定医疗器械进入的深度并指导方向和角度，从而达到手术更加精确和安全的目的。
21.(2)多目标光学视觉系统利用光学测量和成像原理，测量、记录机器臂和患者的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件，它使用双目红外光学定位技术，可测量出固定在被追踪物体上的主动或被动标记点的3d坐标，通过系统算法，它可以实时获得在测量范围内的仿生机器臂和患者的位置和姿态的六自由度数据，这套系统拥有强大的抗干扰能力，保证了系统精度。
22.(3)核心图像处理算法，可以自动分割各种骨科部分，支持mri和ct图像的融合，并轻松重建三维模型，直观显示患者的身体和解剖结构，手术规划软件让医生可以事先在三维模型上便捷地规划手术，先进的图像处理和可视化交互技术，让手术规划更加便捷，全自动高精度患者配准技术，精度高。
附图说明
23.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
24.图1示出了本发明一种智能骨科手术机器人局部整体结构示意图；
25.图2示出了视觉组件局部结构示意图；
26.图3示出了机械臂局部结构示意图；
27.1、底板，2、底座，3、旋转座，4、机械臂，5、扫描仪，6、主控台，7、计算机，8、鼠标，9、第一定位机构，10、第一连杆，11、控制机构，12第二连杆，13、第二定位机构，14、第二红外机构，15、支撑杆，16、固定盘，17、第一红外机构，18、键盘，19、柜门，20、扫描头，21、手术床。
具体实施方式
28.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
30.图1
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3示出了本发明一种智能骨科手术机器人，本发明第一方面提供了一种智能
骨科手术机器人，包括：主控台6、移动组件、视觉组件；主控台6上设置有计算机7，移动组件包括底座2与机械臂4，底座2顶部设置有旋转座3，旋转座3能够旋转，旋转座3顶部设置有机械臂4，机械臂4端部设置有扫描仪5，扫描仪一侧设置有扫描头20，机械臂4为多段结构；
31.视觉组件包括控制机构11以及设置在控制机构11两端的第一定位机构9与第二定位机构13，第一定位机构9与第二定位机构13分别通过第一连杆10与第二连杆12至控制机构11，第一定位机构9一侧设置有第一红外机构17。
32.在本发明的一个较佳实施例中，计算机7电性连接有键盘18与鼠标8。
33.在本发明的一个较佳实施例中，主控台6一侧设置有两个柜门19，柜门19通过合页配合连接。
34.在本发明的一个较佳实施例中，底座2底部设置有底板1，底座2底部四角均设置有固定孔，固定孔通过螺旋固定值地板上。
35.在本发明的一个较佳实施例中，控制机构11底部设置有支撑杆15，支撑杆15底部设置有固定盘16。
36.在本发明的一个较佳实施例中，第二定位机构13一侧设置有第二红外机构14，第一定位机构9与第二定位机构13对称设置。
37.根据本发明实施例，还包括手术床21，机器臂和多功能手术床是有机统合在一起，显著提高了定位精度和稳定性。仿生机器臂提供了骨科医生无法提供的稳定性和精度，它精确控制医疗器械进入的深度并指导方向和角度，从而达到手术更加精确和安全的目的。仿生机器臂具有6自由度，在术中完成定位标尺支撑、手术路径定位、导针把持等功能，多功能手术床具有支撑病患并提供丰富的配件(碳钎维延长版、碳钎维专用侧轨、臀部支撑、膝肘定位器械等等)等功能，同时它还内置了针对临床环境的传感技术，各种专门设计的可医用的传感器不仅能自动防故障，保障手术的安全性，而且把收集到的信号(比如说病患的细微移动)传回到主控台，让临床医生能及时对已发生的变化进行介入，还能预判即将发生的临床事件，并依此进行调整，保障手术的精确性。
38.为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案为：一种控制系统，应用于智能骨科机器人，包括：视觉模块与导航模块；
39.视觉模块件利用光学测量与成像原理测量机械臂4与患者的运动轨迹及姿态；
40.机械臂4对患者进行ct扫描，得到图像信息，将图像信息传输至计算机7，计算机7对图像进行处理，生成3d模型；
41.通过3d模型进行患者手术部位定准，得到打钉位置信息；
42.导航模块驱动机械臂4至指定位置进行打钉操作。
43.需要说明的是，多目标光学视觉系统利用光学测量和成像原理，测量、记录机器臂和患者的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件。它使用双目红外光学定位技术，可测量出固定在被追踪物体上的主动或被动标记点的3d坐标，通过系统算法，它可以实时获得在测量范围内的仿生机器臂和患者的位置和姿态的六自由度数据。这套系统拥有强大的抗干扰能力，保证了系统精度。
44.在本发明的一个较佳实施例中，患者身上固定标志点，用于实时追踪患者位置。
45.在本发明的一个较佳实施例中，3d模型用于手术规划，自动生成钉道位置及置钉角度，根据规划建立虚拟场景，并通过虚拟场景进行过程演示。
46.系统的典型应用流程描述：
47.本发明系统的典型应用过程如下
48.设置工作；1、仿生机器臂到位；2、标志点固定到患者身上来实时追踪患者的位置；
49.扫描工作；3、c型臂对患者进行扫描获得图像；4、图像配准。
50.手术规划；5、医生在三维模型上进行手术规划，设计好钉道位置和置钉角度；6、根据规划，虚拟演示一下手术过程看是否会出问题。
51.导航手术；7、机器臂根据规划移动到指定位置。发射激光线到患者身上，指示需要开刀的部位；
52.8、导针沿着套筒钻入，确定位置无误。
53.9、空心螺钉套进导针固定，拔出导针。
54.10、c型臂对患者进行再次扫描确认螺钉位置与规划的一致。
55.本系统还包括软件模块，软件模块有有病例管理、图像处理、手术规划和实时导航几大核心模块。
56.病例管理软件里有病患的各种信息。
57.核心图像处理算法，可以自动分割各种骨科部分。支持mri和ct图像的融合，并轻松重建三维模型，直观显示患者的身体和解剖结构。
58.手术规划软件让医生可以事先在三维模型上便捷地规划手术，先进的图像处理和可视化交互技术，让手术规划更加便捷。全自动高精度患者配准技术，精度高。
59.实时导航软件驱动仿生机器臂到指定的位置，引导打钉位置、深度和角度，并且实时反馈手术结果给医生确认。
60.仿生机器臂不仅能从事人能从事的工作，还比人手有更多的自由度和灵活度。它提供了骨科医生无法提供的稳定性和精度，它精确限定医疗器械进入的深度并指导方向和角度，从而达到手术更加精确和安全的目的。
61.多目标光学视觉系统利用光学测量和成像原理，测量、记录机器臂和患者的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件，它使用双目红外光学定位技术，可测量出固定在被追踪物体上的主动或被动标记点的3d坐标，通过系统算法，它可以实时获得在测量范围内的仿生机器臂和患者的位置和姿态的六自由度数据，这套系统拥有强大的抗干扰能力，保证了系统精度。
62.核心图像处理算法，可以自动分割各种骨科部分，支持mri和ct图像的融合，并轻松重建三维模型，直观显示患者的身体和解剖结构，手术规划软件让医生可以事先在三维模型上便捷地规划手术，先进的图像处理和可视化交互技术，让手术规划更加便捷，全自动高精度患者配准技术，精度高。
63.在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
64.上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显
示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
65.另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
66.本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(rom，read
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only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
67.或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
68.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。