專利名稱：股骨頭壞死髓芯清除操作臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種具有三個自由度的股骨頭壞死髓芯清除操作臂。
背景技術(shù)：
股骨頭缺血性壞死(AVascular Necrosis of Femeral Head, AVNFH)是常見的骨科疾病，當(dāng)出現(xiàn)軟骨面塌陷時將導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)病廢而不能行走，或不可避免地要接受全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，是危害大的疾病之一。目前主要采用外科手術(shù)進(jìn)行治療，如各種髓芯減壓植骨法等，而徹底清除死骨則是各種外科手術(shù)法關(guān)鍵的第一步。但是壞死區(qū)有著多種不同的幾何形狀和空間分布形式，而由于股骨頸的尺寸限制，這種外科手術(shù)操作距離長、通道狹窄，器械較難準(zhǔn)確到達(dá)股骨壞死區(qū)。這些因素使得手術(shù)清除死骨時，只能依賴于醫(yī)生通過勺子憑手感和經(jīng)驗配合磁共振造影(Magnetic Resonance Imaging, MR)來挖掘進(jìn)行，不可避免地存在部分死骨清除困難且不精準(zhǔn)、不徹底、費時費力等不足。這將影響后續(xù)植骨術(shù)對AVNHl的治療效果。另外，對于軟骨面塌陷的修復(fù)手術(shù)，一般是死骨刮出后頂推復(fù)位。目前也是醫(yī)生憑經(jīng)驗和感覺進(jìn)行，缺乏精準(zhǔn)的復(fù)位，影響術(shù)后骨愈合和骨支撐，易造成再次塌陷。因此，開發(fā)一種操作方便的精準(zhǔn)的專門用于清除股骨頭壞死區(qū)和軟骨面塌陷復(fù)位的手術(shù)儀器設(shè)備——股骨頭壞死髓芯清除操作臂，是當(dāng)務(wù)之急。從20世紀(jì)90時年代初期至今，外科手術(shù)機(jī)器人的研制取得了飛躍性的發(fā)展，并已成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點。機(jī)器人輔助外科手術(shù)在減輕醫(yī)生工作強(qiáng)度、減輕患者手術(shù)痛苦、提高手術(shù)效率、縮短術(shù)后痊愈時間、改善手術(shù)療效等等方面有著巨大的發(fā)揮空間。 然而目前世界上用于治療AVNHl的股骨頭壞死髓芯清除和塌陷軟骨面復(fù)位的設(shè)備尚未見報道。因此，開發(fā)一種微創(chuàng)、精準(zhǔn)的專門用于徹底清除股骨頭壞死區(qū)和塌陷軟骨面復(fù)位的手術(shù)設(shè)備，進(jìn)而將外科手術(shù)機(jī)器人進(jìn)一步推廣至股骨頭手術(shù)，具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為股骨頭缺血性壞死的手術(shù)治療提供一種能徹底地清除股骨頭壞死髓芯和精確地對塌陷軟骨面進(jìn)行復(fù)位，從而改善手術(shù)治療效果的股骨頭壞死髓芯清除操作臂。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用如下技術(shù)方案
一種股骨頭壞死髓芯清除操作臂，包括磨削頭、電機(jī)座前部、電機(jī)座后部、驅(qū)動電機(jī)、擺轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)端蓋、兩個同步帶輪、擺動關(guān)節(jié)基座、同步齒形帶、空心套管、帶輪基座前部、擺動手輪、滾珠軸承、帶輪基座后部、把手、轉(zhuǎn)動軸、套筒、擺動軸、擋塊、固定支架和固定螺釘，磨削頭通緊固于驅(qū)動電機(jī)的電機(jī)軸上，驅(qū)動電機(jī)由電機(jī)座前部和電機(jī)座后部包裹密封；磨削頭、 驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)座前部、電機(jī)座后部組成操作臂擺動關(guān)節(jié)前部；電機(jī)座后部為叉耳結(jié)構(gòu)，擺動軸貫穿叉耳兩端；擺動軸兩端與叉耳連接處各開有用于裝入起傳動作用的方形擋塊的方形孔，方形擋塊將擺動軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動關(guān)節(jié)前部的俯仰運動；第一同步帶輪與擺動軸固接；擺動軸通過滾珠軸承支承于擺動端蓋，而擺動端蓋則由螺釘固定于擺動關(guān)節(jié)基座上； 擺動軸兩端安裝有用于安裝防止擺動軸串動的螺母；同步齒形帶的一端安裝在第一同步帶輪上，另一端也裝在第二同步帶輪上，第二同步帶輪固定于轉(zhuǎn)動軸上；轉(zhuǎn)動軸兩端裝有兩個擺動手輪，擺動手輪中心開有孔，轉(zhuǎn)動軸與擺動手輪結(jié)合處開有使轉(zhuǎn)動軸與手輪不能相對轉(zhuǎn)動的平面；轉(zhuǎn)動軸通過滾珠軸承支承于帶輪基座前部和帶輪基座后部形成的安裝孔內(nèi)， 帶輪基座前部和帶輪基座后部直接固定連接；帶輪基座前部與擺動關(guān)節(jié)基座通過空心套管連接；同步齒形帶藏于空心套管內(nèi)部；空心套管套于固定支架的軸套內(nèi)，且能在軸套內(nèi)移動及回轉(zhuǎn)。上述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂中，固定支架通過螺釘固定于患者的股骨側(cè)面上。上述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂中，所述磨削頭通過螺釘緊固于電機(jī)軸上。上述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂中，第一同步帶輪及擺動軸二者由緊定螺釘固接；第二同步帶輪也通過緊定螺釘固定于轉(zhuǎn)動軸上。上述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂中，帶輪基座前部和后部則通過螺釘徑向固定。上述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂中，帶輪基座后部末端套有把手。本發(fā)明的操作臂設(shè)置三個自由度，包括兩個轉(zhuǎn)動和一個移動，在醫(yī)生的操作下運動(其位置可由相應(yīng)的傳感器反饋，本發(fā)明未涉及)。磨削頭安裝在操作臂的末端，在電機(jī)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)以清除股骨頭壞死髓芯，復(fù)位時換上專用頂推頭；磨削頭、電機(jī)、電機(jī)座和擺動軸等構(gòu)成末端擺動關(guān)節(jié)，其擺動由位于把手附近的手輪通過同步帶傳動來驅(qū)動，醫(yī)生通過來回?fù)軇邮州喖纯煽刂圃撽P(guān)節(jié)的俯仰擺動；空心套管套裝于固定支架的軸套內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)及推拉把手即可實現(xiàn)操作臂的繞空心套管軸線的回轉(zhuǎn)和沿該軸線的移動；固定支架通過螺釘?shù)裙潭ㄓ诨颊吖晒莻?cè)面上。本發(fā)明的操作臂能執(zhí)行航股骨頭壞死髓芯清除和塌陷軟骨復(fù)位手術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作方便、成本低、易于推廣和普及等特點。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)占.
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1.自由度少，但能保證手術(shù)所需要到達(dá)的工作空間，動作靈活；
2.兼具股骨頭壞死髓芯清除和塌陷軟骨復(fù)位兩種功能；
3.結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，磨削頭由電機(jī)驅(qū)動，減輕醫(yī)生工作量；而關(guān)節(jié)運動則由醫(yī)生人工操作，能保證手術(shù)的安全性。


圖1是本發(fā)明的外觀圖； 圖2是本發(fā)明的剖面圖3是本發(fā)明的機(jī)構(gòu)簡圖； 圖4為操作臂的工作空間示意圖； 圖5是本發(fā)明的工作示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進(jìn)一步說明但本發(fā)明的實施和保護(hù)不限于此。如圖1、圖2所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，具體包括磨削頭01、電機(jī)座前部02、驅(qū)動電機(jī) 03、電機(jī)座后部04、擺轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)端蓋05、同步帶輪06、擺動關(guān)節(jié)基座07、同步齒形帶08、空心套管09、帶輪基座前部10、擺動手輪11、滾珠軸承12、帶輪基座后部13、把手14、轉(zhuǎn)動軸15、套筒16、擺動軸17、擋塊18、螺母19、固定支架20、固定螺釘21等。各零部件的連接方式為 磨削頭01通過螺釘緊固于電機(jī)軸上，電機(jī)03則由電機(jī)座前部02、電機(jī)座后部04包裹密封， 從而組成操作臂擺動關(guān)節(jié)的前部；電機(jī)座后部04為叉耳結(jié)構(gòu)，擺動軸17貫穿叉耳兩端；擺動軸17兩端與叉耳連接處各開有小平面(裝配后為一方形孔洞)，裝入方形擋塊后即可起傳動鍵的作用，從而將擺動軸17的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動關(guān)節(jié)前部的俯仰運動；同步帶輪06及擺動軸17 二者由緊定螺釘固接；擺動軸17通過滾珠軸承12支承于擺動端蓋05，而擺動端蓋05 則由螺釘固定于擺動關(guān)節(jié)基座07上；擺動軸17兩端開有螺紋，通過螺母19防止擺動軸17 串動；同步齒形帶08另一端也裝有同步帶輪，該同步帶輪也通過緊定螺釘固定于轉(zhuǎn)動軸15 上；轉(zhuǎn)動軸15兩端裝有兩個手輪11，而手輪11中心開有孔，轉(zhuǎn)動軸15與手輪結(jié)合處開有小平面，配合后轉(zhuǎn)動軸15與手輪11即不能相對轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)動軸15通過滾珠軸承12支承于帶輪基座前部10和帶輪基座后部13形成的安裝孔內(nèi)，帶輪基座前部10和后部13則通過螺釘徑向固定；帶輪基座前部10與擺動關(guān)節(jié)基座07通過空心套管09連接，螺紋固定；同步齒形帶08藏于空心套管09內(nèi)部，連接起前后兩個同步帶輪，即往復(fù)撥動手輪即可控制擺動關(guān)節(jié)的俯仰運動；帶輪基座后部13末端套有塑料把手14，便于握持；空心套管09套于固定支架20的軸套內(nèi)，且可在軸套內(nèi)移動及回轉(zhuǎn)；手術(shù)時固定支架20通過螺釘21固定于患者的股骨側(cè)面上。如圖3所示為發(fā)明的機(jī)構(gòu)簡圖。由圖可見該操作臂具有三個自由度(左圖)，包括兩個轉(zhuǎn)動和一個移動，即磨削頭末端俯仰自由度θ ”操作臂相對固定支架的回轉(zhuǎn)自由度θ2， 以及操作臂相對于固定支架的移動自由度Δ 10其工作空間為一半球體加圓柱體所包絡(luò)的封閉空間(如圖4)。如圖5所示為利用本發(fā)明進(jìn)行手術(shù)時的示意圖。手術(shù)前先鉆孔打通手術(shù)入路，將操作臂的固定支架固定于股骨頭側(cè)面上。結(jié)合圖2和圖3，醫(yī)生手握該操作臂把手進(jìn)行推拉和扭轉(zhuǎn)即可分別實現(xiàn)磨削頭相對于固定支架的移動和回轉(zhuǎn)；往復(fù)撥動手輪即可實現(xiàn)磨削頭繞末端擺動軸的俯仰運動。手術(shù)完畢后，將俯仰關(guān)節(jié)伸直，卸掉固定支架螺釘，即可將操作臂取出。換上專用于復(fù)位的頂推頭，該股骨頭壞死髓芯清除操作臂就可以用于塌陷軟骨面的復(fù)位。
權(quán)利要求
1.股骨頭壞死髓芯清除操作臂，其特征在于包括磨削頭、電機(jī)座前部、電機(jī)座后部、驅(qū)動電機(jī)、擺轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)端蓋、兩個同步帶輪、擺動關(guān)節(jié)基座、同步齒形帶、空心套管、帶輪基座前部、擺動手輪、滾珠軸承、帶輪基座后部、把手、轉(zhuǎn)動軸、套筒、擺動軸、擋塊、固定支架和固定螺釘，磨削頭通緊固于驅(qū)動電機(jī)的電機(jī)軸上，驅(qū)動電機(jī)由電機(jī)座前部和電機(jī)座后部包裹密封；磨削頭、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)座前部、電機(jī)座后部組成操作臂擺動關(guān)節(jié)前部；電機(jī)座后部為叉耳結(jié)構(gòu)，擺動軸貫穿叉耳兩端；擺動軸兩端與叉耳連接處各開有用于裝入起傳動作用的方形擋塊的方形孔，方形擋塊將擺動軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動關(guān)節(jié)前部的俯仰運動；第一同步帶輪與擺動軸固接；擺動軸通過滾珠軸承支承于擺動端蓋，而擺動端蓋則由螺釘固定于擺動關(guān)節(jié)基座上；擺動軸兩端安裝有用于安裝防止擺動軸串動的螺母；同步齒形帶的一端安裝在第一同步帶輪上，另一端裝在第二同步帶輪上，第二同步帶輪固定于轉(zhuǎn)動軸上；轉(zhuǎn)動軸兩端裝有兩個擺動手輪，擺動手輪中心開有孔，轉(zhuǎn)動軸與擺動手輪結(jié)合處開有使轉(zhuǎn)動軸與手輪不能相對轉(zhuǎn)動的平面；轉(zhuǎn)動軸通過滾珠軸承支承于帶輪基座前部和帶輪基座后部形成的安裝孔內(nèi)，帶輪基座前部和帶輪基座后部直接固定連接；帶輪基座前部與擺動關(guān)節(jié)基座通過空心套管連接；同步齒形帶藏于空心套管內(nèi)部；空心套管套于固定支架的軸套內(nèi)，且能在軸套內(nèi)移動及回轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂，其特征在于固定支架通過螺釘固定于患者的股骨側(cè)面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂，其特征在于所述磨削頭通過螺釘緊固于電機(jī)軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂，其特征在于第一同步帶輪及擺動軸二者由緊定螺釘固接；第二同步帶輪也通過緊定螺釘固定于轉(zhuǎn)動軸上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂，其特征在于帶輪基座前部和后部則通過螺釘徑向固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的股骨頭壞死髓芯清除操作臂，其特征在于帶輪基座后部末端套有把手。
全文摘要
本發(fā)明公開股骨頭壞死髓芯清除操作臂。該操作臂有三個自由度，包括兩個轉(zhuǎn)動和一個移動，由醫(yī)生操作驅(qū)動，主要包括磨削頭及其驅(qū)動電機(jī)、擺動軸、帶輪、傳動帶、關(guān)節(jié)基座、空心套管、擺動手輪、把手、固定架等。磨削頭安裝在操作臂末端，在電機(jī)驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)以清除作業(yè)；磨削頭、電機(jī)及其安裝殼體構(gòu)成末端擺動關(guān)節(jié)，其擺動由位于把手附近的手輪通過帶傳動來實現(xiàn)；末端擺動關(guān)節(jié)還通過前端的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)繞空心套管軸線的回轉(zhuǎn)和直線移動，從而形成所需要的工作空間。各關(guān)節(jié)的位置均由相應(yīng)的傳感器檢測以計算磨削頭的實際位置和姿態(tài)。該操作臂結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可在醫(yī)生的操作下對股骨頭壞死髓芯進(jìn)行精確的清除和塌陷軟骨復(fù)位。
文檔編號A61B17/56GK102370515SQ20111024294
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者張宏, 張憲民, 朱海飛, 管貽生, 肖志光, 鄭志芳, 金文濤 申請人:華南理工大學(xué)