一種能實現(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂的制作方法
【專利摘要】一種能夠?qū)崿F(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂。該手術(shù)機器人半剛性智能器械臂是在手術(shù)動力工具的加持部位之前加裝一個半剛性懸臂機構(gòu)（一種圓弧切口結(jié)構(gòu)），在半剛性懸臂機構(gòu)和手術(shù)動力工具的加持部位之間粘附一個振動傳感器，振動傳感器的輸出信號送入器械臂的運動控制器，由控制器對振動傳感器的輸出信號進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷手術(shù)動力工具中的刀具在兩層皮質(zhì)骨中切削的狀態(tài)。本發(fā)明能夠?qū)崟r測量骨組織磨削過程中的振動信號，根據(jù)信號就能夠識別刀具與骨組織相對接觸位置的變化，從而提高機器人輔助骨外科手術(shù)的安全性，靈敏度較高。
【專利說明】一種能實現(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)機器人半剛性智能器械臂。

【背景技術(shù)】
[0002]骨外科手術(shù)中醫(yī)生常用手術(shù)動力工具暴露或切除病變部位，手術(shù)動力工具通過輸出可控的機械動能，驅(qū)動銑刀、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，因此動力工具的靈活運用必須依靠醫(yī)生長期體會和經(jīng)驗積累。很多骨外科手術(shù)的工作空間都比較狹小，病人個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。
[0003]手術(shù)機器人的出現(xiàn)為解決上述問題提供了可能。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)嘗試將狀態(tài)監(jiān)測方法用于骨外科手術(shù)機器人中:通過安裝在機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，如果遇到危險狀態(tài)就及時改變切削骨質(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)動力工具作為一個機械動能的輸出設(shè)備，不僅通過高速轉(zhuǎn)動的刀具來切削骨組織，還是一個振動的激勵源，不同的組織在這個激勵下呈現(xiàn)出不同的特征，因此可以通過檢測振動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采集手術(shù)動力工具的振動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】

[0004]本發(fā)明目的是解決手術(shù)機器人在進行鉆磨作業(yè)時的安全監(jiān)控問題，提供一種手術(shù)機器人半剛性智能器械臂，以便根據(jù)測量的手術(shù)動力工具的振動信號檢測刀具與組織的相對位置關(guān)系，并在出現(xiàn)危險狀態(tài)時及時停止鉆進，避免損傷重要器官。
[0005]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)機器人半剛性智能器械臂，是在手術(shù)機器人本體與手術(shù)動力工具的加持部位之間加裝一個半剛性懸臂機構(gòu)，在半剛性懸臂機構(gòu)和手術(shù)動力工具的加持部位之間粘附一個振動傳感器，振動傳感器的輸出信號送入器械臂的運動控制器，由運動控制器對振動傳感器的輸出信號進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷手術(shù)動力工具中的刀具在兩層皮質(zhì)骨中切削的狀態(tài)。器械臂的運動控制器是指用于驅(qū)動器械臂各關(guān)節(jié)按照指令運動的硬件電路(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)(通常為嵌入式實時操作系統(tǒng))。
[0006]所述的半剛性懸臂機構(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A，在長方體本體的上下表面各開有一個凹槽，該凹槽截面的兩端為半徑A的圓弧，中間為直線。
[0007]所述長方體本體中長條通孔的長度L ^ 50mm,深度W ^ 50mm,長方體本體的高度其中，久為長條通孔與上下凹槽之間的壁厚，且&/3彡久彡&/2。
[0008]所述的由器械臂的運動控制器對振動傳感器的輸出信號進行快速傅里葉變換處理是，提取/，2/，3/處的傅里葉系數(shù)次，為和4，并計算J=其中，/為手術(shù)動力工具主軸頻率；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)生的振動信號會有所不同，皮質(zhì)骨J值較大，松質(zhì)骨^值較小，在出現(xiàn)危險狀態(tài)時及時控制機器人停止刀具的進給，避免損傷重要組織。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果:
本發(fā)明能夠?qū)崟r測量骨組織磨削過程中的振動信號，根據(jù)信號就能夠識別刀具與骨組織相對接觸位置的變化，從而提高機器人輔助骨外科手術(shù)的安全性，靈敏度較高。
[0010]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是手術(shù)機器人半剛性智能器械臂整體結(jié)構(gòu)及振動傳感器的固定位置示意圖。
[0012]圖2是半剛性懸臂機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0013]實施例1:
本發(fā)明采用如圖1所示的方法測量手術(shù)動力工具工作過程中的振動信號，通過對振動信號進行分析實現(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控。圖中I是手術(shù)動力工具，2是手術(shù)動力工具上安裝的切削刀具，包括銑刀和鉆頭，3是高靈敏度振動傳感器，4是與手術(shù)機器人本體的接口，5是半剛性懸臂機構(gòu)。振動傳感器3粘附在半剛性懸臂機構(gòu)5和手術(shù)動力工具的加持部位之間。
[0014]半剛性懸臂機構(gòu)如圖2所示，它是一種圓弧切口結(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&，在長方體本體的上下表面各開有一個凹槽，該凹槽截面的兩端為半徑TP1的圓弧，中間為直線。該半剛性懸臂機構(gòu)受力彎曲時會產(chǎn)生有限角位移，能夠在受到切削振動影響時產(chǎn)生微小位移，所用的材料為彈簧鋼。對于半剛性懸臂機構(gòu)，存在長方體本體高度D2為長條通孔與上下凹槽之間的壁厚，為保證機械臂有足夠的剛度，仏^ 50mm ;為保證半剛性懸臂能夠產(chǎn)生被傳感器檢測出的變形量，A/3 <久<&/2。半剛性懸臂機構(gòu)中長條通孔的長度L ^ 50mm,深度 W ^ 50mm。
[0015]傅里葉變換處理
設(shè)/為手術(shù)動力工具主軸頻率，由器械臂的運動控制器實時采集并分析振動傳感器3輸出的信號，通過對該信號進行分析完成以下任務(wù):
對信號進行快速傅里葉變換，提取/，2/，3/處的傅里葉系數(shù)次，為和4，并計算J=A1A^骨是一種具有獨特結(jié)構(gòu)的高密度結(jié)締組織，所有的骨骼都具有外在堅硬的皮質(zhì)骨和內(nèi)在疏松的松質(zhì)骨。當(dāng)?shù)毒叽┰接捕炔煌琴|(zhì)產(chǎn)生的振動信號會有所不同，皮質(zhì)骨^值較大，松質(zhì)骨^值較小。經(jīng)數(shù)值仿真分析，皮質(zhì)骨^值約為松質(zhì)骨^值的6倍以上。根據(jù)J值的變化情況可以檢測骨質(zhì)被磨穿前的臨界狀態(tài)，并在出現(xiàn)危險狀態(tài)時及時控制機器人停止刀具的進給運動，避免損傷重要組織。
【權(quán)利要求】
1.一種能夠?qū)崿F(xiàn)鉆磨狀態(tài)監(jiān)控的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂，其特征在于該結(jié)構(gòu)是在手術(shù)動力工具的加持部位之前安裝一個半剛性懸臂機構(gòu)，在半剛性懸臂機構(gòu)和手術(shù)動力工具的加持部位之間粘附一個振動傳感器，振動傳感器的輸出信號送入器械臂的運動控制器，由運動控制器對振動傳感器的輸出信號進行快速傅里葉變換處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷手術(shù)動力工具中的刀具與骨骼的相對位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂，其特征在于所述的半剛性懸臂機構(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&，在長方體本體的上下表面各開有一個凹槽，該凹槽截面的兩端為半徑M的圓弧，中間為直線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂，其特征在于所述長方體本體中長條通孔的長度Z彡50mm，深度/f彡50mm，長方體本體的高度仏=4/^+2/^，其中，D2為長條通孔與上下凹槽之間的壁厚，且M/3彡久彡&/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的手術(shù)機器人半剛性智能器械臂，其特征在于所述的由器械臂的運動控制器對振動傳感器的輸出信號進行快速傅里葉變換處理，提取/，2/，3/處的傅里葉系數(shù)次，為和義，并計算J= 其中，/為手術(shù)動力工具主軸頻率；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)生的振動信號會有所不同，皮質(zhì)骨^值較大，松質(zhì)骨^值較小，在出現(xiàn)危險狀態(tài)時及時控制機器人停止刀具的進給，避免損傷重要組織。
【文檔編號】A61B19/00GK104287836SQ201410574026
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】代煜, 雪原, 張建勛 申請人:南開大學(xué)