一种用于切除脊柱椎板的机器人制造技术

本申请提供了一种用于切除人体脊柱椎板的机器人，机器人包括机械臂，机械臂的末端有操作器，机器人用于执行以下步骤：获取脊柱椎板的静态基准平面，脊柱椎板包括：外层骨皮质、内层骨皮质、以及位于外层骨皮质和内层骨皮质之间的骨松质，静态基准平面用于指示内层骨皮质远离外层骨皮质一侧的表面；获取脊柱椎板的动态偏移量，动态偏移量用于指示由于人的呼吸运动产生的脊柱偏移；根据静态基准平面和动态偏移量确定脊柱椎板的动态基准平面；获取操作器上的作用力；基于动态基准平面和作用力确定操作器的目标速度；机械臂以目标速度运动。本申请提供的机器人，可以充分发挥医生和机器人各自的优势，精准进行脊柱板切除手术。精准进行脊柱板切除手术。精准进行脊柱板切除手术。

【技术实现步骤摘要】
一种用于切除脊柱椎板的机器人


[0001]本申请属于医疗器械
，尤其涉及一种用于切除脊柱椎板的机器人。

技术介绍

[0002]医生长时间手持器械对脊柱椎板进行切除时，容易产生疲劳，造成手部抖动、精力下降。并且，一般情况下，病变组织的形态组织的形态结构于正常骨组织可能存在差异性，缺少额外辅助性提示对医生空间抽象思维是一个巨大挑战。
[0003]虽然，手术自主机器人具有高精度、高可靠性、容易交互、无疲劳等特点，手术机器人逐渐被应用于临床，常用于辅助解决上述问题。但是，由于椎板是存在于3D图像空间中的自由曲面，存在术前规划难的问题，因此，执行预定轨迹和指令的自主机器人也并不适合进行复杂的脊柱椎板切除手术。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供了一种用于切除脊柱椎板的机器人，该机器人可以充分发挥医生和机器人各自的优势，在医生和机器人的共同作用下精准进行脊柱板切除手术。
[0005]第一方面，提供了一种用于切除人体脊柱椎板的机器人，机器人包括机械臂，机械臂的末端有操作器，机器人用于执行以下步骤：获取脊柱椎板的静态基准平面，脊柱椎板包括：外层骨皮质、内层骨皮质、以及位于外层骨皮质和内层骨皮质之间的骨松质，静态基准平面用于指示内层骨皮质远离外层骨皮质一侧的表面；获取脊柱椎板的动态偏移量，动态偏移量用于指示由于人的呼吸运动产生的脊柱偏移；根据静态基准平面和动态偏移量确定脊柱椎板的动态基准平面；获取作用在操作器上的作用力；基于动态基准平面和作用力确定操作器的目标速度；机械臂以目标速度运动。<br/>[0006]第一方面提供的机器人，该机器人用于获取脊柱椎板的静态基准平面和人在进行呼吸运动时产生的脊柱动态偏移量。以静态基准平面为基准，结合脊柱偏移量可以确定基准椎板的动态基准平面。然后，根据动态基准平面和作用在操作器上的作用力共同确定出操作器的目标速度，最后该机械臂以目标速度运动从而带动操作器进行脊柱椎板的铣削。该机器人结合了用户的作用力和动态基准平面共同输出了操作器的目标速度，从而可以精准控制操作器在铣削时的切削余量。
[0007]可选的，机器人还执行以下步骤：基于动态基准平面和操作器的位置确定导纳参数；基于动态基准平面和作用力确定操作器的目标速度，包括：利用如下导纳公式确定操作器的目标速度：
[0008][0009]其中，M表示惯性参数；表示加速度；表示目标速度；F
H
表示作用力；g(n
p
,a,s)表示导纳参数；导纳参数中的n
p
表示操作器在t时刻相对于动态基准平面的法向量方向，导纳参数中的a表示操作器在t时刻距动态基准平面的最短距离，s表示操作器位于脊柱椎
板中的位置。在该种实现方式中，机器人利用基准平面和操作器的位置确定时变的导纳参数，根据时变的导纳参数和用户的作用力可以确定实时速度。
[0010]可选的，机器人还执行以下步骤：确定操作器位于脊柱椎板中的位置；当操作器位于内层骨皮质时，利用如下公式确定导纳参数：
[0011][0012]其中：f(a)表示操作器离距动态基准平面的函数；n
p
表示操作器在t时刻相对于动态基准平面的法向量方向；D0表示初始阻尼矩阵。在该种实现方式中，机器人首先确定操作器位于脊柱椎板中的位置，当操作器位于内层骨皮质进行铣削时，在平行于法线方向上的速度乘以一个与最短距离a有关的函数f(a)，使其对法线方向的运动有一定的阻碍作用，避免操作器械穿透内层骨皮质。
[0013]可选的，机器人还执行以下步骤：确定操作器位于脊柱椎板中的位置；当操作器位于外层骨皮质或者松质皮时，利用如下公式确定导纳参数：
[0014]g(n
p
,a,s)＝D0[0015]其中：D0表示初始阻尼矩阵。在该种实现方式中，机器人首先确定操作器位于脊柱椎板中的位置，当操作器位于外层骨皮质或者松皮质时，说明操作器还有足够的铣削余量，因此，可以根据预设的导纳参数和作用力确定机器人的速度。
[0016]可选的，当a小于预设第一阈值时，
[0017][0018]当a大于或者等于所述预设第一阈值时，f(a)＝1。该种实现方式中，当a小于预设第一阈值时，f(a)急剧增大，使得导纳控制的阻尼参数变大，在相同的作用力下，机器人的运动速度大大降低，从而阻止了操作器穿透内层皮质骨。当a大于或者等于第一阈值时，说明操作器还有足够的铣削余量，因此，可以根据预设的导纳参数和作用力确定机器人的速度。
[0019]可选的，机器人还执行以下步骤：根据动态偏移量和时间的关系，确定脊柱运动预测模型；根据静态基准平面和脊柱运动预测模型确定动态基准平面。该种实现方式中，机器人根据人的一个周期的脊柱动态偏移量和时间的关系可以确定脊柱运动预测模型，该脊柱运动预测模型提供时间和偏移量的动态关系，结合静态基准平面可以确定动态基准平面。
[0020]可选的，机器人还执行以下步骤：获取脊柱椎板的图像；根据脊柱推板的图像确定静态约束面。该种实现方式中，机器人首先获取到脊柱椎板的图像，通过该图像确定静态约束面。
[0021]可选的，机器人还执行以下步骤：基于术中操作器的力信号和时间的关系，确定操作器位于脊柱椎板中的位置。在该种实现方式中，机器人可以根据手术过程中操作器铣削脊柱椎板产生的作用力，确定操作器铣削脊柱椎板的具体位置。
[0022]本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
[0023]本申请提供的机器人，包括机器人包括机械臂，机械臂的末端有操作器，该机器人用于获取脊柱椎板的静态基准平面和人在进行呼吸运动时产生的脊柱动态偏移量。以静态基准平面为基准，结合脊柱偏移量可以确定基准椎板的动态基准平面。然后，根据动态基准
平面和作用在操作器上的作用力共同确定出操作器的目标速度，最后该机械臂以目标速度运动从而带动操作器进行脊柱椎板的铣削。该机器人结合了用户的作用力和动态基准平面共同输出了操作器的目标速度，从而可以精准控制操作器在铣削时的切削余量。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1是本申请实施例提供的机器人所执行的处理步骤的示意性流程图；
[0026]图2是本申请实施例提供的脊柱椎板的CT图像中的静态基准平面示意图；
[0027]图3是本申请实施例提供的机器人建立脊柱运动预测模型的示意性流程图；
[0028]图4是本申请实施例提供的预测模型和实际采集的偏移量的拟合图；
[0029]图5是本申请实施例提供的铣削过程中力信号随着时间的变化过程。
具体实施方式
[0030]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于切除人体脊柱椎板的机器人，所述机器人包括机械臂，所述机械臂的末端有操作器，其特征在于，所述机器人用于执行以下步骤：获取脊柱椎板的静态基准平面，所述脊柱椎板包括：外层骨皮质、内层骨皮质、以及位于所述外层骨皮质和所述内层骨皮质之间的骨松质，所述静态基准平面用于指示所述内层骨皮质远离所述外层骨皮质一侧的表面；获取所述脊柱椎板的动态偏移量，所述动态偏移量用于指示由于人的呼吸运动产生的脊柱偏移；根据所述静态基准平面和所述动态偏移量确定所述脊柱椎板的动态基准平面；获取所述操作器上的作用力；基于所述动态基准平面和所述作用力确定所述操作器的目标速度；所述机械臂以所述目标速度运动。2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机器人还执行以下步骤：基于所述动态基准平面和所述操作器的位置确定导纳参数；利用如下导纳公式确定所述操作器的目标速度：其中，M表示惯性参数；表示加速度；表示所述目标速度；F
H
表示所述作用力；g(n
p
,a,s)表示所述导纳参数；n
p
表示所述操作器在t时刻相对于所述动态基准平面的法向量方向，a表示所述操作器在t时刻距所述动态基准平面的最短距离，s表示所述操作器位于所述脊柱椎板中的位置。3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述机器人还执行以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐晓志，田伟，余姬洁，胡颖，刘亚军，韩晓光，李猛，张琦，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：