一种髓内钉的自主入钉装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种髓内钉的自主入钉装置及方法，装置包括：手术操作控制平台、手术可视化模块、深度相机、磁定位模块、计算单元、驱动单元和机械臂模块；方法包括如下步骤：步骤1、执行主钉的预入钉过程，实现期望入钉位姿的自主匹配；步骤2、主钉位置确定后，进行头钉的入钉过程，实现髓内钉的自主插入和调整。本发明专利技术不依赖于医生的纯手工操作，借助磁定位技术和自主入钉装置，实现髓内钉植入手术的精准化和自动化，降低了手术的难度、简化了手术的步骤，使手术结果更理想。使手术结果更理想。使手术结果更理想。

【技术实现步骤摘要】
一种髓内钉的自主入钉装置及方法


[0001]本专利技术涉及手术导航
，尤其是一种髓内钉的自主入钉装置及方法。

技术介绍

[0002]髓内钉植入作为一种外科手术常见金属植入物，在解决骨折特别是长骨骨折方面发挥出不可比拟的优势。髓内钉的植入主要通过植入手术来完成，手术有助于骨折部位的前期恢复，防止二次损伤。
[0003]髓内钉植入手术主要分为术前髓内钉位置匹配，术前规划以及手术过程三部分：在术前位置匹配阶段，通常需要获取病人骨折部位的影像数据(如CT)，医师根据这些病人的影像数据进行综合研判：首先评估骨折程度，然后根据骨内皮质具体情况大致确定头钉和主钉的理想位置；在术前规划阶段，基于头钉和主钉的位置，利用3D打印的骨模型进行多次手工实验，熟悉手术过程并最终确定最优的入钉深度和位置；最后在具体手术过程中，医生需手工控制入钉的深度和角度，然后对植入钉的位置进行粗调和细调，然而对植入钉进行细调时会出现类似于深度过深、角度有略微偏差等不可避免的情况，而在进行该手术时应尽量减少该情况的发生，所以该手术对医生的操作熟练度要求较高，往往极度依赖主刀医师的经验。因此传统的髓内钉植入手术过程并不能达到期望的精度和理想的效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种髓内钉的自主入钉装置及方法，不依赖于医生的纯手工操作，借助磁定位技术和自主入钉装置，实现髓内钉植入手术的精准化和自动化。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种髓内钉的自主入钉装置，包括：手术操作控制平台、手术可视化模块、深度相机、磁定位模块、计算单元、驱动单元和机械臂模块；定义若干手术关键位置，根据关键位置得出相应参数送至手术操作控制平台，深度相机获取机械臂及手术台相关位置数据送至手术操作控制平台，手术操作控制平台处理数据后下发相应控制信号计算单元，计算单元分析并处理数据提供运动轨迹给驱动单元，经驱动单元部署后，机械臂模块协同运动实现具体手术操作，磁定位模块将实时采集到的医疗器械位姿信息送至手术可视化模块，手术可视化模块处理实时信息后实现手术过程的可视化。
[0006]优选的，磁定位模块包括电磁发生器和电磁定位附件，电磁发生器持续生成电磁感应磁场，电磁定位附件嵌入医疗器械中，电磁定位附件接触到该静态电磁感应磁场后实时返回其位置信息和姿态信息。
[0007]优选的，机械臂模块包括机械联动模块和末端指定模块；机械联动模块为六自由度，由三个空间移动单元和一个旋转单元组成，每个空间移动单元包括一个机械关节，分别实现在空间x,y,z轴三个方向的平移操作，旋转单元由三个耦合在一起的机械关节组成，实现在空间x,y,z轴三个方向的旋转操作；末端指定模块由可拆卸的医疗器械组成，根据手术需求更换手术器械，满足不同手术阶段的器械需求。
[0008]相应的，一种髓内钉的自主入钉方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1、执行主钉的预入钉过程，实现期望入钉位姿的自主匹配；
[0010]步骤2、主钉位置确定后，进行头钉的入钉过程，实现髓内钉的自主插入和调整。
[0011]优选的，步骤1中，执行主钉的预入钉过程具体包括如下步骤：
[0012]步骤11、将经过配准后的骨模型和医疗器械模型导入手术操作控制平台，求出虚拟环境中模型{V}和实际部位{G}的转换矩阵然后在虚拟环境中定义主钉/头钉主轴的入钉位姿，手术操作控制平台将其转化为矢量
V
P＝{x
fin
,y
fin
,z
fin
}
V
，经转换后得出实际操作中医疗器械期望入钉位点矢量，此时末态
T
P＝
G
P；
[0013]步骤12、深度相机采集空间任意一点，返回其在腕部坐标系{W}、基部坐标系{B}、工具端坐标系{T}以及工作台坐标系{S}各坐标系下的坐标{x
p
,y
p
,z
p
}至手术操作控制平台，得出在各坐标系下的矢量
B
P,
W
P,
T
P,
S
P；
[0014]步骤13、计算单元获取原矢量后，通过计算得出相应转换矩阵并进一步求解初态位姿
[0015]步骤14、工作台坐标系{S}基于基部坐标系{B}定义，工具端坐标系{T}基于腕部坐标系{T}定义，鉴于其转换矩阵具有不变性，利用其不变性，通过期望矢量和各坐标系间的位姿关系求解末态位姿
[0016]步骤15、以初态位姿和末态位姿作为输入，计算单元通过逆运动学即可得出初态和末态时各机械关节角度{θ
init1
‑
θ
init6
}与{θ
fin1
‑
θ
fin6
}
[0017]步骤16、以各机械关节初态和末态角度为输入，为了使各机械关节的运动尽量平滑，分别对关节角施加四个限制条件：
①
0时刻关节角为初态角度；
②
t
fin
时刻关节角为末态角度；
③
0时刻关节角速度为0；
④
t
fin
时刻关节角速度为0，计算单元在限制条件下生成每个机械关节角的三次多项式即轨迹曲线，经驱动单元部署后，工具端即医疗器械端自动调整其位姿至目标位置。
[0018]优选的，步骤2中，主钉位置确定后，进行头钉的入钉过程具体包括如下步骤：
[0019]步骤21、由配准后的骨模型导出主钉期望入钉深度d
m
‑
exp
和入钉期望矢量
G
Q
m
，计算单元将期望矢量
G
Q
m
和预入钉末态矢量
G
P
m
作为输入联合求解其位姿：预入钉末态位姿已知，利用矢量间转换关系获取初始入钉位姿，然后计算单元将两位姿作为输入即可求解机械臂运动轨迹，最后完成初始入钉；
[0020]步骤22、初始入钉结束后，由磁定位模块导出实际入钉深度d
m
‑
r
，按照实际入钉深度d
m
‑
r
和期望入钉深度d
m
‑
exp
的差值Δd
m
进行主钉入钉深度上的微调；
[0021]步骤23、由配准后的骨模型导出主钉实际位置的角度α
m
‑
r
与理想位置的角度α
m
‑
exp
，根据其角度差Δα
m
，进行角度上的微调；
[0022]步骤24、由配准后的骨模型导出头钉期望入钉深度d
h
‑
exp
和入钉期望矢量
G
Q
h
，计算单元根据期望矢量
G
Q
h...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种髓内钉的自主入钉装置，其特征在于，包括：手术操作控制平台、手术可视化模块、深度相机、磁定位模块、计算单元、驱动单元和机械臂模块；定义若干手术关键位置，根据关键位置得出相应参数送至手术操作控制平台，深度相机获取机械臂及手术台相关位置数据送至手术操作控制平台，手术操作控制平台处理数据后下发相应控制信号计算单元，计算单元分析并处理数据提供运动轨迹给驱动单元，经驱动单元部署后，机械臂模块协同运动实现具体手术操作，磁定位模块将实时采集到的医疗器械位姿信息送至手术可视化模块，手术可视化模块处理实时信息后实现手术过程的可视化。2.如权利要求1所述的髓内钉的自主入钉装置，其特征在于，磁定位模块包括电磁发生器和电磁定位附件，电磁发生器持续生成电磁感应磁场，电磁定位附件嵌入医疗器械中，电磁定位附件接触到该静态电磁感应磁场后实时返回其位置信息和姿态信息。3.如权利要求1所述的髓内钉的自主入钉装置，其特征在于，机械臂模块包括机械联动模块和末端指定模块；机械联动模块为六自由度，由三个空间移动单元和一个旋转单元组成，每个空间移动单元包括一个机械关节，分别实现在空间x,y,z轴三个方向的平移操作，旋转单元由三个耦合在一起的机械关节组成，实现在空间x,y,z轴三个方向的旋转操作；末端指定模块由可拆卸的医疗器械组成，根据手术需求更换手术器械，满足不同手术阶段的器械需求。4.一种如权利要求1所述的髓内钉的自主入钉装置的入钉方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、执行主钉的预入钉过程，实现期望入钉位姿的自主匹配；步骤2、主钉位置确定后，进行头钉的入钉过程，实现髓内钉的自主插入和调整。5.如权利要求4所述的髓内钉的自主入钉方法，其特征在于，步骤1中，执行主钉的预入钉过程具体包括如下步骤：步骤11、将经过配准后的骨模型和医疗器械模型导入手术操作控制平台，求出虚拟环境中模型{V}和实际部位{G}的转换矩阵然后在虚拟环境中定义主钉/头钉主轴的入钉位姿，手术操作控制平台将其转化为矢量
V
P＝{x
fin
,y
fin
,z
fin
}
V
，经转换后得出实际操作中医疗器械期望入钉位点矢量，此时末态
T
P＝
G
P；步骤12、深度相机采集空间任意一点，返回其在腕部坐标系{W}、基部坐标系{B}、工具端坐标系{T}以及工作台坐标系{S}各坐标系下的坐标{x
p
,y
p
,z
p
}至手术操作控制平台，得出在各坐标系下的矢量
B
P,
W
P,
T
P,
S
P；步骤13、计算单元获取原矢量后，通过计算得出相应转换矩阵并进一步求解初态位姿步骤14、工作台坐标系{S}基于基部坐标系{B}定义，工具端坐标系{T}基于腕部坐标系{T}定义，鉴于其转换矩阵具有不变性，利用其不变性，通过期望矢量和各坐标系间的位姿关系求解末态位姿步骤15、以初态位姿和末态位姿作为输入，计算单元通过逆运动学即可得出初态和末态时各机械关节角度{θ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芳，杜庆节，张道强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：