[发明专利]骨质磨削机器人、椎板磨削手术机器人控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及椎板磨削手术设备，尤其涉及一种骨质磨削机器人、椎板磨削手术机器人控制系统及方法。

背景技术

椎板减压手术通过扩大空间来释放被压迫的脊神经，恢复其功能，已广泛应用于治疗患有腰间盘突出和腰椎管狭窄症的患者。椎板减压手术成功的关键在于如何保证合适的椎板剩余量。过小的椎板剩余量可能会破坏椎管中的脊神经，而过大又无法达到脊神经减压的效果。术中，医生需要长时间在狭小的空间内完成多个手术操作，所以一般的医生难以实现。而且，由于椎板的特殊位置，所以椎板减压手术对手术的精度、安全性要求非常高。椎板减压手术一直被认为是高风险骨科手术之一。

随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种计算机辅助医疗技术和设备正在医学领域中得到越来越广泛的应用。相比于医生手工操作，计算机辅助手术系统在某些方面具有极大的优势。机器人高精确的定位可以改善过去医生单凭主观判断和手术经验来完成手术操作的状况。机器人代替医生进行手术可以避免外科医生长时间手术而带来的疲劳，以及可能造成外科医生手臂颤动。而且机器人还具有稳定高性、不怕辐射和感染等特点。使用高精度的计算机辅助手术系统进行脊椎磨削操作可以有效地避免因医生操作疲劳而造成手术失败，从而提高手术的精度和降低手术风险

现有技术中，中国专利201010557067.7中提出一种六自由度颈椎骨磨削并联机器人，采用六自由度的并联机器人完成人工颈椎间盘置换手术中假体和骨配合面的定位和磨削操作，但是该系统结构复杂，并联机械臂刚度不足，误差较大。国外专利中，专利US2002/0038118中所涉及到的一种并联导向装置及其计算机辅助定位系统，起导向定位装置体积较小，能够固定在患者脊柱上，但该装置只具备导向作用，无法自主进行手术操作，从而限制了其临床应用。现有的手术机器人控制方法多种多样，如中国专利201010577915.0一种椎板减压脊柱手术机械臂，它由连接固定机构、伸缩机构、刀具旋转机构、导向保护托、环形水幕机构等组成，该构型机械臂能自动适应椎板下表面凸凹变化直接进行椎板全厚度切除，但这是一种半自动化的切除方式，缺乏自动化控制能力。

由此可见，现有的椎板磨削手术设备普遍存在系统复杂、手术精度低、缺乏自动控制性能，使得医生的工作强度较高，同时，骨钻在骨质内的磨削位置难以确定，因而无法保证手术的准确性和安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可简化系统结构、可简化运算处理过程、可判断磨削深度，进而提高手术精度，降低医生的工作强度，并提高手术准确性与安全性的骨质磨削机器人、椎板磨削手术机器人控制系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种骨质磨削机器人，其包括有：一骨钻，用于磨削病灶骨质；一机械臂，用于驱使骨钻运动；一多维力传感器，用于采集骨钻磨削病灶骨质时所产生的作用力；一机器人控制器，所述骨钻、机械臂和多维力传感器分别电性连接于机器人控制器，其中：所述机器人控制器用于将多维力传感器采集的作用力分解为沿病灶骨质切面的切向力和沿骨钻轴心的轴向力，以及用于控制机械臂的运动姿态，以令所述切向力保持在预设值，并根据轴向力的力值得出骨钻对病灶骨质的磨削深度位置。

优选地，所述机器人控制器包括力学处理单元和模糊控制器，所述力学处理单元用于将多维力传感器采集的作用力分解为沿病灶骨质切面的切向力和沿骨钻轴心的轴向力；所述模糊控制器用于将力学处理单元分解得出的切向力进行模糊运算，根据运算结果实时调整机械臂的运动姿态，以令所述切向力保持在预设值。

优选地，所述多维力传感器为六维力传感器。

优选地，还包括有一浮动支架，所述机械臂设于浮动支架上，所述浮动支架对所述机械臂进行定位和支撑。

一种椎板磨削手术机器人控制系统，其包括有：骨质磨削机器人；一手术床，设于所述机械臂下方；一扫描装置，用于对人体脊柱进行扫描而获得CT影像，以呈现人体脊柱上的病灶骨质；一靶点定位装置，用于采集骨钻和病灶骨质的空间位置信息；一图像导航控制器，所述骨质磨削机器人、扫描装置和红外光学定位仪分别电性连接于图像导航控制器，所述图像导航控制器用于接收所述CT影像和空间位置信息，以及生成磨削路径信息并发送至所述骨质磨削机器人，所述骨质磨削机器人按照该磨削路径信息而磨削椎板。

优选地，所述扫描装置为C形臂。

优选地，所述靶点定位装置为红外线定位仪。