機器人輔助超聲骨動力系統技術方案

一種機器人輔助超聲骨動力系統，其包括超聲骨動力系統、機器人輔助手術系統和控制器，骨動力系統包括用于將電能轉換為機械能的超聲換能器用于將機械能傳遞至骨骼的超聲骨刀，機器人輔助手術系統包括基座和機械臂，機械臂安裝在基座上，超聲骨動力系統能夠拆卸地連接到機械臂的能夠運動的端部，機械臂用于控制超聲骨動力系統的切割端部的位置、空間角度及施加至待切割的骨骼的力；控制器通信連接到超聲骨動力系統，用于控制超聲骨動力系統的切割功率；其中，控制器根據骨骼的剩余切割厚度、密度、鄰接的組織類型等控制超聲骨動力系統的輸出功率。本實用新型專利技術的機器人輔助超聲骨動力系統提高了骨科手術、特別是微創骨科手術系統的安全性和精確性。

Robot assisted ultrasonic bone dynamic system

【技術實現步驟摘要】
機器人輔助超聲骨動力系統
本技術涉及一種機器人輔助超聲骨動力系統，尤其是通過機器人精確操縱超聲骨動力系統完成骨骼的整形、切割等手術操作，同時也適用于內窺鏡下的采用該裝置完成整形、切割等手術操作。
技術介紹
在骨切割的外科手術中，常常通過超聲骨動力系統進行切割。超聲骨動力系統是通過超聲換能器將電能轉化為機械能，經高頻超聲振動使所接觸骨組織徹底破壞，由于其振動幅值通常為100μm左右，對血管和神經組織等的損傷能力弱，因此在脊柱手術及神經外科手術等應用中具有較高的手術安全性。然而，目前主要單純依賴醫生手動操作超聲骨動力系統來完成骨科、神經外科手術，由于醫生手術操作時不可避免施加大體垂直于骨骼的縱向壓力，但手動操作存在對縱向方向的控制能力差的難題，當超聲骨動力系統切透骨骼時由于醫生縱向施力過大容易引起骨骼下面的神經、脊髓等組織的損傷，存在一定的手術風險。同時，醫生手動操作時由于超聲振動與骨骼的相互作用以及骨骼本身的不規則曲面形狀，在切割時，超聲骨動力系統會存在一定的橫向振動和位移，這導致醫生難以精確地控制超聲骨動力系統，從而導致切割準確性降低。機器人輔助手術系統主要依賴位置傳感器、角度傳感器、力反饋傳感器等傳感技術控制電機實現高精度的反饋控制，可有效解決醫生手動操作存在的控制性差、抖動性問題，提高手術操作的安全性，但傳統的機器人手術系統缺乏有效的骨組織切割工具，難以完成骨科手術特別是骨科微創手術。因此，需要一種集成了超聲骨動力系統和機器人手術系統的機器人輔助超聲骨動力系統。
技術實現思路
r>本技術的一個目的在于提供一種集成了超聲骨動力系統和機器人手術系統的機器人輔助超聲骨動力系統，所述機器人輔助超聲骨動力系統至少能夠部分地解決或減輕以下技術問題中的一個或多個：1)超聲骨動力系統的力反饋問題：目前，骨科手術的骨骼切割操作完全依賴醫生的臨床經驗和手感，這種經驗難以進行有效傳遞，特別是在危險區域如脊柱、神經外科手術時，由于患者骨骼組織的力學特性差異較大，特別是某些鈣化區域硬度較高，而其他區域由于缺鈣可能硬度較小，單獨依賴醫生的經驗施加控制超聲骨動力系統時容易出現施加壓力過大造成超聲刀頭快速穿透骨骼，引起骨骼下方的神經、脊髓等組織損傷，造成醫療事故；2)超聲骨動力系統的切割抖動問題：當采用超聲骨動力系統進行切割時，當醫生操控手柄進行切割骨組織時，由于骨骼的不規則的曲面形狀，超聲系統的振動容易引起超聲刀頭的橫向滑動。在超聲振動與骨骼的相互作用下，超聲骨動力系統存在一定的橫向振動，因而，醫生需要施加較大的力量進行把持防止刀頭的橫向移動，該橫向移動容易增大骨骼切口大小，在一定程度上影響病患部位的力學特性，更容易引起切割部位的橫向損傷；3)傳統的骨科手術機器人缺乏有效的骨組織切割工具，依然采用傳統的骨組織切割工具，導致在切割時需要施加巨大的壓力或旋轉摩擦，因而存在較大的安全隱患，難以順利完成骨科手術、尤其是骨科微創手術，這也導致采用傳統的骨組織切割工具的骨骼手術機器人難以廣泛應用。本技術提供了一種機器人輔助超聲骨動力系統，所述機器人輔助超聲骨動力系統包括：超聲骨動力系統，所述超聲骨動力系統包括：用于將電能轉換為機械能的超聲換能器；和超聲骨刀，所述超聲骨刀用于將所述機械能傳遞至待切割的骨骼；機器人輔助手術系統，所述機器人輔助手術系統包括：基座；機械臂，所述機械臂的固定端部安裝在所述基座上，所述超聲骨動力系統能夠拆卸地連接到所述機械臂的能夠運動的端部，所述機械臂用于控制所述超聲骨動力系統的切割端部的位置、空間角度以及施加至所述待切割的骨骼的力；控制器，所述控制器通信地連接到所述超聲骨動力系統，用于控制所述超聲骨動力系統的輸出功率；其中，所述控制器根據以下公式控制所述超聲骨動力系統的輸出功率P：P＝P0×α其中P0為所述超聲骨動力系統的基準輸出功率，α為功率修正系數并且α小于或等于1，其中α至少部分地由以下參數中的一個或多個確定：1)骨骼的剩余切割厚度，α隨著所述剩余切割厚度的減小而減小；2)骨骼的密度，α隨著所述骨骼的密度的減小而減小；3)骨骼的沿著切割方向的下方的組織類型，所述組織類型至少包括血管組織、脊髓組織和神經組織，其中，用于血管組織的α大于或等于用于所述脊髓組織的α，并且用于所述脊髓組織的α大于或等于用于所述神經組織的α；4)超聲骨刀的切割端部的溫度，α隨著所述溫度的升高而減小；5)正被切割的骨骼的結構類型，所述結構類型至少包括皮質骨和松質骨，其中，用于皮質骨的α大于或等于用于松質骨的α；6)所述超聲骨刀切割進入骨骼的深度，α隨著所述深度的增大而減小。附圖說明以下將結合附圖和具體實施方式，對本技術的技術方案作進一步的詳細描述，其中：圖1是根據本技術的一個實施例的機器人輔助超聲骨動力系統的結構示意圖；圖2是圖1中所示的機器人輔助超聲骨動力系統的局部放大圖，示出了機器人輔助手術系統的機械臂的能夠運動的端部和固定到該端部的超聲骨動力系統；圖3示出了不同的骨骼結構(即皮質骨和松質骨)對超聲骨動力系統造成的頻率偏移大小；圖4示出了歸一化切割功率等級隨剩余骨組織厚度的典型曲線；和圖5示出了本技術的機器人輔助超聲骨動力系統的操作的示意圖。具體實施方式首先，需要說明的是，以下將以示例方式來具體說明本用于輔助骨科手術的裝置的基本結構、特點和優點，然而所有的描述僅是用來進行說明的，而不應將其理解為對本技術形成任何的限制。此外，在本文所提及的各實施例中予以描述或隱含的任意單個技術特征，或者被顯示或隱含在附圖中的任意單個技術特征，仍然可以在這些技術特征(或其等同物)之間繼續進行任意組合或者刪減，從而獲得可能未在本文中直接提及的本技術的更多其他實施例。圖1和圖2示出了根本技術的一個實施例的機器人輔助超聲骨動力系統1。機器人輔助超聲骨動力系統1包括超聲骨動力系統10、機器人輔助手術系統20和控制器(未示出)。所述超聲骨動力系統10包括用于將電能轉換為機械能的超聲換能器(未示出)和用于將所述機械能傳遞至待切割的骨骼的超聲骨刀11。超聲骨動力系統10的結構可以是公知的，例如超聲骨動力系統10可以具有CN109152577A和CN106068104A中所描述的結構。所述機器人輔助手術系統20包括基座21、機械臂22以及顯示器23。機械臂22的固定端部22a安裝在所述基座21上，所述超聲骨動力系統10固定連接到所述機械臂22的能夠運動的端部22b。所述機械臂22用于控制所述超聲骨動力系統10的超聲骨刀11的切割端部11a的位置、空間角度以及施加至待切割的骨骼的力。機器人輔助手術系統20的結構可以是公知的，例如機器人輔助手術系統20可以是關節型機器人系統(例如參見CN109171977A)或直線型機器人系統(例如參見CN109152616A)。機器人輔助手本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述機器人輔助超聲骨動力系統包括：/n超聲骨動力系統，所述超聲骨動力系統包括：/n用于將電能轉換為機械能的超聲換能器；和/n超聲骨刀，所述超聲骨刀用于將所述機械能傳遞至待切割的骨骼；/n機器人輔助手術系統，所述機器人輔助手術系統包括：/n基座；/n機械臂，所述機械臂的固定端部安裝在所述基座上，所述超聲骨動力系統能夠拆卸地連接到所述機械臂的能夠運動的端部，所述機械臂用于控制所述超聲骨動力系統的切割端部的位置、空間角度以及施加至所述待切割的骨骼的力；/n控制器，所述控制器通信地連接到所述超聲骨動力系統，用于控制所述超聲骨動力系統的輸出功率；/n其中，所述控制器根據以下公式控制所述超聲骨動力系統的輸出功率P：/nP＝P0×α/n其中P0為所述超聲骨動力系統的基準輸出功率，α為功率修正系數并且α小于或等于1，其中α至少部分地由以下參數中的一個或多個確定：/n1)骨骼的剩余切割厚度，α隨著所述剩余切割厚度的減小而減小；/n2)骨骼的密度，α隨著所述骨骼的密度的減小而減小；/n3)骨骼的沿著切割方向的下方的組織類型，所述組織類型至少包括血管組織、脊髓組織和神經組織，其中，用于血管組織的α大于或等于用于所述脊髓組織的α，并且用于所述脊髓組織的α大于或等于用于所述神經組織的α；/n4)超聲骨刀的切割端部的溫度，α隨著所述溫度的升高而減小；/n5)正被切割的骨骼的結構類型，所述結構類型至少包括皮質骨和松質骨，其中，用于皮質骨的α大于或等于用于松質骨的α；/n6)所述超聲骨刀切割進入骨骼的深度，α隨著所述深度的增大而減小。/n...

【技術特征摘要】
1.一種機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述機器人輔助超聲骨動力系統包括：
超聲骨動力系統，所述超聲骨動力系統包括：
用于將電能轉換為機械能的超聲換能器；和
超聲骨刀，所述超聲骨刀用于將所述機械能傳遞至待切割的骨骼；
機器人輔助手術系統，所述機器人輔助手術系統包括：
基座；
機械臂，所述機械臂的固定端部安裝在所述基座上，所述超聲骨動力系統能夠拆卸地連接到所述機械臂的能夠運動的端部，所述機械臂用于控制所述超聲骨動力系統的切割端部的位置、空間角度以及施加至所述待切割的骨骼的力；
控制器，所述控制器通信地連接到所述超聲骨動力系統，用于控制所述超聲骨動力系統的輸出功率；
其中，所述控制器根據以下公式控制所述超聲骨動力系統的輸出功率P：
P＝P0×α
其中P0為所述超聲骨動力系統的基準輸出功率，α為功率修正系數并且α小于或等于1，其中α至少部分地由以下參數中的一個或多個確定：
1)骨骼的剩余切割厚度，α隨著所述剩余切割厚度的減小而減小；
2)骨骼的密度，α隨著所述骨骼的密度的減小而減小；
3)骨骼的沿著切割方向的下方的組織類型，所述組織類型至少包括血管組織、脊髓組織和神經組織，其中，用于血管組織的α大于或等于用于所述脊髓組織的α，并且用于所述脊髓組織的α大于或等于用于所述神經組織的α；
4)超聲骨刀的切割端部的溫度，α隨著所述溫度的升高而減小；
5)正被切割的骨骼的結構類型，所述結構類型至少包括皮質骨和松質骨，其中，用于皮質骨的α大于或等于用于松質骨的α；
6)所述超聲骨刀切割進入骨骼的深度，α隨著所述深度的增大而減小。


2.根據權利要求1所述的機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述α還由所述超聲骨刀的切割端部的形狀和/或所述超聲骨刀是否有冷卻結構決定，其中，相同切割功率下切割速度越快的切割端部形狀，α越小；并且其中，用于有冷卻結構的超聲骨刀的α大于沒有冷卻結構的超聲骨刀的α。


3.根據權利要求1所述的機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述控制器還通信地連接到所述機器人輔助手術系統，用于控制所述機械臂施加給所述超聲骨刀的位置、空間角度以及力。


4.根據權利要求1所述的機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述超聲骨動力系統包括溫度傳感器，用于檢測所述切割端部的溫度并將表示所述溫度的信號發送到所述控制器。


5.根據權利要求1所述的機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述超聲骨動力系統和/或所述機器人輔助手術系統包括力傳感器，用于檢測所述超聲骨刀的切割端部施加至骨骼的力并將表示所述力的信號發送到所述控制器。


6.根據權利要求3所述的機器人輔助超聲骨動力系統，其特征在于，所述控制器根據以下公式控制所述機械臂施加給所述超聲骨刀的切割端部的大體沿著切割方向的力F：
F＝F0×β

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹群，戰松濤，胡曉明，
申請(專利權)人：北京水木天蓬醫療技術有限公司，
類型：新型
國別省市：北京;11