本實用新型屬于醫療器械領域，尤其涉及一種智能骨科手術系統。

背景技術：

隨著交通運輸業的不斷發展，交通事故的發生也不斷攀升，創傷已經成為全球的主要死因。骨科手術，種類復雜多變，雖然目前市面上已經有骨科手術機器人，但目前國內外的骨科手術機器人其只能完成對手術器械的輔助定位功能，在實際應用中并不能取代醫生進行手術操作，雖然能夠改善醫生的勞動強度，但由于對手術的操作仍需要由醫生完成，所以手術的準確性依然容易出現偏差，醫生的勞動強度還是比較大。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種智能骨科手術系統，旨在解決現有技術的智能骨科手術系統的骨科手術機器人只能完成對手術器械的輔助定位功能的問題。

本實用新型提供了一種智能骨科手術系統，所述智能骨科手術系統包括交換機和分別與交換機連接的手術規劃和監控裝置、C形臂X射線機、骨科手術機器人和手術定位裝置；所述骨科手術機器人包括機器人本體和固定在機器人本體上的機械臂、固定在機械臂上的智能骨鉆、通信模塊、分別與機械臂和通信模塊電連接的機械臂控制模塊、分別與智能骨鉆和通信模塊電連接的智能骨鉆控制模塊、以及與智能骨鉆控制模塊和機械臂控制模塊電連接的手術機器人電氣控制模塊，所述智能骨鉆包括手術電鉆、套接在手術電鉆的電鉆頭的引導機構、推進機構、雙目視覺識別系統、固定在手術電鉆上的壓力傳感器和骨鉆控制器，所述手術電鉆、引導機構、雙目視覺識別系統和壓力傳感器均安裝在推進機構上，骨鉆控制器分別與手術電鉆、推進機構、雙目視覺識別系統和壓力傳感器電連接。

在本實用新型中，由于現有技術的智能骨科手術系統中的骨科手術機器人包括智能骨鉆，又由于骨科手術機器人的智能骨鉆包括雙目視覺識別系統，骨鉆控制器與雙目視覺識別系統電連接。因此不僅可以讓遠端醫生通過雙目視覺識別系統觀看到手術操作的實時圖像，還可以通過雙目視覺識別系統在手術機器人動作之前進行坐標定位用，具體為通過雙目視覺識別系統識別安裝在患者或者是手術床上的手術定位裝置上的圖標，建立基于手術定位裝置的立體坐標，并將骨科手術機器人和智能骨鉆的坐標統一到通過基于手術定位裝置確定的立體坐標中，指引手術機器人的機器臂到達相應的坐標位置和位姿狀態。因此，本實用新型的骨科手術機器人在導航基礎上可以實現精確打孔功能，實現手術操作，從而提高手術的精度和穩定度，減輕醫生的工作強度，避免諸如人的疲勞、精神壓力等因素對手術的干擾。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的智能骨科手術系統的結構示意圖。

圖2是本實用新型實施例提供的骨科手術機器人的分解圖。

圖3是本實用新型實施例提供的骨科手術機器人的立體圖。

圖4是本實用新型實施例提供的智能骨鉆的分解圖。

圖5是本實用新型實施例提供的智能骨鉆的立體圖。

圖6是本實用新型實施例提供的手術定位裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

為了說明本實用新型所述的技術方案，下面通過具體實施例來進行說明。

請參閱圖1，本實用新型實施例提供的智能骨科手術系統包括手術規劃和監控裝置31、C形臂X射線機32、骨科手術機器人33和手術定位裝置34。其中，

手術規劃和監控裝置31：內置了一臺圖形工作站電腦的可人工移動的操作臺，圖形工作站電腦安裝有專用的手術前規劃軟件和手術過程控制軟件，使用者可以通過該操作臺進行圖形界面人機交互，實現人體骨骼三維重建、術前規劃、手術機器人操控和手術中動態圖像監控。

C形臂X射線機32：用于在手術中拍攝病人水平和垂直兩個方向的X光片，通過數據線傳輸至手術規劃和監控裝置31，通過空間變化算法實現多個空間坐標系的匹配，精確定位患者手術部位。

手術規劃和監控裝置31、C形臂X射線機32和骨科手術機器人33分別與交換機35連接，使系統中各設備實現數據交互和命令的執行。其中交換機35可以是以太網交換機。

請參閱圖2和圖3，本實用新型實施例提供的骨科手術機器人包括機器人本體233和固定在機器人本體233上的機械臂232、固定在機械臂232上的智能骨鉆231、通信模塊235、分別與機械臂232和通信模塊235電連接的機械臂控制模塊239、分別與智能骨鉆231和通信模塊235電連接的智能骨鉆控制模塊236、以及與智能骨鉆控制模塊236和機械臂控制模塊239電連接的手術機器人電氣控制模塊。所述機械臂232具體可以為六軸機械臂。

六軸機械臂232用于移動智能骨鉆231到指定的手術位置。智能骨鉆231用于對患者進行手術。機器臂控制模塊239用于對六軸機械臂232進行控制。智能骨鉆控制模塊236對智能骨鉆231進行控制。通信模塊235可以是以太網交換機，以太網交換機用于把智能骨鉆控制模塊236和機械臂控制模塊239等連接起來后與外部網絡連接。手術機器人電氣控制模塊為整個骨科手術機器人提供電氣控制。

六軸機械臂232共有六個關節軸，由六個伺服電機直接通過諧波減速器、同步帶輪等驅動六個關節軸的旋轉。因為六軸機械臂有六個軸，具有六個自由度，因此可以實現末端在機座關節的活動范圍內以任意位姿到達任意空間位置。

六軸機械臂232的六個關節軸均采用相同的結構，采用兩種不同大小的伺服電機，其中旋轉軸(S軸)、下臂軸(L軸)、上臂軸(U軸)采用大伺服電機，手腕放轉軸(R軸)、手腕擺動軸(B軸)和手腕回轉軸(T軸)采用小伺服電機。關節軸的大小模擬人體手臂的比例大小。這樣，可以方便地以任意姿態到達可達范圍中的任意一個空間位置。

六軸機械臂232安裝在機器人本體233的機器臂底座上。機器臂底座的末端為法蘭，智能骨鉆231通過法蘭固定在六軸機械臂232上。智能骨鉆231在六軸機械臂232到達指定位置后執行手術動作。

機器人本體233外部左右各有三色光帶244一條，可以發出多種不同顏色的光，分別由機械臂控制模塊239和智能骨鉆控制模塊236控制，指示六軸機械臂的工作狀態和骨科機器人的工作狀態。

機器人本體233底部裝有四個滾輪241，使用時可以方便地進行移動。機器人本體233底部還裝有電動腳撐242，由直流電機通過皮帶輪帶動腳撐的升起與降落。電動腳撐242的上下均裝有限位開關240，以對電動腳撐242的運動量程進行限制。當電動腳撐242落下時，機器人本體233被固定在地上，當電動腳撐242升起后，機器人本體233可以方便地通過四個滾輪241來移動。腳撐電機243的控制由安裝在機器人本體233后部移動推手237處的兩個按鈕控制。

機器人本體233后部下方為機器人輸入電源和控制接口處，分別裝有電源輸入接口250、電源開關249以及與外部連接的網絡接口248。

手術機器人電氣控制模塊包括電源輸入插座、電源開關、電源濾波器、隔離變壓器238、腳撐按鈕246、腳撐電機控制電路、機械臂急停開關245、外接急停開關接口247等。其中隔離變壓器238把整個骨科手術機器人的供電系統與市網隔離開來，增強了骨科手術機器人內部與市網的電氣絕緣，增強了骨科手術機器人的電氣安全性。隔離變壓器安裝在骨科手術機器人安裝支架的底部。

機器人本體233還包括內部安裝支架234。安裝支架234是用于安裝手術機器人其它部件的基座。

請參閱圖4和圖5，本實用新型實施例提供的骨科手術機器人的智能骨鉆包括手術電鉆11、套接在手術電鉆11的電鉆頭的引導機構12、推進機構13、雙目視覺識別系統14、固定在手術電鉆11上的壓力傳感器15和骨鉆控制器16。手術電鉆11、引導機構12、雙目視覺識別系統14和壓力傳感器15均安裝在推進機構13上，骨鉆控制器16分別與手術電鉆11、推進機構13、雙目視覺識別系統14和壓力傳感器15電連接。

手術電鉆11包括電鉆頭111和驅動電鉆頭111運行的電鉆電機112。骨鉆控制器16與手術電鉆11的電鉆電機112電連接。

推進機構13包括骨鉆底座131、直線導軌132、載物平臺133、驅動電機134、聯軸器135和滾珠絲杠136。直線導軌132和滾珠絲杠136安裝在骨鉆底座131上，載物平臺133固定在直線導軌132上，載物平臺133通過連接件與滾珠絲杠136上的螺母連接。驅動電機134安裝在骨鉆底座131的后端，載物平臺133由驅動電機134通過聯軸器135聯接驅動，做前后直線往復運動。載物平臺133上安裝有手術電鉆固定板137，手術電鉆11通過壓力傳感器15安裝在手術電鉆固定板137上。這樣，手術電鉆11在手術中所受到的力即可通過壓力傳感器15接收到。通過受力變化，結合手術電鉆11的推進速度，可以判斷出手術電鉆11的手術部位的結構密度及其變化，并通過與系統中的數據庫參數進行比對推測出骨鉆到達人體的哪一層(皮膚、肌肉、脂肪、骨膜、骨質、骨髓)，避免手術事故的發生，從而為手術醫生提供手術依據。

手術電鉆11由驅動電機134控制其行進和后退。驅動電機134采用直流無刷減速電機，由骨鉆控制器16控制驅動電機134的驅動電源的頻率來控制驅動電機134的轉速，達到控制手術電鉆11的推進或后退的速度。驅動電源的相序可以控制手術電鉆是前進或后退。同時通過測量驅動電機134的轉動次數，可以測量推進或后退的距離。

引導機構12是安裝在骨鉆底座131前端的套接在手術電鉆11的電鉆頭的套筒，用于引導電鉆頭的推進，并且阻隔電鉆頭與患者的肌肉接觸，防止患者手術周圍的肌肉跟隨電鉆頭的旋轉而一起運動。

雙目視覺識別系統14包括兩個相機141和固定兩個相機141的固定座142，兩個相機141通過固定座142安裝在骨鉆底座131的前端下部。相機141由網線經交換機與手術系統相連。操作者和被授權人員可以通過網絡實時觀看兩個相機141的實時圖像，并可通過3D成像系統直觀看到立體影像。同時，雙目視覺識別系統14還可在手術機器人動作之前進行坐標定位用。由于本實用新型的智能骨鉆具有雙目視覺識別系統，因此不僅可以讓遠端醫生通過雙目視覺識別系統觀看到手術操作的實時圖像，還可以通過雙目視覺識別系統識別安裝在患者或者是手術床上的手術定位裝置上的圖標，建立手術定位裝置的立體坐標，并將骨科手術機器人和智能骨鉆的坐標統一到通過手術定位裝置確定的立體坐標中，指引手術機器人的機器臂到達相應的坐標位置和位姿狀態。

智能骨鉆通過安裝法蘭17可固定在骨科手術機器人的六軸機器臂上，可以按照術前手術規劃對鉆入速度和深度進行精確控制，減少了人工操作帶來的偏差，使得手術精度得到保證，同時減輕了醫生的勞動強度。

本實用新型實施例提供的骨科手術機器人的智能骨鉆由骨鉆控制器16和PC機軟件進行控制，骨鉆控制器16外置于智能骨鉆，骨鉆控制器16通過骨鉆底座131的控制接口18與智能骨鉆相連。骨鉆控制器16主要用于對手術電鉆、11推進電鉆的控制和測量，以及對壓力傳感器15的測量。手術電鉆11的電鉆電機112和驅動電機134均采用無刷直流電機并內置霍爾傳感器，通過控制電機輸入電源的頻率可以控制電機的轉速，控制電機輸入電源的相序控制電機的正反轉，并通過霍爾傳感器測量電機的轉速。骨鉆控制器16通過網絡接口與PC機相連。PC機通過專用軟件可以方便地對智能骨鉆進行控制，并可以通過網絡與雙目視覺識別系統相連。

請參閱圖6，本實用新型實施例提供的手術定位裝置包括相互連接的第一定位板341和第二定位板342，在本實用新型實施例中，第一定位板341和第二定位板342互相垂直，從而簡化了建立立體坐標系的計算，當然，第一定位板341和第二定位板342也可以不互相垂直，即第一定位板341和第二定位板342之間的夾角不是90度。第一定位板341和第二定位板342是一體化結構或者通過連接件相互連接。第一定位板341和第二定位板342均采用透明的塑膠材料為基體，在基體內按照定位算法嵌有多個金屬件343，金屬件343可以是金屬球、金屬塊等，第一定位板341和第二定位板342上的金屬件343用于X光機在水平和垂直兩個方向上的感光，可以阻擋X光線，在X光片上形成圖像，用于手術定位用。

由于金屬件343在手術機器人的智能骨鉆的雙目視覺識別系統中無法清晰識別，所以本實用新型實施例提供的手術定位裝置的第一定位板341和第二定位板342的基體上還分別印有至少三個不在一直線上的供雙目視覺識別系統識別的圖標344。根據不在一直線上的至少三個圖標344才能確定一個平面。其中，雙目視覺識別系統由安裝在智能骨鉆前端下部的兩個工業相機組成，工業相機由網線經以太網交換機與系統相連，操作者和被授權人員通過網絡實時觀看兩個工業相機的實時圖像，還用于在手術機器人動作之前進行坐標定位。

本實用新型實施例提供的手術定位裝置的第一定位板341和/或第二定位板342的周邊具有固定安裝孔345，用于固定在手術床邊或者患者身上的定位支架上。

本實用新型實施例提供的手術定位裝置的安裝方式有兩種，一種是在手術床邊安裝定位支架，然后將手術定位裝置安裝在定位支架上，另一種是在患者身上固定定位支架，然后將手術定位裝置安裝在定位支架上。

本實用新型實施例提供的手術定位裝置可確定一立體坐標系，由于手術定位裝置包括金屬件和供雙目視覺識別系統識別的圖標，因此能夠同時被X光機和雙目視覺識別系統識別，X光機可通過手術定位裝置的金屬件把手術部位定位到通過手術定位裝置確定的立體坐標系中，同時雙目視覺識別系統可以通過圖標計算出手術機器人自身在通過手術定位裝置確定的立體坐標系中的位置，從而將手術機器人的坐標和智能骨鉆的坐標統一到通過手術定位裝置確定的立體坐標系中。從而指引手術機器人到達相應的手術位置，這樣更直觀，精度也更高。

在本實用新型中，由于現有技術的智能骨科手術系統中的骨科手術機器人包括智能骨鉆，又由于骨科手術機器人的智能骨鉆包括雙目視覺識別系統，骨鉆控制器與雙目視覺識別系統電連接。因此不僅可以讓遠端醫生通過雙目視覺識別系統觀看到手術操作的實時圖像，還可以通過雙目視覺識別系統在手術機器人動作之前進行坐標定位用，具體為通過雙目視覺識別系統識別安裝在患者或者是手術床上的手術定位裝置上的圖標，建立手術定位裝置的立體坐標，并將骨科手術機器人和智能骨鉆的坐標統一到通過手術定位裝置確定的立體坐標中，指引手術機器人的機器臂到達相應的坐標位置和位姿狀態。因此，本實用新型的骨科手術機器人在導航基礎上可以實現精確打孔功能，實現手術操作，從而提高手術的精度和穩定度，減輕醫生的工作強度，避免諸如人的疲勞、精神壓力等因素對手術的干擾。

本實用新型實施例提供的智能骨科手術系統的手術流程是：術前人工規劃，術中機器人定位，手術實施過程智能監控。

骨科手術機器人，是應用計算機，把患者的影像資料如X光片、CT、核磁等進行疊加的分析處理，然后根據分析結果，控制機械臂完成一些醫生不能完成或完成得沒有機器好的動作和步驟。避免射線對醫生身體的損傷、減輕醫生的勞動強度、縮短手術時間、提高手術精度和質量、避免二次整復，并具有通用性。

本實用新型利用醫生的經驗規劃出手術方案，骨科手術機器人來實施手術，這種人機結合的手術方式，對于骨科手術的歷史而言，是革命性的。骨科機器人的精準加上醫生的思維，對骨科手術水平的提高作用是巨大的。

本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件來完成，所述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，所述的存儲介質，如ROM/RAM、磁盤、光盤等。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。