一种激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的制作方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人。


背景技术：

2.目前人工全髋关节置换术中髋臼成型依靠髋臼锉打磨髋臼骨，打磨深度与方位主要依靠术者肉眼与经验判断，这样的成型方式会造成较大误差。
3.髋臼锉打磨时依靠机械作用力破坏骨小梁实现磨骨成形，会造成骨小梁结构破坏，出血较多，最多可达1000ml，被破坏的骨小梁在组织修复过程中会增加愈合时间，是髋臼杯假体骨长入不良的潜在危险因素。
4.手工打磨成型的髋臼窝不是规则的半球形，与规则的半球形金属髋臼杯无法完全匹配，匹配不良的髋臼窝与髋臼杯之间会形成间隙，是远期发生髋臼杯松动的潜在危险因素，匹配不良还会造成髋臼杯受到挤压，发生微小形变，造成陶瓷内衬安放困难。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人，用以克服现有技术中无法准确控制髋臼骨打磨形状造成的手术安全度低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人，包括：
7.控制计算机主体，其用以对双侧踝至骨盆的ct数据进行重建，并根据重建后的ct数据规划髋臼截骨角度与截骨量及生成截骨路径，所述控制计算机主体顶部前端安装有底座，所述底座顶部与机器人主体相接，所述机器人主体用以控制激光截骨的角度，所述控制计算机主体左侧设置有连接线，所述控制计算机主体前方设置有支座，所述支座顶部固定有手术台，所述连接线另一端与辅助装置相连接，所述辅助装置用以对髋臼截骨位置进行定位；
8.所述机器人主体前端安装有激光切割末端执行器，所述激光切割末端执行器用以在预设位置按照预设切割量进行切割，所述激光切割末端执行器右侧与辅助喷水吹气装置相接，所述辅助喷水吹气装置用以对髋臼进行喷水和吹气；
9.所述控制计算机主体中设置有激光消融曲线方程，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对位于所述激光消融曲线方程以外的凸出部分进行初次消融，初次消融完成后，所述控制计算机主体将初次消融时的消融点个数与预设消融点个数进行比对，并根据比对结果选取对应的半径调节系数对所述激光消融曲线方程进行调整，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对位于调整后的激光消融曲线方程以外的凸出部分进行二次消融；
10.当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对髋臼进行消融时，所述控制计算机主体将消融点的消融高度与预设消融高度进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度，消融速度确定后，所述控制计算机主体将消融点的曲率与预设消融点曲率进行
比对，并根据比对结果选取对应的消融速度调节系数对消融速度进行调节，调节完成后，所述控制计算机主体将消融点的消融角角度与预设消融角角度进行比对，并根据比对结果选用对应的消融速度修正系数对消融速度进行修正。
11.进一步地，所述控制计算机主体以ct数据中半球形髋臼的最大圆平面为水平面建立空间直角坐标系，以半球形髋臼的最大圆圆心为坐标原点，设置有激光消融曲线方程x y z2＝r2，式中，x代表横坐标，y代表纵坐标，z代表垂直水平面方向的坐标，r为半球形髋臼的最大圆的半径；
12.所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对半球形髋臼中位于激光消融曲线方程以外的凸出部分进行初次消融，定义位于激光消融曲线方程以外的凸出部分为消融点。
13.进一步地，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融点个数a1，第二预设消融点个数a2，第三预设消融点个数a3，其中，a1＜a2＜a3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设半径调节系数a1，第二预设半径调节系数a2，第三预设半径调节系数a3，其中，0＜a1＜a2＜a3＜1；
14.当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对髋臼进行二次消融时，所述控制计算机主体将初次消融时的消融点个数a与各所述预设消融点个数进行比对，并根据比对结果选取对应的半径调节系数对半球形髋臼的最大圆的半径r进行调节：
15.当a＜a1时，所述控制计算机主体选用a1对r进行调节；
16.当a1≤a＜a2时，所述控制计算机主体选用a2对r进行调节；
17.当a2≤a＜a3时，所述控制计算机主体选用a3对r进行调节；
18.当所述控制计算机主体选用第i预设半径调节系数ai对r进行调节时，设定i＝1,2,3,调节后的半球形髋臼的最大圆的半径为r’，设定r’＝r
×
ai。
19.进一步地，所述控制计算机主体根据调节后得到的半球形髋臼的最大圆的半径为r’，将所述激光消融曲线方程调整为x y z＝r
’2，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对半球形髋臼中位于调整后的激光消融曲线方程以外的凸出部分进行二次消融。
20.进一步地，所述控制计算机主体获取各消融点的消融高度h，当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对消融点进行消融时，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器以顺时针方向按照消融高度h由大到小的顺序依次对各消融点进行消融。
21.进一步地，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融速度v1，第二预设消融速度v2，第三预设消融速度v3，其中，v1＜v2＜v3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融高度h1，第二预设消融高度h2，第三预设消融高度h3，其中，h1＜h2＜h3；
22.当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对髋臼进行消融时，所述控制计算机主体将消融点的消融高度h与各所述预设消融高度进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度：
23.当h＜h1时，所述控制计算机主体将v3作为消融速度；
24.当h1≤h＜h2时，所述控制计算机主体将v2作为消融速度；
25.当h2≤h＜h3时，所述控制计算机主体将v1作为消融速度。
26.进一步地，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融点曲率p1，第二预设消
融点曲率p2，第三预设消融点曲率p3，其中，p1＜p2＜p3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融速度调节系数m1，第二预设消融速度调节系数m2，第三预设消融速度调节系数m3，其中，0＜m1＜m2＜m3＜1；
27.当所述控制计算机主体对选用的第i预设消融速度vi进行调节时，设定i＝1,2，3，所述控制计算机主体将消融点的曲率p与各所述预设消融点曲率进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度调节系数对vi进行调节：
28.当p＜p1时，所述控制计算机主体选用m1对vi进行调节；
29.当p1≤p＜p2时，所述控制计算机主体选用m2对vi进行调节；
30.当p2≤p＜p3时，所述控制计算机主体选用m3对vi进行调节；
31.当所述控制计算机主体选用第j预设消融速度调节系数mj对vi进行调节时，设定j＝1，2，3，调节后的消融速度为vi’，设定vi’＝vi
×
mj。
32.进一步地，定义消融点两端与坐标原点形成的夹角为消融角，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融角角度q1，第二预设消融角角度q2，第三预设消融角角度q3，其中，q1＜q2＜q3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融速度修正系数n1,第二预设消融速度修正系数n2,第三预设消融速度修正系数n3,其中，0＜n1＜n2＜n3＜1；
33.当所述控制计算机主体对调节后的消融速度vi’进行修正时，所述控制计算机主体将消融点的消融角角度q与各所述预设消融角角度进行比对，并根据比对结果选用对应的消融速度修正系数对vi’进行修正：
34.当q1≤q＜q2时，所述控制计算机主体选用n3对vi’进行修正；
35.当q2≤q＜q3时，所述控制计算机主体选用n2对vi’进行修正；
36.当q3≤q时，所述控制计算机主体选用n1对vi’进行修正；
37.当所述控制计算机主体选用第j预设消融速度修正系数nj对vi’进行修正时，设定j＝1,2,3，修正后的消融速度为vi”，设定vi”＝vi
’×
nj。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过采用激光截骨的方式有效避免了人工打磨造成的骨小梁结构破坏，提高了手术的安全度，所述控制计算机主体通过设置激光消融曲线方程对髋臼进行两次消融，有效提高了消融的准确度，从而避免髋臼窝与髋臼杯之间形成间隙，有效提高了手术的安全性，所述控制计算机主体通过消融点的消融高度确定消融速度，并对消融速度进行调节和修正，有效提高了消融速度的准确度，进而提高了手术的安全性，一定速率的喷水与吹气会增加切割效率，通过设置喷水吹气辅助切割消融装置，有效提高了切割效率，进而提高了手术效率。
39.进一步地，所述控制计算机主体通过将初次消融时的消融点个数a与各所述预设消融点个数进行比对选取对应的半径调节系数对半球形髋臼的最大圆的半径r进行调节，有效提高了二次消融时的准确度，进一步提高了手术的安全性。
40.进一步地，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器以顺时针方向按照消融高度h由大到小的顺序依次对各消融点进行消融，进一步提高了消融的准确度，进一步提高了手术的安全性。
41.进一步地，所述控制计算机主体通过将消融点的消融高度h与各所述预设消融高度进行比对选取对应的消融速度，进一步提高了消融的准确度，进一步提高了手术的安全性。
42.进一步地，所述控制计算机主体通过将消融点的曲率p与各所述预设消融点曲率进行比对选取对应的消融速度调节系数对vi进行调节，有效提高了消融速度的准确度，进一步提高了手术的安全性。
43.进一步地，所述控制计算机主体通过将消融点的消融角角度q与各所述预设消融角角度进行比对选用对应的消融速度修正系数对vi’进行修正，进一步提高了消融速度的准确度，进一步提高了手术的安全性。
附图说明
44.图1为本实施例激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的结构示意图；
45.图2为本实施例激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的激光切割末端执行器结构示意图；
46.图3为本实施例激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的辅助喷水吹气装置结构示意图；
47.图4为本实施例激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的辅助装置结构示意图；
48.图5为本实施例激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的工作流程图；
49.图6为本实施例激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人的系统框图。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
51.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
52.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
53.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
54.请参阅图1所示，其为本发明提供一种激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人，包括：
55.控制计算机主体1，其用以对双侧踝至骨盆的ct数据进行重建，并根据重建后的ct数据规划髋臼截骨角度与截骨量及生成截骨路径，所述控制计算机主体1顶部前端安装有底座2，所述底座2顶部与机器人主体3相接，所述机器人主体3用以控制激光截骨的角度，所述控制计算机主体1左侧设置有连接线6，所述控制计算机主体1前方设置有支座8，所述支座8顶部固定有手术台9，所述连接线6另一端与辅助装置7相连接，所述辅助装置7用以对髋臼截骨位置进行定位；
56.所述机器人主体1前端安装有激光切割末端执行器4，所述激光切割末端执行器4用以在预设位置按照预设切割量进行切割，所述激光切割末端执行器4右侧与辅助喷水吹气装置5相接，所述辅助喷水吹气装置5用以对髋臼进行喷水和吹气。
57.请参阅图2所示，所述激光切割末端执行器4包括激光发射端41，其右侧与机器人主体3连接，所述激光发射端41顶部通过光路传输结构42与切割端43相接，所述切割端43背面与背板44连接，所述背板44前端面四端通过螺栓与压件45连接，所述背板44前端呈内凹状，所述切割端43嵌入至背板44前端内凹位置。
58.请参阅图3所示，所述辅助喷水吹气装置5包括固定块51，其左侧与所述背板44相接，所述固定块51顶端中部安装有气源接头52，所述固定块51右侧设置有水源接头53，所述水源接头53背面与阀门54进行连接，所述固定块51底部与万向管55连接，所述万向管55另一端与喷出头56连接。
59.请参阅图4所示，所述辅助装置7包括支架71，其外径表面上端连接有第一万向连接架72和第二万向连接架73，所述第一万向连接架72另一端与显示器74通过螺栓连接，所述第二万向连接架73另一端与导航定位器75相连接。
60.请参阅图5所示，本实施例所述激光截骨辅助全髋关节置换手术机器人工作步骤如下：
61.步骤a：双侧踝至骨盆ct数据导入；
62.步骤b：ct数据重建，规划髋臼截骨角度与截骨量，生成截骨路径；
63.步骤c：导航相机在髋臼注册使机械臂与人体在三维空间配准；
64.步骤d：机械臂夹持的激光消融末端进行髋臼消融成形；
65.步骤e：成形后使用机械臂夹持髋臼杯，按照规划角度安放髋臼杯。
66.具体而言，所述控制计算机主体中设置有激光消融曲线方程，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对位于所述激光消融曲线方程以外的凸出部分进行初次消融，初次消融完成后，所述控制计算机主体将初次消融时的消融点个数与预设消融点个数进行比对，并根据比对结果选取对应的半径调节系数对所述激光消融曲线方程进行调整，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对位于调整后的激光消融曲线方程以外的凸出部分进行二次消融；
67.当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对髋臼进行消融时，所述控制计算机主体将消融点的消融高度与预设消融高度进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度，消融速度确定后，所述控制计算机主体将消融点的曲率与预设消融点曲率进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度调节系数对消融速度进行调节，调节完成后，所述控制计算机主体将消融点的消融角角度与预设消融角角度进行比对，并根据比对结果选用对应的消融速度修正系数对消融速度进行修正。
68.具体而言，所述控制计算机主体以ct数据中半球形髋臼的最大圆平面为水平面建立空间直角坐标系，以半球形髋臼的最大圆圆心为坐标原点，设置有激光消融曲线方程x y z2＝r2，式中，x代表横坐标，y代表纵坐标，z代表垂直水平面方向的坐标，r为半球形髋臼的最大圆的半径；
69.所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对半球形髋臼中位于激光消融曲线方程以外的凸出部分进行初次消融，定义位于激光消融曲线方程以外的凸出部分为
消融点。
70.具体而言，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融点个数a1，第二预设消融点个数a2，第三预设消融点个数a3，其中，a1＜a2＜a3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设半径调节系数a1，第二预设半径调节系数a2，第三预设半径调节系数a3，其中，0＜a1＜a2＜a3＜1；
71.当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对髋臼进行二次消融时，所述控制计算机主体将初次消融时的消融点个数a与各所述预设消融点个数进行比对，并根据比对结果选取对应的半径调节系数对半球形髋臼的最大圆的半径r进行调节：
72.当a＜a1时，所述控制计算机主体选用a1对r进行调节；
73.当a1≤a＜a2时，所述控制计算机主体选用a2对r进行调节；
74.当a2≤a＜a3时，所述控制计算机主体选用a3对r进行调节；
75.当所述控制计算机主体选用第i预设半径调节系数ai对r进行调节时，设定i＝1,2,3,调节后的半球形髋臼的最大圆的半径为r’，设定r’＝r
×
ai。
76.具体而言，所述控制计算机主体根据调节后得到的半球形髋臼的最大圆的半径为r’，将所述激光消融曲线方程调整为x y z＝r
’2，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对半球形髋臼中位于调整后的激光消融曲线方程以外的凸出部分进行二次消融。
77.所述控制计算机主体通过将初次消融时的消融点个数a与各所述预设消融点个数进行比对选取对应的半径调节系数对半球形髋臼的最大圆的半径r进行调节，有效提高了二次消融时的准确度，进一步提高了手术的安全性。
78.具体而言，所述控制计算机主体获取各消融点的消融高度h，当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对消融点进行消融时，所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器以顺时针方向按照消融高度h由大到小的顺序依次对各消融点进行消融。
79.具体而言，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融速度v1，第二预设消融速度v2，第三预设消融速度v3，其中，v1＜v2＜v3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融高度h1，第二预设消融高度h2，第三预设消融高度h3，其中，h1＜h2＜h3；
80.当所述控制计算机主体控制所述激光切割末端执行器对髋臼进行消融时，所述控制计算机主体将消融点的消融高度h与各所述预设消融高度进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度：
81.当h＜h1时，所述控制计算机主体将v3作为消融速度；
82.当h1≤h＜h2时，所述控制计算机主体将v2作为消融速度；
83.当h2≤h＜h3时，所述控制计算机主体将v1作为消融速度。
84.所述控制计算机主体通过将消融点的消融高度h与各所述预设消融高度进行比对选取对应的消融速度，进一步提高了消融的准确度，进一步提高了手术的安全性。
85.具体而言，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融点曲率p1，第二预设消融点曲率p2，第三预设消融点曲率p3，其中，p1＜p2＜p3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融速度调节系数m1，第二预设消融速度调节系数m2，第三预设消融速度调节系数m3，其中，0＜m1＜m2＜m3＜1；
86.当所述控制计算机主体对选用的第i预设消融速度vi进行调节时，设定i＝1,2，3，
所述控制计算机主体将消融点的曲率p与各所述预设消融点曲率进行比对，并根据比对结果选取对应的消融速度调节系数对vi进行调节：
87.当p＜p1时，所述控制计算机主体选用m1对vi进行调节；
88.当p1≤p＜p2时，所述控制计算机主体选用m2对vi进行调节；
89.当p2≤p＜p3时，所述控制计算机主体选用m3对vi进行调节；
90.当所述控制计算机主体选用第j预设消融速度调节系数mj对vi进行调节时，设定j＝1,2,3，调节后的消融速度为vi’，设定vi’＝vi
×
mj。
91.具体而言，定义消融点两端与坐标原点形成的夹角为消融角，所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融角角度q1，第二预设消融角角度q2，第三预设消融角角度q3，其中，q1＜q2＜q3；所述控制计算机主体中还设置有第一预设消融速度修正系数n1,第二预设消融速度修正系数n2,第三预设消融速度修正系数n3,其中，0＜n1＜n2＜n3＜1；
92.当所述控制计算机主体对调节后的消融速度vi’进行修正时，所述控制计算机主体将消融点的消融角角度q与各所述预设消融角角度进行比对，并根据比对结果选用对应的消融速度修正系数对vi’进行修正：
93.当q1≤q＜q2时，所述控制计算机主体选用n3对vi’进行修正；
94.当q2≤q＜q3时，所述控制计算机主体选用n2对vi’进行修正；
95.当q3≤q时，所述控制计算机主体选用n1对vi’进行修正；
96.当所述控制计算机主体选用第j预设消融速度修正系数nj对vi’进行修正时，设定j＝1，2，3，修正后的消融速度为vi”，设定vi”＝vi
’×
nj。
97.所述控制计算机主体通过将消融点的消融角角度q与各所述预设消融角角度进行比对选用对应的消融速度修正系数对vi’进行修正，进一步提高了消融速度的准确度，进一步提高了手术的安全性。
98.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
99.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。