置钉系统及椎弓根置钉装置
【技术领域】
本申请涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及可用于进行骨科手术中椎弓根螺钉置入的半自动置钉系统及其椎弓根置钉装置。
【背景技术】
椎弓根置钉手术是一个很普遍的手术，椎弓根钉在脊柱创伤复位、畸形矫正等治疗方面发挥着重要的作用，而椎弓根钉内固定手术成功的关键在于能否准确地将螺钉经椎弓根置入而不损害神经椎体。
目前没有可以直接用于骨科手术机器人的自动或者半自动椎弓根螺钉置钉工具。目前所知的骨科机器人只是用于导航定位至病灶处，由医生徒手置钉；或者是配合使用骨科电钻，手动操作置入螺钉。医生徒手攻丝和上钉时，医生需要付出很大的体力，并且由于皮质骨的硬度较高，医生人工进行扩孔时，往往需要借助锤子等工具敲入，这种操作对人体造成比较大的冲击力，容易出现意外伤害；再有就是在手工拧入螺钉时，最后一下的紧固扭矩无法有效控制。使用低速骨钻进行攻丝和上钉时，医生则缺少徒手拧入的手感，难以判断螺钉是否已经到位；在丝攻及低速骨钻等工具端增加导航标记架，虽然可以实时跟踪工具尖端部在骨头中的位置，但是由于人的反应及生理性疲劳等原因，会存在延时情况，导致深度不够精准。
因此，需要提供一种操作方便容易、置钉位置精准、能够提高手术效率、降低手术伤害的椎弓根置钉装置。
【发明内容】
本申请的目的在于提供一种操作方便容易、置钉位置精准的医用置钉系统及椎弓根置钉装置。
为实现本申请目的，提供以下技术方案：
提供一种椎弓根置钉装置，其包括骨钻机构，以及和所述骨钻机构连接并用于产生直线往复运动变量的深度推进机构，所述骨钻机构包括骨钻驱动装置以及由骨钻驱动装置连接驱动的夹持机构。本申请通过深度推进机构提供所述骨钻机构直线往复运动的驱动力，结合骨钻驱动装置对夹持机构的驱动控制，所述夹持机构用于夹持手术中所需的导针、扩孔锥、丝锥及椎弓根螺钉等，从而实现手术中置钉操作，提高手术效率和置钉精准度，避免以往徒手置钉中可能的意外伤害。
一些实施方式中，所述深度推进机构可以是这样实现，所述深度推进机构包括丝杠组件、移动平台以及驱动丝杠组件的驱动电机，所述丝杠组件包括滚珠丝杠、丝杠螺母，所述驱动电机连接并驱动所述滚珠丝杠，使得所述丝杠螺母与滚珠丝杠之间产生直线往复的相对运动，所述丝杠螺母与所述移动平台连接，所述骨钻机构安装在所述移动平台上。
一些实施方式中，所述深度推进机构进一步包括直线导轨和滑块，所述滑块可沿所述直线导轨做直线往复的相对运动，所述滚珠丝杠与所述直线导轨的相对位置固定，所述丝杠螺母固定在所述滑块上。具体的，所述深度推进机构还包括联轴器，所述驱动电机通过联轴器联接驱动所述滚珠丝杠，做直线往复运动。具体一些实施方式中，所述深度推进机构还包括底板，所述直线导轨与所述底板固定安装，所述底板上设有轴承，所述滚珠丝杠安装在所述轴承中。一些实施方式中，所述深度推进机构进一步包括固定在所述丝杠螺母上的平台连接件，所述移动平台安装在所述平台连接件上。
在另一些实施方式中，所述深度推进机构还可以采取丝杠组件以外的方式来实现产生直线往复运动变量，例如通过驱动电机直接驱动连接件沿滑轨直线往复运动，所述连接件用于连接所述骨钻机构。并可以通过传感器进行运动位移检测，通过计算机控制移动精度。
进一步的，在一些实施方式中，所述椎弓根置钉装置还包括设置在所述骨钻机构与所述深度推进机构的移动平台之间的压力传感器和缓冲弹簧。其中压力传感器完成压力的实时测量，可以测量在置钉各个工序中置钉工具在推进的过程中所受到的阻力，避免手术事故的发生。弹簧用于调节置钉时产生的微量位移差。具体的，可以将压力传感器固定在移动平台上，机构安装座相对移动平台的不同程度的位移对所述压力传感器产生不同的压力而显示不同的相应读数。
一些实施方式中，所述骨钻机构进一步包括机构安装座和交叉滚柱导轨，所述骨钻驱动装置和所述夹持机构安装在所述机构安装座上，所述交叉滚柱导轨与所述深度推进机构上的移动平台连接，所述骨钻驱动装置和所述夹持机构通过所述机构安装座和所述交叉滚柱导轨与所述移动平台连接。实施例中，所述骨钻机构采用的骨钻驱动装置为骨钻电机。
一些实施方式中，在所述骨钻驱动装置和所述夹持机构之间进一步设置有扭矩传感器。通过所述扭矩传感器可以精确测量椎弓根螺钉在整个置入过程中的扭矩，由此智能判断螺钉是否已经置入到位，避免螺钉在椎弓根中由于没有紧固而引起的松动，以及椎弓根被拧爆。
一些实施方式中，所述夹持机构为导针夹持机构，其包括夹持机构本体和钻夹头，所述夹持机构本体与所述骨钻驱动装置相连接，所述钻夹头用于夹持导针。一些实施方式中，所述夹持机构本体与所述骨钻驱动装置之间连接有所述扭矩传感器。具体实施例中，所述夹持机构本体通过手拧螺钉与扭矩传感器连接。
一些实施方式中，所述夹持机构为多功能夹持机构，其包括夹持机构本体和快拆接头，所述夹持机构本体与所述骨钻驱动装置相连接。扩孔锥、丝锥及置钉起子可以通过快拆接头快速连接到夹持机构。一些实施方式中，所述夹持机构本体与所述骨钻驱动装置之间连接有所述扭矩传感器。具体实施例中，所述夹持机构本体通过手拧螺钉与扭矩传感器连接。
一些实施方式中，所述椎弓根置钉装置还包括用于定位导针的导针固定机构，可以在扩孔、攻丝及上钉的过程中，夹紧导针，在置钉过程中防止导针被扩孔锥等置钉工具带入，刺穿锥体，对人体其他器官造成伤害。一些实施方式中，所述导针固定机构包括固定件、延伸臂、夹臂，所述固定件与所述深度推进机构相对固定安装，所述延伸臂一端安装在固定件上，所述夹臂通过连接轴安装在所述延伸臂另一端，并且所述夹臂相对所述延伸臂可沿连接轴转动，所述夹臂上设有用以夹持导针的夹持孔。
一些实施方式中，所述导针固定机构还包括分别设置于连接轴和夹持孔一侧的调整件。所述调整件采用螺纹配合结构，连接轴处的调整件通过转动调整进深，从而调节夹臂连接的松紧度和固定夹臂相对延伸臂的角度，夹持孔一侧的调整件通过转动调整进深，从而调节夹持导针的松紧度。
一些实施方式中，所述椎弓根置钉装置还包括十字激光系统，可以为医生提供准确的患者皮肤切口位置。所述十字激光系统可以安装在所述深度推进机构的前端。
一些实施方式中，所述椎弓根置钉装置还包括控制电路，所述控制电路用于控制所述椎弓根置钉装置进行置钉操作，同时检测置钉情况，具体的，控制电路通过RSS485或CAN通讯可以与计算机相连，根据术前规划控制工具的各种运动。
一些实施方式中，所述椎弓根置钉装置还包括安装接口，所述安装接口可以将所述椎弓根置钉装置安装在骨科手术机器人的机械臂上，实现智能半自动化置钉操作。
一些实施方式中，所述椎弓根置钉装置还包括双目摄像机，所述双目摄像机安装在所述深度推进机构前端，且与计算机连接，可以进行跟踪识别及术中监控。
所述双目摄像机在另一些实施方式中可以不设置在椎弓根置钉装置上，而是另外设置于其他支架(落地式支架或者固定于手术床侧边的支架)上，且与计算机连接，在所述骨钻机构的夹持机构上设有导航面，所述导航面上设有与双目视觉系统相适配的可见光视觉识别跟踪图案，通过追踪智能椎弓根置钉装置上的导航面，进行跟踪监控。
本申请还提供一种椎弓根置钉系统，其包括如上所述的椎弓根置钉装置和双目视觉系统，以及计算机，所述双目视觉系统连接所述计算机。
具体的，所述双目视觉系统包括用作双目视觉空间定位的所述双目摄像机，所述双目摄像机连接所述计算机，所述椎弓根置钉装置的骨钻机构的夹持机构上设有导航面，所述导航面上设有与双目视觉系统相适配的可见光视觉识别跟踪图案。通过所述双目视觉系统追踪智能椎弓根置钉装置上的导航面，进行跟踪监控。
与现有技术相比较，本申请具有如下所述优点：
本申请技术方案通过深度推进机构提供所述骨钻机构直线往复运动的驱动力，结合骨钻驱动装置对夹持机构的驱动控制，所述夹持机构用于夹持手术中所需的导针、扩孔锥、丝锥及椎弓根螺钉等，从而实现手术中置钉操作。使用本申请的椎弓根置钉装置进行手术置钉操作，置钉过程平稳，相对于人工置钉对人体造成的冲击小，提高手术效率和置钉精准度，可避免徒手置钉中可能的意外伤害。
所述椎弓根置钉装置还设有压力传感器完成压力的实时测量，可以测量在置钉各个工序中置钉工具在推进的过程中所受到的阻力，避免手术事故的发生。弹簧用于调节置钉时产生的微量位移差；在骨钻驱动装置和夹持机构之间设置有扭矩传感器，通过所述扭矩传感器可以精确测量椎弓根螺钉在整个置入过程中的扭矩，由此智能判断螺钉是否已经置入到位，避免螺钉在椎弓根中由于没有紧固而引起的松动，提高手术成功率和精准度。
本申请的椎弓根置钉装置还可以通过安装接口固定到骨科手术机器臂上，可以按照术前手术规划对椎弓根螺钉置入的各个环节的参数进行精确控制，减少了人工操作带来的偏差，使得手术精度得到保证，同时减轻了医生的劳动强度。
本申请置钉系统将椎弓根置钉装置和双目视觉系统及计算机结合组成完整的手术操作系统，实现智能化骨科手术置钉操作，并可以通过所述双目视觉系统追踪智能椎弓根置钉装置的操作情况，进行跟踪监控，提高置钉精确度，降低了手术风险。
【附图说明】
图1为本申请椎弓根置钉装置综合各部件的分解示意图；
图2为图1中a部分的放大图；
图3为本申请椎弓根置钉装置实施例一的示意图；
图4为本申请椎弓根置钉装置实施例二的示意图；
图5为本申请椎弓根置钉装置实施例三的示意图；
图6为本申请椎弓根置钉装置实施例四的示意图；
图7为本申请椎弓根置钉装置导针夹持机构另一实施例的示意图；
图8为本申请椎弓根置钉装置的多功能夹持机构另一实施例的示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1～6，本申请椎弓根置钉装置包括骨钻机构，以及和所述骨钻机构连接并用于产生直线往复运动变量的深度推进机构，所述骨钻机构包括骨钻驱动装置以及由骨钻驱动装置连接驱动的夹持机构。具体的，所述骨钻驱动装置可以采用驱动电机。本申请通过深度推进机构提供所述骨钻机构直线往复运动的驱动力，结合骨钻驱动装置对夹持机构的驱动控制，所述夹持机构用于夹持手术中所需的导针、扩孔锥、丝锥及椎弓根螺钉等，从而实现手术中置钉操作，提高手术效率和置钉精准度，避免以往徒手置钉中可能的意外伤害。
请参阅图1，在本实施例中所述深度推进机构可以是这样实现，所述深度推进机构包括丝杠组件、直线导轨112、滑块113、底板111、移动平台132以及驱动丝杠组件的驱动电机121，所述丝杠组件包括滚珠丝杠123、丝杠螺母124。所述直线导轨112与所述底板111固定安装，所述底板111上设有轴承115，所述滚珠丝杠123安装在所述轴承中，因此所述滚珠丝杠123与所述直线导轨112的相对位置固定，但同时可在轴承中相对转动。所述滑块113可沿所述直线导轨112做直线往复的相对运动，所述丝杠螺母124固定在所述滑块113上。所述驱动电机121通过联轴器122连接所述滚珠丝杠123并驱动所述滚珠丝杠123转动，使得所述丝杠螺母124与滚珠丝杠123之间产生直线往复的相对运动，所述丝杠螺母124及滑块113一起沿着直线导轨112往复运动。
在所述丝杠螺母124上设有平台连接件131，所述丝杠螺母124通过所述平台连接件131与所述移动平台132连接，所述骨钻机构安装在所述移动平台132上。
在另一些实施方式中，所述深度推进机构还可以采取丝杠组件以外的方式来实现产生直线往复运动变量，例如通过驱动电机直接驱动连接件沿滑轨直线往复运动，所述连接件用于连接所述骨钻机构。并可以通过传感器进行运动位移检测，通过计算机控制移动精度。
实施例中，所述骨钻机构采用的骨钻驱动装置为骨钻电机321，在所述骨钻电机321和所述夹持机构之间设置有扭矩传感器322。通过所述扭矩传感器322可以精确测量椎弓根螺钉在整个置入过程中的扭矩，由此智能判断螺钉是否已经置入到位，避免螺钉在椎弓根中由于没有紧固而引起的松动，以及椎弓根被拧爆。所述骨钻电机321和所述夹持机构安装在机构安装座323上，在所述深度推进机构上的移动平台132连接有交叉滚柱导轨311，所述骨钻电机321和所述夹持机构通过所述机构安装座323和所述交叉滚柱导轨311与所述移动平台132连接。
所述椎弓根置钉装置还包括设置在所述骨钻机构与所述深度推进机构的移动平台132之间的压力传感器312和缓冲弹簧313。其中压力传感器312完成压力的实时测量，可以测量在置钉各个工序中置钉工具在推进的过程中所受到的阻力，避免手术事故的发生。弹簧313用于调节置钉时产生的微量位移差。
所述椎弓根置钉装置还包括用于定位导针的导针固定机构，可以在扩孔、攻丝及上钉的过程中，夹紧导针，在置钉过程中防止导针被扩孔锥等置钉工具带入，刺穿锥体，对人体其他器官造成伤害。具体的，所述导针固定机构210包括固定件211、延伸臂212、夹臂213，所述固定件211与所述深度推进机构相对固定安装，具体可以安装在直线导轨112侧边或底板111侧边；所述延伸臂212一端安装在固定件211上，所述夹臂213通过连接轴安装在所述延伸臂212另一端，并且所述夹臂213相对所述延伸臂212可沿连接轴转动，所述夹臂213上设有用以夹持导针的夹持孔215。
具体实施例中，所述夹臂213与所述延伸臂212的连接轴一侧设有调整件214，所述调整件214采用螺纹配合结构，连接轴处的调整件214通过转动调整来调节夹臂连接的松紧度，从而固定夹臂213相对延伸臂212的角度。在夹持孔215的一侧也设有调整件216，所述调整件216采用螺纹配合结构，通过转动调整进深，从而调节夹持导针502的松紧度。
所述骨钻机构的夹持机构有不同的实施例，如导针夹持机构或扩孔/攻丝/置钉三合一多功能夹持机构。
如图3所示，所述夹持机构为导针夹持机构，其包括夹持机构本体420和钻夹头421，所述夹持机构本体420与所述扭矩传感器322及所述骨钻电机321相连接，所述钻夹头421用于夹持导针502，导针502前端插入导管501中。具体实施例中，所述夹持机构本体420通过手拧螺钉与扭矩传感器322连接。
当采用实心椎弓根螺钉，或者手术过程中不需要采用导针502时，可省略导管501、导针固定机构和导针夹持机构420。
请参阅图4～6，所述夹持机构为扩孔/攻丝/置钉三合一多功能夹持机构，其包括夹持机构本体410和快拆接头411，所述夹持机构本体410与所述扭矩传感器322及所述骨钻电机321相连接。扩孔锥503，丝锥504及置钉起子505可以通过快拆接头411快速连接到夹持机构本体410。具体实施例中，所述夹持机构本体410可以通过手拧螺钉与扭矩传感器322连接。
椎弓根螺钉的置入过程一般包括：定位、开底孔、攻丝、置钉。具体应用本申请椎弓根置钉装置时，如置入的是空心椎弓根螺钉，采用本申请椎弓根置钉装置以导针固定机构210将导针502夹持固定，导针502前端插入导管501中，首先通过本申请椎弓根置钉装置根据手术部位和角度将导针502置入，导针用来确定椎弓根螺钉置入的位置和角度，并对扩孔锥、丝锥、螺钉等工具进行导向；再换上扩孔锥503，顺着导针对手术部位进行扩孔；然后换上丝锥504顺着导针沿着扩好的孔进行攻丝；最后换上置钉起子505装上空心螺钉，顺着导针置入螺钉。
如置入的是实心椎弓根螺钉，采用本申请椎弓根置钉装置以导针固定机构210将导针502夹持固定，导针502前端插入导管501中，首先通过本申请椎弓根置钉装置根据手术部位和角度将导针502置入；再换上扩孔锥503，顺着导针对手术部位进行扩孔；然后换上丝锥504顺着导针沿着扩好的孔进行攻丝；最后移除导针，换上置钉起子505装上实心螺钉，顺着攻丝好的螺纹孔置入螺钉。在图3～6实施例中均设有十字激光系统220和双目摄像机600，所述十字激光系统220安装在所述深度推进机构的前端，可以为医生提供准确的患者皮肤切口位置；所述双目摄像机600安装在所述深度推进机构前端下方，通过平台固定座114固定于所述底板111或导轨112下侧，所述双目摄像机600与计算机连接，可以进行跟踪识别及术中监控。
请结合参阅图7和图8，所述双目摄像机在另一些实施例中可以不设置在椎弓根置钉装置上，而是另外设置于其他支架上，且与计算机连接，所述骨钻机构的夹持机构采用另一种实施方式，在夹持机构本体412、422上设有导航面413、423，所述导航面413、423上设有与双目视觉系统相适配的可见光视觉识别跟踪图案，通过追踪智能椎弓根置钉装置上的导航面，进行跟踪监控。
所述椎弓根置钉装置还包括控制电路，所述控制电路用于控制所述椎弓根置钉装置进行置钉操作，同时检测置钉情况，具体的，控制电路通过RSS485或CAN通讯可以与计算机相连，根据术前规划控制工具的各种运动。所述椎弓根置钉装置还包括安装接口601，所述安装接口601可以将所述椎弓根置钉装置安装在骨科手术机器人的机械臂上，实现智能半自动化置钉操作。
本申请还提供一种椎弓根置钉系统，其包括如上所述的椎弓根置钉装置和双目视觉系统，以及计算机，所述双目视觉系统连接所述计算机。
具体的，所述双目视觉系统包括用作双目视觉空间定位的所述双目摄像机，所述双目摄像机连接所述计算机，所述椎弓根置钉装置的骨钻机构的夹持机构上设有导航面，所述导航面上设有与双目视觉系统相适配的可见光视觉识别跟踪图案。通过所述双目视觉系统追踪智能椎弓根置钉装置上的导航面，进行跟踪监控。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，本申请的保护范围并不局限于此，任何基于本申请技术方案上的等效变换均属于本申请保护范围之内。
