CN118436400A - 钻骨装置和钻骨装置的位姿调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻骨装置和钻骨装置的位姿调节方法，其中，钻骨装置包括：手持件的内部设置有容纳空间；第一连接结构包括第一驱动件和第一连接杆，第一驱动件设置在容纳空间内，第一连接杆穿设在第一通孔内，以驱动第一连接杆沿第一连接杆的轴线方向移动，第一连接杆的第二端设置有导向柱；第二连接结构包括第二驱动件和第二连接杆，以驱动第二连接杆沿第二连接杆的轴线方向移动；钻孔结构包括主体部和设置在主体部上的钻针，主体部设置有沿钻针的长度方向间隔设置的条形孔和铰接孔，条形孔沿钻针的长度方向延伸。本申请的技术方案有效地解决相关技术中的钻孔结构无法实现自动角度调节进而影响钻孔准确性的问题。

Description

钻骨装置和钻骨装置的位姿调节方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种钻骨装置和钻骨装置的位姿调节方法。

背景技术

全膝关节置换术（TKA）是一种外科手术，TKA需要去除股骨远端和胫骨近端的磨损骨头，然后用通常由金属或塑料的合成植入物代替移除的骨头，来创造一个新的关节表面。一般来说，外科医生规划并生成骨切口，以便最终放置恢复病人下肢力线的植入物，同时保持周围膝盖韧带的平衡。术中截骨的方向和位置，决定了植入物的最终位置关节。截骨导板也称为截骨块或截骨夹具，与摆锯配合生产截骨面，一旦截骨导板准确地定位在骨上，外科医生可以快速切除多个平面。在全膝关节置换术中，生成骨切口并且正确对准植入物是特别困难的，因为股骨需要至少五个平面骨切口来接收传统的股骨假体，股骨远端的平面切口必须以五自由度对准以确保正确的定位：前—后平移，近端平移，外—内旋转，内翻—外翻旋转和屈曲伸展旋转。任何平面切割或取向的任何错位可能会对手术的最终结果和植入物的磨损形式产生严重后果。

在相关技术中，钻孔结构包括钻机和手持件，操作人员握持手持件进而实现钻机的位置的调节，即钻孔结构无法实现自动角度调节，进而影响钻孔的准确性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钻骨装置和钻骨装置的位姿调节方法，以解决相关技术中的钻孔结构无法实现自动角度调节进而影响钻孔准确性的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钻骨装置，包括：手持件，手持件的内部设置有容纳空间，手持件的顶部设置有与容纳空间连通的第一通孔和第二通孔；第一连接结构，包括第一驱动件和第一连接杆，第一驱动件设置在容纳空间内，第一连接杆穿设在第一通孔内，第一驱动件与第一连接杆的第一端连接，以驱动第一连接杆沿第一连接杆的轴线方向移动，第一连接杆的第二端设置有导向柱；第二连接结构，包括第二驱动件和第二连接杆，第二连接结构和第一连接结构间隔设置，第二驱动件设置在容纳空间内，第二连接杆穿设在第二通孔，第二驱动件与第二连接杆的第一端连接，以驱动第二连接杆沿第二连接杆的轴线方向移动；钻孔结构，包括主体部和设置在主体部上的钻针，主体部设置有沿钻针的长度方向间隔设置的条形孔和铰接孔，条形孔沿钻针的长度方向延伸；其中，导向柱可移动地设置在条形孔内，第二连接杆的第二端与铰接孔连接。

进一步地，钻骨装置还包括第一导向结构，第一导向结构包括第一导轨和第一滑块，第一滑块设置在第一驱动件和第一连接杆之间，第一导轨设置在手持件的内壁上。

进一步地，第一连接杆包括第一杆段和第二杆段，第一杆段和第二杆段之间设置有第一连接组件，第一连接组件包括第一连接块和第一连接壳，第一连接块和第一连接壳中的一个设置在第一杆段上，第一连接块和第一连接壳中的另一个设置在第二杆段上，第一连接壳的侧壁上设置有第一开口部，第一连接块能够通过第一开口部插入至第一连接壳内。

进一步地，主体部包括钻具和固定架，条形孔和铰接孔均设置在固定架上；第二连接杆包括相互连接的第三杆段和第四杆段，第三杆段穿过第二通孔并与第二驱动件连接，第四杆段远离第三杆段的一端与固定架铰接连接；钻骨装置还包括第二导向结构，第二导向结构包括第二导轨和第二滑块，第二滑块设置在第二驱动件和第三杆段之间，第二导轨设置在手持件的内壁上；第三杆段和第四杆段之间设置有第二连接组件，第二连接组件包括第二连接块和第二连接壳，第二连接块和第二连接壳中的一个设置在第三杆段上，第二连接块和第二连接壳中的另一个设置在第四杆段上，第二连接壳的侧壁上设置有第二开口部，第二连接块能够通过第二开口部插入至第二连接壳内。

根据本发明的第二个方面，提供了一种钻骨装置的位姿调节方法，用以调节上述的钻骨装置，其中，位姿调节方法包括：

获取骨头的3D模型并得到骨头的3D模型的目标轴线；

以钻骨装置的钻孔结构的钻针的前端为坐标原点建立第一坐标系，在第一坐标系内得到钻针的轴线与目标轴线之间的第一角度值；

当第一角度值大于零时，调节钻针以使钻针的轴线与目标轴线重合；

以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在第二坐标系内得到钻针的轴线与目标轴线之间的第二角度值；

当第二角度值为零时，完成钻骨装置的位姿调节。

进一步地，当第二角度值大于零时，在第一坐标系内得到钻针的轴线与目标轴线之间的第三角度值；调节钻针以使钻孔结构的轴线与目标轴线重合，完成钻骨装置的位姿调节。

进一步地，调节钻针以使钻孔结构的轴线与目标轴线重合的步骤包括：

通过第一角度值，得到第一高度调整值和第二高度调整值；

驱动钻孔结构以使钻针的轴线与目标轴线重合。

进一步地，调节钻针以使钻孔结构的轴线与目标轴线重合的步骤与在第二坐标系内得到钻针的轴线与目标轴线之间的第二角度值的步骤之间包括：

获得钻孔结构的图像信息；

通过钻孔结构的图像信息判断钻孔结构是否处于目标区域；

当钻孔结构处于目标区域时，保持钻孔结构位置不变；

当钻孔结构处于目标区域以外时，移动钻孔结构的位置以进入目标区域。

进一步地，以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在第二坐标系内得到钻针的轴线与目标轴线之间的第二角度值的步骤之后包括：

通过第二角度值，得到第三高度调整值和第四高度调整值；

驱动钻孔结构以使钻针的轴线与目标轴线重合。

进一步地，以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在第二坐标系内得到钻针的轴线与目标轴线之间的第二角度值的步骤之后包括：

交替在第一坐标系和第二坐标系中得到第一角度值和第二角度值；

根据第一角度值和第二角度值调节钻针的轴线的位置。

根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于由处理器加载并执行如上述的钻骨装置的位姿调节方法。

根据本发明的第四个方面，提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的钻骨装置的位姿调节方法。

应用本发明的技术方案，手持件的内部设置有容纳空间，手持件的顶部设置有第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔均与容纳空间连通；第一连接结构包括第一驱动件和第一连接杆，第一驱动件设置在容纳空间内，第一连接杆穿设在第一通孔内，第一驱动件与第一连接杆的第一端连接，以驱动第一连接杆沿第一连接杆的轴线方向移动，第一连接杆的第二端设置有导向柱。第二连接结构包括第二驱动件和第二连接杆，第二连接结构和第一连接结构间隔设置，第二驱动件设置在容纳空间内，第二连接杆穿设在第二通孔，第二驱动件与第二连接杆的第一端连接以驱动第二连接杆沿第二连接杆的轴线方向移动。钻孔结构包括主体部和钻针，主体部设置有沿钻针的长度方向间隔设置的条形孔和铰接孔，条形孔沿钻针的长度方向延伸。导向柱可移动地设置在条形孔内，第二连接杆的第二端与铰接孔连接。通过上述的设置，第一驱动件能够驱动第一连接杆移动，第二驱动件能够驱动第二连接杆移动，第一连接杆和第二连接杆的移动能够带动钻孔结构进行摆动，进而实现钻孔结构的角度摆动。因此本申请的技术方案有效地解决相关技术中的钻孔结构无法实现自动角度调节进而影响钻孔准确性的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的钻骨装置的实施例的立体结构示意图；

图2示出了图1的钻骨装置的主视示意图；

图3示出了图1的钻骨装置的分解结构示意图；

图4示出了图1的钻骨装置的第一连接结构和第二连接结构的立体结构示意图；

图5示出了图4的第一连接结构和第二连接结构的分解结构示意图；

图6示出了图4的第一连接结构和第二连接结构的剖视示意图；

图7示出了图4的第二连接壳的主视示意图；

图8示出了根据本发明的位姿调节方法的实施例的流程示意图；

图9示出了图8的位姿调节方法的位姿转换示意图；

图10示出了图8的位姿调节方法的定位运算的计算流程。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、手持件；11、容纳空间；12、第一通孔；13、第二通孔；20、第一连接结构；21、第一驱动件；22、第一连接杆；221、导向柱；222、第一杆段；223、第二杆段；30、第二连接结构；31、第二驱动件；32、第二连接杆；321、第三杆段；322、第四杆段；40、钻孔结构；41、主体部；411、条形孔；412、铰接孔；413、钻具；414、固定架；42、钻针；50、第一导向结构；51、第一导轨；52、第一滑块；60、第一连接组件；61、第一连接块；62、第一连接壳；621、第一开口部；70、第二导向结构；71、第二导轨；72、第二滑块；80、第二连接组件；81、第二连接块；82、第二连接壳；821、第二开口部；90、光学标记结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到 ：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图5所示，在本实施例中，钻骨装置包括：手持件10、第一连接结构20、第二连接结构30以及钻孔结构40。手持件10的内部设置有容纳空间11，手持件10的顶部设置有与容纳空间11连通的第一通孔12和第二通孔13。第一连接结构20包括第一驱动件21和第一连接杆22，第一驱动件21设置在容纳空间11内，第一连接杆22穿设在第一通孔12内，第一驱动件21与第一连接杆22的第一端连接，以驱动第一连接杆22沿第一连接杆22的轴线方向移动，第一连接杆22的第二端设置有导向柱221。第二连接结构30包括第二驱动件31和第二连接杆32，第二连接结构30和第一连接结构20间隔设置，第二驱动件31设置在容纳空间11内，第二连接杆32穿设在第二通孔13，第二驱动件31与第二连接杆32的第一端连接，以驱动第二连接杆32沿第二连接杆32的轴线方向移动。钻孔结构40包括主体部41和设置在主体部41上的钻针42，主体部41设置有沿钻针42的长度方向间隔设置的条形孔411和铰接孔412，条形孔411沿钻针42的长度方向延伸。其中，导向柱221可移动地设置在条形孔411内，第二连接杆32的第二端与铰接孔412连接。

应用本实施例的技术方案，手持件10的内部设置有容纳空间11，手持件10的顶部设置有第一通孔12和第二通孔13，第一通孔12和第二通孔13均与容纳空间11连通；第一连接结构20包括第一驱动件21和第一连接杆22，第一驱动件21设置在容纳空间11内，第一连接杆22穿设在第一通孔12内，第一驱动件21与第一连接杆22的第一端连接，以驱动第一连接杆22沿第一连接杆22的轴线方向移动，第一连接杆22的第二端设置有导向柱221。第二连接结构30包括第二驱动件31和第二连接杆32，第二连接结构30和第一连接结构20间隔设置，第二驱动件31设置在容纳空间11内，第二连接杆32穿设在第二通孔13，第二驱动件31与第二连接杆32的第一端连接以驱动第二连接杆32沿第二连接杆32的轴线方向移动。钻孔结构40包括主体部41和钻针42，主体部41设置有沿钻针42的长度方向间隔设置的条形孔411和铰接孔412，条形孔411沿钻针42的长度方向延伸。导向柱221可移动地设置在条形孔411内，第二连接杆32的第二端与铰接孔412连接。通过上述的设置，第一驱动件21能够驱动第一连接杆22移动，第二驱动件31能够驱动第二连接杆32移动，第一连接杆22和第二连接杆32的移动能够带动钻孔结构40进行摆动，进而实现钻孔结构40的角度摆动。因此本实施例的技术方案有效地解决相关技术中的钻孔结构无法实现自动角度调节进而影响钻孔准确性的问题。

如图1至图5所示，在本实施例中，钻骨装置还包括第一导向结构50，第一导向结构50包括第一导轨51和第一滑块52，第一滑块52设置在第一驱动件21和第一连接杆22之间，第一导轨51设置在手持件10的内壁上。第一导向结构50的设置能够使得第一连接杆22的移动更加稳定。

如图1至图5所示，在本实施例中，第一连接杆22包括第一杆段222和第二杆段223，第一杆段222和第二杆段223之间设置有第一连接组件60，第一连接组件60包括第一连接块61和第一连接壳62，第一连接块61和第一连接壳62中的一个设置在第一杆段222上，第一连接块61和第一连接壳62中的另一个设置在第二杆段223上，第一连接壳62的侧壁上设置有第一开口部621，第一连接块61能够通过第一开口部621插入至第一连接壳62内。第一连接块61可拆卸地与第一连接壳62连接，这样使得在无需使用钻骨装置时，可以将第一杆段222和第二杆段223分离，进而使得钻骨装置更容易收纳。

如图1至图3所示，在本实施例中，主体部41包括钻具413和固定架414，条形孔411和铰接孔412均设置在固定架414上；固定架414的设置能够使得钻具413的位置稳定性更好。

如图1至图5所示，在本实施例中，第二连接杆32包括相互连接的第三杆段321和第四杆段322，第三杆段321穿过第二通孔13并与第二驱动件31连接，第四杆段322远离第三杆段321的一端与固定架414铰接连接；钻骨装置还包括第二导向结构70，第二导向结构70包括第二导轨71和第二滑块72，第二滑块72设置在第二驱动件31和第三杆段321之间，第二导轨71设置在手持件10的内壁上；第二导向结构70的设置能够使得第二连接杆32的移动更加稳定。

如图1至图7所示，在本实施例中，第三杆段321和第四杆段322之间设置有第二连接组件80，第二连接组件80包括第二连接块81和第二连接壳82，第二连接块81和第二连接壳82中的一个设置在第三杆段321上，第二连接块81和第二连接壳82中的另一个设置在第四杆段322上，第二连接壳82的侧壁上设置有第二开口部821，第二连接块81能够通过第二开口部821插入至第二连接壳82内。第三杆段321和第四杆段322能够实现拆卸地设置，将第一杆段222和第二杆段223分离，将第三杆段321和第四杆段322分离后，能够使得手持件10和钻孔结构40分离，进而使得钻骨装置占用的空间减小，即钻骨装置更容易被收纳。

如图1至图3所示，在本实施例中，钻骨装置还包括光学标记结构90。光学标记结构90的设置能够实现与手术导航结构配合。

根据本申请的第二个方面，提供了一种钻骨装置的位姿调节方法，如图8所示，本实施例的位姿调节方法用以调节上述的钻骨装置，其中，位姿调节方法包括：

步骤S10：获取骨头的3D模型并得到骨头的3D模型的目标轴线；

步骤S20：以钻骨装置的钻孔结构40的钻针42的前端为坐标原点建立第一坐标系，在第一坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第一角度值；

步骤S30：当第一角度值大于零时，调节钻针42以使钻针42的轴线与目标轴线重合；

步骤S40：以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在第二坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第二角度值；

步骤S50：当第二角度值为零时，完成钻骨装置的位姿调节。

首先对患者进行手术规划，通过计算机影像获得患者骨头的解剖3D模型，将3D模型预加载至软件中，医生将期望的假体模型替换到患者骨骼模型中，确定骨植入物的最佳拟合位置和角度。在TKA中，计划的截骨平面通常包括前截面、前截面倒角、远端截面、后截面倒角、后截面和胫骨截骨平面。以钻孔结构40的钻针42的前端为坐标原点建立第一坐标系，在第一坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第一角度值。当第一角度值大于零时，调节钻针42以使钻针42的轴线与目标轴线重合。再次以骨头上的预设点作为坐标原点建立第二坐标系，并在第二坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第二角度值，当第二角度值为零时，完成钻骨装置的位姿调节。即步骤S40为检查步骤，即在初步完成位置调节后，再在第二坐标系内对钻针42的轴线进行检测，进而保证钻针42的轴线与目标轴线处于重合的位置，进而使得钻骨的准确性更好。

其中，手术规划包含与多个虚拟平面的位置相结合的患者手术骨3D模型。规划软件使用多个计划的切割平面以及多个尺寸的截骨导板或对准导板的位置和方向来限定虚拟平面的位置。最终，虚拟平面的位置用于限定为帮助放置截骨导板，并使得截骨导板的一个或多个导槽位于正确的方向中以准确地引导锯生成切骨。

根据截骨导板的位置计划的固定钉孔位置进行钻孔，将骨钉插在患者骨头上，通过手持设备进行自动钻孔，其中手持设备会在光学定位系统的引导下进行自动工作轴调节，然后医生手持沿着工作轴推进，此时按下扳机，实现钻孔，在完成两个钻孔后，两个骨钉会留在患者骨头上，此时安装截骨导板；截骨导板上有切割导槽，导槽的形状是用于引导摆锯在患者骨头上进行切割，此时医生手持摆锯进行截骨操作。在完成单个平面截骨后，医生可根据截骨导板的类型（单个截骨导板或四合一截骨导板）进行下一步的操作，比如更换钉孔位置，继续截骨。当完成所有计划的截骨操作，即可安装假体。

如图8所示，在本实施例中，当第二角度值大于零时，在第一坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第三角度值；调节钻针42以使钻孔结构40的轴线与目标轴线重合，完成钻骨装置的位姿调节。通过上述的设置能够进一步实现调节，进而能够保证目标轴线和钻针的轴线重合。

如图8所示，在本实施例中，调节钻针42以使钻孔结构40的轴线与目标轴线重合的步骤包括：

通过第一角度值，得到第一高度调整值和第二高度调整值；

驱动钻孔结构40以使钻针42的轴线与目标轴线重合。通过上述的设置能够保证调节的准确性。

如图8所示，在本实施例中，调节钻针42以使钻孔结构40的轴线与目标轴线重合的步骤与在第二坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第二角度值的步骤之间包括：

获得钻孔结构40的图像信息；

通过钻孔结构40的图像信息判断钻孔结构40是否处于目标区域；

当钻孔结构40处于目标区域时，保持钻孔结构40位置不变；

当钻孔结构40处于目标区域以外时，移动钻孔结构40的位置以进入目标区域。通过上述的设置能够实现钻针的轴线的位置的验证。

如图8所示，在本实施例中，以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在第二坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第二角度值的步骤之后包括：

通过第二角度值，得到第三高度调整值和第四高度调整值；

驱动钻孔结构40以使钻针42的轴线与目标轴线重合。通过上述的设置能够使得角度的调节的准确性。

如图8所示，在本实施例中，以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在第二坐标系内得到钻针42的轴线与目标轴线之间的第二角度值的步骤之后包括：

交替在第一坐标系和第二坐标系中得到第一角度值和第二角度值；

根据第一角度值和第二角度值调节钻针42的轴线的位置。通过上述的设置能够实现相互验证，进而保证调节的准确性。

如图9和图10所示，整个手术导航系统包含光学导航系统、钻骨装置、控制主机、显示器和患者骨骼上的光学标记，钻骨装置上也有光学标记，这样在医生移动钻骨装置时候就可以在显示器中看到虚拟钻孔位置的移动。控制主机向驱动电机提供驱动命令，以控制钻针的轴线的位置和方向。因此该计算机系统可通过在手术规划中限定的、并与手持部分的位姿无关的虚拟平面来保持工作轴。

该控制主机专用于在手术前或手术中计划手术。例如，该控制主机能够接收和读取医学成像数据，分割成像数据，构建和操作3D模型，存储和提供计算机辅助设计（CAD）文件，规划植入物相对于骨的位姿，用于产生与系统一起使用的手术规划数据，以及在手术程序计划中提供其他各种功能以帮助用户。该控制主机可以定义虚拟平面。最终的手术规划数据可以包括骨的图像数据组，骨注册数据，主题识别信息，植入物相对于骨的位姿，相对限定在骨的一个或多个虚拟平面的位姿，以及任何组织修改指令。

在手术系统中，光学定位系统用于采集在全膝关节置换术期间的股骨和胫骨的位姿数据。股骨远端和胫骨近端的位姿将通过固定在骨骼上的光学标记由光学定位系统进行实时追踪。因此，该工具的位姿和其他任何在手术规划中限定的坐标的位姿可以由计算机系统予以确定。反过来，计算机系统可向直线电机实时提供驱动命令，以将钻针的轴线精确地自由度持至所定义的坐标。

控制主机根据光学定位系统反馈回来的位姿信息，实时获知骨骼的位置，并计算出应该钻孔的目标轴线，医生将钻骨装置移动到可操作空间时，由定位运算器进行判断是否到达预定范围，当到达预定范围时，钻骨装置上的黄灯亮起，此时控制主机将分别独立地控制前端直线电机和后端直线电机，电机接受到实时动作指令后执行相应动作，并回传实时的距离值，通过正逆解算法运算器输出的电机目标位置信息，将钻针的轴线移动到目标轴线位置。此时钻骨装置上的绿灯亮起，可以按下扳机控制钻孔。钻骨装置控制器可独立地控制用于钻骨装置，当医生按下扳机时，电机可双向旋转地驱动骨钉，以推进并驱动钉进入骨中。

钻骨装置的位置和方向被光学定位系统跟踪以确定其在空间中相对于患者骨骼的位置。导航系统的光学定位系统可被连接到控制主机以实时地跟踪钻骨装置的位置和方向并向控制器发送信号，控制器控制手持件内的部件，以相应地驱动在期望平面的杆。在手术期间，导航系统提供将钻面与钻骨装置的位置和方向联系的反馈。附加的跟踪单元组可以附接到解剖结构并且提供解剖参考系以监测表面的任何位移。

具体地，本实施例的钻骨装置的位姿调节方法包括导航判定算法、骨头晃动的动态补偿、光学定位的动态补偿以及钻孔时的动态补偿。

其中，如图9所示，导航判定算法：钻骨装置的位置和方向被光学定位系统跟踪以确定其在空间中相对于患者骨骼的位置。导航系统的光学定位系统可被连接到控制主机以实时地跟踪钻骨装置的位置和方向并向控制器发送信号，控制器控制第一驱动件21和第二驱动件31，以相应地驱动在期望平面的钻针42。在操作期间，导航系统提供将钻面与钻针42的位置和方向联系的反馈。附加的跟踪单元组可以附接到解剖结构并且提供解剖参考系以监测表面的任何位移。

转换关系：

钻骨装置基底坐标系×钻骨装置基底与骨头坐标系之间的转换关系得到骨头坐标系；

钻骨装置基底坐标系×钻骨装置基底与光学定位系统坐标系之间的转换关系得到光学定位系统的坐标系；

光学定位系统的坐标系×NDI与骨头光标之间的关系得到骨头光标坐标系；

钻针末端坐标系×钻针的轴线与目标钻孔轴之间的关系得到目标轴的坐标系；

钻骨装置基底坐标×乘钻骨装置基底与工作轴坐标之间的关系得到钻针末端坐标系，也就是正解 ；

骨头光标坐标系×骨头与骨头光标坐标之间的关系得到骨头坐标系。

骨头晃动的动态补偿：

操作过程中，当患者因某些外在因素造成有偏移或者移动时， 往往会造成导航系统失败；不论是定位传感时或者是施行截骨时，因悬偏移晃动时所光学定位的特征点并非典先前光学定位的特征点或非是同一值基准，即所参考的基准已变动；倘若没有重新校正视觉伺服手眼关系，则可能导致手术误差太大，因此通过Eye to hand视觉伺服系统架构来进行视觉伺服追踪，补偿所变动的部分。而动态补偿的方式刖是将NDI参考工具固定于骨头上，当骨头有晃动时被动式光标也会跟着移动，利用NDI被动式光标当作基准达到动态补偿的功能。如图所示。当NDI光标工具方位位置因为骨头晃动而跟着变动时候，利用的改变来调整手术辅助机器人的钻孔方位，使钻孔位置保持和骨头一定的相对位置。

光学定位的动态补偿：

光学定位的骨头特征原先以NDI坐标系为基准，但透过动态补偿的方式将基底转换为参考工具上，即将光学定位的特征点透过坐标转换，将NDI基底坐标系转换成以参考工具为基底的坐标系｛M｝，如下式所示：

因此由于是相对的坐标，之后的光学定位其他特征点也无需担心会因为骨头晃动而造成的数据偏差。

如图9所示，在本实施例中，为了避免在进行操作时候，因为外在或某些因素而导致骨头位移，而切削工具仍然还在原本的位置，导致骨头切削实际上有误差的情况，所以在此步骤添加动态补偿功能。如图所示为视觉伺服控制系统的示意图，上述控制命令是由光学定位系统坐标系中的笛卡尔空间坐标,然后输入直接控制机器人，完成任务。

要实现动态补偿首先必须要定义钻骨装置与骨头切削面坐标系之间的关系，若此任务定义为重合，即代表钻孔必须一直维持与骨头切削面的坐标系重合；因此经由光学定位系统与骨头光标坐标系间的关系，可反推回满足此任务的机器人各轴电机的转角，以此完成控制任务。

如图10所示，在本实施例中，以光学定位系统所侦测的目标分类，如果是只侦测目标物体来进行视觉伺服控制，称为末端开回路 (endpoint open loop，EOL)系统 ，若光学定位系统同时侦测钻骨装置末端与目标物体，则称为末端闭回路(endpoint closed loop，ECL)系统 。要从EOL系统转换成ECL系统，只需要能直接看到末端工作部分的光标即可。

因为手术时需定位出目标截骨平面，以限制钻孔在此平面上之外的移动。然而患者的骨骼非固定不动，因此需透过视觉伺服追踪目标平面的移动，重新校正钻孔工作轴的方位以顺利进行钻孔。因为系统中的光学定位系统固定在手术空间里，所以整个系统采用了eye to hand也就是ECL系统，使用动态观察-移动（dynamic look and move）控制策略模式来追踪目标。医生的手臂在移动钻骨装置时候充当了机械臂的角色，即常规手术机器人的机械臂，钻骨装置的两个自由度充当了常规手术机器人末端的自由度，当医生手臂移动时，光学定位系统通过光标的图像特征提取获取钻骨装置的位姿，定位运算器负责计算钻骨装置位置是否到了钻骨装置可以自己调整工具轴的范围，当到达工作范围时，此时钻骨装置亮黄灯（未到达工作范围亮红灯），此时正逆解算法运算器其中的逆解计算器根据钻骨装置的位姿和当第一驱动件21和第二驱动件31驱动的位置计算出钻骨装置的基础位置，并通过正解计算器根据目标位置与实际位置的差距计算出第一驱动件21和第二驱动件31的运动增量，将运动指令发送给直线电机驱动器。

第一驱动件21和第二驱动件31的移动使得钻针42的轴线沿着预先计划的平面移动，允许钻针42可以在两个自由度上移动。当第一驱动件21和第二驱动件31以相反方向驱动，则钻针42旋转一个角度，当第一驱动件21和第二驱动件31以相同方向驱动，钻针42平移一段距离。驱动实时进行以适当地调节钻针42达到指定目标轴。旋转和平移的程度和量取决于钻针42的轴线相对于手持件10的方向和位置。控制主机向第一驱动件21和第二驱动件31发送运动指令以校正钻骨装置的部分的实际测量姿态和期望位置之间的任意偏差。因此，控制主机可以控制第一驱动件21和第二驱动件31使得工作部分的钻骨装置到达目标位置和方向。

首先在第一驱动件21和第二驱动件31均为最低点时，根据机械模型确定，手持件10基底坐标系与钻针42的轴线之间的转换关系即。当定位运算器判断钻针42到达目标范围时，将目标轴线投影到钻针42的轴线平面中，此时在二维平面进行正逆运动学算法的运算，根据钻针42的轴线求得第一驱动件21和第二驱动件31的高度值，判断高度值是否符合第一驱动件21和第二驱动件31的运动范围，如果符合运动范围则发送给第一驱动件21和第二驱动件31进行微调运动，根据两轴的高度变化和，实时计算出钻针42的轴线的实时位姿，进行ECL闭环控制。

根据本申请的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，本实施例的计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于由处理器加载并执行上述的钻骨装置的位姿调节方法。

根据本申请的第四个方面，提供了一种处理器，本实施例的处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述的钻骨装置的位姿调节方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以

是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个计算机可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本发明各个实施例上述方法的全部或部分步骤。而前述的计算机可读存储介质包括：U盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位 ( 旋转 90 度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。

Claims (12)

1.一种钻骨装置，其特征在于，包括：

手持件（10），所述手持件（10）的内部设置有容纳空间（11），所述手持件（10）的顶部设置有与所述容纳空间（11）连通的第一通孔（12）和第二通孔（13）；

第一连接结构（20），包括第一驱动件（21）和第一连接杆（22），所述第一驱动件（21）设置在所述容纳空间（11）内，所述第一连接杆（22）穿设在所述第一通孔（12）内，所述第一驱动件（21）与所述第一连接杆（22）的第一端连接，以驱动所述第一连接杆（22）沿所述第一连接杆（22）的轴线方向移动，所述第一连接杆（22）的第二端设置有导向柱（221）；

第二连接结构（30），包括第二驱动件（31）和第二连接杆（32），所述第二连接结构（30）和所述第一连接结构（20）间隔设置，所述第二驱动件（31）设置在所述容纳空间（11）内，所述第二连接杆（32）穿设在所述第二通孔（13），所述第二驱动件（31）与所述第二连接杆（32）的第一端连接，以驱动所述第二连接杆（32）沿所述第二连接杆（32）的轴线方向移动；

钻孔结构（40），包括主体部（41）和设置在所述主体部（41）上的钻针（42），所述主体部（41）设置有沿所述钻针（42）的长度方向间隔设置的条形孔（411）和铰接孔（412），所述条形孔（411）沿所述钻针（42）的长度方向延伸；

其中，所述导向柱（221）可移动地设置在所述条形孔（411）内，所述第二连接杆（32）的第二端与所述铰接孔（412）连接。

2.根据权利要求1所述的钻骨装置，其特征在于，所述钻骨装置还包括第一导向结构（50），所述第一导向结构（50）包括第一导轨（51）和第一滑块（52），所述第一滑块（52）设置在所述第一驱动件（21）和所述第一连接杆（22）之间，所述第一导轨（51）设置在所述手持件（10）的内壁上。

3.根据权利要求1所述的钻骨装置，其特征在于，所述第一连接杆（22）包括第一杆段（222）和第二杆段（223），所述第一杆段（222）和所述第二杆段（223）之间设置有第一连接组件（60），所述第一连接组件（60）包括第一连接块（61）和第一连接壳（62），所述第一连接块（61）和所述第一连接壳（62）中的一个设置在所述第一杆段（222）上，所述第一连接块（61）和所述第一连接壳（62）中的另一个设置在所述第二杆段（223）上，所述第一连接壳（62）的侧壁上设置有第一开口部（621），所述第一连接块（61）能够通过所述第一开口部（621）插入至所述第一连接壳（62）内。

4.根据权利要求1所述的钻骨装置，其特征在于，

所述主体部（41）包括钻具（413）和固定架（414），所述条形孔（411）和所述铰接孔（412）均设置在所述固定架（414）上；

所述第二连接杆（32）包括相互连接的第三杆段（321）和第四杆段（322），所述第三杆段（321）穿过所述第二通孔（13）并与所述第二驱动件（31）连接，所述第四杆段（322）远离所述第三杆段（321）的一端与所述固定架（414）铰接连接；

所述钻骨装置还包括第二导向结构（70），所述第二导向结构（70）包括第二导轨（71）和第二滑块（72），所述第二滑块（72）设置在所述第二驱动件（31）和所述第三杆段（321）之间，所述第二导轨（71）设置在所述手持件（10）的内壁上；

所述第三杆段（321）和所述第四杆段（322）之间设置有第二连接组件（80），所述第二连接组件（80）包括第二连接块（81）和第二连接壳（82），所述第二连接块（81）和所述第二连接壳（82）中的一个设置在所述第三杆段（321）上，所述第二连接块（81）和所述第二连接壳（82）中的另一个设置在所述第四杆段（322）上，所述第二连接壳（82）的侧壁上设置有第二开口部（821），所述第二连接块（81）能够通过所述第二开口部（821）插入至所述第二连接壳（82）内。

5.一种钻骨装置的位姿调节方法，其特征在于，用以调节权利要求1至4中任一项所述的钻骨装置，其中，所述位姿调节方法包括：

获取骨头的3D模型并得到所述骨头的3D模型的目标轴线；

以所述钻骨装置的钻孔结构（40）的钻针（42）的前端为坐标原点建立第一坐标系，在所述第一坐标系内得到所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线之间的第一角度值；

当所述第一角度值大于零时，调节所述钻针（42）以使所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线重合；

以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在所述第二坐标系内得到所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线之间的第二角度值；

当所述第二角度值为零时，完成所述钻骨装置的位姿调节。

6.根据权利要求5所述的钻骨装置的位姿调节方法，其特征在于，当所述第二角度值大于零时，在所述第一坐标系内得到所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线之间的第三角度值；调节所述钻针（42）以使所述钻孔结构（40）的轴线与所述目标轴线重合，完成所述钻骨装置的位姿调节。

7.根据权利要求5所述的钻骨装置的位姿调节方法，其特征在于，调节所述钻针（42）以使所述钻孔结构（40）的轴线与所述目标轴线重合的步骤包括：

通过所述第一角度值，得到第一高度调整值和第二高度调整值；

驱动所述钻孔结构（40）以使所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线重合。

8.根据权利要求5所述的钻骨装置的位姿调节方法，其特征在于，调节所述钻针（42）以使所述钻孔结构（40）的轴线与所述目标轴线重合的步骤与在第二坐标系内得到所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线之间的第二角度值的步骤之间包括：

获得所述钻孔结构（40）的图像信息；

通过所述钻孔结构（40）的图像信息判断所述钻孔结构（40）是否处于目标区域；

当所述钻孔结构（40）处于所述目标区域时，保持所述钻孔结构（40）位置不变；

当所述钻孔结构（40）处于所述目标区域以外时，移动所述钻孔结构（40）的位置以进入所述目标区域。

9.根据权利要求5所述的钻骨装置的位姿调节方法，其特征在于，以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在所述第二坐标系内得到所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线之间的第二角度值的步骤之后包括：

通过第二角度值，得到第三高度调整值和第四高度调整值；

驱动所述钻孔结构（40）以使所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线重合。

10.根据权利要求6所述的钻骨装置的位姿调节方法，其特征在于，以骨头上的预设点为坐标原点建立第二坐标系，在所述第二坐标系内得到所述钻针（42）的轴线与所述目标轴线之间的第二角度值的步骤之后包括：

交替在所述第一坐标系和所述第二坐标系中得到所述第一角度值和所述第二角度值；

根据所述第一角度值和所述第二角度值调节所述钻针（42）的轴线的位置。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求5至10中任意一项所述的钻骨装置的位姿调节方法。

12.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求5至10中任意一项所述的钻骨装置的位姿调节方法。