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1、(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201310370078.8 (22)申请日 2013.08.22 A61B 17/3211(2006.01) (73)专利权人 厦门大学 地址 361005 福建省厦门市思明南路 422 号 (72)发明人 穆瑞 张宇锋 (74)专利代理机构 厦门南强之路专利事务所 ( 普通合伙 ) 35200 代理人 马应森 曾权 (54) 发明名称 微型数控手术刀 (57) 摘要 微型数控手术刀， 涉及一种手术刀。设有基 板、 可编程控制器、 转轴、 径向伸缩臂、 纵向伸缩刀 架竖杆、 刀片、 微电机、 定位针、 导向模板 ； 微电机 设在基板上，。
2、 微电机与可编程控制器连接， 微电机 的输出轴与转轴固连， 转轴装在定位针的上端头， 转轴的径向连接有径向伸缩臂， 径向伸缩臂末端 铰接有纵向伸缩刀架竖杆， 可编程控制器通过控 制微电机进而控制径向伸缩臂和纵向伸缩刀架竖 杆的伸缩、 以及控制纵向伸缩刀架竖杆在竖直平 面和水平面内的旋转方向和角度 ； 导向模板设在 纵向伸缩刀架竖杆下部， 刀片设于纵向伸缩刀架 竖杆的下端， 导向模板与可编程控制器的控制信 号输出端连接。精确度高、 适用性强、 可减轻医生 劳动强度、 缩短手术时间、 结构简单、 成本低。 (51)Int.Cl. 审查员 姚媛 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利。
3、 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)授权公告号 CN 103393447 B (45)授权公告日 2015.04.01 CN 103393447 B 1/1 页 2 1.微型数控手术刀， 其特征在于设有基板、 可编程控制器、 转轴、 径向伸缩臂、 纵向伸缩 刀架竖杆、 刀片、 微电机、 定位针、 导向模板 ； 所述微电机设在基板上， 微电机与可编程控制 器连接， 可编程控制器用于控制微电机的转速和旋转方向， 微电机的输出轴与转轴固连， 转 轴通过轴承装在定位针的上端头， 转轴的径向连接有径向伸缩臂， 径向伸缩臂末端铰接有 可在竖直平面和水平面内旋转的纵向伸缩刀架竖杆， 可编程控制器。
4、通过控制微电机进而控 制径向伸缩臂和纵向伸缩刀架竖杆的伸缩、 以及控制纵向伸缩刀架竖杆在竖直平面和水平 面内的旋转方向和角度 ； 导向模板设在纵向伸缩刀架竖杆的下部， 刀片设于纵向伸缩刀架 竖杆的下端， 导向模板与可编程控制器的控制信号输出端连接。 2.如权利要求 1 所述微型数控手术刀， 其特征在于所述径向伸缩臂的伸缩长度为 0.5 1.5cm。 3.如权利要求 1 所述微型数控手术刀， 其特征在于所述纵向伸缩刀架竖杆在竖直平面 和水平面内的旋转角度为 -45 45。 4.如权利要求 1 所述微型数控手术刀， 其特征在于所述纵向伸缩刀架竖杆在纵向上的 伸缩长度为 0.1 0.25cm。 权 。
5、利 要 求 书 CN 103393447 B 2 1/4 页 3 微型数控手术刀 技术领域 0001 本发明涉及一种手术刀， 尤其是涉及神经外科医生用微型数控手术刀。 背景技术 0002 目前， 外科医生在为病人做手术切除病灶时， 一般是医生手持手术刀来进行， 尤其 是大手术， 不但要求医生有高超的技术， 还要求医生具有一定的体力。 为了提高手术的成功 率、 减轻外科医生的劳动强度， 人们作了多种努力。魏宝泉等人发明的电脑扁桃体切除仪， 利用电脑控制高频电切除刀具实现快速、 微创、 安全地切除扁桃体。 中国专利CN102614007A 公开一种电动手术刀， 可以帮助手术者更轻巧、 准确、 快速。
6、地切开皮肤或其他坚韧的组织， 由刀片和电动刀柄两部分组成， 刀片通过卡口连接于电动刀柄的传动轴上， 电动刀柄为适 合于手指捏持的圆珠笔状， 其内部有电磁动力驱动系统， 该系统采用三组微型交流电磁 铁 - 衔铁组联合驱动， 能够产生足够的驱动力， 该驱动力通过传动轴传导至刀片， 交流电的 快速交变特性， 可以使刀片产生高频快速的往复运动， 利用电磁驱动的高频振动刀片帮助 医生快速准确的切开皮肤等坚韧组织， 提高手术效率和质量。 0003 此外， 近年来出现射频消融、 微创手术、 伽马刀手术等新型手术工具， 中国专利 CN2753298 公开一种电脑扁桃体切除仪， 由微型计算机和电源电路、 控制键。
7、盘、 控制开关、 显 示电路、 推动放大隔离电路和高频信号功率放大输出电路连接组成的高频电能发生器， 高 频电能发生器连接高频电切除手术刀具所组成。中国专利 CN201026235 公开一种高频扁桃 体手术器， 设有微型计算机、 电源电路、 控制键盘、 控制开关、 高频电切除刀具、 推动放大隔 离电路、 高频信号功率放大输出电路和键盘与显示共合电路， 键盘与显示共合电路作为一 个整体分别连接控制键盘、 电源电路和微型计算机， 微型计算机是 AVR 系列的微型计算机， 微型计算机的输入端连接控制开关， 输出端连接推动放大隔离电路， 推动放大隔离电路的 输出连接高频信号功率放大输出电路， 高频信号。
8、功率放大输出电路连接高频电切除手术刀 具。但是上述发明局限性太强， 不能取代医生手持手术刀进行手术。 发明内容 0004 本发明的目的在于为了克服现有技术的不足， 提供一种精确度高、 适用性强、 可减 轻医生劳动强度、 缩短手术时间、 结构简单、 成本低的辅助外科医生做大手术的微型数控手 术刀。 0005 本发明设有基板、 可编程控制器、 转轴、 径向伸缩臂、 纵向伸缩刀架竖杆、 刀片、 微 电机、 定位针、 导向模板 ； 所述微电机设在基板上， 微电机与可编程控制器连接， 可编程控制 器用于控制微电机的转速和旋转方向， 微电机的输出轴与转轴固连， 转轴通过轴承装在定 位针的上端头， 转轴的径。
9、向连接有径向伸缩臂， 径向伸缩臂末端铰接有可在竖直平面和水 平面内旋转的纵向伸缩刀架竖杆， 可编程控制器通过控制微电机进而控制径向伸缩臂和纵 向伸缩刀架竖杆的伸缩、 以及控制纵向伸缩刀架竖杆在竖直平面和水平面内的旋转方向和 角度 ； 导向模板设在纵向伸缩刀架竖杆的下部， 刀片设于纵向伸缩刀架竖杆的下端， 导向模 说 明 书 CN 103393447 B 3 2/4 页 4 板与可编程控制器的控制信号输出端连接。 0006 所述基板上设有定位卡紧装置、 手术器械。 0007 所述径向伸缩臂的伸缩长度可为 0.5 1.5cm， 纵向可伸缩刀架竖杆在两个平面 内的旋转角度可为 -45 45， 纵向可。
10、伸缩刀架竖杆在纵向上的伸缩长度可为 0.1 0.25cm。 0008 本发明的可编程控制器通过控制微电机进而控制径向伸缩臂和纵向伸缩刀架竖 杆的伸缩、 以及控制纵向伸缩刀架竖杆在竖直平面和水平面内的旋转方向和角度， 纵向伸 缩刀架竖杆的中下部装有导向模板， 纵向伸缩刀架竖杆的下端装有手术刀片 ； 导向模板用 于确定刀片的轨迹， 其中导向模板确定刀片的轨迹的方式采用非线性插值方法， 具体为 ： 首先对两组神经解剖图谱 schaltenbrand-wahren(SW)， Talairach-Tournoux(TT) 进行数 字化三维重建工作 ； 然后采用三维非线性配准方法， 将两组图谱先统一到同一。
11、坐标系下， 该部分工作一经完成无需重复 ； 其次， 先进行输入图像格式化处理， 提高配准的精度， 然后 采用可变比例网格方法 (PGS-Proportional Grid System) 和分段式局域线性配准算法 (PWL-Piecewise Linear Registration) 的配合实现图谱与病人图像的实时配准 ； 最终通 过交互式微调实现解剖图谱精准配准和可视化。 0009 本发明可辅助医生进行外科手术， 缩短手术时间、 减轻医生劳动强度， 同时还具有 精准度高、 结构简单、 成本低的优点。 附图说明 0010 图 1 为本发明实施例的结构示意图。 具体实施方式 0011 以下实施例。
12、将结合附图对本发明作进一步的说明。 0012 参见图 1， 本发明实施例设有基板 （在图中未画出） 、 可编程控制器 （在图中未画 出） 、 转轴 1、 径向伸缩臂 2、 纵向伸缩刀架竖杆 3、 刀片 4、 微电机 5、 定位针 6、 导向模板 7 ； 所 述微电机5设在基板上， 微电机5与可编程控制器连接， 可编程控制器用于控制微电机的转 速和旋转方向， 微电机 5 的输出轴与转轴 1 固连， 转轴 1 通过轴承装在定位针 6 的上端头， 转轴1的径向连接有径向伸缩臂2， 径向伸缩臂2末端铰接有可在竖直平面和水平面内旋转 的纵向伸缩刀架竖杆3， 可编程控制器通过控制微电机5进而控制径向伸缩臂。
13、2和纵向伸缩 刀架竖杆 3 的伸缩、 以及控制纵向伸缩刀架竖杆 3 在竖直平面和水平面内的旋转方向和角 度 ； 导向模板 7 设在纵向伸缩刀架竖杆 3 的下部， 刀片 4 设于纵向伸缩刀架竖杆 3 的下端， 导向模板 7 与可编程控制器的控制信号输出端连接。所述基板上设有定位卡紧装置、 手术 器械。 0013 所述径向伸缩臂 2 的伸缩长度为 0.5 1.5cm， 纵向可伸缩刀架竖杆 3 在两个平 面内的旋转角度为 -45 45， 纵向可伸缩刀架竖杆 3 在纵向上的伸缩长度为 0.1 0.25cm。 0014 本发明的工作过程是 ： 导向模板 7 确定刀片 4 的轨迹， 当接通电源后， 微电机。
14、 5 带 动输出轴从而带动转轴 1 旋转， 转轴 1 带动径向伸缩臂 2 转动和伸缩， 纵向伸缩刀架竖杆 3 带动刀片 4 切割病灶。其中导向模板 7 确定刀片 4 的轨迹， 并将确定的轨迹传送至可编程 说 明 书 CN 103393447 B 4 3/4 页 5 控制器。导向模板 7 确定刀片 4 轨迹的方式采用先进的非线性插值方法， 对两组神经解剖 图谱 ( 记为 SW， TT) 进行细致的数字化三维重建工作 ； 然后采用三维非线性配准方法， 将两 组图谱先统一到同一坐标系下， 该部分工作一经完成无需重复 ； 其次， 在后期执行方法中， 先进行输入图像格式化处理， 提高配准的精度， 然后采。
15、用可变比例网格方法 （PGS） 和分段式 局域线性配准算法 （PWL） 的配合实现图谱与病人图像的实时配准 ； 最终通过交互式微调实 现解剖图谱精准配准和可视化。上述方法具有以下特点 ： 0015 1. 前期准备 0016 1) 采用先进的非线性插值方法， 对两组神经解剖图谱 (SW， TT) 进行细致的数字 化三维重建工作。该方法采用基于卷积的非线性插值 (Convolution based nonlinear interpolation)， 而影响函数核 (Kernel) 则采用基本样条函数 (Cardinal spline)。 0017 2) 采用三维非线性配准方法， 将两组图谱先统一到。
16、同一坐标系下。这既解决了 SW 图谱的局域性所导致的对整体神经室尺寸等全局参数的考虑不周的难题， 又避免了实时 配准过程中的重复操作。对一个图谱的配准操作完成后， 也同时完成了对另一图谱的配准 工作， 实现了两个可视化图谱库的实时切换功能。该配准算法采用解剖特征点 (Anatomic feature point)之间的点到点配准法。 首先分别在两个图谱中找出相应的200组解剖特征 点， 然后基于他们的坐标关系计算出配准三维变换行列式 B， 最后依据该行列式将 SW 图谱 变换到 TT 图谱坐标系下 ： SWB TT。 0018 2、 后期执行方法 ： 0019 1) 输入图像的格式化 ： 因为。
17、输入的图像不能保证均按照神经解剖图谱中前原点 （Ac-TheAnterior Commissure） 和后原点 (PC-The Posterior Commissure) 所构建的坐标 系扫描， 因此首先需要依据医生所设定的上述 2 个关键特征点 ： AC 和 PC 对输入图像进行矫 正， 即从 X， Y， Z 三个方向对图像进行方位角的矫正， 使之与 AC-PC 坐标系保持一致， 提高配 准的精度。 0020 2) 采用可变比例网格方法 (PGS)， 将人神经及神经解剖图谱物理分割成 12 块， 列 入相应的网格中， 为局域配准打下了基础。可变比例网格结构的确立依据于以下 8 个解剖 特征点。
18、 ： 0021 1 大神经的前原点 (AC-The Anterior Commissure) ； 0022 2 大神经的后原点 (PC-The Posterior Commissure) ； 0023 3 颞神经皮质的最左点 (The most left points of the temporal cortex) ； 0024 4 颞神经皮质的最右点 (The most right points of the temporal cortex) ； 0025 5前神经皮质的最前点(The most anterior point of the frontal cortex) ； 0026 6 枕。
19、 神 经 皮 质 的 最 后 点 (The most posterior point of the occipital cortex) ； 0027 7 枕神经皮质的最高点 (The highest point of the occipital cortex) ； 0028 8 颞神经皮质的最低点 (The lowest point of the temporal cortex)。 0029 3) 采用分段式局域线性配准 (PWL) 的算法， 在可变比例网格结构上实现了交互式 局域配准， 大大提高了区域性的配准精度。分段式局域线性配准， 就是按照对应的原始 (S) 和目标 (T) 两个可变比例。
20、网格之间的比例关系， 将原始 （S） 网格内的所有点 (P) 的坐标变 换到目标 （T） 网格中去 ： T T0+(P-S0)*Text/Sext 说 明 书 CN 103393447 B 5 4/4 页 6 0030 这里 S0和 T 0表示原始和目标网格的原点 ； Text/Sext表示网格之间的比例关系。 0031 4) 通过交互式微调实现解剖图谱精准配准和可视化。采用可调式设计， 对可变比 例网格结构中的36个控制点(Control Point)进行了微调功能设计， 使医生可以交互地微 调算法完成的配准结果， 提高配准精度。该 36 个控制点中的任意一个的坐标发生变化， 将 引发网格之。
21、间的比例关系， 即 Text/Sext发生变化， 从而改变线性配准 T 的结果， 实现微调的 功能。 0032 5) 可变比例网格方法和分段式局域线性配准算法的配合流程具体如下 ： 该流程 首先读取医生设定的 AC 和 PC 点坐标， 以及 2) 中说明的其他 6 个特征点坐标 ( 统称为地标 坐标 (Landmark)， 配合神经图谱的相应地标坐标创立可变比例网格 PGS， 然后对 PGS 中的 每一个子区域运用 3) 中详述的分段式局域线性配准算法逐一进行配准， 并实时更新视窗。 PGS同时接受4)中描述的微调操作， 并按照变动的控制点刷新地标坐标和PGS， 从而刷新配 准结果。 说 明 书 CN 103393447 B 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103393447 B 7 。