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1、(10)授权公告号 CN 102370515 B (45)授权公告日 2013.06.12 CN 102370515 B *CN102370515B* (21)申请号 201110242945.0 (22)申请日 2011.08.23 A61B 17/56(2006.01) A61B 17/00(2006.01) (73)专利权人 华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381 号 (72)发明人 管贻生 郑志芳 肖志光 朱海飞 金文涛 张宪民 张宏 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 何淑珍 (54) 发明名称 股骨头坏死髓芯清除操作。
2、臂 (57) 摘要 本发明公开股骨头坏死髓芯清除操作臂。该 操作臂有三个自由度， 包括两个转动和一个移动， 由医生操作驱动， 主要包括磨削头及其驱动电机、 摆动轴、 带轮、 传动带、 关节基座、 空心套管、 摆动 手轮、 把手、 固定架等。 磨削头安装在操作臂末端， 在电机驱动下高速旋转以清除作业 ； 磨削头、 电 机及其安装壳体构成末端摆动关节， 其摆动由位 于把手附近的手轮通过带传动来实现 ； 末端摆动 关节还通过前端的回转关节和移动关节实现绕空 心套管轴线的回转和直线移动， 从而形成所需要 的工作空间。各关节的位置均由相应的传感器检 测以计算磨削头的实际位置和姿态。该操作臂结 构紧凑， 。
3、操作方便， 可在医生的操作下对股骨头坏 死髓芯进行精确的清除和塌陷软骨复位。 (51)Int.Cl. 审查员 黄曦 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)授权公告号 CN 102370515 B CN 102370515 B *CN102370515B* 1/1 页 2 1. 股骨头坏死髓芯清除操作臂， 其特征在于包括磨削头、 电机座前部、 电机座后部、 驱 动电机、 摆转关节端盖、 两个同步带轮、 摆动关节基座、 同步齿形带、 空心套管、 带轮基座前 部、 摆动手轮、 滚珠轴承、。
4、 带轮基座后部、 把手、 转动轴、 套筒、 摆动轴、 方形挡块、 固定支架和 固定螺钉， 磨削头紧固于驱动电机的电机轴上， 驱动电机由电机座前部和电机座后部包裹 密封 ； 磨削头、 驱动电机、 电机座前部、 电机座后部组成操作臂摆动关节前部 ； 电机座后部 为叉耳结构， 摆动轴贯穿叉耳两端 ； 摆动轴两端与叉耳连接处各开有用于装入起传动作用 的方形挡块的方形孔， 方形挡块将摆动轴的转动转化为操作臂摆动关节前部的俯仰运动 ； 第一同步带轮与摆动轴固接 ； 摆动轴通过滚珠轴承支承于摆转关节端盖， 而摆转关节端盖 则由固定螺钉固定于摆动关节基座上 ； 摆动轴两端安装有防止摆动轴串动的螺母 ； 同步齿。
5、 形带的一端安装在第一同步带轮上， 另一端装在第二同步带轮上， 第二同步带轮固定于转 动轴上 ； 转动轴两端装有两个摆动手轮， 摆动手轮中心开有孔， 转动轴与摆动手轮结合处开 有使转动轴与摆动手轮不能相对转动的平面 ； 转动轴通过滚珠轴承支承于带轮基座前部和 带轮基座后部形成的安装孔内， 带轮基座前部和带轮基座后部直接固定连接 ； 带轮基座前 部与摆动关节基座通过空心套管连接 ； 同步齿形带藏于空心套管内部 ； 空心套管套于固定 支架的轴套内， 且能在轴套内移动及回转。 2. 根据权利要求 1 所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂， 其特征在于固定支架通过固定 螺钉固定于患者的股骨侧面上。 3. 根。
6、据权利要求 1 所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂， 其特征在于所述磨削头通过固 定螺钉紧固于电机轴上。 4. 根据权利要求 1 所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂， 其特征在于第一同步带轮及摆 动轴二者由紧定螺钉固接 ； 第二同步带轮也通过紧定螺钉固定于转动轴上。 5. 根据权利要求 1 所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂， 其特征在于带轮基座前部和带 轮基座后部则通过固定螺钉径向固定。 6. 根据权利要求 1 所述的股骨头坏死髓芯清除操作臂， 其特征在于带轮基座后部末端 套有把手。 权 利 要 求 书 CN 102370515 B 2 1/3 页 3 股骨头坏死髓芯清除操作臂 技术领域 0001 本发。
7、明涉及医疗设备和机器人技术领域， 具体而言涉及一种具有三个自由度的股 骨头坏死髓芯清除操作臂。 技术背景 0002 股骨头缺血性坏死 (A Vascular Necrosis of Femeral Head, AVNFH) 是常见 的骨科疾病， 当出现软骨面塌陷时将导致髋关节病废而不能行走， 或不可避免地要接受全 髋关节置换手术， 是危害大的疾病之一。目前主要采用外科手术进行治疗， 如各种髓芯减 压植骨法等， 而彻底清除死骨则是各种外科手术法关键的第一步。但是坏死区有着多种不 同的几何形状和空间分布形式， 而由于股骨颈的尺寸限制， 这种外科手术操作距离长、 通道 狭窄， 器械较难准确到达股骨坏。
8、死区。 这些因素使得手术清除死骨时， 只能依赖于医生通过 勺子凭手感和经验配合磁共振造影 (Magnetic Resonance Imaging, MR) 来挖掘进行， 不 可避免地存在部分死骨清除困难且不精准、 不彻底、 费时费力等不足。 这将影响后续植骨术 对 AVNFH 的治疗效果。另外， 对于软骨面塌陷的修复手术， 一般是死骨刮出后顶推复位。目 前也是医生凭经验和感觉进行， 缺乏精准的复位， 影响术后骨愈合和骨支撑， 易造成再次塌 陷。因此， 开发一种操作方便的精准的专门用于清除股骨头坏死区和软骨面塌陷复位的手 术仪器设备股骨头坏死髓芯清除操作臂， 是当务之急。 0003 从20世纪9。
9、0时年代初期至今， 外科手术机器人的研制取得了飞跃性的发展， 并已 成为机器人领域的一个研究热点。机器人辅助外科手术在减轻医生工作强度、 减轻患者手 术痛苦、 提高手术效率、 缩短术后痊愈时间、 改善手术疗效等等方面有着巨大的发挥空间。 然而目前世界上用于治疗 AVNFH 的股骨头坏死髓芯清除和塌陷软骨面复位的设备尚未见 报道。 因此， 开发一种微创、 精准的专门用于彻底清除股骨头坏死区和塌陷软骨面复位的手 术设备， 进而将外科手术机器人进一步推广至股骨头手术， 具有重要意义。 发明内容 0004 本发明的目的在于为股骨头缺血性坏死的手术治疗提供一种能彻底地清除股骨 头坏死髓芯和精确地对塌陷软。
10、骨面进行复位， 从而改善手术治疗效果的股骨头坏死髓芯清 除操作臂。 0005 为实现本发明的目的， 采用如下技术方案 ： 0006 一种股骨头坏死髓芯清除操作臂， 包括磨削头、 电机座前部、 电机座后部、 驱动电 机、 摆转关节端盖、 两个同步带轮、 摆动关节基座、 同步齿形带、 空心套管、 带轮基座前部、 摆 动手轮、 滚珠轴承、 带轮基座后部、 把手、 转动轴、 套筒、 摆动轴、 挡块、 固定支架和固定螺钉， 磨削头通紧固于驱动电机的电机轴上， 驱动电机由电机座前部和电机座后部包裹密封 ； 磨 削头、 驱动电机、 电机座前部、 电机座后部组成操作臂摆动关节前部 ； 电机座后部为叉耳结 构，。
11、 摆动轴贯穿叉耳两端 ； 摆动轴两端与叉耳连接处各开有用于装入起传动作用的方形挡 块的方形孔， 方形挡块将摆动轴的转动转化为摆动关节前部的俯仰运动 ； 第一同步带轮与 说 明 书 CN 102370515 B 3 2/3 页 4 摆动轴固接 ； 摆动轴通过滚珠轴承支承于摆动端盖， 而摆动端盖则由螺钉固定于摆动关节 基座上 ； 摆动轴两端安装有用于安装防止摆动轴串动的螺母 ； 同步齿形带的一端安装在第 一同步带轮上， 另一端也装在第二同步带轮上， 第二同步带轮固定于转动轴上 ； 转动轴两端 装有两个摆动手轮， 摆动手轮中心开有孔， 转动轴与摆动手轮结合处开有使转动轴与手轮 不能相对转动的平面 ；。
12、 转动轴通过滚珠轴承支承于带轮基座前部和带轮基座后部形成的安 装孔内， 带轮基座前部和带轮基座后部直接固定连接 ； 带轮基座前部与摆动关节基座通过 空心套管连接 ； 同步齿形带藏于空心套管内部 ； 空心套管套于固定支架的轴套内， 且能在 轴套内移动及回转。 0007 上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中， 固定支架通过螺钉固定于患者的股骨侧面 上。 0008 上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中， 所述磨削头通过螺钉紧固于电机轴上。 0009 上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中， 第一同步带轮及摆动轴二者由紧定螺钉固 接 ； 第二同步带轮也通过紧定螺钉固定于转动轴上。 0010 上述的股骨头坏死髓芯清除。
13、操作臂中， 带轮基座前部和后部则通过螺钉径向固 定。 0011 上述的股骨头坏死髓芯清除操作臂中， 带轮基座后部末端套有把手。 0012 本发明的操作臂设置三个自由度， 包括两个转动和一个移动， 在医生的操作下运 动 （其位置可由相应的传感器反馈， 本发明未涉及） 。磨削头安装在操作臂的末端， 在电机的 驱动下旋转以清除股骨头坏死髓芯， 复位时换上专用顶推头 ； 磨削头、 电机、 电机座和摆动 轴等构成末端摆动关节， 其摆动由位于把手附近的手轮通过同步带传动来驱动， 医生通过 来回拨动手轮即可控制该关节的俯仰摆动 ； 空心套管套装于固定支架的轴套内， 通过旋转 及推拉把手即可实现操作臂的绕空心。
14、套管轴线的回转和沿该轴线的移动 ； 固定支架通过螺 钉等固定于患者股骨侧面上。 0013 本发明的操作臂能执行航股骨头坏死髓芯清除和塌陷软骨复位手术， 具有结构简 单紧凑、 操作方便、 成本低、 易于推广和普及等特点。与现有技术相比， 本发明具有如下优 点 ： 0014 1自由度少， 但能保证手术所需要到达的工作空间， 动作灵活 ； 0015 2兼具股骨头坏死髓芯清除和塌陷软骨复位两种功能 ； 0016 3结构简单、 操作方便， 磨削头由电机驱动， 减轻医生工作量 ； 而关节运动则由医 生人工操作， 能保证手术的安全性。 附图说明 0017 图 1 是本发明的外观图 ； 0018 图 2 是本。
15、发明的剖面图 ； 0019 图 3 是本发明的机构简图 ； 0020 图 4 为操作臂的工作空间示意图 ； 0021 图 5 是本发明的工作示意图。 具体实施方式 说 明 书 CN 102370515 B 4 3/3 页 5 0022 以下结合附图对本发明的实施作进一步说明但本发明的实施和保护不限于此。 0023 如图 1、 图 2 所示为本发明的结构， 具体包括 ： 磨削头 01、 电机座前部 02、 驱动电机 03、 电机座后部04、 摆转关节端盖05、 同步带轮06、 摆动关节基座07、 同步齿形带08、 空心套 管09、 带轮基座前部10、 摆动手轮11、 滚珠轴承12、 带轮基座后部。
16、13、 把手14、 转动轴15、 套 筒 16、 摆动轴 17、 挡块 18、 螺母 19、 固定支架 20、 固定螺钉 21 等。各零部件的连接方式为 ： 磨削头01通过螺钉紧固于电机轴上， 电机03则由电机座前部02、 电机座后部04包裹密封， 从而组成操作臂摆动关节的前部 ； 电机座后部 04 为叉耳结构， 摆动轴 17 贯穿叉耳两端 ； 摆 动轴17两端与叉耳连接处各开有小平面 （装配后为一方形孔洞） ， 装入方形挡块后即可起传 动键的作用， 从而将摆动轴17的转动转化为摆动关节前部的俯仰运动 ； 同步带轮06及摆动 轴 17 二者由紧定螺钉固接 ； 摆动轴 17 通过滚珠轴承 12 。
17、支承于摆动端盖 05， 而摆动端盖 05 则由螺钉固定于摆动关节基座 07 上 ； 摆动轴 17 两端开有螺纹， 通过螺母 19 防止摆动轴 17 串动 ； 同步齿形带 08 另一端也装有同步带轮， 该同步带轮也通过紧定螺钉固定于转动轴 15 上 ； 转动轴 15 两端装有两个手轮 11， 而手轮 11 中心开有孔， 转动轴 15 与手轮结合处开有 小平面， 配合后转动轴 15 与手轮 11 即不能相对转动 ； 转动轴 15 通过滚珠轴承 12 支承于带 轮基座前部 10 和带轮基座后部 13 形成的安装孔内， 带轮基座前部 10 和后部 13 则通过螺 钉径向固定 ； 带轮基座前部10与摆动。
18、关节基座07通过空心套管09连接， 螺纹固定 ； 同步齿 形带08藏于空心套管09内部， 连接起前后两个同步带轮， 即往复拨动手轮即可控制摆动关 节的俯仰运动 ； 带轮基座后部13末端套有塑料把手14， 便于握持 ； 空心套管09套于固定支 架 20 的轴套内， 且可在轴套内移动及回转 ； 手术时固定支架 20 通过螺钉 21 固定于患者的 股骨侧面上。 0024 如图3所示为发明的机构简图。 由图可见该操作臂具有三个自由度 （左图） ， 包括两 个转动和一个移动， 即磨削头末端俯仰自由度 1， 操作臂相对固定支架的回转自由度 2， 以及操作臂相对于固定支架的移动自由度 1。其工作空间为一半球。
19、体加圆柱体所包络的 封闭空间 （如图 4） 。 0025 如图 5 所示为利用本发明进行手术时的示意图。手术前先钻孔打通手术入路， 将 操作臂的固定支架固定于股骨头侧面上。 结合图2和图3， 医生手握该操作臂把手进行推拉 和扭转即可分别实现磨削头相对于固定支架的移动和回转 ； 往复拨动手轮即可实现磨削头 绕末端摆动轴的俯仰运动。手术完毕后， 将俯仰关节伸直， 卸掉固定支架螺钉， 即可将操作 臂取出。换上专用于复位的顶推头， 该股骨头坏死髓芯清除操作臂就可以用于塌陷软骨面 的复位。 说 明 书 CN 102370515 B 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102370515 B 6 2/2 页 7 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102370515 B 7 。