一种智控一体化手术动力系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术属于手术动力系统技术领域，公开了一种智控一体化手术动力系统及其控制方法，碰撞检测模块用于检测刀头的位姿信息和碰撞信息，几何约束模块用于设备空间位置和姿态约束，力反馈感知记录模块用于采集力反馈数据单元的信息，力反馈执行模块用于通过力反馈计算判断单元、力反馈执行控制单元和多轴应力反馈执行单元协同控制电机的启停和无级变速。本发明专利技术以电能作为动力源的新型电动骨组织手术设备，增加力反馈感知功能，通过碰撞检测模块、几何约束模块、力反馈感知记录模块和力反馈执行模块的协同工作，对不同组织硬度进行识别转换，实现了切硬不切软的功能，避免手术误切；既保留了高转速下高效的手术操作，又增强手术安全性。全性。全性。

【技术实现步骤摘要】
一种智控一体化手术动力系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于手术动力系统
，尤其涉及一种智控一体化手术动力系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]脊柱退行性疾患是最常见的脊柱病变，多为椎间盘退变，包括椎间盘突出症，椎管狭窄症，脊柱滑脱、椎体不稳等，伴颈肩痛、坐骨神经痛等；据不完全统计，每年的新增发病人数高达2000万人，我国中老年人群中97％的患有该类脊柱疾病；近年来，脊柱疾病呈现出年轻化趋势，在40岁以下的人群中，40％的人脊柱患有各种疾病，儿童脊柱侧弯症的发病率高达25％以上；患有脊柱疾病的患者60％以上需要手术治疗，列各类手术第三位。目前，随着外科手术向微创化、精准化发展，创新精密医疗器械的临床需求日益增加，90％的骨外科手术需要动力设备的辅助。传统的骨科手术需要手动钻、锯类工具，进行打孔、切骨等，手术过程效率低且耗费体力；现在的骨科手术基本采用电动骨组织手术设备为外科手术提供动力，在手术过程中进行各种磨、削、切、铣、锯等操作，代替手动钻、锯类工具，可大大提高手术效率，但该类设备转速快，通常在20000
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70000r/min，转速高，稍有不慎极易误切到旁边的神经等组织，存在安全风险，切均为定档定速，功能单一。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术的缺点和问题主要包括以下几个方面：
[0004]1)安全风险：现有的电动骨组织手术设备缺乏有效的保护机制。在高速转动下，手术刀头容易误切到骨骼附近的神经组织。一旦切到神经，损伤可能是不可逆的，且致残率极高。这给患者带来巨大的痛苦和风险，同时也给医生带来很大的心理压力。
[0005]2)功能单一：现有的电动骨组织手术设备通常采用定档定速，无法根据手术过程中的实际需要进行实时调节。这限制了设备的适用范围，也导致手术过程中需要频繁地调整速度，降低了手术效率。
[0006]3)效率低下：由于现有技术的设备功能单一，医生需要在手术过程中来回调整速度，这不仅增加了操作复杂度，还降低了手术效率。对于一些复杂的手术，效率低下可能会导致手术时间过长，增加患者的风险。
[0007]4)操作复杂：现有技术的设备通常需要手动调整，对医生的操作技巧要求较高。在高压的手术环境下，操作失误的可能性增加，从而增加了患者的风险。
[0008]5)设备成本高：现有的电动骨组织手术设备通常价格较高，这限制了其在一些资源有限的医疗机构中的普及，影响了更多患者的手术质量。
[0009]针对现有技术的上述问题和缺陷，未来的研究和发展应该着重于提高设备的安全性、功能多样性、操作简便性和效率，以满足临床需求，降低患者风险，提高手术质量。

技术实现思路

[0010]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种智控一体化手术动力系统及其控制
方法。
[0011]本专利技术是这样实现的，一种智控一体化手术动力系统包括：
[0012]碰撞检测模块，用于检测刀头的位姿信息和碰撞信息，将计算的刀头位姿信息发送到几何约束模块，为几何约束模块提供触发条件；
[0013]几何约束模块，用于设备空间位置和姿态约束，通过局部坐标转换为世界坐标，追踪设备的世界坐标位置，反馈到碰撞模拟单元，并将几何约束信息发送到动态力反馈单元，作为动态力反馈单元的触发条件；
[0014]力反馈感知记录模块，用于通过多轴应力传感器，采集力反馈数据单元的信息，以永磁体驱动配重块产生位移，通过位移产生电信号并经过数据处理单元将电信号转换为力反馈数据信息反馈到手机上；
[0015]力反馈执行模块，用于通过力反馈计算判断单元、力反馈执行控制单元和多轴应力反馈执行单元协同控制电机的启停和无级变速。
[0016]进一步，所述碰撞检测模块由物理建模单元、动态力反馈单元和碰撞模拟单元组成，其中：
[0017]所述物理建模单元通过将骨骼、神经和软组织进行分区网格划分并进行三维物理建模，对各组织的硬度进行区分；
[0018]所述动态力反馈单元由接触应力和斥力模型组成，用于引导操作者对病灶处的骨骼进行切割，将接触组织时的受力情况通过触觉感知设备实时反馈；
[0019]所述碰撞模拟单元由弹簧质量模型、包围盒和碰撞检测方法组成，模拟设备与接触部位在手术过程中相互作用的动态行为；
[0020]所述弹簧质量模型用于模拟刀头在手术过程中与各组织发生的碰撞过程，由追踪模型、线性弹簧和扭转弹簧组成；追踪模型上设置有包围盒，采用包围盒检测法对碰撞位置进行检测；线性弹簧用于对接触部位施加平移力F，对接触部位的位置调整；扭转弹簧用于对接触部位施加扭矩T，对接触部位的方向调整。
[0021]进一步，所述几何约束模块由坐标变换单元、空间位置约束单元和空间姿态约束单元组成；
[0022]所述坐标变换单元用于通过将刀头的局部坐标转换为空间位置单元内的世界坐标，追踪刀头的世界坐标位置，反馈到碰撞模拟单元，更新操作对象位置；
[0023]所述空间姿态约束单元用于将几何约束信息发送到动态力反馈单元，避免由于用户操作不当刀头与非骨骼部位产生不必要的碰撞和计算。
[0024]进一步，所述力反馈感知记录模块由传感器单元和力反馈数据单元组成；
[0025]所述传感器单元采用多轴应力传感器，由永磁体、联轴杆和配重块组成，所述永磁体连接联轴杆且永磁体置于线圈内；
[0026]所述力反馈数据单元由数据采集单元、数据处理单元和数据存储单元组成。
[0027]进一步，所述力反馈执行模块由力反馈计算判断单元、力反馈执行控制单元和多轴应力反馈执行单元组成；
[0028]所述力反馈计算判断单元由反馈力计算单元和反馈力判断单元组成，所述反馈力计算单元由硬度
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反馈力的转换单元和速度
‑
反馈力转换单元组成，用于反馈力的转换计算；
[0029]所述力反馈执行控制单元用于驱动电机和无级变速的调控；
[0030]所述速度
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反馈力检测单元用于检测到对应信号并传输给反馈力计算单元进行反馈力的计算；
[0031]所述多轴应力反馈执行单元用于将产生的反馈力反馈到手机上，让操作者直观的感受速度的变化。
[0032]本专利技术的另一目的在于提供一种智控一体化手术动力系统的控制方法，所述智控一体化手术动力系统的控制方法包括：
[0033]步骤一，碰撞模拟单元利用弹簧质量模型模拟刀头在人体组织上移动时可能发生的碰撞状态，检测刀头的位姿信息和碰撞信息，将计算的刀头位姿信息发送到几何约束模块，为几何约束模块提供触发条件；
[0034]步骤二，利用几何约束模块通过局部坐标转换为世界坐标，追踪设备的世界坐标位置，反馈到碰撞模拟单元，并将几何约束信息发送到动态力反馈单元，作为动态力反馈单元的触发条件；
[0035]步骤三，利用力反馈感知记录模块通过多轴应力传感器，采集力反馈数据单元的信息，以永磁体驱动配重块产生位移，通过位移产生电信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智控一体化手术动力系统，其特征在于，所述智控一体化手术动力系统包括：碰撞检测模块，用于检测刀头的位姿信息和碰撞信息，将计算的刀头位姿信息发送到几何约束模块，为几何约束模块提供触发条件；几何约束模块，用于设备空间位置和姿态约束，通过局部坐标转换为世界坐标，追踪设备的世界坐标位置，反馈到碰撞模拟单元，并将几何约束信息发送到动态力反馈单元，作为动态力反馈单元的触发条件；力反馈感知记录模块，用于通过多轴应力传感器，采集力反馈数据单元的信息，以永磁体驱动配重块产生位移，通过位移产生电信号并经过数据处理单元将电信号转换为力反馈数据信息反馈到手机上；力反馈执行模块，用于通过力反馈计算判断单元、力反馈执行控制单元和多轴应力反馈执行单元协同控制电机的启停和无级变速。2.如权利要求1所述的智控一体化手术动力系统，其特征在于，所述碰撞检测模块由物理建模单元、动态力反馈单元和碰撞模拟单元组成，其中：所述物理建模单元通过将骨骼、神经和软组织进行分区网格划分并进行三维物理建模，对各组织的硬度进行区分；所述动态力反馈单元由接触应力和斥力模型组成，用于引导操作者对病灶处的骨骼进行切割，将接触组织时的受力情况通过触觉感知设备实时反馈；所述碰撞模拟单元由弹簧质量模型、包围盒和碰撞检测方法组成，模拟设备与接触部位在手术过程中相互作用的动态行为；所述弹簧质量模型用于模拟刀头在手术过程中与各组织发生的碰撞过程，由追踪模型、线性弹簧和扭转弹簧组成；追踪模型上设置有包围盒，采用包围盒检测法对碰撞位置进行检测；线性弹簧用于对接触部位施加平移力F，对接触部位的位置调整；扭转弹簧用于对接触部位施加扭矩T，对接触部位的方向调整。3.如权利要求1所述的智控一体化手术动力系统，其特征在于，所述几何约束模块由坐标变换单元、空间位置约束单元和空间姿态约束单元组成；所述坐标变换单元用于通过将刀头的局部坐标转换为空间位置单元内的世界坐标，追踪刀头的世界坐标位置，反馈到碰撞模拟单元，更新操作对象位置；所述空间姿态约束单元用于将几何约束信息发送到动态力反馈单元，避免由于用户操作不当刀头与非骨骼部位产生不必要的碰撞和计算。4.如权利要求1所述的智控一体化手术动力系统，其特征在于，所述力反馈感知记录模块由传感器单元和力反馈数据单元组成；所述传感器单元采用多轴应力传感器，由永磁体、联轴杆和配重块组成，所述永磁体连接联轴杆且永磁体置于线圈内；所述力反馈数据单元由数据采集单元、数据处理单元和数据存储单元组成。5.如权利要求1所述的智控一体化手术动力系统，其特征在于，所述力反馈执行模块由力反馈计算判断单元、力反馈执行控制单元和多轴应力反馈执行单元组成；所述力反馈计算判断单元由反馈力计算单元和反馈力判断单元组成，所述反馈力计算单元由硬度
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反馈力的转换单元和速度
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反馈力转换单元组成，用于反馈力的转换计算；所述力反馈执行控制单元用于驱动电机和无级变速的调控；
所述速度
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反馈力检测单元用于检测到对应信号并传输给反馈力计算单元进行反馈力...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，马学晓，顾忠伟，林峰，王洪娟，魏利国，
申请(专利权)人：青岛钰仁医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：