专利名称：椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置的制作方法手术虚拟仿真是虚拟现实技术在医学领域的应用，是目前数字化手术技术领域一个重要的研究方向。借助手术虚拟仿真技术，医生可制定优化手术方案；也可以不借助尸体标本而进行重复练习，从而降低外科医生手术训练费用并缩短培养周期，手术虚拟仿真技术克服了传统外科医生培训模式下医生实际动手操作机会少、操作对象(尸体标本)成本高的不足，对提高医学手术培训的质量和效率具有重要意义。脊柱是人体最重要的器官之一。近年来人们的脊柱病变和骨折脱位发 生率呈上升趋势。以椎弓根螺钉植入为基础的脊柱内固定手术具有周期短、见效快等优点，往往成为医生和患者的首选。脊柱椎弓根螺钉植入手术需要在椎体上确定理想的进钉入口，并实时监控螺钉或手术工具与椎体之间的相对位姿关系，而且，医生的可视区域有限，依靠反复获取患部的X光，不连续地获取植入物或手术工具与患骨之间的相对位姿信息，这给医生的手术操作水平提出了很高的要求。为了在短时间内以较低的成本提高医生的技术水平，有必要开发专门面向脊柱椎弓根螺钉植入的手术虚拟仿真系统。为了达到逼真的手术虚拟仿真效果，从而根据人体椎体不同部位物理特性的不同以及打孔及植钉深度、方位、速度、加速度等参数的不同而输出不同的反馈力，力觉反馈系统是必不可少的组成部分。基本的力觉反馈系统包括力反馈装置及力觉建模。现有的力觉模型牵涉大量的复杂计算且理论性很强，而人体椎体的结构及生物力学特性非常复杂，单纯靠理论计算得出的力觉信息与手术中表现出的真实反馈力具有一定的差别，从而影响手术虚拟仿真的逼真度。与单纯的理论计算相比，通过力觉采集装置采集实际椎弓根螺钉植入术中真实的反馈力信息，并在此基础上进行建模分析和研究是一种更为直接有效的解决手段。经对现有技术的文献检索发现，专利号为ZL02118522. 0的中国发明专利《虚拟手术刀装置》(公告号为CN1176448C)公开了一种虚拟手术刀，申请号为200410031486. I的中国发明专利《一种手术刀的力采集装置》(公开号为CN1677064A)则公开了这种虚拟手术刀的力采集装置，申请号为200910308169. 2的中国发明专利《虚拟手术力觉信息采集装置》(公开号为CN101653356A)公开了一种虚拟手术力觉信息采集装置。这三个专利均涉及人体软组织力反馈信息采集，但未考虑信息采集过程中操作对象(人体组织)的夹紧定位，到目前为止，尚无面向椎弓根钉植入虚拟手术的力觉信息采集装置。
本发明的目的，就是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案一种椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置，其包括手柄，由连成一体的梨形尾部和圆筒形头部构成，手柄内设有轴向贯通的型槽；扭转传力机构，嵌装在手柄的型槽内，包括活动卡套相连的扭矩传感器和扭转接头，扭矩传感器设置在手柄的圆筒形头部的后部，扭转接头设置在手柄的圆筒形头部的前部并与圆筒形头部形成可转动连接；拉压传力机构，连接在扭转传力机构的前端，包括拉压接头和拉压传感器，拉压接头与扭转接头嵌套相连并与扭转接头形成可移动连接，拉压接头的后部设有型腔，拉压传感器设置在拉压接头的型腔内并与拉压接头固定连接，拉压传感器的后部与扭转接头固定连接；操作头，连接在拉压传力机构的前端，包括安装套头和切割器，安装套头与拉压接头固定连接，切割器与安装套头嵌套活动相连并与拉压接头嵌套传动相连； 参考架，连接在拉压接头上。所述的手柄的梨形尾部外表面开有轴向防滑槽；所述的手柄的圆筒形头部的筒壁上设有6个用于固定扭转传感器的螺纹孔和8个用于定位扭转接头的螺纹孔。所述的扭矩传感器的主体呈圆柱体形，圆柱体表面设有轴向防滑槽，圆柱体尾端连接有一根导线，该导线从手柄的梨形尾部穿出；所述的扭转接头呈阶梯轴结构，包括直径较大的前段和直径较小的后段；扭转接头前段外壁设有4个均匀间隔分布的轴向滑槽；扭转接头后段外壁设有两道环形滑槽，扭转接头后段与手柄内的型腔形成间隙配合，通过将8颗连接螺钉从手柄的圆筒形头部的8个用于连接扭转接头的螺纹孔旋入，使8个连接螺钉与扭转接头后段的两道环形滑槽配合，实现扭转接头与手柄的圆筒形头部的可转动连接。所述的拉压传感器包括头部螺纹轴段、中部圆盘段和后部螺纹轴段，头部螺纹轴段与拉压接头固定连接，中部圆盘状段连接有导线，该导线径向穿过拉压接头向外伸出，后部螺纹轴段与扭转传力机构的扭转接头固定连接；所述的拉压接头包括直径依次缩小的后段、中段和前段；所述的拉压接头后部的型腔设置在拉压接头的后段并延伸到中段，后段腔壁外表面设有两个呈对称分布的削平面，腔壁上设有4个均匀间隔分布的径向螺钉孔；拉压接头的前段为螺纹轴，螺纹轴的顶端顺延为V形凸出；通过向4个螺钉孔内旋入4个连接螺钉，使4个连接螺钉的头部与扭转接头上的4个轴向滑槽配合，实现拉压接头与扭转接头的可移动连接。所述的切割器为破骨器、通路器或螺纹丝攻中的一种，切割器尾端开有用于与拉压接头的V形凸出嵌套传动相连的V形连接槽，切割器前端设有切削刃；所述的安装套头为圆柱筒状结构，安装套头前部外表面设有两个呈对称分布的削平面。所述的参考架包括顺序连成一体的支杆、十字形载球架和红外反射球；支杆下端固定于拉压传力机构的拉压接头上，支杆上端与十字形载球架的交叉点固连，红外反射球共4个分别连接在十字形载球架的4个角点处。本发明椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置配合光学定位系统使用，可在椎弓根螺钉植入手术过程中直接作用于人体胸、腰椎，并同步采集反馈力信息；也可通过专门的信息采集实验作用于人体胸、腰椎标本，采集反馈力信息。所采集的力觉信息可用于虚拟椎弓根钉植入手术系统中的力觉模型构建。图I为本发明椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置的立体结构示意图；图2为本发明椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置的剖视结构示意图；图3为本发明中的手柄的立体结构示意图；图4为本发明中的扭转传力机构的立体结构示意图；图5为本发明中的扭转接头的立体结构示意图；图6为本发明中的拉压传力机构的立体结构示意图；图7为本发明中的拉压接头的立体结构示意图； 图8为本发明中的拉压传感器的立体结构示意图；图9为本发明中的操作头的立体结构示意图；图10为本发明中的安装套头的立体结构示意图；图11为本发明中的切割器的立体结构示意图；图12为本发明中的参考架的立体结构示意图。

一种椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置，包括手柄、扭转传力机构、拉压传力机构、操作头和参考架。扭转传力机构嵌装在手柄的型槽内，拉压传力机构连接在扭转传力机构的前端，操作头连接在拉压传力机构的前端，参考架连接在拉压接头上。本发明椎弓根螺钉植入反馈力信息采集装置配合光学定位系统使用，可在椎弓根螺钉植入手术过程中直接作用于人体胸、腰椎，并同步采集反馈力信息；也可通过专门的信息采集实验作用于人体胸、腰椎标本，采集反馈力信息。所采集的力觉信息可用于虚拟椎弓根钉植入手术系统中的力觉模型构建。