专利名称：一种手术导航工具的制作方法目前的手术导航系统按照手术工具和手术环境的交互方式可以分为主动式结构和被动式结构。主动式结构主要是指手术机器人，它可以按照手术计划进行精确的手术操作，不需要医生的人工干预。但是手术机器人大多是从工业机器人改进而来的，较高的强度和刚度要求使得它们的结构相对于手术空间来说，体积过大，在灵活性方面往往难于满足手术的复杂性要求，而且必须有足够安全的保障措施来保护医生及患者免受可能发生的误操作危险。目前，手术导航大多采用被动式结构，它彻底放弃了机器人结构，采用光学定位系统作为探测仪器，在传统的手术工具或假体安装模板上固定发光小球或发光二极管，医生手持手术工具实现与工作站影像的实时交互。这种结构一经面世就引起了外科医生的兴趣，它充分尊重医生在手术中的主导地位，整个手术操作仍然由医生来行使并作出判断，导航系统作为一个辅助的设备仅仅起到了一个助手的作用。然而，目前的手术导航系统并非尽善尽美，突出的问题是它采用了一种手持式的结构模式，而人手在手术时间较长时容易因为疲劳而使手术工具产生抖动现象。经过试验测得，手术工具在手持状态下，抖动的漂移量大体在0.5～1.0mm之间。该现象直接影响到光学定位系统对手术工具的检测精度，导致手术工具在手术中存在着定位和导向误差，从而影响到整个手术的精度。总之，传统的手术机器人具有较高的定位精度和加工精度，但体积庞大、灵活性不够。目前的手术导航系统在灵活性和安全性方面明显优于手术机器人，且具有较高的可操作性，但是它在手术的精确性方面有一定的缺陷，尤其是难于解决手持式手术工具的抖动问题。
本实用新型的目的在于设计一种不仅定位精度高，而且灵活性和安全性好的新型的手术导航工具。本实用新型针对传统手术机器人和现有导航系统的不足和缺陷，提出了一种新型的手术导航工具，它是在采用光学定位跟踪系统探测空间位置的基础上设计了具有5个自由度的机械手。可将其称为手眼式的导航结构，光学定位系统相当于“眼睛”，而机械手自然相当于“手”了。其中，光学定位跟踪系统可用于探测导航工具的空间位置，并予以定位。机械手具备两方面的功能①将手腕末端或手术器械定位到手术部位；②对手术器械进行导向，使其精确达到手术靶点。
在机械手的设计上，本实用新型遵循如下原则①占据空间小，不与手术操作空间发生干涉；②可以在任何位置锁紧；③为一平衡机构。按照这三项要求，本实用新型采用三个转动关节进行邻接的结构形式，具有本身体积小，工作空间大，较高的定位精度和较强的运动直观性等特点。本实用新型采用四级传动机构，各传动机构均采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动副，具有稳定的瞬时传动比和较高的传动精度。
由于机械手的整体结构是通过夹持装置连接在患者的手术部位，或6V的微型直流伺服电机，内置适当减速比的行星齿轮减速器以提高驱动扭矩，外接1000线的编码器实现伺服电机和控制器之间的信息反馈。
本实用新型中，机械手的第一级传动是手动式的，包括壳体、蜗杆、蜗轮、锁紧螺钉、手动螺母、两个滚动轴承和轴承盖。连接方式为蜗杆通过滚动轴承与壳体连接，手动螺母与蜗杆的输出轴通过固定螺钉连接；蜗轮通过滚动轴承与壳体连接，并与蜗杆实现啮合传动，锁紧螺钉拧在壳体的螺纹孔上，可以将蜗轮进行锁紧。
机械手的第二级传动、第三级传动和第四级传动具有相同的传动结构和连接方式。主要包括壳体、伺服电机、蜗杆、蜗轮、2个滚动轴承、轴承盖。连接方式为电机固定在壳体的内部，电机轴与蜗杆通过螺钉固定，蜗轮通过两个轴承固定在壳体内，并实现与蜗杆的啮合。
各级传动之间通过联轴器连接在一起。
机械手的末端是导向模板，通过第四级传动的输出轴，可以带动导向模板在360度范围内自由旋转。导向模板上安装了光学定位标记，因而导向模板的空间位置完全可以通过光学定位系统来获得，弥补了各传动系统之间的累计误差。
通过各关节之间的传动，可以带动导向模板在空间内实现三维方向的运动，并能够精确地到达理想的位置，为外科医生的操作提供精准的定位和导向。
本实用新型小巧而紧凑的机械结构使手术操作相对于传统的手术机器人更加灵活、便利，并解决了目前手术导航工具存在的抖动问题，对于提高手术的精确性，减少手术创伤，提高手术成功率，缩短患者术后康复期等起到了非常重要的作用。


图1本实用新型工作原理示意图。
图2系统的控制原理图。
图3本实用新型结构示意图。
图中标号1为壳体，2为蜗杆，3为蜗轮，4为电机，5为蜗轮，6为蜗杆，7为电机，8为壳体，9为壳体，10为电机，11为联轴器，12为壳体，13为蜗杆，14为蜗轮，15为锁紧螺钉，17为蜗轮，18为末端导板；19为光学定位跟踪系统，20为手术导航工具，2为光学跟踪标记，22为髓内钉，23为夹持工具。

如图1所示，标号20(虚线内)是本实用新型的手术导航工具，它的实施离不开光学定位跟踪系统19、光学跟踪标记21、夹持工具23和手术假体等。以髓内钉22植入手术为例，它在插入患者弯曲的骨髓腔的过程中出现一定的弯曲变形，从而使髓内钉远端的锁钉孔产生了形状变形和位置转移，造成锁钉的插入非常困难。通过光学定位跟踪系统19和手术室内移动式C形臂X线图像的帮助，可以确定髓内钉远端锁孔相对于导航工具20的位置关系，求出机械手末端导板的理想位置。按照导板当前的位置及其理想位置的转换关系，可以确定导航工具各个关节的运动参数。各个关节按照相应的运动参数进行动作，到位后还可以通过末端导板上标记位置信息检查手术工具是否达到了要求的方位。如果有偏差，可以将偏差信息反馈回控制系统，继续驱动各关节运动，直至导板达到预期的位置为止。
系统采用了光学定位跟踪系统，因而系统的控制结构具有内外环两路反馈。图2是整个系统的控制原理图，虚线内的控制结构与传统的控制结构相同，形成内路反馈；在虚线以外，通过光学定位跟踪系统反馈末端导板的空间位置信息，并与预期的位置信息进行比较，形成外路反馈。
图3是本实用新型的机械结构示意图，分为第一级传动机构、第二级传动机构、第三级传动机构和第四级传动机构。在第一级传动机构中，蜗杆13和蜗轮14通过轴承与壳体12连接在一起，锁紧螺钉15通过手动能够将蜗轮锁紧。蜗轮的出轴通过联轴器11与第二级传动机构的壳体9连接起来。
在第二级传动机构中，带编码器的伺服减速电机10固定在壳体9上，蜗杆16固定在电机10的出轴上，并与蜗轮17实现啮合传动，蜗轮17通过轴承与壳体9连接在一起。第二级传动机构的蜗轮出轴通过联轴器与第三级传动机构的壳体8连接起来。
在第三级传动机构中，带编码器的伺服减速电机7固定在壳体8上，蜗杆6固定在电机7的出轴上，并与蜗轮5实现啮合传动，蜗轮5通过轴承与壳体8连接在一起。第三级传动机构的蜗轮出轴通过联轴器与第四级传动机构的壳体1连接起来。
在第四级传动机构中，带编码器的伺服减速电机4固定在壳体1上，蜗杆2固定在电机4出轴上，并与蜗轮3实现啮合传动，蜗轮3通过轴承与壳体1连接在一起。末端导板18直接固定在第四级传动机构的蜗轮出轴上。
上述结构中，伺服电机可采用6V微型直流伺服电机。