[发明专利]一种由呼吸引起的人体脊柱三维运动模拟装置

说明书

技术领域

本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种由呼吸引起的人体脊柱三维运 动模拟装置。

背景技术

人体呼吸时脊柱会随着呼吸不断运动，脊柱的运动影响了脊柱手术机器 人在治疗时对手术部位定位的准确性，了解脊柱随呼吸运动变化的状态对于 脊柱外科手术，治疗脊柱疾病具有很重要的意义。目前普遍治疗脊柱疾病的 方法是手术导航，手术导航需要预测出随呼吸运动变化的病灶的位置，提前 调整机械臂位姿，进行精确治疗。为了验证手术导航技术的有效性，需要首 先进行实验验证，但是我们不可能利用真实的患者进行实验，因此需要设计 一种能够模拟人体真实脊柱运动的装置。目前一些研究者设计的脊柱运动装 置主要是脊柱生物力学加载装置或者用于测量脊柱和椎骨运动量的模型，只 单独分析了脊柱的整体构造，并没有体现出脊柱随呼吸运动变化的状态，因 此，急需研究出一种能够模拟人体呼吸时脊柱的三维运动装置，并将该装置 应用于导航、机械臂末端操作规划中，验证手术导航技术的有效性和准确性。 这对于我国手术导航技术的发展和提高患者治疗的成功率具有很重要的意 义。

发明内容

本发明目的是：提供一种由呼吸引起的人体脊柱三维运动模拟装置，通 过导入真实的呼吸运动数据，能够模拟人体呼吸时脊柱随呼吸的运动变化， 将人体呼吸引起的脊柱三维运动再现出来，验证手术机器人呼吸跟踪算法的 有效性，将该装置与脊柱手术机器人的呼吸跟踪结合，服务于脊柱手术机器 人在导航、手术操作中的呼吸预测与补偿，用于验证导航技术的精确性。

本发明的技术方案是：一种由呼吸引起的人体脊柱三维运动模拟装置， 包括工作台，设于所述工作台上的模拟呼吸运动装置，与所述模拟呼吸运动 装置连接的托板，以及设于所述托板上的仿真脊柱结构；所述模拟呼吸运动 装置包括设于所述工作台台上的X向移动机构，与所述X向移动机构连接 的Y向移动机构，与所述Y向移动机构连接的Z向移动机构，以及与所述 X向移动机构、所述Y向移动机构、所述Z向移动机构电连接的控制器， 所述托板与所述Z向移动机构连接。

作为优选的技术方案，所述X向移动机构包括固定于所述工作台上的X 向导轨滑台，设于所述X向导轨滑台一端的驱动电机一，与所述驱动电机一 输出端固定连接的丝杆一，以及设于所述丝杆一上且随丝杆一的转动而左右 移动的滑块一。

作为优选的技术方案，所述Y向移动机构包括固定于所述滑块一上的Y 向导轨滑台，设于所述Y向导轨滑台一端的驱动电机二，与所述驱动电机二 输出端固定连接的丝杆二，以及设于所述丝杆二上且随丝杆二的转动而前后 移动的滑块二。

作为优选的技术方案，所述Z向移动机构包括固定于所述滑块二上的Z 向导轨滑台，设于所述Z向导轨滑台顶端的驱动电机三，与所述驱动电机三 输出端固定连接的丝杆三，以及设于所述丝杆三上且随丝杆三的转动而上下 移动的滑块三，所述托板水平设置并与所述滑块三固定连接。

作为优选的技术方案，所述驱动电机一、驱动电机二、驱动电机三均为 步进电机，并与所述控制器电连接。通过上位机编程将真实的呼吸运动数据 导入控制器并控制三个步进电机独立运转，调节X向移动机构、Y向移动机 构、Z向移动机构三个方向上的运动并带动托板及托板上的仿真脊柱结构运 动，实现脊柱随呼吸运动的变化的轨迹，再现真实的由呼吸引起的人体脊柱 三维运动。

本发明的优点是：

1.本发明不仅结构简单、易于实现，而且通过导入真实的呼吸运动数 据，能够模拟人体呼吸时脊柱随呼吸的运动变化，将人体呼吸引起的脊柱三 维运动再现出来，验证手术机器人呼吸跟踪算法的有效性，将该装置与脊柱 手术机器人的呼吸跟踪结合，作为实验平台使用，服务于脊柱手术机器人在 导航、手术操作中的呼吸预测与补偿，用于验证导航技术的精确性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明结构示意图；

其中：1工作台，2托板，3仿真脊柱结构，41X向导轨滑台，42驱动 电机一，43丝杆一，44滑块一，51Y向导轨滑台，52驱动电机二，53丝杆 二，54滑块二，61Z向导轨滑台，62驱动电机三，63丝杆三，64滑块三。

具体实施方式