椎体限域空间内的骨折复位微创手术器械

发布时间：2020-10-15 05:05

　　 B型胸腰椎爆裂性骨折是指垂直外力作用在腰椎体上使椎板后壁发生爆裂性破碎的骨折。破碎的骨片会侵入椎管,压迫脊神经,影响肢体运动。目前,对于这类骨折的治疗,多采用开放式手术。但是,开放式手术会造成椎体、肌肉和局部神经的损坏,术后恢复时间长甚至难以恢复。微创手术具有创口小、出血少、恢复快的优点,但由于椎弓根通道狭长、椎体内部空间狭小,传统的微创器械无法灵活完成椎内操作,因此,针对B型腰椎爆裂骨折的微创手术方法和器械仍较为罕见。本文提出了一种椎体限域空间内的骨折复位微创手术器械。该手术器械是一种多自由度的主从式操作的微创椎内复位钳。它可以从细长的椎弓根通道进入伤椎内部,在椎体3-4cm~3的限域空间内完成椎管减压和后壁重建。本文具体研究内容如下:(1)针对手术实际要求,提出该骨折复位微创手术器械的设计需求,确定了基于丝传动的多自由度的微创手术器械的三维模型。通过对丝传动系统的设计布局避免了各关节之间的运动耦合。通过张紧机构的设计满足了器械装配要求和钢丝绳预紧要求。通过选用课题组研制的微结构夹钳头,使手术器械在手术过程中夹持更加可靠。通过对步进电机、驱动器、控制器等重要元器件的选型,确定了微创手术系统的总体控制方案。(2)基于D-H参数法对手术器械进行了正运动学分析,对多自由度手术器械进行了运动学建模,通过仿真验证了正运动学分析的合理性。用解析法对手术器械进行了逆运动学求解,得出各关节变量的解析表达式,并验证了逆运动学求解正确。最后对手术器械的工作空间进行分析并绘制了夹钳头的末端轨迹图,证明该器械在运动中满足椎体限域空间的尺寸要求。(3)在完成整个手术器械构型设计的基础上,制备了手术器械样机,搭建了骨折复位微创手术器械的控制系统。用操作手柄对手术器械进行了各个自由度功能的验证,并观察各个关节自由度的耦合状况。搭建了实验平台对三种夹钳齿与骨块间的摩擦系数和滑脱系数进行了测定,验证了微结构复位钳齿的可靠性。最后将骨折复位微创手术器械安装在三坐标直线导轨划线机上进行胸腰椎爆裂骨折手术体外模拟实验。结果表明设计的骨折复位手术器械能够在椎体狭小的空间内灵活可靠地夹取碎骨。本文设计的椎体限域空间内的骨折复位微创手术器械采用主从式远距离操作,可以在椎体内灵活运动,完成椎管减压椎体。该器械为采用微创手术方法治疗B型胸腰椎爆裂骨折提供了初步的研究基础。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH781
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 脊柱骨折手术简介及研究现状
        1.2.1 脊柱开放手术
        1.2.2 脊柱微创手术
        1.2.3 微创手术治疗现存问题
    1.3 机器人手术器械研究现状
        1.3.1 国外微创手术机器人手术器械发展状况
        1.3.2 国内微创手术机器人手术器械发展状况
        1.3.3 微创手术机器人现存问题
    1.4 本文研究意义与研究内容
2 骨折复位微创手术器械的设计
    2.1 引言
    2.2 手术需求分析
    2.3 微创手术器械方案设计
        2.3.1 自由度配置方案设计
        2.3.2 传动方式方案设计
    2.4 微创手术器械的结构设计
        2.4.1 器械结构设计
        2.4.2 夹钳头设计
        2.4.3 微创手术器械总体模型
    2.5 微创手术器械控制方案设计
    2.6 控制系统的具体选型
        2.6.1 步进电机选型
        2.6.2 驱动器选型
        2.6.3 处理器选型
        2.6.4 主手选型
    2.7 本章小结
3 微创手术器械的运动学分析
    3.1 引言
    3.2 运动学理论
        3.2.1 位姿表示
        3.2.2 齐次变换
        3.2.3 广义连杆描述
    3.3 运动学分析
        3.3.1 正运动学分析
        3.3.2 逆运动学分析
        3.3.3 工作空间分析
    3.4 本章小结
4 微创手术器械在爆裂骨折重建中的应用
    4.1 引言
    4.2 骨折复位微创手术器械样机研制
    4.3 各关节运动验证试验
        4.3.1 上夹钳开合运动
        4.3.2 下夹钳开合运动
        4.3.3 腕部旋转运动
        4.3.4 操作杆自转运动
    4.4 夹钳齿可靠性的验证
    4.5 仿人椎骨骨折重建实验
    4.6 本章小结
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2841739