TWI896376B - 自動植釘系統 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種自動植釘系統，其包括一植釘裝置。植釘裝置包括動力傳導組件、導針以及馬達元件。動力傳導組件用於裝配一中空椎弓釘。導針穿過中空椎弓釘，並且與中空椎弓釘同軸配置。馬達元件與動力傳導組件及導針動力銜接。馬達元件用於驅動導針前進並同時以一第一轉速及一第一扭力進行轉動。馬達元件驅動動力傳導組件，控制中空椎弓釘以一第二轉速及一第二扭力進行轉動。第二轉速小於第一轉速，第二扭力大於第一扭力。

Description

自動植釘系統

本發明涉及一種植釘系統，特別是涉及一種自動植釘系統。

椎弓根固定手術是常見的治療腰痛手術，其是在皮膚表面劃開一微小傷口，透過骨髓穿刺器(Trocar)或骨鑽(Bone drill)等器械創造出導孔(Pilot hole)後放入引導絲(Guide wire)，再將中空椎弓根釘順著引導絲鎖入脊椎，來完成椎弓根釘的植入固定。

然而，現有的椎弓根釘的植入方式需要相當繁瑣的手術步驟以及器械更換。此外，在透過導孔放置引導絲時，容易發生位置偏移，導致最終植入位置與數前規劃位置有所差異。

故，如何通過結構設計的改良，來克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本發明針對現有技術的不足提供一種自動植釘系統，以解決現有的椎弓根釘植入方式需要繁瑣的手術步驟及器械更換，影響植釘的效率與準確性的技術問題。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種自動植釘系統。自動植釘系統包括一植釘裝置，植釘裝置包括 動力傳導組件、導針以及馬達元件。動力傳導組件用於裝配一中空椎弓釘。導針穿過中空椎弓釘，並且與中空椎弓釘同軸配置。馬達元件與動力傳導組件及導針動力銜接。馬達元件用於驅動導針前進並同時以一第一轉速及一第一扭力進行轉動。馬達元件驅動動力傳導組件，控制中空椎弓釘以一第二轉速及一第二扭力鎖入導孔，其中第二轉速小於第一轉速，第二扭力大於第一扭力。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的自動植釘系統，其能通過馬達元件驅動導針以高轉速及低扭力的狀態鑽出導孔，再通過馬達元件驅動動力傳導組件控制中空椎弓釘以低轉速及高扭力的狀態鎖入導孔。因此，本發明的自動植釘系統同時結合鑽孔與鎖釘的步驟，能在不更換器械的情況下完成植釘手術流程，不僅簡化了植釘手術流程，也提升植釘手術的效率與準確性。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

D:自動植釘系統

1:植釘裝置

11:馬達元件

12:動力傳導組件

121:聯軸器

1211:連接部

122:第一桿件

1221:第一連接部

1222:第二連接部

123:第二桿件

13:導針

131:針尖

14:扭力感測器

15:馬達編碼器

2:機器裝置

3:處理裝置

4:手術導航模組

41:導航標記元件

42:光學追蹤器

5:顯示裝置

B:患者

T:中空椎弓釘

S:手術切口

P:預定手術部位

H:導孔

圖1為本發明實施例的自動植釘系統的示意圖。

圖2為本發明實施例的自動植釘系統的功能方塊圖。

圖3為本發明實施例的植釘裝置的示意圖。

圖4為本發明實施例的植釘裝置的部分放大示意圖。

圖5為本發明實施例的導針及中空椎弓釘在鑽孔過程的示意圖。

圖6為本發明實施例的導針及中空椎弓釘在鎖釘過程的示意 圖。

圖7為本發明的自動植釘系統的操作方法的步驟S1至S9示意圖。

圖8為本發明的自動植釘系統的操作方法的步驟S11至S13示意圖。

參閱圖1與圖2所示，本發明實施例提供一種自動植釘系統D。自動植釘系統D包括植釘裝置1、機器裝置2及處理裝置3。機器裝置2連接植釘裝置1。處理裝置3電性連接機器裝置2，並用以控制機器裝置2的動作。

舉例來說，機器裝置2可例如為機械手臂，可進行多自由度的移動，機器裝置2能通過適配器夾取手術器械，例如本發明的植釘裝置1。舉例來說，處理裝置3可包括處理器及記憶體，本發明不以為限。處理器可例如但不限於，可程式邏輯控制電路(Programmable Logic Controller Circuit)、微處理電路(Micro-processor Circuit)或微控制電路(Micro-control Circuit)的積體電路、中央處理器等。記憶體可例如但不限於，隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read only memory，ROM)、快閃記憶體、硬碟或其他可用以儲存資料的任何儲存裝置。

植釘裝置1包括馬達元件11、動力傳導組件12以及導針13。處理裝置3電性連接植釘裝置1，並控制馬達元件11。動力傳導組件12連接於馬達元件11與導針13之間，動力傳導組件12與導針13動力銜接於馬達元件11。

請參閱圖3、圖4，舉例來說，動力傳導組件12可包括聯軸器 121以及連接於聯軸器121的連桿組件。連桿組件包括同軸的第一桿件122及第二桿件123。第一桿件122套設於第二桿件123外圍，且第一桿件122與第二桿件123可彼此獨立運作。聯軸器121連接於馬達元件11，馬達元件11通過聯軸器121傳遞動力給第一桿件122及第二桿件123。第二桿件123的一端連接於聯軸器121，另一端連接於導針13。導針13也可稱為穿刺針或K-pin。另外，如圖5所示，動力傳導組件12用於裝配一中空椎弓釘T。導針13穿過中空椎弓釘T，且與中空椎弓釘T同軸配置，更進一步來說，導針13與中空椎弓釘T彼此分離不相互干涉。

參閱圖4與圖5所示，第一桿件122的兩端分別設有第一連接部1221與兩個第二連接部1222。聯軸器121設有連接部1211。聯軸器121通過連接部1211連接於第一桿件122的第一連接部1221。中空椎弓釘T的一端具有一U型結構。中空椎弓釘T被導針13穿過後，進一步通過U型結構的兩耳部T1分別連接於第一桿件122的兩個第二連接部1222，以固定於植釘裝置1。舉例來說，中空椎弓釘T的U型結構與第一桿件122的第二連接部1222可通過卡接、榫接或扣接的方式來進行連接，本發明不以為限。

繼續參閱圖1至圖2，自動植釘系統D還可包括一手術導航模組4，手術導航模組4包括複數個導航標記元件41與一光學追蹤器42。複數個導航標記元件41分佈設置於機器裝置2上、植釘裝置1上及一目標位置(即，患者B的預定手術部位P)附近。每一導航標記元件41包括一動態參考框架(Dynamic Reference Frame，DRF)以及設置在動態參考框架上的複數個光學元件，光學元件可例如為反光球或是能產生可感知訊號的標記元件。光學追蹤器42電性連接處理裝置3。複數個導航標記元件41可作為空間定位標記點而建立一空間座標系統，而光學追蹤器42能夠感應、偵測並記錄導航標記元件41上的複數個光學元件的坐標位置，並將該些資訊傳 至處理裝置3進行適當計算及/儲存。

自動植釘系統D還包括顯示裝置5，電性連接處理裝置3。舉例來說，顯示裝置5可包括屏幕與蜂鳴器(圖未示出)。處理裝置3通過手術導航模組4取得預定手術部位P附近的影像，並綜合預先取得的醫學影像，例如電腦斷層影像(Computed tomography，CT)或磁共振影像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，來建立出預定手術部位P附近的三維虛擬模型。建構完成的三維虛擬模型可顯示於顯示裝置5的一導航界面中。

參閱圖7與圖8所示，本發明的自動植釘系統D的操作方法至少包括下列步驟：步驟S1：操作植釘裝置移動至一手術切口的上方位置；步驟S3：操作植釘裝置沿一軸向移動而進入手術切口內，使導針的針尖碰觸到一預定手術部位；步驟S5：通過馬達元件驅動導針前進並同時以一第一轉速及一第一扭力進行轉動，使導針鑽入預定手術部位而形成一導孔；步驟S7：通過馬達元件驅動動力傳導組件，控制中空椎弓釘以一第二轉速及一第二扭力鎖入導孔，其中第二轉速小於第一轉速，第二扭力大於第一扭力；步驟S9：解除動力傳導組件與中空椎弓釘的連接，並操作植釘裝置退出至手術切口外。

進一步來說，本發明所提供的自動植釘系統D的操作方法，於操作植釘裝置(步驟S1及S3)時還能操作機器裝置2進行以下步驟：步驟S11：根據該預定手術路徑移動該植釘裝置至該手術切口的上方位置；步驟S12：根據該預定手術路徑校正該植釘裝置的姿態，其中 該姿態包括該植釘裝置的位置及角度；步驟S13：依循該手術路徑移動該植釘裝置至該預定手術部位。

接著，詳細說明步驟S1至S7，以及步驟S11至S13的流程。參閱圖1、圖5及圖6所示，受術者(即患者B)俯臥在手術台上，當醫療人員準備進行手術時，處理裝置3能依據該空間座標系統以及所建構成的三維虛擬模型，預先規劃出一預定手術路徑，並進一步控制機器裝置2根據該預定手術路徑來校正植釘裝置1的姿態，例如植釘裝置1相對於預定手術部位P(例如，脊椎的椎弓根部位)的位置及角度。接著，在醫療人員使用手術刀劃開手術切口S後，處理裝置3依據該預定手術路徑控制機器裝置2，使機器裝置2移動植釘裝置1至手術切口S的上方。確定位置後，機器裝置2固定植釘裝置1的軸向。接著，依循該預定手術路徑，處理裝置3控制機器裝置2下移植釘裝置1至預定手術部位P，而醫療人員可以手動方式手持機器裝置2以對預定手術部位P執行手術；或者，也可以自動方式透過處理裝置3控制機器裝置2對預定手術部位P執行手術。

操作植釘裝置1沿該軸向(即，連桿組件的軸線方向)移動而進入手術切口S內，使導針13的針尖131碰觸到預定手術部位P。接著，處理裝置3控制控制植釘裝置1中的馬達元件11，以提供動力來驅動動力傳導組件12，使導針13高速旋轉。同時亦控制馬達元件11提供動力通過聯軸器121而傳至第二桿件123，使第二桿件123帶動導針13朝向預定手術部位P前進，進而沿一第一轉動方向鑽入預定手術部位P而形成一導孔H(見圖5)。更進一步來說，導針13是以第一轉速及第一扭力進行轉動。優選地，第一轉速大於10000rpm，第一扭力小於0.5Nm。

當導針13鑽入預定手術部位P形成導孔H時，第一桿件122並 未隨著移動。更確切地說，當導針13進行鑽孔時，中空椎弓釘T套設於導針13的外圍並維持靜止不動。而在造出導孔H後，處理裝置3繼續操作植釘裝置1，使馬達元件11提供動力並通過聯軸器121傳至第一桿件122，驅動第一桿件122朝向導孔H前進。同時，固定在第一桿件122的中空椎弓釘T以低轉速沿一第二轉動方向鎖入導孔H中(見圖6)。更進一步來說，中空椎弓釘T是以第二轉速及第二扭力進行轉動。優選地，第二轉速小於300rpm，第二扭力大於5Nm。

也就是說，導針13是先以高轉速低扭力的條件造出導孔H，而之後中空椎弓釘T再以低轉速高扭力的條件鎖入導孔H中。此外，第一轉動方向與第二轉動方向相反，舉例來說，第一轉動方向為順時針方向，而第二轉動方向為逆時針方向。因此，本發明的植釘裝置1能夠以正反方向輸出不同的扭力與轉速，達到即能夠創造導孔H，又可鎖入中空椎弓釘T的需求。

此外，在中空椎弓釘T鎖入導孔H的過程中，由於導針13與中空椎弓釘T彼此分離不相互干涉，導針13剛開始時處於停止前進的狀態。以導針13與中空椎弓釘T之間的相對位置關係來看，當中空椎弓釘T逐步鎖入導孔H時，導針13相對於中空椎弓釘T同步退出導孔H，也就是導針13沿著相反於中空椎弓釘T的前進方向的一方向移動。在中空椎弓釘T鎖入導孔H而固定在預定位置之後，解除動力傳導組件12與中空椎弓釘T的連接，使中空椎弓釘T脫離第一桿件122，再令處理裝置3操作植釘裝置1退出至手術切口S外。

通過重覆進行步驟S1至S9，可將複數個中空椎弓釘T鎖固在椎弓根部位。進一步來說，中空椎弓釘T穿過椎弓根後，中空椎弓釘T的前端鎖到脊椎椎體內，而中空椎弓釘T的後端(U型結構)外露出供鋼條(圖 未示出)連接。因此，鋼條能夠連接複數個中空椎弓釘T以達到固定脊椎的效果。

因此，本發明的植釘裝置1，其能夠高速(10000rpm以上)旋轉導針13，使導針13的針尖131在一接觸骨頭表面的當下就迅速鑽入來形成導孔H，不會有打滑偏移的情況發生，導孔H的形成位置更加精準。另一方面，本發明還通過中空椎弓釘T與導針13彼此分離的機構設計，使中空椎弓釘T包覆導針13並維持靜止不動，避免導針13在高速旋轉的過程不會接觸導患者體內的其他部位(非手術部位)而造成傷害。

此外，本發明可通過同一種器械(即植釘裝置1)就能達到創造導孔H以及鎖入中空椎弓釘T的要求，在創造導孔H及鎖釘的過程中不需要更換器械，更可省略更換多餘的安裝步驟。進一步來說，本發明的植釘裝置1能通過動力傳導組件12(第一桿件122及第二桿件123)的機構設計，使馬達元件11以不同轉動方向轉動時，導針13會有前伸與後縮的動作。因此，當鎖釘時導針13能夠退回到中空椎弓釘T內，確保不會破壞脊椎體。

另外，如圖2所示，植釘裝置1還包括扭力感測器14與馬達編碼器15，扭力感測器14及馬達編碼器15耦接於馬達元件11。扭力感測器14或稱扭力計，用以量測馬達元件11的扭力。扭力感測器14可為應變計式扭力感測器、電容式扭力感測器或壓電式扭力感測器，本發明不以為限。馬達編碼器15用於量測馬達元件11的轉速，扭力感測器14及馬達編碼器15電性連接處理裝置3。處理裝置3可通過讀取馬達元件11的轉速值及扭力值，以監測植釘裝置1的運作。

一旦處理裝置3讀取到馬達元件11的轉速值及扭力值有變，處理裝置3會控制植釘裝置1而立即停止馬達元件11的運轉，避免發生骨裂情況。此外，若處理裝置3偵測到機器裝置2被外力推拉而偏移預定手術路 徑，處理裝置3會通過顯示裝置5會提供影像或聲音的警示訊號(例如：屏幕局部畫面產生紅色閃爍，或者蜂鳴器產生特定的聲響)給醫療人員。簡言之，本發明的自動植釘系統D可以即時偵測植釘裝置1的位移，並可在手術導航中透過影像或聲音的警示來即時提醒醫療人員，增加定位可靠度及導航正確性。

[實施例的有益效果]

本發明所提供的自動植釘系統，其能通過馬達元件驅動導針以高轉速及低扭力的狀態鑽出導孔，再通過馬達元件驅動動力傳導組件控制中空椎弓釘以低轉速及高扭力的狀態鎖入導孔。因此，本發明的自動植釘系統同時結合鑽孔與鎖釘的步驟，能在不更換器械的情況下完成植釘手術流程，不僅簡化了植釘手術流程，也提升植釘手術的效率與準確性。

現有技術的椎弓釘是以敲擊的方式來造出導孔。此種手法在光滑的骨頭表面容易打滑。本發明的植釘裝置1，其能夠高速(10000rpm以上)旋轉導針13，使導針13的針尖131在一接觸骨頭表面的當下就迅速鑽入來形成導孔H，不會有打滑偏移的情況發生，導孔H的形成位置更加精準。另一方面，本發明還通過中空椎弓釘T與導針13彼此分離的機構設計，使中空椎弓釘T包覆導針13並維持靜止不動，避免導針13在高速旋轉的過程不會接觸導患者體內的其他部位(非手術部位)而造成傷害。

進一步來說，現有的椎弓釘植入手術流程都需要進行器械的更換才能分別造出導孔H以及鎖入中空椎弓釘T。相較之下，本發明可通過同一種器械(即植釘裝置1)就能達到創造導孔H以及鎖入中空椎弓釘T的要求，在創造導孔H及鎖釘的過程中不需要更換器械，更可省略更換多餘的安裝步驟。

此外，現有的椎弓釘植入過程需要安裝引導絲(guide wire) 穿過中空椎弓釘，讓中空椎弓釘沿引導絲移動到導孔的位置來鎖入。然而，採用引導絲的手術方法無法確保導針或椎弓釘不會鑽穿脊椎。因此，本發明的植釘裝置1能通過動力傳導組件12(第一桿件122及第二桿件123)的機構設計，使馬達元件11以不同轉動方向轉動時，導針13會有前進與後退的動作。因此，當鎖釘時導針13能夠退回到中空椎弓釘T內，確保不會破壞脊椎體。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

D:自動植釘系統

1:植釘裝置

2:機器裝置

3:處理裝置

4:手術導航模組

41:導航標記元件

42:光學追蹤器

5:顯示裝置

B:患者

S:手術切口

Claims (10)

1. 一種自動植釘系統，包括： 一植釘裝置，該植釘裝置包括: 一動力傳導組件，用於裝配一中空椎弓釘； 一導針，該導針穿過該中空椎弓釘，並且與該中空椎弓釘同軸配置；以及 一馬達元件，與該動力傳導組件及該導針動力銜接； 其中，該馬達元件用於驅動該導針前進並同時以一第一轉速及一第一扭力進行轉動； 其中，該馬達元件驅動該動力傳導組件，控制該中空椎弓釘以一第二轉速及一第二扭力，其中該第二轉速小於該第一轉速，該第二扭力大於該第一扭力。
2. 如請求項1所述的自動植釘系統，其中，該第一轉速大於10000rpm，該第一扭力小於0.5Nm，該第二轉速小於300rpm，該第二扭力大於5Nm。
3. 如請求項1所述的自動植釘系統，其中，該導針是沿一第一轉動方向轉動，該中空椎弓釘是沿一第二轉動方向轉動，且該第一轉動方向與該第二轉動方向相反。
4. 如請求項1所述的自動植釘系統，其中，該導針與該中空椎弓釘彼此分離不相互干涉。
5. 如請求項4所述的自動植釘系統，其中，當該導針轉動時，該中空椎弓釘套設於該導針的外圍並維持靜止不動。
6. 如請求項1所述的自動植釘系統，其中，當該馬達元件驅動該動力傳導組件控制該中空椎弓釘轉動時，該導針沿著相反於該中空椎弓釘的前進方向的一方向移動。
7. 如請求項1所述的自動植釘系統，其中，該自動植釘系統還包括一機器裝置與一處理裝置，該處理裝置電性連接該機器裝置，該機器裝置連接該植釘裝置，該處理裝置用以控制該機器裝置的動作。
8. 如請求項7所述的自動植釘系統，其中，該自動植釘系統還包括一手術導航模組，該手術導航模組包括複數個導航標記元件，分別設置於該機器裝置、該植釘裝置及一目標位置，以建立一空間座標系統，而使該處理裝置依據該空間座標系統規劃出一預定手術路徑。
9. 如請求項8所述的自動植釘系統，其中，該機器裝置用於依據該預定手術路徑移動該植釘裝置，並根據該預定手術路徑校正該植釘裝置的姿態，其中該姿態包括該植釘裝置的位置及角度。
10. 如請求項7所述的自動植釘系統，其中，該植釘裝置還包括一扭力感測器與一馬達編碼器，該扭力感測器及該馬達編碼器耦接於該馬達元件，該扭力感測器用以量測該馬達元件的扭力，該馬達編碼器用於量測該馬達元件的轉速，該扭力感測器及該馬達編碼器電性連接該處理裝置，該處理裝置用以讀取該馬達元件的轉速值及扭力值，以監測該植釘裝置的運作。