CN101530341A - 一种智能骨钻及其控制方法 - Google Patents

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韩雪松
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张勇
刘振宇
仇军
丁雪勇
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朱金生
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Abstract

本发明公开了一种智能骨钻，在普通骨钻电机上设置有应变式扭矩传感器、转速传感器或压力传感器；在骨钻电机上还设置有嵌入式智能控制模块接收传感器件采集的感应信号并进行判断，控制骨钻电机。本发明还公开了智能骨钻的控制方法。本发明的有益技术效果是：在普通骨钻电机的基体上设置由霍尔传感器和金属读数码盘构成转速传感器、扭矩传感器及压力传感器对钻头转速、扭矩和压力进行实时测量、显示，通过三种参量实现对钻头是否钻穿骨组织的判别，并实现自动停钻和反转的控制；在骨钻电机上设置超声波换能器能准确测量钻头的钻入深度。通过上述改良可以为手术操作者在术中提供有效的数据并进行实时可靠的保护。

Description

一种智能骨钻及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，更确切的说涉及一种智能骨钻及其控制方法。
技术背景
骨钻电钻(简称骨钻)是骨科常用的手术器械之一。而现有的骨钻其安全性能不易保障，主要体现为：钻入深度、电钻的转速、起停的控制等均由手术操作者人为控制，而医生选择手术切开一侧皮肤往往是“相对安全侧”，就是重要的血管和神经较少或手术操作方便的一侧，而骨骼的另一侧有重要的血管和神经，现有的骨科电转的转头高速旋转穿过对侧骨皮质后，很不容易控制，而伤及血管、神经或肌肉，这也是很多高年资的医生头疼的问题，而医生为了避免这种损伤，通常采用的方法是将骨折的两端周围的骨膜和肌肉从骨骼上剥离，再用骨膜剥离器放到对面遮挡保护。上述方法的缺陷是：
1、增加了手术时间及工作强度；
2、增加了骨折端的损伤程度，剥离了骨折两端的骨膜，使骨折端血运减少或停止，造成骨折愈合困难，延迟或不愈合，增加了患者的卧床时间及经济负担；
3、剥离骨折周围的肌肉起止点，增加了出血量。
每次钻孔后，需用测量尺测量深度，增加了手术时间并且没有相应的指示和保护措施，因而存在较大的医疗安全隐患。
发明内容
本发明提供一种智能骨钻，其方案是：在骨钻电机上设置有应变式扭矩传感器、转速传感器或压力传感器中的任意一种、二种或三种传感器件；在骨钻电机上还设置有嵌入式智能测控模块接收传感器件采集的感应信号并进行判断，控制骨钻电机。
本发明所述的应变式传感器由四个应变片构成，四个应变片设置于骨钻电机本体上的环形金属构件的同一截面上，与环形金属构件中轴线的角度为±45°；所述的转速传感器由霍尔传感器和金属读数码盘构成；金属读码盘安装于骨钻电机的钻头的固定端，与钻头同速转动，金属读码盘上有多个圆孔位于同一圆周上；霍尔传感器安装于骨钻电机本体的前端，霍尔传感器的轴线垂直于金属读码盘，并与金属读码盘相交于圆孔所在的圆周上。
所述的圆孔可以是数量为12个；所述的压力传感器置于骨钻电机内部。
在骨钻电机的钻头的固定端还安装有超声波换能器，超声波的发射方向与钻头平行。
本发明还公开了智能骨钻的控制方法：通过测出的钻头扭矩、钻头转速或者钻头所受压力是否发生突变判断钻头是否穿透骨骼；判断钻头已穿透骨骼时实施停钻。
启动钻头，钻头扭矩阶跃性地由大到小、钻头转速阶跃性地由慢到快或者钻头受到的压力阶跃性地由大到小，钻头均停钻；再次启动钻头，钻头扭矩阶跃性地由大到小、钻头转速阶跃性地由慢到快或者钻头受到的压力阶跃性地由大到小，均判定为穿透骨骼，钻头停钻。
当系统判断钻头已穿透骨骼时，系统给电机发出一个反转信号。
在骨钻电机的钻头顶端接触到骨骼或钢板启动钻头时，用超声波测量超声波换能器与骨骼或钢板之间的距离；在钻头停止钻动时，用超声波测量超声波换能器与骨骼或钢板之间的距离；两次距离之差即为骨骼深度，根据骨骼深度选择螺钉长度。
本发明的有益技术效果是：在普通骨钻电机的基体上设置由霍尔传感器和金属读数码盘构成转速传感器、扭矩传感器及压力传感器对钻头转速、扭矩和压力进行实时测量、显示，通过三种参量实现对钻头是否钻穿骨组织的判别，并实现自动停钻和反转的控制；在骨钻电机上设置超声波换能器能准确测量钻头的钻入深度。通过上述改良可以为手术操作者在术中提供有效的数据并进行实时可靠的保护。
附图说明
图1为系统组成框图；
图2为数控智能骨钻传感器布置示意图；
图3为图2的A—A视图。
附图中：1 超声波换能器，2 应变式扭矩传感器，3 钻头，4 霍尔传感器，5 金属读数码盘，6 智能控制模块，7 环形金属构件，8 应变片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明：
经研究，骨钻电机在手术过程中钻头3在骨组织中钻削和穿透骨组织后，骨钻电机旋转轴由于受到阻力的作用而产生的扭矩存在明显的不同。对于手术操作者而言，在钻穿瞬间有一个明显的落空感。这种落空感在骨钻电机旋转轴上所产生的扭矩的表征就是扭矩由大到小的一个阶跃。
因此，如图2所示在骨钻电机的本体上设置了一个环形金属构件7，在环形金属构件7上沿轴±45°方向上分别设置有四个应变片8，应变片8采用高温应变片，可以满足高温高压灭菌要求。四个应变片8位于环形金属构件7的同一个横截面上，构成应变式扭矩传感器2，感应轴上的最大正、负应变，将其组成全桥电路，则可输出与扭矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。钻头所产生的扭矩传递至环形金属构件7上，智能测控模块6通过对全桥电路的测量，可以计算出钻头3所受的扭矩变化。
智能测控模块6对钻头3扭矩的变化进行实时的跟踪，当检测到钻头3扭矩发生由大到小的阶跃性突变时发出停钻指令实施停钻，再次启动钻头3，当检测到钻头3扭矩发生由大到小的阶跃性突变时即可判定钻头已穿透骨骼，发出停钻指令实施停钻。
另外，在钻穿骨骼瞬间，手术操作者会感觉到钻头3旋转速度明显增加，此时，用霍尔传感器4测得的速度信号也存在一个由慢到快的阶跃，采用霍尔传感器4配合特制的金属读数码盘5来实现对于速度信号的测量。
如图2所示，金属读数码盘5安装于钻头3的固定端，随钻头3同速转动。金属读数码盘5上与钻头3回转中心同轴布置了12个圆孔，霍尔传感器4安装在骨钻电机本体的前端，其轴线垂直于金属读数码盘5，并与码盘相交于12个圆孔的圆心连线所构成的圆周上，霍尔传感器4和金属读数码盘5构成转速传感器。由于霍尔效应，当金属读数码盘5上的圆孔或金属靠近霍尔传感器4时，霍尔传感器将产生不同的电平输出。根据测量电平变化的速率和电平持续的时间即可求出金属读数码盘5的转速即钻头3的转速。
智能测控模块6对钻头3的转速进行实时的跟踪，当检测到钻头转速发生由慢到快的阶跃突变时发出停钻指令实施停钻，再次启动钻头3，当检测到钻头3转速发生由慢到快的阶跃突变时即可判定钻头3已穿透骨骼，发出停钻指令实施停钻。
当钻头3钻穿骨骼，钻头所受到的压力也会产生阶跃(压力传感器设置在骨钻电机内部，附图中省略)，智能测控模块6对钻头3受到的压力进行实时的跟踪，当检测到压力发生由大到小的阶跃性突变时发出停钻指令实施停钻，再次启动钻头3，当检测到钻头3受到的压力发生由大到小的阶跃突变时即可判定钻头3已穿透骨骼，发出停钻指令实施停钻。
用钻头3扭矩、转速、压力三种参量的变化来作为穿透骨骼的判据，只要根据其中任一参量的变化判断出钻头3穿透骨骼，系统均会作出钻头3穿透骨骼的判定，从而增加了系统工作的可靠性。
如前所述，一旦判定钻头3穿透骨骼时应该立即停止钻头的转动。传统的骨钻采取的是松开扳机的方法，其实质是对骨钻的电机停止供电。这种方法存在的问题是：一、停止需要的时间较长，且与操作人员的动作有直接关系；二、电机停止供电后仍有一定的惯性使其保持继续转动。因此，传统的骨钻停钻不可靠。本发明中停钻的控制是在系统发出停钻控制信号后，系统将给电机发出一个时间极短的反转信号，利用这个短时间的反转抵消原有的正向转动的惯性。确保电机能准确、快速的停止转动。
采用超声波测距技术对钻头3钻入深度进行实时测量，如图所示在骨钻电机的钻头3固定端安装一超声波换能器1，超声波的发射方向与钻头3平行。智能控制模块6控制超声波换能器1在骨钻电机的钻头3顶端接触到骨骼或钢板启动钻头3时发出超声波，超声波传播骨骼或钢板时发生反射，反射波回传至声波换能器1。超声波换能器1将声波信号的机械能转换成电参数的变化，智能控制模块6测量回波达到时间与发出超声波的时间差，将其与超声波的速度之积再除2即可得到超声波换能器1到骨骼或钢板之间的距离；在钻头3停止钻动时，超声波换能器1再次发出超声波测量出超声波换能器与骨骼或钢板之间的距离；两次距离之差即为骨骼深度，根据骨骼深度可以选择固定钢板的螺钉的长度。
智能测控模块6嵌在骨钻电机本体内，智能测控模块6包括了微控制器、测控电路和无线通信模块，智能测控模块6可以通过无线通信方式与设置与显示终端连接，设置与显示终端用于对钻入深度、转速、扭矩等基本控制参数的输入和实时数据的输出显示。

Claims (10)

1、一种智能骨钻，其特征在于：在骨钻电机上设置有应变式扭矩传感器(2)、转速传感器或压力传感器中的任意一种、二种或三种传感器件；在骨钻电机上还设置有嵌入式智能测控模块(6)接收传感器件采集的感应信号并进行判断，控制骨钻电机。
2、根据权利要求1所述的智能骨钻，其特征在于：所述的应变式传感器(2)由四个应变片(8)构成，四个应变片(8)设置于骨钻电机本体上的环形金属构件(7)的同一截面上，与环形金属构件(7)中轴线的角度为±45°。
3、根据权利要求1所述的智能骨钻，其特征在于：所述的转速传感器由霍尔传感器(4)和金属读数码盘(5)构成；金属读码盘(5)安装于骨钻电机的钻头(3)的固定端，与钻头(3)同速转动，金属读码盘(5)上有多个圆孔位于同一圆周上；霍尔传感器(4)安装于骨钻电机本体的前端，霍尔传感器(4)的轴线垂直于金属读码盘(5)，并与金属读码盘(5)相交于圆孔所在的圆周上。
4、根据权利要求3所述的智能骨钻，其特征在于：所述的圆孔数量为12个。
5、根据权利要求1所述的智能骨钻，其特征在于：所述的压力传感器置于骨钻电机内部。
6、根据权利要求1所述的智能骨钻，其特征在于：在骨钻电机的钻头(3)的固定端还安装有超声波换能器(1)，超声波的发射方向与钻头(3)平行。
7、一种如权利要求1所述的智能骨钻的控制方法，其特征在于：通过测出的钻头扭矩、钻头转速或者钻头所受压力是否发生突变判断钻头是否穿透骨骼；判断钻头已穿透骨骼时实施停钻。
8、根据权利要求7所述的智能骨钻的控制方法，其特征在于：启动钻头，钻头扭矩阶跃性地由大到小、钻头转速阶跃性地由慢到快或者钻头受到的压力阶跃性地由大到小，钻头均停钻；再次启动钻头，钻头扭矩阶跃性地由大到小、钻头转速阶跃性地由慢到快或者钻头受到的压力阶跃性地由大到小，均判定为穿透骨骼，钻头停钻。
9、根据权利要求6或7所述的智能骨钻的控制方法，其特征在于：当判断钻头已穿透骨骼时，系统给电机发出一个反转信号。
10、根据权利要求6所述的智能骨钻的控制方法，其特征在于：在骨钻电机的钻头顶端接触到骨骼或钢板启动钻头时，用超声波测量超声波换能器与骨骼或钢板之间的距离；在钻头停止钻动时，用超声波测量超声波换能器与骨骼或钢板之间的距离；两次距离之差即为骨骼深度，根据骨骼深度选择螺钉长度。
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