CN104546062A - 具有自停顿功能的骨钻 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有自停顿功能的骨钻，包括传感模块和智能控制模块，其中传感模块包括压力传感器和/或扭矩传感器，用于输出对应于骨钻的钻头受到的压力和扭矩的第一电信号和第二电信号；智能控制模块接收第一电信号和/或第二电信号，并在第一电信号和/或第二电信号发生第一次阶跃下降时使电机第一次停转；继而启动电机并在第一电信号和/或第二电信号发生第二次阶跃下降时使电机第二次停转，由此骨钻完成工作。发明的具有自停顿功能的骨钻的操作过程相对于现有技术的骨钻更为具体化、数字化，由此降低了操作难度和风险，减少医疗风险，便利于骨科医生对骨骼的治疗。

Description

具有自停顿功能的骨钻

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种具有自停顿功能的骨钻。

背景技术

骨骼的治疗对国内外来说都是一个比较棘手的问题，在医院骨科，骨科电钻(简称骨钻)是常用的手术器械之一。随着科学技术的发展，关于钻骨的设备相继问世。但是由于技术水平的限制，目前医院使用的或者是市场上流通的骨钻大部分为手工式的设备。

手工式骨钻的安全性不易保障，主要体现为：钻入深度、电钻转速、起停控制均由手术操作者人为控制。对于手术操作者而言，在钻穿瞬间有一个明显的落空感。这也就导致骨钻转头高速旋转穿过对侧骨皮质后，很不容易控制，而会发生伤及血管、神经、肌肉的事故。对此，目前通常采取的方法是将骨骼两端的周围骨膜和肌肉从骨骼上剥离，再将骨膜剥离器放到对面遮挡保护。这一方法的缺陷是：(1)增加手术时间及强度；(2)由于剥离骨膜，增加愈合难度，患者卧床时间增长。

所以需要无级变速、高扭矩、动力强大的机械结构骨钻来满足各种外科手术的需求。目前市场上较为先进的骨钻是通过机械结构获得电机扭矩力从而达到自动控制的效果，但是这种设备不仅笨拙，精确度不高而且功能单一，过度依赖于操作人员的技术性和操作水平，会由于操作人员的失误对病人的骨骼产生很大的危害，并且同时还会减少高精度骨钻的设备使用寿命，同时也无法解决骨钻穿透骨组织瞬间的落空感问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有自停顿功能的骨钻，解决骨钻穿透骨组织瞬间的落空感问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有自停顿功能的骨钻，通过设计智能控制模块，实现判断钻头是否穿透骨骼并在钻头已穿透骨骼时实施停转。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有自停顿功能的骨钻，其特征在于，包括传感模块和智能控制模块；

所述传感模块包括压力传感器和/或扭矩传感器，所述压力传感器用于输出对应于所述骨钻的钻头受到的压力的第一电信号，所述扭矩传感器用于输出对应于所述钻头受到的扭矩的第二电信号；所述智能控制模块用于接收所述第一电信号和/或所述第二电信号，并根据所述第一电信号和/或所述第二电信号控制所述骨钻的电机；

在所述骨钻工作时，所述智能控制模块接收所述第一电信号和/或所述第二电信号，并在所述第一电信号和/或所述第二电信号发生阶跃下降时使所述电机第一次停转；在所述电机完成所述第一次停转后，所述智能控制模块使所述电机启动并接收所述第一电信号和/或所述第二电信号，并在所述第一电信号和/或所述第二电信号发生阶跃下降时使所述电机第二次停转；所述电机完成所述第二次停转后，所述骨钻完成工作。

进一步地，所述压力传感器包括3个应变片，所述3个应变片被设置于所述电机的环形构件同一截面上，与环形构件中轴线的角度为±60°。

进一步地，所述扭矩传感器为应变式扭矩传感器，所述扭矩传感器通过获取所述3个应变片的应变得到所述扭矩。

进一步地，所述智能控制模块包括PLC和单片机；所述第一电信号和/或所述第二电信号被输入所述PLC，经过所述PLC的信号被输入所述单片机；所述单片机根据接收的信号输出控制指令。

进一步地，所述骨钻还包括继电器，所述继电器连接在所述电机和所述电机的电源之间；所述单片机向所述继电器输出控制指令以控制所述电机启动和停转。

进一步地，所述骨钻还包括输出模块，所述输出模块包括显示屏；所述智能控制模块根据接收的所述第一电信号和/或所述第二电信号，获得并在所述显示屏上显示所述压力和/或所述扭矩。

进一步地，所述输出模块还包括指示灯，所述智能控制模块根据接收的所述第一电信号和/或所述第二电信号控制所述指示灯；

当所述骨钻工作时且所述第一电信号和/或所述第二电信号未发生阶跃下降时，所述智能控制模块控制所述指示灯发出第一颜色光；当所述骨钻工作时且所述第一电信号和/或所述第二电信号发生阶跃下降时，所述智能控制模块控制所述指示灯发出第二颜色光。

进一步地，所述指示灯为LED，所述第一颜色光为绿光，所述第二颜色光为红光。

进一步地，所述骨钻还包括输入模块，用于输入扭矩阈值；所述传感模块包括所述扭矩传感器，所述智能控制模块接收所述第二电信号；所述智能控制模块将根据所述第二电信号获得的所述扭矩与所述扭矩阈值进行比较，并在所述扭矩大于所述扭矩阈值时指令所述指示灯发出所述第二颜色光。

进一步地，所述输入模块为按键板。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种具有自停顿功能的骨钻，其包括由压力传感器和扭矩传感器构成的传感模块、由PLC和单片机MSP430构成的智能控制模块、由LED和液晶显示屏构成的输出模块以及为按键板的输入模块。在使用本发明的具有自停顿功能的骨钻时，使用者通过按键板输入扭矩阈值并启动骨钻，智能控制模块实时获取来自于压力传感器和扭矩传感器的电信号并据此获得钻头受到的压力和扭矩，智能控制模块使液晶显示屏实时显示该压力和扭矩的值，骨钻正常工作时LED发出绿光，钻头受到的扭矩超过扭矩阈值时LED发出紅光示警，钻头受到的压力和/或扭矩发生阶跃下降时LED发出紅光示警并且继电器断开以使电机停转，再启动后钻头受到的压力和/或扭矩再次发生阶跃下降时LED发出紅光示警并且继电器断开以使电机停转且骨钻停止工作。

由此可见，本发明的具有自停顿功能的骨钻的操作过程相对于现有技术的骨钻更为具体化、数字化，由此降低了操作难度和风险，减少医疗风险，便利于骨科医生对骨骼的治疗。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是在一个较佳实施例中，本发明的具有自停顿功能的骨钻的结构示意图。

图2是图1所示的骨钻的传感模块、智能控制模块和输出模块的结构框图。

具体实施方式

如图1、2所示，在本发明的一个较佳实施例中，本发明的具有自停顿功能的骨钻包括压力传感器6、扭矩传感器5、PLC、单片机、继电器、LED10、液晶显示屏以及按键板4。

其中，压力传感器6和扭矩传感器5构成本发明的具有自停顿功能的骨钻的传感模块，用于获取钻头1受到的压力和扭矩并将对应于该压力和扭矩的第一电信号和第二电信号输出到智能控制模块。本实施例中，3个应变片被设置于电机3的环形构件同一截面上，与环形构件中轴线的角度为±60°，参见图1中扭矩传感器5处的圆圈内被绘作方块的应变片的位置。由于钻头1连接于电机3的旋转轴并由此被电机3带动，钻头1受到的压力等于旋转轴的轴向上受到的压力，因此被设置于电机3的环形构件同一截面上的3个应变片在轴向上受到电机3的旋转轴的轴向压力而发生轴向应变，该轴向应变对应着钻头1受到的压力，压力传感器6将这些应变片的轴向应变转换为第一电信号并输出。扭矩传感器5为应变式扭矩传感器，同样，上述3个应变片在径向上受到电机3的旋转轴的扭矩作用而发生径向应变，由于钻头1受到的扭矩等于电机3的旋转轴的扭矩，该径向应变对应着钻头1受到的扭矩。扭矩传感器5将这些应变片的径向应变转换为第二电信号并输出。

PLC和单片机构成本发明的具有自停顿功能的骨钻的智能控制模块，其中，PLC的输入端与压力传感器6和扭矩传感器5的输出端相连以接收第一电信号和第二电信号，PLC的输出端与单片机的输入端相连。PLC对第一电信号和第二电信号进行模/数转换处理后将它们输入单片机。本实施例中选用单片机MSP430，其内部预先编制有程序，可以将第一电信号和第二电信号转换为对应的钻头1受到的压力和扭矩。

继电器连接在电机3和电机3的电源之间，单片机的一个输出端连接到继电器的控制端以向继电器输出控制指令。控制指令包括令继电器闭合的第一指令，此时电机3和其电源导通，电机启动；控制指令还包括令继电器断开的第二指令，此时电机3和其电源不导通，电机停转。

LED10和液晶显示屏构成本发明的具有自停顿功能的骨钻的输出模块，它们分别地与单片机的一个输出端相连。其中，LED10接收单片机发出控制指令，发出绿光或红光。本实施例中具体地为：LED10包括两个LED灯泡，一个LED灯泡发绿光，另一个LED灯泡发红光；根据单片机的控制指令，LED10中发绿光的LED灯泡发光或发红光的LED灯泡发光。液晶显示屏接收来自单片机的数据，显示钻头1受到的压力和扭矩。本实施例中，液晶显示屏显示压力和扭矩的方式有两种：一种为波形，即横坐标为时间，纵坐标为压力或扭矩的值，该压力波形及扭矩波形实时地显示压力及扭矩随时间的变化；另一种为数字，该压力数字及扭矩数字实时地显示压力及扭矩的值。使用者可以通过输入模块手动选择这两种显示方式之一作为液晶显示屏显示压力及扭矩的方式。

按键板4为本发明的具有自停顿功能的骨钻的输入模块，其连接到单片机，用于向单片机输入数据和指令，其输入的数据和指令可以在液晶显示面板上显示出来。本实施例中，使用者可以通过按键板4向单片机输入扭矩阈值，扭矩阈值是根据不同人群的骨骼特质而设定，单片机将其实时获得的钻头1受到的扭矩与该扭矩阈值进行实时地比较，并在扭矩大于扭矩阈值时，发出一个电信号，令LED10发出红光示警。具体地为单片机中预先写好程序指令来进行上述的比较并在比较的结果为扭矩大于扭矩阈值时给LED10一个高电平，使其发出红光示警。

在使用本发明的具有自停顿功能的骨钻时，使用者握持骨钻的手柄2，打开骨钻电源，并通过按键板4选择液晶显示屏显示压力和扭矩的方式(波形或数字)，通过按键板4输入扭矩阈值，在此使用者可以根据需要手术的骨格确定合适的扭矩阈值；使用者通过按键板4输入指令，单片机向继电器发出第一指令，骨钻启动，开始工作；在骨钻工作的过程中，压力传感器6和扭矩传感器5实时地将对应着钻头1受到的压力和扭矩的第一电信号和第二电信号传送到PLC，PLC对信号处理后实时地将它们传送到单片机，单片机根据接收的信号获得钻头1受到的压力和扭矩并将这些数据实时地发送到液晶显示屏，使其实时地显示该压力和扭矩的值；同时，单片机实时地将其获得的扭矩与扭矩阈值进行比较，并在扭矩大于扭矩阈值时指令LED10发出红光示警；同时，单片机实时地监控第一电信号和第二电信号的变化，当其监控到第一电信号和/或第二电信号发生第一次阶跃下降时，即向继电器发出第二指令并指令LED10发出红光示警，电机第一次停转，单片机在电机完成第一次停转后向继电器发出第一指令并指令LED10发出绿光，电机再次启动，单片机继续实时地监控第一电信号和第二电信号的变化，当其监控到第一电信号和/或第二电信号发生又一次阶跃下降时，即向继电器发出第二指令并指令LED10发出红光，电机第二次停转，由此骨钻完成工作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有自停顿功能的骨钻，其特征在于，包括传感模块和智能控制模块；

所述传感模块包括压力传感器和/或扭矩传感器，所述压力传感器用于输出对应于所述骨钻的钻头受到的压力的第一电信号，所述扭矩传感器用于输出对应于所述钻头受到的扭矩的第二电信号；所述智能控制模块用于接收所述第一电信号和/或所述第二电信号，并根据所述第一电信号和/或所述第二电信号控制所述骨钻的电机；

在所述骨钻工作时，所述智能控制模块接收所述第一电信号和/或所述第二电信号，并在所述第一电信号和/或所述第二电信号发生阶跃下降时使所述电机第一次停转；在所述电机完成所述第一次停转后，所述智能控制模块使所述电机启动并接收所述第一电信号和/或所述第二电信号，并在所述第一电信号和/或所述第二电信号发生阶跃下降时使所述电机第二次停转；所述电机完成所述第二次停转后，所述骨钻完成工作。

2.如权利要求1所述的具有自停顿功能的骨钻，其中所述压力传感器包括3个应变片，所述3个应变片被设置于所述电机的环形构件同一截面上，与环形构件中轴线的角度为±60°。

3.如权利要求2所述的具有自停顿功能的骨钻，其中所述扭矩传感器为应变式扭矩传感器，所述扭矩传感器通过获取所述3个应变片的应变得到所述扭矩。

4.如权利要求1所述的具有自停顿功能的骨钻，其中所述智能控制模块包括PLC和单片机；所述第一电信号和/或所述第二电信号被输入所述PLC，经过所述PLC的信号被输入所述单片机；所述单片机根据接收的信号输出控制指令。

5.如权利要求4所述的具有自停顿功能的骨钻，其中还包括继电器，所述继电器连接在所述电机和所述电机的电源之间；所述单片机向所述继电器输出控制指令以控制所述电机启动和停转。

6.如权利要求1所述的具有自停顿功能的骨钻，其中还包括输出模块，所述输出模块包括显示屏；所述智能控制模块根据接收的所述第一电信号和/或所述第二电信号，获得并在所述显示屏上显示所述压力和/或所述扭矩。

7.如权利要求6所述的具有自停顿功能的骨钻，其中所述输出模块还包括指示灯，所述智能控制模块根据接收的所述第一电信号和/或所述第二电信号控制所述指示灯；

当所述骨钻工作时且所述第一电信号和/或所述第二电信号未发生阶跃下降时，所述智能控制模块控制所述指示灯发出第一颜色光；当所述骨钻工作时且所述第一电信号和/或所述第二电信号发生阶跃下降时，所述智能控制模块控制所述指示灯发出第二颜色光。

8.如权利要求7所述的具有自停顿功能的骨钻，其中所述指示灯为LED，所述第一颜色光为绿光，所述第二颜色光为红光。

9.如权利要求7所述的具有自停顿功能的骨钻，其中还包括输入模块，用于输入扭矩阈值；所述传感模块包括所述扭矩传感器，所述智能控制模块接收所述第二电信号；所述智能控制模块将根据所述第二电信号获得的所述扭矩与所述扭矩阈值进行比较，并在所述扭矩大于所述扭矩阈值时指令所述指示灯发出所述第二颜色光。

10.如权利要求9所述的具有自停顿功能的骨钻，其中所述输入模块为按键板。