CN106037833B - 一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置及方法，涉及手术刨削技术领域。装置包括：刨削刀头、电动机、电流传感器、驱动器、信息处理及控制模块、压力传感器及信号及动力传输线；压力传感器设置在刨削刀头上，压力传感器与信息处理及控制模块连接，电动机与刨削刀头连接，电流传感器与电动机连接，电流传感器通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块连接，驱动器与电动机连接，驱动器通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块连接，这种装置，能自动识别刨削组织并智能调整刨削转速，从而使得操作者可以将全部注意力集中在手术过程之上，加速手术进程，缩短病人在手术过程的痛苦，并有效降低手术风险。

Description

一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置及方法
技术领域
本发明涉及手术刨削技术领域，特别涉及一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置及方法。
背景技术
目前所知的医用刨削系统一般是由电动机驱动系统、刨削头连接系统、转速调节系统、刨削头等部件组成。在进行人体组织切割时，驱动系统的电动机以转速调节系统设定的额定速度旋转。在实际的刨削过程中，刨削不同的人体组织时，需人为设定相依的额定转速或档位。
这种人为调整刨削转速或档位的方法，存在着一定的不足之处。一是频繁调整转速或档位，分散了操作者的手术注意力，易于出现“过切”或“欠切”的情况；二是刨削不同组织所需的额定转速依赖于操作者的个人经验；三是在常规刨削系统的转速设定中仅存在3-4档，难以更好地适应不同组织刨削时所需的最佳转速，不利于快速、稳定的完成手术刨削过程。
发明内容
本发明提供一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置及方法，避免操作者在手术过程中刨削不同人体组织时频繁设定刨削转速，能够自动识别刨削组织、智能调整控制转速，从而使得操作者可以将全部注意力集中在手术过程之上，加速手术进程，缩短病人在手术过程的痛苦，并有效降低手术风险。
本发明提供了一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置，包括：刨削刀头、电动机、电流传感器、驱动器、信息处理及控制模块、压力传感器和信号及动力传输线；
压力传感器设置在刨削刀头上，压力传感器与信息处理及控制模块连接，电动机与刨削刀头连接，电流传感器与电动机连接，电流传感器通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块连接，驱动器与电动机连接，驱动器通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块连接，电动机用于给刨削刀头提供刨削动力；压力传感器用于测量刨削刀头受到操作者施加的压力；电流传感器用于测量电动机的当前电流；驱动器用于控制电动机的转速；信息处理及控制模块用于根据电动机的当前电流、电动机的转速和刨削刀头受到的压力，计算电动机的实时扭矩；然后根据压力、扭矩和人体组织判定表判定当前的刨削组织类型，根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机的最佳转速或档位；并通过驱动器控制电动机的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削；信号及动力传输线，用于实现信号及控制命令的传输。
一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整方法，包括以下步骤：
步骤一：电动机的转速自动调整至额定转速；
步骤二：在操作者将刨削刀头施力于刨削组织时，压力传感器采集刨削刀头受到的压力；电流传感器采集电动机的当前电流；驱动器反馈电动机的转速给信息处理及控制模块；
步骤三：信息处理及控制模块根据压力、当前电流和转速，计算电动机的实时扭矩；
步骤四：信息处理及控制模块依据电动机的扭矩及刨削刀头受到的压力及人体组织判定表，判定当前的刨削组织类型；
步骤五：信息处理及控制模块根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机的最佳转速或档位，通过驱动器控制电动机的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削；
步骤六：刨削过程中，信息处理及控制模块实时检测电动机的扭矩值是否发生跳变，当电动机的扭矩值发生跳变，则表明刨削组织类型有变化，重复步骤一到步骤五；
步骤七：信息处理及控制模块通过刨削刀头受到的压力判定操作者是否发出停止信号，若是，则结束；否则，重复步骤六。
进一步地，所述步骤一中的额定转速选取电动机的中等转速，以便适应最初不同组织的刨削需求。
进一步地，所述步骤一中的人体组织判定表是通过适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置通过实验，获取人体不同刨削组织类型在额定转速下，对刨削刀头施加不同压力时的扭矩值与压力值的集合。
进一步地，所述人体组织包括：肉筋、硬骨质层和稀疏骨质层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过压力传感器采集作用在刨削刀头上的压力，通过电流传感器采集电动机的驱动电流，通过驱动器驱动电动机，同时反馈电动机的转速信息给信息处理及控制模块，信息处理及控制模块根据电流、转速和压力信号计算电动机的实时扭矩，根据压力、扭矩和人体组织判定表判定当前的刨削组织类型，根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机的最佳转速或档位；并通过驱动器控制电动机的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削，打开刨削系统，自动调整到额定转速，待刨削头接触到人体组织后，自动识别刨削组织并智能调整刨削转速，从而使得操作者可以将全部注意力集中在手术过程之上，加速手术进程，缩短病人在手术过程的痛苦，并有效降低手术风险。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置的主要电路原理框图。
图2为本发明额定转速下不同人体组织的压力、扭矩对应曲线。
图3为本发明提供的一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整方法的流程图。
附图标记说明：
101-刨削刀头，102-电动机，103-电流传感器，104-驱动器，105-信息处理及控制模块，106-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置及方法，包括：刨削刀头101、电动机102、电流传感器103、驱动器104、信息处理及控制模块105、压力传感器106和信号及动力传输线；
压力传感器106设置在刨削刀头101上，压力传感器106与信息处理及控制模块105连接，电动机102与刨削刀头101连接，电流传感器103与电动机102连接，电流传感器103通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块105连接，驱动器104与电动机102连接，驱动器104通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块105连接，电动机102用于给刨削刀头101提供刨削动力；压力传感器106用于测量刨削刀头101受到操作者施加的压力；电流传感器103用于测量电动机102的当前电流；驱动器104用于控制电动机102的转速；信息处理及控制模块105用于根据电动机102的当前电流、电动机102的转速和刨削刀头101受到的压力，计算电动机102的实时扭矩；然后根据压力、扭矩和人体组织判定表判定当前的刨削组织类型，根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机102的最佳转速或档位；并通过驱动器104控制电动机102的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削；信号及动力传输线，用于实现信号及控制命令的传输。
通过压力传感器106采集作用在刨削刀头101上的压力，通过电流传感器103采集电动机102的驱动电流，通过驱动器104驱动电动机102，同时反馈电动机102的转速信息给信息处理及控制模块105，信息处理及控制模块105根据电流、转速和压力信号计算电动机102的实时扭矩，根据压力、扭矩和人体组织判定表判定当前的刨削组织类型，根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机102的最佳转速或档位；并通过驱动器104控制电动机102的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削，打开刨削系统，自动调整到额定转速，待刨削头接触到人体组织后，自动识别刨削组织并智能调整刨削转速，从而使得操作者可以将全部注意力集中在手术过程之上，加速手术进程，缩短病人在手术过程的痛苦，并有效降低手术风险。
如图3所示，一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整方法，包括以下步骤：
步骤一：电动机102的转速自动调整至额定转速；
步骤二：在操作者将刨削刀头101施力于刨削组织时，压力传感器106采集刨削刀头101受到的压力；电流传感器103采集电动机102的当前电流；驱动器104反馈电动机102的转速给信息处理及控制模块105；
步骤三：信息处理及控制模块105根据压力、当前电流和转速，计算电动机102的实时扭矩；
步骤四：信息处理及控制模块105依据电动机102的扭矩及刨削刀头101受到的压力及人体组织判定表，判定当前的刨削组织类型；
步骤五：信息处理及控制模块105根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机102的最佳转速或档位，通过驱动器104控制电动机102的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削；
步骤六：刨削过程中，信息处理及控制模块105实时检测电动机102的扭矩值是否发生跳变，当电动机102的扭矩值发生跳变，则表明刨削组织类型有变化，重复步骤一到步骤五；
步骤七：信息处理及控制模块105通过刨削刀头101受到的压力判定操作者是否发出停止信号，若是，则结束；否则，重复步骤六。
进一步地，所述步骤一中的额定转速选取电动机102的中等转速，以便适应最初不同组织的刨削需求。
进一步地，所述步骤一中的人体组织判定表是通过适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置通过实验，获取人体不同刨削组织类型在额定转速下，对刨削刀头施加不同压力时的扭矩值与压力值的集合。
进一步地，所述人体组织包括：肉筋、硬骨质层和稀疏骨质层。
(1)图1所示为转速智能调整控制装置的主要结构示意图。
其中，信息处理及控制模块105是整个控制装置的核心。信息处理及控制模块105的主要任务有：负责测量置于刨削刀头101的压力传感器106的信号、测量电动机102工作电流的电流传感器103的信号，以及驱动器104提供的转速信号等信息的采集工作；电动机扭矩的实时计算与跳变检测功能；额定转速下各类刨削组织判定数据表及曲线、刨削工艺参数的存储功能；根据当前刨削组织自动调整刨削转速功能。
在刨削刀头101内置压力传感器106，用于操作者所施加压力作用于刨削组织的压力反馈；电流传感器103用于测量电动机102的当前电流；驱动器104用于电动机102的驱动及转速信息反馈。
图1中各部分之间的动力及信号传输通过信号及动力传输线实现。
(2)人体组织判定表的数据获取及建立
针对手术动力刨削系统，通过实验，获取人体各类组织在额定转速下、通过手对刨削刀头施加不同作用力时的反馈扭矩，并将数据列入如表1所示的表格。额定转速应选取为电动机的中等转速，以便适应于不同组织的刨削需求。
表1 某种人体组织在额定转速下施加不同作用力的组织判定表
压力值 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12
扭矩值 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12
依据上述方法，建立多种不同人体组织在上述额定转速下施加不同作用力的组织判定表，例如肉筋、硬骨质层、稀疏骨质层等。
以压力值为横坐标，扭矩值为纵坐标，将各类组织的判定数据分别进行三次多项式拟合，形成多条拟合曲线，如图2所示。
(3)通过理论分析及实验，确定不同种类的人体组织所对应的最佳刨削速度或档位。
(4)手术动力刨削系统转速智能调整流程
图3所示为本发明所述的刨削系统转速智能调整流程，具体如下：
a)系统开启时，首先电动机102转速自动调整至获取人体组织判定表数据的实验时的额定转速；
b)在操作者作用力于刨削组织时，自动采集转速、电流、刨削刀头作用力等参数，并计算当前电动机扭矩；
c)依据当前电动机扭矩及刨削刀头作用力在图2所示的压力、扭矩曲线中判定当前所刨削的人体组织。具体判定方法为对将当前压力传感器106反馈的压力值，分别带入依据组织判定数据所求得的拟合多项式，并计算扭矩值；系统依据电流、电压及转速实时检测得到的当前扭矩值与拟合多项式求得的扭矩值进行两两差值计算；所获差值绝对值最小者所对应的拟合曲线组织类别即为当前刨削的组织类别。
d)根据系统自动判定的刨削组织，查阅刨削工艺参数表，确定刨削该类组织时的最佳转速或档位；
e)刨削过程中，实时检测电动机102的扭矩值是否发生跳变；
f)若电动机102的扭矩值发生跳变，则表明刨削组织有所变化；流程自动跳转至a)；
d)判断操作者是否发出停止信号，若是，则结束；否则，跳转至e)。
(5)在信号处理及控制模块中编制程序，实现上述流程。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于手术动力刨削系统的转速智能调整装置，其特征在于，包括：刨削刀头(101)、电动机(102)、电流传感器(103)、驱动器(104)、信息处理及控制模块(105)、压力传感器(106)、信号及动力传输线以及人体组织判定表；
压力传感器(106)设置在刨削刀头(101)上，通过压力传感器(106)采集作用在刨削刀头(101)上的压力，压力传感器(106)与信息处理及控制模块(105)连接，电动机(102)与刨削刀头(101)连接，电流传感器(103)与电动机(102)连接，通过电流传感器(103)采集电动机(102)的驱动电流，电流传感器(103)通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块(105)连接，驱动器(104)与电动机(102)连接，驱动器(104)通过信号及动力传输线与信息处理及控制模块(105)连接，通过驱动器(104)驱动电动机(102)，同时反馈电动机(102)的转速信息给信息处理及控制模块(105)，电动机(102)用于给刨削刀头(101)提供刨削动力；压力传感器(106)用于测量刨削刀头(101)受到操作者施加的压力；电流传感器(103)用于测量电动机(102)的当前电流；驱动器(104)用于控制电动机(102)的转速；信息处理及控制模块(105)用于根据电动机(102)的当前电流、电动机(102)的转速和刨削刀头(101)受到的压力，计算电动机(102)的实时扭矩；然后根据压力、扭矩和人体组织判定表判定当前的刨削组织类型，根据当前的刨削组织类型和刨削工艺参数表，确定刨削当前组织时电动机(102)的最佳转速或档位；并通过驱动器(104)控制电动机(102)的转速自动调整到最佳转速及档位，进行刨削；信号及动力传输线，用于实现信号及控制命令的传输，打开刨削系统，自动调整到额定转速，待刨削头接触到人体组织后，自动识别刨削组织并智能调整刨削转速，所述手术动力刨削系统适用于识别的人体组织包括：肉筋、硬骨质层和稀疏骨质层。
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