CN109953826A - 一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法 - Google Patents

一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法，包含步骤一，将激光手术刀刀头定位在需钻孔位置；步骤二，检测激光出光口与待钻孔表面距离，调整两者间距，保证聚焦光斑在加工平面；步骤三，设定钻孔路径、孔径、孔深及激光参数，开启激光器进行钻孔；步骤四，实时监测钻孔深度，自动调整焦距在加工平面，直至达到预定深度值，激光器自动停止工作，钻孔结束。本发明实施设备结构紧凑，操作便利；实施工艺简单，方法灵活，钻孔速率高，适用于大深径比的骨科钻孔手术。

Description

一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及用于骨科的激光装置及加工方法。
背景技术
目前普遍的骨科手术中钻孔主要采用机械钻孔，针对骨折部位进行打孔以方便对骨折部位加以固定。然而，在钻孔过程中，需要精确控制方向和深度以避免损坏骨骼、伤及重要脏器组织，对医护人员的操作经验要求极高。另外，对于大深径比的钻孔，这种机械钻削方式存在热损伤、排屑难、及钻头骨内断留等问题，不仅增加病人痛苦，而且造成巨额经济损失。
针对上述问题，急需开发一种新的骨钻孔方法。激光加工具有非接触式加工和易于自动化控制的特点，能够实现高精度低损伤的钻孔，适应骨科手术中钻孔的技术需求。但传统激光设备不易方便地在手术室实施骨科钻孔，设备和光路的占据空间受到极大的限制，针对大深径比的骨钻孔手术，尚无成熟的激光钻孔实施方法及设备应用于临床治疗，同时加工过程的卫生清洁也是难点之一。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法。为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
步骤一，将激光手术刀刀头定位在需钻孔位置；
步骤二，检测激光出光口与待钻孔表面距离，调整两者间距，保证聚焦光斑在加工平面；
步骤三，设定钻孔路径、孔径、孔深及激光参数，开启激光器进行钻孔；
步骤四，实时监测钻孔深度，自动调整焦距在加工平面。直至达到预定深度值，激光器自动停止工作，钻孔结束；
其中，所述的步骤一中，使用红光或CCD定位相机对激光钻孔刀头定位；
其中，所述的步骤二中，通过激光测距或CCD定位相机，检测激光出光口与待钻孔表面距离；
其中，所述的步骤三中，钻孔路径包括螺旋线，自内向外的同心圆，蛇形平行线；
其中，所述的步骤三中，钻孔路径扫描通过旋切头实现；
其中，所述的步骤三中，激光输出功率为2-300W，激光输出频率为50Hz-500KHz，激光脉宽为10fs-10ns，光斑重叠率为10％-50％；
其中，所述的步骤三中，激光钻孔过程中，通过吹气装置中的压缩空气，经气管、旋切头吹至加工孔内，将钻孔产生的烟雾、残渣和水汽吹出，同时带走多余热量，保证钻孔质量和效率；
其中，所述的步骤三中，激光钻孔过程中，使用烟尘吸收装置，吸收上一步被吹出产生的烟雾、残渣和水汽等；
其中，所述的步骤四中，通过激光测距或CCD定位相机，实时监测钻孔深度，结果反馈给激光控制系统，控制旋切头调整焦距在加工平面；
其中，所述的步骤四中，通过激光测距或CCD定位相机，检测到钻孔深度达到预定值，通过激光控制系统，控制激光器停止工作。
本发明公开的一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法。其优点在于：本发明实施方法利用激光钻孔，能够通过改变激光参数，对不同骨组织进行去除，可适应各种骨组织深孔加工要求。采用全光纤结构，具有结构紧凑，操作便利，成本低的优点。采用红光或CCD定位相机，保证钻孔位置精确度。与旋切头同轴的激光测距或CCD定位相机能够精确实时测量钻孔深度，同时，通过控制系统调整旋切头焦距在加工平面，保证钻孔质量。同轴的吹气装置和吸尘装置能够及时充分地吸收钻孔过程产生的烟雾、残渣和水汽等，提高钻孔的质量和环境的清洁。避免了在深孔钻削过程中骨屑对光的折射，保证钻孔深度。本发明实施工艺简单，方法灵活，钻孔速率高，尤其适用于大深径比的骨科钻孔手术。
附图说明
以下配合附图详细说明本发明的特征及优点：
图1激光手术刀装置示意图
图中：1、激光器 2、控制系统 3、机械手臂 4、光纤 5、控制线路 6、激光刀头
图2激光刀头示意图
图中：1、激光器 2、光纤 3、激光测距或CCD定位相机 4、半透半反镜 5、红光定位装置 6、吹气装置 7、旋切头 8、吸尘装置 9、待钻孔的骨骼
图3本发明中激光钻骨结果：(a)骨截面形貌；(b)直径5mm孔，俯视图；(c)直径5mm孔，45°视图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明一种用于骨科钻孔的激光加工方法，患者为胫骨骨折，需钻直径5mm、深度23mm的圆形孔。具体实施首先由操作者打开附图2中5红光定位，根据5红光定位，移动附图1中3机械手臂，确认附图1中6激光刀头定位在钻孔位置；打开附图2中3激光测距装置，通过附图2中3激光测距结果反馈给附图1中2控制系统，继而控制附图2中7旋切头调整焦距至待钻孔平面；其中附图1中1激光器脉宽为50fs，波长为1030nm；在附图1中2控制系统输入激光参数为功率20W，扫描速度3000mm/s，光斑重叠率50％，重复频率100KHz，扫描形状为直径5mm的圆形，扫描路径为螺旋线，开启激光器；钻孔过程中，通过附图2中3激光测距装置结果，实时调整附图2中7旋切头至钻孔底部焦距，同时，附图2中6吹气装置，将钻孔产生的烟雾、残渣和水汽吹出，同时对骨进行降温，附图2中8吸气装置吸收吹出的烟雾、残渣和水汽等，保证钻孔过程的清洁卫生。当钻孔至预定深度23mm时，控制激光器停止工作，此时骨钻孔结束。直径5mm钻孔效果如附图3所示。

Claims (13)

1.一种用于骨科钻孔的激光装置及加工方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，将激光钻孔刀头定位在需钻孔位置；
步骤二，检测激光出光口与待钻孔表面距离，调整两者间距，保证聚焦光斑在加工平面；
步骤三，设定钻孔路径、孔径、孔深及激光参数，开启激光器进行钻孔；
步骤四，实时监测钻孔深度，自动调整焦距在加工平面，直至达到预定深度值，激光器自动停止工作，钻孔结束。
2.根据权利要求1所述的步骤一中，将激光钻孔刀头定位在需钻孔位置，其中激光钻孔刀头包括红光定位装置或CCD定位相机、激光器、激光测距装置、半透反射镜、旋切头、吸尘装置、冷却装置。
3.根据权利要求1所述的步骤一中，将激光钻孔刀头定位在需钻孔位置，其中定位装置包括红光或CCD定位相机。
4.根据权利要求1所述的步骤二中，检测激光出光口与待钻孔表面距离，其中通过激光测距或CCD定位相机检测激光出光口与待钻孔表面距离。
5.根据权利要求1所述的步骤三中，钻孔路径包括螺旋线，自内向外的同心圆，蛇形平行线。
6.根据权利要求1所述的步骤三中，钻孔路径扫描通过旋切头实现。
7.根据权利要求1所述的步骤三中，激光器包括产生波长1030-3000nm的单波长激光器及多波长组合式激光系统。
8.根据权利要求1所述的步骤三中，激光输出功率为2-300W，激光输出频率为50Hz-500KHz，激光脉宽为10fs-10ns，光斑重叠率为10％-50％。
9.根据权利要求1所述的步骤三中，激光钻孔过程中，通过吹气装置中的压缩空气，经气管、旋切头吹至加工孔内，将钻孔产生的烟雾、残渣和水汽吹出，同时带走多余热量，保证钻孔质量和效率。
10.根据权利要求1所述的步骤三中，激光钻孔过程中，使用烟尘吸收装置，吸收上一步被吹出产生的烟雾、残渣和水汽等。
11.根据权利要求1所述的步骤三中，激光钻孔，包括骨外包裹的软组织钻孔及骨组织的钻孔。
12.根据权利要求1所述的步骤三中，激光钻孔，孔为盲孔、通孔、垂直孔、斜孔，孔形状为圆形、方形、三角形、多边形，深径比为1-20。
13.根据权利要求1所述的步骤四中，通过激光测距或CCD定位相机，实时监测钻孔深度，结果反馈给激光控制系统，控制旋切头调整焦距在加工平面。
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