CN110998224B - 钻孔深度计 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种深度计装置，其包括主体，该主体延伸中心纵向轴线并且包括通道和透光孔，该透光孔通向通道；光源，该光源安装在主体中，用于生成光束，该光束朝向延伸穿过通道的钻头表面穿过透光孔，该光束在从钻头表面反射离开时形成入射光束；图像传感器，该图像传感器安装在主体中，用于感测入射光束并生成钻头表面的多个连续图像，以检测钻头移动穿过通道的位置的变化；以及耦合到主体的夹具，该夹具包括多个可调臂，这些可调臂被构造成将装置夹持到保护套管。

Description

钻孔深度计

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2017年8月7日的美国临时专利申请序列62/541,832的优先权，该专利申请的整个公开内容以引用方式明确地并入本文。

背景技术

通常需要准确地评估在骨内钻出的孔的深度，例如，以确定所需的骨螺钉长度。现在，创伤植入物使用多个测量装置来确定配合在钻孔内必需的螺钉的长度。这些测量装置根据植入物和解剖区域而变化，需要多个不同的测量装置以配合不同的钻头。此外，使用机械、机电和/或电气/电子技术来感测或确定相对距离的许多当前测量装置可能不准确，导致选择长度错误的螺钉。使用过长的螺钉可增加软组织刺激的风险，而使用过短的螺钉可能存在初级稳定性丧失的风险。因此，需要与多种钻头兼容并提供快速且准确的测量的新深度测量仪。

发明内容

本公开涉及深度计装置，其包括主体，该主体延伸中心纵向轴线并且包括通道和透光孔，该透光孔通向通道；光源，该光源安装在主体中，用于生成第一光束，该第一光束朝向延伸穿过通道的钻头表面穿过透光孔，该第一光束在从钻头表面反射离开时形成入射光束；图像传感器，该图像传感器安装在主体中，用于感测入射光束并生成钻头表面的多个连续图像，以检测钻头移动穿过通道的位置的变化；以及耦合到主体的夹具，该夹具包括多个可调臂，这些可调臂被构造成将装置夹持到保护套管。在一个实施方案中，夹具还包括可旋转夹具调节机构，其中在第一方向上旋转调节机构使多个臂朝向中心纵向轴线移动，并且在第二方向上旋转调节机构使多个臂远离中心纵向轴线移动。在另一个实施方案中，装置包括耦合到图像传感器的处理单元，该处理单元比较多个连续图像内的可识别点的移动以计算钻头移动穿过通道的距离。在一个实施方案中，光源为红外激光源。在另一个实施方案中，透光孔的尺寸和形状被设定成用于来自光源的第一光束和从钻头表面反射的入射光束的穿过。在另一个实施方案中，装置还包括耦合到处理单元的显示屏，该显示屏显示钻头移动穿过该通道的距离。在另一个实施方案中，处理单元包括蓝牙功能。在另一个实施方案中，将装置夹持到保护套管，通道与延伸穿过保护套管的通道对齐。

本公开还涉及用于测量孔深度的系统，该系统包括深度计，该深度计具有延伸穿过其的深度计通道，该深度计包括设置在其中的用于向深度计通道内的目标钻头表面发射激光光束的激光源以及用于感测从钻头表面反射的入射激光束的光传感器；耦合到深度计的保护套管，该保护套管包括当保护套管耦合到深度计时与深度计通道对齐的保护套管通道；以及被构造成延伸至深度计通道和保护套管通道以钻入骨的目标部分的钻头，其中图像传感器生成钻头表面的多个连续图像以检测钻头的位置的变化。在一个实施方案中，深度计还包括夹持部分，该夹持部分包括被构造成将深度计夹持到保护套管的多个可调臂。在另一个实施方案中，深度计还包括可旋转夹具调节机构，其中在第一方向上旋转调节机构使多个臂朝向深度计的中心纵向轴线移动，并且在第二方向上旋转调节机构使多个臂远离中心纵向轴线移动。在另一个实施方案中，系统还包括耦合到图像传感器的处理单元，该处理单元比较多个连续图像内的可识别点的移动以计算钻头移动穿过深度计通道的距离。在另一个实施方案中，深度计还包括耦合到处理单元的显示屏，该显示屏显示钻头移动穿过该通道的距离。

本公开还涉及用于测量孔深度的方法，该方法包括将深度计定位在保护套管上，该深度计包括主体，该主体延伸中心纵向轴线并且包括通道和透光孔，该透光孔通向通道；安装在主体中的光源；安装在主体中的图像传感器；以及耦合到主体的夹具，该夹具包括被构造成将装置夹持到保护套管的多个可调臂；穿过通道和保护套管插入钻头；使由光源生成的第一光束朝向延伸穿过通道的钻头表面穿过透光孔，第一光束在从钻头表面反射时形成入射光束，并经由图像传感器生成钻头表面的多个连续图像，以检测钻头移动穿过通道的位置的变化。在一个实施方案中，深度计还包括可旋转夹具调节机构，其中在第一方向上旋转调节机构使多个臂朝向中心纵向轴线移动，并且在第二方向上旋转调节机构使多个臂远离中心纵向轴线移动。在另一个实施方案中，该方法还包括经由耦合到图像传感器的处理单元来比较多个连续图像内的可识别点的移动，以计算钻头移动穿过通道的距离。在一个实施方案中，光源为红外激光源。在另一个实施方案中，该方法包括显示钻头移动穿过耦合到处理单元的显示屏上的通道的距离。在另一个实施方案中，该方法包括经由处理单元跟踪线性加速度的相对变化，以识别钻头已离开目标骨的第二皮层的时间。在另一个实施方案中，该方法包括在钻头离开第二皮层时向用户提供指示信号。

附图说明

图1示出了根据本公开的示例性实施方案的深度计系统的侧视图；

图2示出了根据示例性实施方案的图1的系统的深度计的侧视图；

图3示出了图1的系统的深度计的透视图；

图4示出了图1的系统的剖视图；

图5示出了根据示例性实施方案的图1的系统的光源所发射的红外光束的路径；

图6示出了根据示例性实施方案的由图1的系统的图像传感器捕获的两个示例性帧；并且

图7示出了穿过长骨的图1的系统的钻的加速度图案的曲线图。

具体实施方式

可参考以下的描述和附图理解本公开，其中相同参考标号指代类似元件。本公开涉及用于使用红外激光二极管来测量所需骨螺钉长度的方法和装置。在示例性实施方案中，测量装置包括用于将装置安装在钻头套管或软组织保护套管上的可调式通用夹具接口。本领域技术人员将会知道，本发明的原理适用于在外科手术期间患者身上可能必要的任何距离测量。应当指出的是，如本文所用的术语“近侧”和“远侧”用来指朝向(近侧)和远离(远侧)装置的用户的方向。

图1示出了示例性深度测量系统10，该系统包括在外科手术期间定位在保护套管102上以测量穿过患者身体内的骨104的钻头线性运动(深度)的深度计装置100。例如，在操作期间，装置100可用于测量延伸穿过深度计装置100和保护套管102的钻头106的移动。如图2至图4所示，深度计装置100包括深度计主体108、具有夹具调节机构112的可调夹具110和红外(IR)激光成像系统114。主体108从近侧端部116延伸到远侧端部118，并且包括延伸穿过其的通道120。在该实施方案中，通道120的形状为基本上圆柱形的，并且适于穿过其插入钻头106。然而，应当理解，通道120可为适于插入钻头106的任何形状。在该实施方案中，主体108包括安装部分122，该安装部分通向通道120以用于安装IR激光成像系统114。安装部分122可为例如主体108内的中空空间。在另一个实施方案中，通道120可包括进入主体108的通道120的壁内的侧向切口(未示出)，使得IR成像系统114可安装在切口内而不突起到通道120中或与钻头106接触。在本实施方案中，安装部分122经由通道120壁中的透光孔124通向通道120。透光孔124的尺寸和形状被设定成用于将来自安装部分122内的光源142的第一光束148和从钻头106的表面150反射的第二入射光束154传递到图像传感器144(如下文进一步详细讨论)。透光孔124防止光源142检测除第二入射光束154之外的任何外部光。

在示例性实施方案中，深度计主体108包括可调式通用夹具110，该可调式通用夹具包括耦合到远侧端部118的调节机构112。夹具110可包括从耦合到主体108的近侧端部130延伸到适于将装置100夹持到保护套管102的自由远侧端部132的多个臂128，如图3至图4中所示。夹持臂128的近侧端部130围绕主体108的远侧端部的圆周分布，以在装置100和保护套管102之间提供稳定的接合。在一个实施方案中，臂128的远侧端部132包括钩状特征部134以围绕保护套管102的头部136钩挂。然而，应当理解，远侧端部132可以在装置100和保护套管102之间提供稳定夹持连接的任何方式成型。臂128可经由夹具调节机构112的旋转围绕保护套管102被紧固。夹具调节机构112包括旋转构件138，该旋转构件耦合到臂128以用于其调节。例如，在该实施方案中，旋转构件138在第一方向上的旋转使臂120朝向装置100的中心纵向轴线L向内移动，同时旋转构件138在第二相反方向上的旋转使臂128向外移动远离纵向轴线。因此，夹具110可被调整为其所耦合的保护套管102的尺寸。在该实施方案中，夹具调节机构112围绕主体108的外圆周设置。然而，应当理解，调节机构112可定位在主体108上的任何位置，前提是调节机构112的旋转如所描述的那样有利于臂128的移动。如图3所示，调节机构112可包括指示保护套管直径的标记140，当调节机构112与指定标记140对齐时，夹具110将围绕该保护套管直径配合。如图所示，在该实施方案中，主体102包括以0.5为间隔(指示要使用的钻头的尺寸)编号的标记140，但使用指示变化的尺寸的任何间隔的任何标记类型都是足够的。

IR激光成像系统114，如图4至图5中所示，安装在主体108的安装部分122内。成像系统114使用数字图像相关性来确定装置100和钻头106之间的相对位置，钻头可在相对于装置100的二维平面中以任何方向运动(如箭头164、166所示)。成像系统114包括光源142、图像传感器144和处理单元146，在该实施方案中，这些均安装在主体108内部。在示例性实施方案中，光源142提供红外(IR)激光束148以增大图像传感器144拍摄的图像的分辨率，从而更准确地测量钻出的孔的深度。在本实施方案中，IR激光束148从光源142线性地引导穿过透光孔124直到钻头106的表面150，并且然后通过从钻头表面150反射的入射光154生成表面图像152。然而，本领域的技术人员应当理解，IR成像系统114可包括一个或多个界面(未示出)以将IR激光束148沿指定路径反射和引导至钻头表面150或从其反射和引导，前提是由钻头表面150反射的入射光生成表面图像。在该实施方案中，IR激光束148以例如与光源142成约45度的入射角行进。然而，可使用任何入射角将IR激光束148引导至钻头表面150。光源142可以是发射红外光束的任何红外激光器，诸如红外激光二极管。

图像传感器144也安装在安装部分122中并且包括面向钻头表面150的图像感测小区(未示出)，用于感测从钻头表面150反射的入射激光束154并生成检测到的图像152。如本领域的技术人员将会理解的，现有传感器能够以每秒12,000帧以上(fps)拍摄，分辨率高达12,000点/英寸(dpi)，并且可感测高达40G的加速度和高达7米/秒(m/s)的速度。在本实施方案中，图像传感器每秒捕获高达12000个连续帧或更多。图像传感器144对钻头106的材料中的天然存在的纹理进行成像，使得在钻头106上并非必需分级或标记。

处理单元146耦合到图像传感器144以从图像传感器144生成的所检测到的图像152生成电信号。具体地，在该实施方案中，图像传感器144拍摄钻头表面150的连续图像。当光源142以入射余角照明时，该表面150投射类似于丘陵地形的不同阴影。这些表面特征部的图像152被连续地捕获并彼此比较以确定由连续图像之间的差值表示的钻头的移动量。处理单元146使用交叉相关性来处理这些图像152，以计算x方向和y方向上的连续图像之间的偏移。例如，处理单元146可检测钻头轴向平移以及旋转运动。通过比较连续存储的图像152a、152b，如图6所示，可确定相对运动，使得图像152a、152b内的图案的相关性计算可用于确定由连续图像之间的差值表示的移动的距离和方向。例如，第一捕获图像与先前捕获的图像部分重叠，使得钻头的单个部分在两个图像中表示。因此，处理单元146的软件算法可例如在每个图像152中的特定可识别点处进行查看，并且然后通过记录此类可识别点的移动来计算相对移动的距离和方向。根据钻头106移动的速度，每个图像152a、152b可按像素的一部分或多达若干像素与前一个图像偏移。通过存储连续图像对，可识别“重叠”的这些特性，从而得到x方向和y方向二者上平移的方向和大小。在本实施方案中，废弃所检测的钻头106的旋转运动，并且处理单元146仅记录向上和向下(y方向)的线性平移。然而，在另一个实施方案中，还可存储钻头106的旋转运动(x方向)以供参考。在一个实施方案中，处理单元146可耦合到位于装置100上的显示屏156以用于显示所记录的线性运动(深度)。在示例性实施方案中，处理单元146包括诸如Wi-Fi或蓝牙的网络通信功能，装置100可通过这些功能连接到例如计算机装置或电动钻孔工具(例如，用于在通过第二皮层时触发电动工具)。

在一个实施方案中，装置软件可识别钻头106的加速度或减速模式以指示钻头106正穿过的骨的哪一部分。例如，如图7中所示，典型的长骨10(即，股骨或胫骨)包括硬外层、皮质骨160a、160b(区域1和3)和更柔软的松质骨162的内芯(区域2)。进入松质芯162的钻头将在较硬的第一皮层160a中从其速度加速，如图7的曲线图所示。相反，当从松质芯162进入骨的第二皮层160b时，钻头106将减速。根据该实施方案的装置软件检测并跟踪线性加速度的这些变化，以便在钻头106从骨的一部分至另一部分(例如，离开松质芯162并进入第二皮层(区域2)160b(区域3))穿过时识别并指示给用户。指示器可以是音频形式或视觉形式。例如，在一个实施方案中，当钻头106离开第二皮层106b时，装置100可提供可听见的蜂鸣声或撞击声。在另一个实施方案中，当钻头106离开第二皮层106b时，装置100可提供可见的闪烁光。该指示信号可防止不必要的钻孔经过第二皮层106b，从而防止对周围组织的不必要的创伤。

在使用中，深度计装置100附接到保护套管102的近侧端部。夹持臂128的尺寸通过调节机构112的旋转而设定成保护套管头部136的直径。当装置100附接到保护套管102时，装置100和保护套管102两者相对于彼此和目标骨104保持静止。然后可穿过中心通道120和保护套管102的通道插入钻头106。当钻孔开始时，光源142将IR激光束148投射穿过透光孔124并投射到钻头表面150上。从钻头表面150反射到图像传感器144的入射光束154被捕获在连续图像帧152中，这些连续图像帧由处理单元146处理以计算钻头106相对于深度计装置100的线性运动。线性运动可在显示屏156上向用户显示或以其它方式传达给用户。在一个实施方案中，实时更新线性运动。在另一个实施方案中，在钻孔完成之后提供线性运动。

本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的发明构思的情况下，可对上述实施方案作出修改。还应当理解，可将与实施方案中的一个相关联的结构特征部和方法结合到其它实施方案中。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施方案，而是将修改也包括在所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种深度计装置，包括：

主体，所述主体延伸中心纵向轴线并且包括通道和透光孔，所述透光孔通向所述通道；

光源，所述光源安装在所述主体中，用于生成第一光束，所述第一光束朝向延伸穿过所述通道的钻头的表面穿过所述透光孔，所述第一光束在从所述钻头表面反射离开时形成入射光束；

图像传感器，所述图像传感器安装在所述主体中，用于感测所述入射光束并且生成所述钻头表面的多个连续图像，以检测所述钻头移动穿过所述通道的位置的变化；和

耦合到所述主体的夹具，所述夹具包括多个可调臂，所述多个可调臂被构造成将所述装置夹持到保护套管。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述夹具还包括可旋转夹具调节机构，其中在第一方向上旋转所述调节机构使所述多个臂朝向所述中心纵向轴线移动，并且在第二方向上旋转所述调节机构使所述多个臂远离所述中心纵向轴线移动。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述图像传感器的处理单元，所述处理单元比较所述多个连续图像内的可识别点的移动以计算所述钻头移动穿过所述通道的距离。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源为红外激光源。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述透光孔的尺寸和形状被设定成用于来自所述光源的所述第一光束和从所述钻头表面反射的所述入射光束的穿过。

6.根据权利要求3所述的装置，还包括耦合到所述处理单元的显示屏，所述显示屏显示所述钻头移动穿过所述通道的距离。

7.根据权利要求3所述的装置，其中所述处理单元包括蓝牙功能。

8.根据权利要求1所述的装置，其中当所述装置被夹持到所述保护套管时，所述通道与延伸穿过所述保护套管的通道对齐。

9.一种用于测量孔的深度的系统，包括：

深度计，所述深度计具有延伸穿过其的深度计通道，所述深度计包括设置在其中的用于向所述深度计通道内的目标钻头表面发射激光光束的激光源和用于感测从所述钻头表面反射的入射激光束的图像传感器；

耦合到所述深度计的保护套管，所述保护套管包括当所述保护套管耦合到所述深度计时与所述深度计通道对齐的保护套管通道；和

钻头，所述钻头被构造成延伸到所述深度计通道和所述保护套管通道中以钻入骨的目标部分，

其中所述图像传感器生成所述钻头表面的多个连续图像以检测所述钻头的位置的变化。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述深度计还包括夹持部分，所述夹持部分包括被构造成将所述深度计夹持到所述保护套管的多个可调臂。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述深度计还包括可旋转夹具调节机构，其中在第一方向上旋转所述调节机构使所述多个臂朝向所述深度计的中心纵向轴线移动，并且在第二方向上旋转所述调节机构使所述多个臂远离所述中心纵向轴线移动。

12.根据权利要求9所述的系统，还包括耦合到所述图像传感器的处理单元，所述处理单元比较所述多个连续图像内的可识别点的移动以计算所述钻头移动穿过所述深度计通道的距离。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述深度计还包括耦合到所述处理单元的显示屏，所述显示屏显示所述钻头移动穿过所述通道的距离。

14.一种用于测量孔的深度的方法，包括：

将深度计定位在保护套管上，所述深度计包括：

主体，所述主体延伸中心纵向轴线并且包括通道和透光孔，所述透光孔通向所述通道；

安装在所述主体中的光源；

安装在所述主体中的图像传感器；和

耦合到所述主体的夹具，所述夹具包括多个可调臂，所述多个可调臂被构造成将所述深度计夹持到保护套管；

穿过所述通道和所述保护套管插入钻头；

使由所述光源生成的第一光束朝向延伸穿过所述通道的所述钻头的表面穿过所述透光孔，所述第一光束在从所述钻头表面反射时形成入射光束；以及

经由所述图像传感器生成所述钻头表面的多个连续图像，以检测所述钻头移动穿过所述通道的位置的变化。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述深度计还包括可旋转夹具调节机构，其中在第一方向上旋转所述调节机构使所述多个臂朝向所述中心纵向轴线移动，并且在第二方向上旋转所述调节机构使所述多个臂远离所述中心纵向轴线移动。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括经由耦合到所述图像传感器的处理单元来比较所述多个连续图像内的可识别点的移动，以计算所述钻头移动穿过所述通道的距离。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述光源是红外激光源。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括显示所述钻头移动穿过耦合到所述处理单元的显示屏上的所述通道的距离。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括经由耦合到所述图像传感器的处理单元跟踪线性加速度的相对变化，以识别所述钻头已离开目标骨的第二皮层的时间。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括在所述钻头离开所述第二皮层时向用户提供指示信号。

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