CN111281479A - 一种高安全性的自感知超声骨刀系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声骨刀领域，并具体公开了一种高安全性的自感知超声骨刀系统，其刀柄、刀头、压电执行器、压电传感器和控制器，其中：所述刀头安装在刀柄一端，压电执行器、压电传感器安装在刀柄内部，并与刀头相连，所述刀柄上设置有切削力显示器和峰鸣报警器；所述控制器用于控制压电执行器驱动刀头产生纵向振动，同时通过压电传感器接收刀头切割骨组织时产生的切削力信号，基于该切削力信号辨识切削位置信息，并将切削力信号和切削位置信息传递给切削力显示器和峰鸣报警器。本发明的超声骨刀系统执行与感知高度集成、结构紧凑，并具有力‑位原位感知功能，手术者可实时掌握切割力与硬/软组织边界，提高了骨科手术精准性和安全性。

Description

一种高安全性的自感知超声骨刀系统

技术领域

本发明属于超声骨刀领域，更具体地，涉及一种高安全性的自感知超声骨刀系统。

背景技术

随着外科手术的需求增大与微创技术的发展，骨科手术对手术安全性和精准性的要求正与日俱增。脊柱外科手术因操作难度大、神经组织复杂、极易导致操作不当造成软组织和神经损伤、引发患者后遗症，甚至造成患者瘫痪。目前，外科医生大多采用咬骨钳、微锯和高速磨头等医疗器械进行骨组织切割，但出血量大、骨组织易破损、切除后组织不规则、易损伤周围软组织。

超声骨刀作为一种新型骨切除器械成为外科手术的利器，相比于传统骨切除器械，其主要优势有：组织选择性、防卷刮特性、冷切割、易操作性、保护供血和缩短手术时间等。目前，超声骨刀因其显著的优势，正逐步在各种外科手术中开展临床应用。

然而，超声骨刀在手术过程中仍存在安全性问题。超声骨刀的工作过程本质是利用机械刀头的超声冲击振动，以改变传统刀具-组织的交互作用方式、能量传递及组织特性，从而实现骨组织的高效切除。临床外科手术中，组织密度与弹力属性不同，软组织因对高频冲击能量的部分吸收而避免一定的切割风险。以脊柱外科为例，临床手术中骨刀切开椎板后，极易切割到黄韧带和硬脊膜。脊柱软组织破坏将引发硬脊膜破裂、脑脊液漏、医源性神经损伤等多种风险和并发症。脊柱外科临床数据显示，超声骨刀在脊柱手术应用中不时出现硬脊膜损伤案例，主要原因是术者操作骨刀过深、长时间停滞在软组织上，造成软组织损伤。脊柱组织切除过程中，骨刀依次穿过外层皮质骨、松质骨、内层皮质骨，到达软组织，如图1所示。目前，脊柱手术医师均依靠体外模型训练和经验积累，以掌握超声骨刀穿过内层皮质骨的“卸力”感，从而规避软组织切割的风险。因此，骨组织切除过程触力与位置在线反馈具有显著价值。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高安全性的自感知超声骨刀系统，其目的在于，集成压力执行器与压电传感器以实现超声切割与感知一体化，，使超声骨刀系统在骨组织去除过程中具备切割力-位置原位自感知功能，可以感知骨切割多维切削力，能够辨别硬/软组织，更好掌握手术情况，大大提高了骨科手术精准性和安全性，并使手术者的手持器械部分结构简化、体积减小。

为实现上述目的，本发明提出了一种高安全性的自感知超声骨刀系统，包括刀柄、刀头、压电执行器、压电传感器和控制器，其中：

所述刀头安装在所述刀柄一端，所述压电执行器、压电传感器安装在所述刀柄内部，并与所述刀头相连，所述刀柄上设置有切削力显示器和峰鸣报警器；

所述控制器用于控制所述压电执行器驱动所述刀头产生纵向振动，同时通过所述压电传感器接收所述刀头切割骨组织时产生的切削力信号，并基于该切削力信号辨识切削位置信息，进而将切削力信号和切削位置信息传递给所述切削力显示器和峰鸣报警器。

作为进一步优选的，所述压电执行器、压电传感器通过变幅杆与所述刀头相连，且所述压电执行器固定于刀柄上。

作为进一步优选的，所述压电传感器获取的切削力信号包括骨刀穿刺轴向力、骨主切割力、骨侧切割力。

作为进一步优选的，当所述控制器判断所述刀头切到软组织时，控制所述峰鸣报警器进行预警。

作为进一步优选的，所述控制器通过电缆接口与所述刀柄末端相连。

作为进一步优选的，该系统还包括冷却装置，该冷却装置用于对所述刀头切割骨组织过程进行冷却。

作为进一步优选的，所述刀头一边为齿形结构，另一边不具有齿形结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明与现有的超声骨刀相比，将压力执行器与压电传感器集成为一体，实现了超声切割与感知一体化，使超声骨刀系统在骨组织去除过程中具备切割力-位置原位自感知功能，可以感知骨切割多维切削力，能够辨别硬/软组织，更好掌握手术情况，大大提高了骨科手术精准性和安全性。

2.本发明的超声骨刀系统执行与感知高度集成、结构紧凑，使手术者的手持器械部分结构简化、体积减小。

3.本发明的超声骨刀系统能够基于不同组织切削力演化特性，利用智能算法对切削力信号特征进行辨识和智能分类。

4.本发明的超声骨刀系统能够实时显示骨组织去除过程的切削力，同时基于控制器对当前切削力分析与切削位置辨识，当骨刀穿过内层皮质骨并切到软组织时，通过手持骨刀的蜂鸣器对手术医生进行预警。

附图说明

图1为超声骨刀切入骨组织示意图；

图2为本发明实施例自感知超声骨刀系统结构示意图；

图3为本发明实施例自感知超声骨刀系统刀具局部示意图；

图4为本发明实施例自感知超声骨刀系统切削力显示器与峰鸣报警器位置示意图；

图5为本发明实施例自感知超声骨刀系统组成示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-外层皮质骨，2-软组织，3-内层皮质骨，4-松质骨，5-刀头，6-压力执行器，7-压电传感器，8-刀柄，9-冷却装置，10-电缆接口，11-变幅杆，12-切削力显示器，13-峰鸣报警器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种高安全性的自感知超声骨刀系统，如图2和图5所示，包括刀柄8、刀头5、压电执行器6、压电传感器7和控制器，其中：

所述刀头5安装在所述刀柄8一端，其一边为齿形结构如三角形、锯齿形或其他形状，另一边不具有齿形结构，如图3所示；

所述压电执行器6、压电传感器7安装在所述刀柄8内部，并通过变幅杆11与所述刀头5相连，且所述压电执行器6固定于刀柄8上；具体的，所述压电执行器6通过变幅杆11与所述超刀头5相连，该变幅杆11用于增大所述刀头5的振幅；

所述刀柄8上设置有切削力显示器12和峰鸣报警器13，且位于刀柄8一侧，如图4所示；

所述控制器通过电缆接口10与刀柄8末端相连，所述电缆接口10与所述切削力显示器12、峰鸣报警器13、压电执行器6、压电传感器7相连。

进一步的，该自感知超声骨刀系统还包括冷却装置9，该冷却装置9用于对所述刀头5切割骨组织过程进行冷却，以减少组织热损伤。

上述自感知超声骨刀系统工作时，控制器控制所述压电执行器6驱动所述刀头5产生纵向超声振动，刀头5开始切入骨组织，刀头5切入骨组织过程接触力沿着三个方向分力：骨刀穿刺轴向力、骨主切割力、骨侧切割力，压电传感器7获取骨刀穿刺轴向力、骨主切割力、骨侧切割力作用下压电陶瓷电荷分布，进而根据切削力与电荷之间的耦合关系矩阵得到多维切削力信号并反馈给控制器，控制器根据解耦变换矩阵对当前的多维切削力进行解耦，同时基于不同组织切削力演化特性，利用智能算法对切削力信号特征进行辨识和智能分类，从而对当前切削力和切削位置进行辨识，并将切削力数据传输显示到刀柄8上的切削力显示器12，同时当控制器判断刀头5穿过内层皮质骨并切到软组织时，控制峰鸣报警器13对手术医生进行预警，进而使医生能够更准确的对当前的手术状态进行调整，更安全的进行手术。

具体的，依据压电传感器7与压电执行器6的几何位置和整个谐振系统的几何尺寸，同时基于压电传感器7陶瓷片的电荷叠加所建立所述切削力与电荷之间的耦合关系矩阵；通过压电传感器7位置选取与矩阵变换，实现参数简化与变换矩阵常数的确定，进而获得解耦变换矩阵。

进一步的，控制器中包含有由电荷放大器、数据采集、解耦算法平台组成的测试模块，可分析各种条件下自感知超声骨刀系统的耦合常数，实现触力解耦参数标定与修正，实现执行-感知过程的多维触力/电压耦合分析与感知。

综上述所，本发明基于正逆压电效应，使自感知超声骨刀系统能够感知刀头5与骨组织外层皮质骨1、松质骨4、内层皮质骨3和软组织2交互过程中产生的切削力/切削位置，同时可以辨识组织结构边界，并能在临床骨刀使用过程中进行危险预警，使术者能更加精确和安全的进行骨科手术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，包括刀柄(8)、刀头(5)、压电执行器(6)、压电传感器(7)和控制器，其中：

所述刀头(5)安装在所述刀柄(8)一端，所述压电执行器(6)、压电传感器(7)安装在所述刀柄(8)内部，并与所述刀头(5)相连，所述刀柄(8)上设置有切削力显示器(12)和峰鸣报警器(13)；

所述控制器用于控制所述压电执行器(6)驱动所述刀头(5)产生纵向振动，同时通过所述压电传感器(7)感知所述刀头(5)切割骨组织时产生的切削力信号，并基于该切削力信号辨识切削位置信息，进而将切削力信号和切削位置信息传递给所述切削力显示器(12)和峰鸣报警器(13)。

2.如权利要求1所述的高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，所述压电执行器(6)、压电传感器(7)通过变幅杆(11)与所述刀头(5)相连，且所述压电执行器(6)固定于刀柄(8)上。

3.如权利要求1所述的高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，所述压电传感器(7)获取的切削力信号包括骨刀穿刺轴向力、骨主切割力、骨侧切割力。

4.如权利要求1所述的高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，当所述控制器判断所述刀头(5)切到软组织时，控制所述峰鸣报警器(13)进行预警。

5.如权利要求1所述的高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，该系统还包括冷却装置(9)，该冷却装置(9)用于对所述刀头(5)切割骨组织过程进行冷却。

6.如权利要求1所述的高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，所述控制器通过电缆接口(10)与所述刀柄(8)末端相连。

7.如权利要求1-6任一项所述的高安全性的自感知超声骨刀系统，其特征在于，所述刀头(5)一边为齿形结构，另一边不具有齿形结构。

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