CN113188783A - 一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，包括万用快换手柄、手柄连接器、力学性能测试器、信号处理器、前部转接器、锁定器、保护套筒和信号显示屏，万用快换手柄、手柄连接器、力学性能测试器、前部转接器和保护套筒依次连接，保护套筒的一端套设在前部转接器外，信号处理器设置在力学性能测试器上，力学性能测试器、信号处理器和信号显示屏依次电连接，前部转接器中空，锁定器设置在保护套筒的内壁上并向内贯穿前部转接器，手术器械经保护套筒插入到前部转接器中并由锁定器固定。与现有技术相比，本发明实现手术器械在临床使用过程中扭矩性能的实时可视化，方便医生精确操作、控制和实施手术，减少和避免手术的二次损伤。

Description

一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置
技术领域
本发明属于力矩性能测试装置，具体涉及一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置。
背景技术
骨科手术器械在临床手术操作中被大量使用，器械在实施和操作过程中存在一定的风险性。医生凭借经验和熟练程度来判断和调节器械在使用过程中产生的力，但无法具体定量力的大小，因此在使用手术器械的过程中很容易对病人造成二次伤害，尤其是在需要利用器械将关节间进行转动实现关节间撑开等的情况下。在该情况下，即使是经验丰富的医生也极易造成皮质骨和其他组织的损伤，甚至可能会造成患者除病变骨之外的其余骨骼受到器械的损伤，增加了术后并发症发生的几率，且影响手术后续治疗效果，对后续的手术效果和康复情况造成不可估计的影响。因此医生急需在手术过程中对手术器械的输出力矩有一个定量的判断指标，但目前市场上并没有相应能实现这个定量功能的设备。
发明内容
本发明的目的就是提供一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，可解决医生在骨骼手术器械使用过程中造成患者骨组织、软骨组织再次损伤的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，所述测试装置包括万用快换手柄、手柄连接器、力学性能测试器、信号处理器、前部转接器、锁定器、保护套筒和信号显示屏，所述万用快换手柄、手柄连接器、力学性能测试器、前部转接器和保护套筒依次连接，所述保护套筒的一端套设在前部转接器外，所述信号处理器设置在力学性能测试器上，所述力学性能测试器、信号处理器和信号显示屏依次电连接，所述前部转接器中空，所述锁定器设置在保护套筒的内壁上并向内贯穿前部转接器，所述手术器械经保护套筒插入到前部转接器中并由锁定器固定。所述手术器械可为骨科手术器械、用于与生物组织相接触的接触器械、配备各种尺寸规格的手术操作过程或植入的器械。力学性能测试器用于检测在量程范围内的手术器械的扭转力，前部转接器及锁定器与手术器械组成可拆卸替换的结构。
所述万用快换手柄和手柄连接器之间通过卡槽过盈配合。所述万用快换手柄具体包括握持部以及与握持部相连接的接头部，所述接头部上设置有方形孔槽，与手柄连接器过盈配合，方便随时拔出，同时作为可替换部件，方便医生操作。方形孔槽能够高效传递纵向力，提高测试精准度。对于任何具有同样连接端的手柄连接器都可以通过此种方式连接，替换过程简单，达到使不同手术操作要求不同尺寸的前端手术器械手感一致的目的，降低手术操作难度。
所述手柄连接器和力学性能测试器之间设有M4螺钉和M4螺母进行紧固连接。手柄连接器用于传递万用快换手柄处的扭转力。
所述力学性能测试器和前部转接器之间设有M4螺钉和M4螺母进行紧固连接。
所述力学性能测试器包括上盖、下盖、多个金属片和多个应变片，所述上盖和下盖一左一右间隔设置，所述金属片设置在上盖和下盖之间，所述应变片粘贴在金属片上，所述应变片和信号处理器电连接。应变片可以将扭转变化(即扭矩)产生的信号转变为电压信号：在施加载荷的过程中，金属片会发生不同程度的形变，引起附着于其上的应变片发生形变，导致应变片的电阻发生变化，通过电桥电路产生电压信号，并测量和显示应变片的电阻值，依据测试数据选择合适的电阻构成电桥，并选用合适的电位器调节电桥平衡。
所述上盖上开设有供金属片插入的插槽。
所述金属片共四个，呈十字形分布。
所述金属片的材质选用磷铜(牌号可为QBe2)、钛合金或铍铜(牌号可为UNSC17300)中的一种或多种。这些材料对应变较为敏感，可使测量结果更加准确。
每个金属片上共设置四个应变片，所述应变片分别分布在金属片正面1/5轴向长度处、正面3/5轴向长度处、背面2/5轴向长度处和背面5/5轴向长度处。
所述金属片的尺寸为：长34.95-35.05mm，宽5.95-6.05mm，厚1.15-1.25mm时。采用数值方法对力学性能测试器进行建模分析，获得金属片优化后的尺寸如上。
此时，四个应变片分别分布在金属片正面7.0-7.2mm处、正面21.0-21.2mm处、背面14.0-14.2mm处和背面34.8-35mm处。根据对载体金属片承受扭转时数值分析的结果，获得应变片的最适位置如上，使得扭矩的测量值尽可能接近实际情况。
所述信号处理器中采用差分放大电路。由应变片组成的电桥电路所产生的电压信号十分微小，需要通过差分放大电路放大输入信号，得到的放大电压信号输出后，通过模数转换得到数字信号传送到信号显示屏进行数值显示，将电压信号放大并实现可视化(即信号显示屏显示的电压信号)。差分放大电路有以下优点：1)在相同电源电压下差分信号可提供两倍于单端信号的幅度，还能提高更好的线性度。2)差分电路有很好的抗扰性。3)可以抑制共模信号，消除共模信号的不良影响，使差模信号质量更好，输出的电压信号波动更明显。
所述锁定器包括多个配对设置的固定弹簧和自锁滚珠，所述固定弹簧设置在保护套筒的内壁上，所述自锁滚珠和固定弹簧的自由端相连接，所述前部转接器的内壁上沿周向贯穿开设有多个前部转接器通孔，所述自锁滚珠经前部转接器通孔向前部转接器的中心线伸出，所述手术器械上设有与自锁滚珠形状相适配且与前部转接器通孔位置相适配的固定孔槽，当手术器械插入到前部转接器中，所述自锁滚珠伸入到固定孔槽中起连接作用，同时固定弹簧伸长，达到给自锁滚珠施压，进而固定手术器械的目的。当需要替换手术器械时，医生需用力将手术器械拔出，自锁滚珠被固定弹簧和前部转接器中的前部转接器通孔配合限制住，留在前部转接器中。
所述保护套筒和前部转接器之间通过螺纹进行连接。
所述前部转接器的外壁上设有凹槽，所述凹槽中设有与保护套筒相接触的密封圈。防止前部转接器和保护套筒之间产生相对滑动。
在手术操作和实施过程中器械与骨组织之间的力学性能会不断变化，本发明可通过力学性能测试器和信号处理器及时观察和呈现力学参数的变化特征，可以辅助临床医生判断损伤发生或组织破坏的依据，避免和降低手术过程中器械对病人骨骼、软组织等生物组织的再次损伤，降低手术风险，缩短手术操作时间，缩短愈合周期，提高手术的成功率和治愈率，也可在术前模拟和临床研究中用来评估某些手术方案的风险和可行性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明实现手术器械在临床使用过程中扭矩性能的实时可视化呈现，可实时客观地判断扭力大小，并且通过信号处理器可对扭矩变化过程实施反馈信息，方便医生精确的操作、控制和实施手术，进行过程的量化分析，减少和避免手术的二次损伤，降低手术风险，提高临床医生手术治疗的成功率，填补了目前骨科手术器械操作和实施过程中实现扭矩实时可视化的空白。
2、本发明中固定弹簧和自锁滚珠相配合，并且利用前部转接器的可替换功能及定位固定的作用，方便更换不同的手术器械，能保证医生操作时手柄触握感一致，方便快捷。
3、手术器械和锁定器安装到位后有反馈，保证手术器械在使用期间不滑动，手术器械不仅局限于骨科手术器械，还可以包括与生物组织相接触的接触器械。
4、本发明的手柄可拆卸，灵活适配，适应于医生操作的不同器械的力矩的测试。
5、保护套筒保护手术器械和前部转接器的接口，可延长整个装置和手术器械的使用寿命。
6、信号处理器中的电模块使用的电压为安全电压，较为安全。
7、整体结构拆卸方便，便于携带，能进行固定和操作使用，使用方便快捷，可适用于骨科手术器械实施扭转的多种场合。
附图说明
图1为力矩性能测试装置的结构示意图；
图2为前部转接器、锁定器、保护套筒和手术器械之间在连接处的局部放大结构示意图；
图3为信号处理器的电路示意图；
图4为力学性能测试器的放大结构示意图。
图中：1-万用快换手柄；2-手柄连接器；3-力学性能测试器；301-上盖；302-金属片；303-应变片；304-下盖；4-信号处理器；5-前部转接器；501-固定弹簧；502-自锁滚珠；6-保护套筒；601-密封圈；7-手术器械。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
手术器械7可为骨科手术器械、用于与生物组织相接触的接触器械、配备各种尺寸规格的手术操作过程或植入的器械，如图1、2、3、4所示(图中省略信号显示屏)，一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，包括万用快换手柄1、手柄连接器2、力学性能测试器3、信号处理器4、前部转接器5、锁定器、保护套筒6和信号显示屏，万用快换手柄1、手柄连接器2、力学性能测试器3、前部转接器5和保护套筒6依次连接，保护套筒6的一端套设在前部转接器5外，信号处理器4设置在力学性能测试器3上，力学性能测试器3信号处理器4和信号显示屏依次电连接，前部转接器5中空，锁定器设置在保护套筒6的内壁上并向内贯穿前部转接器5，手术器械7经保护套筒6插入到前部转接器5中并由锁定器固定，前部转接器5的外壁上设有凹槽，凹槽中设有与保护套筒6相接触的密封圈601。其中，万用快换手柄1和手柄连接器2之间通过卡槽过盈配合，手柄连接器2和力学性能测试器3之间设有M4螺钉和M4螺母进行紧固连接，力学性能测试器3和前部转接器5之间设有M4螺钉和M4螺母进行紧固连接，保护套筒6和前部转接器5之间通过螺纹进行连接。力矩性能测试装置在工作时具体放置的方位根据实际情况进行选择。
万用快换手柄1具体包括握持部以及与握持部相连接的接头部，接头部上设置有方形孔槽，通过方形孔槽和手柄连接器2相连接。
如图4所示，力学性能测试器3包括上盖301、下盖304、多个金属片302和多个应变片303，上盖301和下盖304一左一右间隔设置，上盖301上开设有供金属片302插入的插槽，.金属片302设置在上盖301和下盖304之间，应变片303粘贴在金属片302上，应变片303通过数据线和信号处理器4电连接。金属片302的材质选用牌号为QBe2的磷铜、钛合金或牌号为UNSC17300的铍铜中的一种或多种，每个金属片上共设置四个应变片303，四个应变片303分别分布在金属片302正面1/5轴向长度处、正面3/5轴向长度处、背面2/5轴向长度处和背面5/5轴向长度处。本实施例中金属片302共四个，呈十字形分布，金属片302的尺寸为：长34.95-35.05mm，宽5.95-6.05mm，厚1.15-1.25mm，此时四个应变片303分别分布在金属片302正面7.0-7.2mm处、正面21.0-21.2mm处、背面14.0-14.2mm处和背面34.8-35mm处。
如图2所示，锁定器包括多个配对设置的固定弹簧501和自锁滚珠502，固定弹簧501设置在保护套筒6的内壁上(此处的内壁为保护套筒直接套设在前部转接器外的部分，以便固定弹簧能够实现自由伸缩，而且保护套筒和前部转接器重叠的区域需有一定长度，保证有足够的区域设置固定弹簧和设置与前部转接器连接的螺纹)，自锁滚珠502和固定弹簧501的自由端相连接，前部转接器5的内壁上沿周向开设有多个前部转接器通孔，自锁滚珠502经前部转接器通孔向前部转接器5的中心线伸出，手术器械7上设有与自锁滚珠502形状相适配且与前部转接器通孔位置相适配的固定孔槽，当手术器械7插入到前部转接器5中，自锁滚珠502伸入到固定孔槽中。
如图3所示，信号处理器4采用差分放大电路，信号处理器4通过数据线接受来自力学性能测试器3的电压信号，并通过放大电路放大，最终在信号显示屏上显示出电压变化，将不同的电压变化与扭矩大小对应，即可显示出扭矩大小。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述测试装置包括万用快换手柄(1)、手柄连接器(2)、力学性能测试器(3)、信号处理器(4)、前部转接器(5)、锁定器、保护套筒(6)和信号显示屏，所述万用快换手柄(1)、手柄连接器(2)、力学性能测试器(3)、前部转接器(5)和保护套筒(6)依次连接，所述保护套筒(6)的一端套设在前部转接器(5)外，所述信号处理器(4)设置在力学性能测试器(3)上，所述力学性能测试器(3)、信号处理器(4)和信号显示屏依次电连接，所述前部转接器(5)中空，所述锁定器设置在保护套筒(6)的内壁上并向内贯穿前部转接器(5)，所述手术器械(7)经保护套筒(6)插入到前部转接器(5)中并由锁定器固定。
2.根据权利要求1所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述万用快换手柄(1)和手柄连接器(2)之间通过卡槽过盈配合；
所述手柄连接器(2)和力学性能测试器(3)之间设有M4螺钉和M4螺母进行紧固连接；
所述力学性能测试器(3)和前部转接器(5)之间设有M4螺钉和M4螺母进行紧固连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述力学性能测试器(3)包括上盖(301)、下盖(304)、多个金属片(302)和多个应变片(303)，所述上盖(301)和下盖(304)一左一右间隔设置，所述金属片(302)设置在上盖(301)和下盖(304)之间，所述应变片(303)粘贴在金属片(302)上，所述应变片(303)和信号处理器(4)电连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述金属片(302)的材质选用磷铜、钛合金或铍铜中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，每个金属片(302)上共设置四个应变片(303)，所述应变片(303)分别分布在金属片(302)正面1/5轴向长度处、正面3/5轴向长度处、背面2/5轴向长度处和背面5/5轴向长度处。
6.根据权利要求5所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，当所述金属片(302)的尺寸为：长34.95-35.05mm，宽5.95-6.05mm，厚1.15-1.25mm时，四个应变片(303)分别分布在金属片(302)正面7.0-7.2mm处、正面21.0-21.2mm处、背面14.0-14.2mm处和背面34.8-35mm处。
7.根据权利要求1所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述信号处理器(4)采用差分放大电路。
8.根据权利要求1所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述锁定器包括多个配对设置的固定弹簧(501)和自锁滚珠(502)，所述固定弹簧(501)设置在保护套筒(6)的内壁上，所述自锁滚珠(502)和固定弹簧(501)的自由端相连接，所述前部转接器(5)的内壁上沿周向贯穿开设有多个前部转接器通孔，所述自锁滚珠(502)经前部转接器通孔向前部转接器(5)的中心线伸出，所述手术器械(7)上设有与自锁滚珠(502)形状相适配且与前部转接器通孔位置相适配的固定孔槽，当手术器械(7)插入到前部转接器(5)中，所述自锁滚珠(502)伸入到固定孔槽中。
9.根据权利要求1所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述保护套筒(6)和前部转接器(5)之间通过螺纹进行连接。
10.根据权利要求1所述的一种用于手术器械扭矩实时可视化的力矩性能测试装置，其特征在于，所述前部转接器(5)的外壁上设有凹槽，所述凹槽中设有与保护套筒(6)相接触的密封圈(601)。
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