CN114224426A - 一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，包括：集成有微尺寸薄膜热电偶阵列传感器和压电薄膜传感器的钻刀片、集成薄膜热电偶阵列6pin和压电薄膜2pin快插连接器的钻刀刀杆、环形采集无线发射终端、USB蓝牙接收端以及上位机；本发明将复合传感器嵌入在钻刀片中以实现骨钻削过程中对温度与力的原位测量，使用嵌入在刀杆中的连接器将薄膜与引线连接。通过环形采集无线发射终端将数据实时传输上位机软件以变化的曲线形式显示。本发明具有传感器多参数测量、集成化、动态响应速度快、灵敏度高、引线薄膜连接稳定、传感器快插、测试系统模块化等优点。本发明的技术方案为测量外科钻骨手术中瞬态温度与力提供了新的方法和技术途径。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置。
背景技术
骨钻手术是骨科手术中最常见的方式。手术过程中往往因钻孔方法不当而容易导致骨折延迟愈合、不愈合或畸形愈合。尤其是钻孔处热量和应力集中可能导致骨坏死，当温度在47℃下持续1min时，会引起皮质骨的热坏死。且骨骼由皮质骨、骨膜、松质骨、髓腔等结构组成，其结构复杂属于各向异性的复合材料，钻削不同组织产生的力不同，尤其在钻透皮质骨的一瞬间会有一个瞬态力的变化。传统的传感器无法原位测量且响应时间过长。因此，快速、准确反应温度与力的变化，特别是瞬态温度和力具有重要意义。
薄膜传感器工作原理与普通传感器工作原理相似，其厚度为纳米级且面积较小，因此薄膜传感器具有热容量小、响应迅速、形状可设计等优点，是目前最有前景的瞬态传感器。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置。本发明主要利用钻刀的对称结构，采用MEMS技术将薄膜热电偶阵列和压电薄膜分别沉积在刀片的两面，运用成熟的微型镀镍pogopin连接器技术使其触点与薄膜传感器的引脚相连实现薄膜传感器信号稳定的输入给与刀杆共同旋转的环形采集无线发射终端，环形采集无线发射终端将信号通过蓝牙模块传输至USB蓝牙接收端，通过上位机软件将数据实时以变化的曲线形式显示。
本发明采用的技术手段如下：
一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，包括：钻刀片、钻刀刀杆、薄膜热电偶阵列6pin连接器、压电薄膜2pin连接器、环形采集无线发射终端、USB蓝牙接收端以及上位机；其中：
所述钻刀片上集成有微尺寸薄膜热电偶阵列传感器和压电薄膜传感器；
所述钻刀刀杆上固定设置有所述钻刀片和所述环形采集无线发射终端；
所述薄膜热电偶阵列6pin连接器连接所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器；
所述压电薄膜2pin连接器连接所述压电薄膜传感器；
所述环形采集无线发射终端固定设置在所述钻刀刀杆上，随钻刀共同旋转；
所述USB蓝牙接收端连接所述环形采集无线发射终端，用于接收所述环形采集无线发射终端的传感器信号；
所述上位机连接所述USB蓝牙接收端，用于根据传感器信号以变化的曲线形式显示温度与力。
进一步地，所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器包括由SiO2绝缘薄膜、NiCr功能薄膜、NiSi功能薄膜搭接形成的三个热电偶热节点以及SiO2保护薄膜，采用MEMS技术将三个热电偶热节点以及SiO2保护薄膜分别沉积在所述钻刀片上，用于测量刀片后刀面的温度分布。
进一步地，所述压电薄膜传感器包括SiO2绝缘薄膜、NiCr正电极薄膜、ZnO功能薄膜、NiCr负电极薄膜以及SiO2保护薄膜，采用MEMS技术将SiO2绝缘薄膜、NiCr正电极薄膜、ZnO功能薄膜、NiCr负电极薄膜以及SiO2保护薄膜分别沉积在所述钻刀片上，用于测量钻削不同骨骼组织所产生的力。
进一步地，所述薄膜热电偶阵列6pin连接器和所述压电薄膜2pin连接器通过过盈配合预先安装在所述钻刀刀杆预留的槽中，利用pogopin的弹簧伸缩装置在所述钻刀片安装到刀柄后使触点与薄膜连接，pogopin后端与薄膜相同的材料的引线相连且引线从刀杆中的冷却口引出。
进一步地，所述环形采集无线发射终端外壳采用聚四氟乙烯材料制成，内部包含多路开关芯片、压电电荷放大芯片、热电偶采集芯片、带有蓝牙功能的单片机主控芯片、tpc充电锂电池以及与传感器引线直接相连的8位微型直插连接器。
进一步地，所述上位机还包括报警提示模块，当温度与力达到预先设定的预警数值，报警提示模块发出报警提示。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，采用MEMS技术将多个薄膜传感器嵌入在钻刀片中，不仅能测量骨钻削过程中钻刀片后刀面的温度分布还能通过测量力的大小判断出钻头是否钻透皮质骨，具有多参数测量、集成化、动态响应速度快、灵敏度高等优点。
2、本发明提供的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，提出了一种新的薄膜传感器与引线快速连接的方式，嵌入在刀杆中的连接器选用表面镀镍的微型pogopin通过过盈配合安装在刀杆预留的槽中，运用成熟的微型镀镍pogopin连接器技术使其触点与薄膜传感器的引脚相连，传感器的引线可直接插入与刀片共同旋转的环形采集无线发射终端中的8位微型直插连接器中，实现传感器信号的稳定传输，具有引线薄膜连接稳定、传感器即插即用、测试系统模块化等优点。
基于上述理由本发明可在传感器、智能医疗器械以及先进制造技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明智能骨钻削检测装置的示意图。
图2为本发明智能骨钻削检测装置的爆炸图。
图3为本发明集成复合薄膜传感器的钻刀片爆炸示意图。
图4为本发明微尺寸薄膜热电偶阵列示意图。
图5为本发明压电薄膜传感器示意图。
图6为本发明连接器示意图。
图7为本发明连接器与刀杆安装示意图。
图8为本发明环形采集无线发射终端示意图。
图中：1、钻刀片；2、钻刀刀杆；3-1、薄膜热电偶阵列6pin连接器；3-2、压电薄膜2pin连接器；4、环形采集无线发射终端；5、USB蓝牙接收端；6、上位机；7、螺栓；8、8位微型直插连接器；9、SiO2绝缘薄膜；10、NiCr功能薄膜；11、NiSi功能薄膜；12、SiO2保护薄膜；13、NiCr正电极薄膜；14、ZnO功能薄膜；15、NiCr负电极薄膜；16、SiO2保护薄膜；17、与刀杆冷却孔相通的槽；18、tpc充电锂电池；19、三个热电偶热节点。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1-2所示，本发明提供了一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，包括：钻刀片1、钻刀刀杆2、薄膜热电偶阵列6pin连接器3-1、压电薄膜2pin连接器3-2、环形采集无线发射终端4、USB蓝牙接收端5以及上位机6；其中：
所述钻刀片上1集成有微尺寸薄膜热电偶阵列传感器和压电薄膜传感器；
所述钻刀刀杆2上固定设置有所述钻刀片、薄膜热电偶阵列6pin连接器3-1、压电薄膜2pin连接器3-2以及所述环形采集无线发射终端；
所述薄膜热电偶阵列6pin连接器3-1连接所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器；
所述压电薄膜2pin连接器3-2连接所述压电薄膜传感器；
所述环形采集无线发射终端4固定设置在所述钻刀刀杆2上，随钻刀共同旋转；
所述USB蓝牙接收端5用于接收所述环形采集无线发射终端4的传感器信号；
所述上位机6连接所述USB蓝牙接收端5，用于根据传感器信号以变化的曲线形式显示温度与力。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器包括由SiO2绝缘薄膜9、NiCr功能薄膜10、NiSi功能薄膜11搭接形成的三个热电偶热节点19以及SiO2保护薄膜12，采用MEMS技术将三个热电偶热节点以及SiO2保护薄膜12分别沉积在所述钻刀片1上，用于测量刀片后刀面的温度分布。如图4所示，所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器的工作原理与普通热电偶的工作原理相似，即两种不同成分的导体两端接合成回路,当两个接合点温度不同时,就会在回路中产生电动势的现象,产生的电动势称之为热电势。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述压电薄膜传感器包括SiO2绝缘薄膜9、NiCr正电极薄膜13、ZnO功能薄膜14、NiCr负电极薄膜15以及SiO2保护薄膜16，采用MEMS技术将SiO2绝缘薄膜9、NiCr正电极薄膜13、ZnO功能薄膜14、NiCr负电极薄膜15以及SiO2保护薄膜16分别沉积在所述钻刀片1上，用于测量钻削不同骨骼组织所产生的力。如图5所示，所述压电薄膜传感器的工作原理为正压电效应即当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图6-7所示，所述薄膜热电偶阵列6pin连接器3-1和所述压电薄膜2pin连接器3-2通过过盈配合预先安装在所述钻刀刀杆预留的槽17中，利用pogopin的弹簧伸缩装置在所述钻刀片1安装到刀柄后使触点与薄膜连接，pogopin后端与薄膜相同的材料的引线相连且引线从刀杆中的冷却口引出。在本实施例中，提出了一种新的薄膜引线连接方式，实现传感器信号稳定的传输。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图8所示，所述环形采集无线发射终端4通过螺栓7固定在钻刀刀杆2上，随钻刀刀杆2共同转动，所述环形采集无线发射终端4外壳采用聚四氟乙烯材料制成，内部包含多路开关芯片、压电电荷放大芯片、热电偶采集芯片、带有蓝牙功能的单片机主控芯片、tpc充电锂电池18以及与传感器引线直接相连的8位微型直插连接器8，用于将传感器信号发送至无线接收终端。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述上位机还包括报警提示模块，当温度与力达到预先设定的预警数值，报警提示模块发出报警提示。
综上所述，本发明提供嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，在不改变钻刀片结构的前提下将薄膜复合传感器嵌入在刀片中，且引线和采集发射装置可预先安装至刀杆中，整个测试系统的每一部分都可随意拆卸，安装方便。因此，本发明具有传感器多参数测量、集成化、动态响应速度快、灵敏度高、引线薄膜连接稳定、传感器即插即用、测试系统模块化等优点。本发明的技术方案为测量外科钻骨手术中瞬态温度与力提供了新的方法和技术途径。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，其特征在于，包括：钻刀片、钻刀刀杆、薄膜热电偶阵列6pin连接器、压电薄膜2pin连接器、环形采集无线发射终端、USB蓝牙接收端以及上位机；其中：
所述钻刀片上集成有微尺寸薄膜热电偶阵列传感器和压电薄膜传感器；
所述钻刀刀杆上固定设置有所述钻刀片、薄膜热电偶阵列6pin连接器、压电薄膜2pin连接器以及所述环形采集无线发射终端；
所述薄膜热电偶阵列6pin连接器连接所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器；
所述压电薄膜2pin连接器连接所述压电薄膜传感器；
所述环形采集无线发射终端固定设置在所述钻刀刀杆上，随钻刀共同旋转；
所述USB蓝牙接收端用于接收所述环形采集无线发射终端的传感器信号；
所述上位机连接所述USB蓝牙接收端，用于根据传感器信号以变化的曲线形式显示温度与力。
2.根据权利要求1所述的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，其特征在于，所述微尺寸薄膜热电偶阵列传感器包括由SiO2绝缘薄膜、NiCr功能薄膜、NiSi功能薄膜搭接形成的三个热电偶热节点以及SiO2保护薄膜，采用MEMS技术将三个热电偶热节点以及SiO2保护薄膜分别沉积在所述钻刀片上，用于测量刀片后刀面的温度分布。
3.根据权利要求1所述的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，其特征在于，所述压电薄膜传感器包括SiO2绝缘薄膜、NiCr正电极薄膜、ZnO功能薄膜、NiCr负电极薄膜以及SiO2保护薄膜，采用MEMS技术将SiO2绝缘薄膜、NiCr正电极薄膜、ZnO功能薄膜、NiCr负电极薄膜以及SiO2保护薄膜分别沉积在所述钻刀片上，用于测量钻削不同骨骼组织所产生的力。
4.根据权利要求1所述的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，其特征在于，所述薄膜热电偶阵列6pin连接器和所述压电薄膜2pin连接器通过过盈配合预先安装在所述钻刀刀杆预留的槽中，利用pogopin的弹簧伸缩装置在所述钻刀片安装到刀柄后使触点与薄膜连接，pogopin后端与薄膜相同的材料的引线相连且引线从刀杆中的冷却口引出。
5.根据权利要求1所述的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，其特征在于，所述环形采集无线发射终端外壳采用聚四氟乙烯材料制成，内部包含多路开关芯片、压电电荷放大芯片、热电偶采集芯片、带有蓝牙功能的单片机主控芯片、tpc充电锂电池以及与传感器引线直接相连的8位微型直插连接器。
6.根据权利要求1所述的嵌入式多参数原位测量用骨钻削监测装置，其特征在于，所述上位机还包括报警提示模块，当温度与力达到预先设定的预警数值，报警提示模块发出报警提示。
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