專利名稱：：一種手術(shù)電鉆的智能控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明為一種可應(yīng)用醫(yī)療器械
技術(shù)領(lǐng)域：
的智能控制裝置，特別是一種用于手術(shù)電鉆的智能控制裝置。
背景技術(shù)：
：手術(shù)電鉆是一種由醫(yī)生手持操作的重要手術(shù)設(shè)備，用于磨削患者的骨骼，暴露人體的病變組織或神經(jīng)、血管等重要結(jié)構(gòu)。由于手術(shù)術(shù)腔狹小，高速旋轉(zhuǎn)的電鉆在手術(shù)中很容易損傷病人的正常組織，常見的異常狀態(tài)包括鉆頭打滑、磨穿骨質(zhì)、棉片纏繞等。目前，操作者只能依靠自己的臨床經(jīng)驗(yàn)來感知、判斷手術(shù)電鉆是否工作異常。多數(shù)情況下，盡管操作者已有察覺，但由于人類的感覺和反應(yīng)速度相比高速旋轉(zhuǎn)的電鉆來說過于遲緩，當(dāng)操作者采取有效措施時(shí)，電鉆對(duì)患者已經(jīng)造成損傷。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮?00420045633.6，名稱為醫(yī)用智能電鉆的中國實(shí)用新型專利采用速度檢測(cè)裝置、微電腦控制裝置實(shí)現(xiàn)鉆頭鉆穿骨頭后自動(dòng)停止鉆動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)自述醫(yī)用智能電鉆，其特別之處在于由電鉆、速度檢測(cè)裝置、微電腦控制裝置、開關(guān)電路構(gòu)成，速度檢測(cè)裝置設(shè)置在電鉆轉(zhuǎn)軸上，速度檢測(cè)裝置與微電腦控制裝置的電信號(hào)輸入端相連，微電腦控制裝置的電信號(hào)輸出端與開關(guān)電路的輸入端相連，電鉆的手動(dòng)開關(guān)與微電腦控制裝置的電信號(hào)輸入端相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有鉆頭鉆穿骨頭后自動(dòng)停止鉆動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。2007年，BrettPN等使用一種機(jī)器人微鉆系統(tǒng)在電子耳蝸植入術(shù)中自動(dòng)磨削耳蝸的骨質(zhì)而不損傷蝸窗膜(BrettPN，TaylorRP，ProopsD'CoulsonC'ReidA，GriffithsMV.Asurgicalrobotforcochleostomy.Proceedingsofthe29thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEMBS,Lyon，F(xiàn)rance,August23-26，2007，pl229_1232.)。在恒定的推進(jìn)速度條件下，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)感知鉆頭推進(jìn)力和扭矩并由此來控制電鉆的磨削，當(dāng)骨質(zhì)被磨穿前會(huì)出現(xiàn)特征性的力的變化，即鉆頭推進(jìn)力減小和扭矩增大，此系統(tǒng)能夠根據(jù)這種特征性信號(hào)識(shí)別骨質(zhì)被磨穿前的臨界狀態(tài)，并將鉆頭收回使磨削停止。這種智能電鉆功能單一，不能用于復(fù)雜的往復(fù)式磨削手術(shù)，只能以恒定的推進(jìn)速度在顳骨上以不變的角度鉆深洞。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決在復(fù)雜的手術(shù)環(huán)境下識(shí)別手術(shù)電鉆是否工作異常，并且通過快速制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電鉆剎車減少患者的損傷，同時(shí)通知操作者。手術(shù)電鉆的智能控制裝置由該裝置由改裝的手術(shù)電鉆l、高速嵌入式系統(tǒng)2、上位機(jī)3組成；上位機(jī)通過通信總線12與高速嵌入式系統(tǒng)2進(jìn)行通信，高速嵌入式系統(tǒng)2通過信號(hào)線11與改裝的手術(shù)電鉆l上的傳感器和制動(dòng)器進(jìn)行通信；改裝的手術(shù)電鉆l加裝兩個(gè)模塊手柄7上的附加模塊和直流電源的附加模塊6;手柄7上的附加模塊包括套筒16、多維壓力傳感器18、轉(zhuǎn)速傳感器；直流電源的附加模塊6包括電流傳感器、電壓傳感器、電壓反接制動(dòng)器，三個(gè)部件順序連接；改裝的手術(shù)電鉆的連接方式為鉆頭13與鉆桿14一端相連，鉆桿14的另一端與手柄7內(nèi)部的傳動(dòng)軸19相連接，手柄與鉆桿相連外前端為套筒16，套筒16與手柄7前端相連接，套筒16外側(cè)安裝多維壓力傳感器18，鉆頭13在磨削過程中所受壓力變化通過鉆桿14和套筒16前端的銅制滑動(dòng)軸承15傳遞到安裝在套筒16上的多維壓力傳感器18，多維壓力傳感器18外加保護(hù)筒17，傳動(dòng)軸19穿過手柄7與鉆桿14相連接，在傳動(dòng)軸19與手柄7相接觸處安裝轉(zhuǎn)速傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭13的轉(zhuǎn)速，多維壓力傳感器19和轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)線I1通過插頭22將數(shù)據(jù)傳送到高速嵌入式系統(tǒng)2上；直流電源4的母插頭8與直流電源的附加模塊6的公插頭9相連接，直流電源的附加模塊6的母插頭8與手術(shù)電鉆電纜10的公插頭9相連接，電鉆電纜10與手術(shù)電鉆9的動(dòng)力裝置5相連接，動(dòng)力裝置5由傳動(dòng)軸19向鉆桿14提供動(dòng)力，直流電源的附加模塊6通過信號(hào)線11與高速嵌入式系統(tǒng)2進(jìn)行信息交互；高速嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器的數(shù)據(jù)，識(shí)別手術(shù)電鉆的運(yùn)行狀態(tài)，在手術(shù)電鉆工作異常時(shí)啟動(dòng)電壓反接制動(dòng)器對(duì)電鉆剎車；高速嵌入式系統(tǒng)由傳感器的信號(hào)調(diào)理電路和微處理器兩部分組成；傳感器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后，.送入微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；微處理器通過植入的模式識(shí)別程序處理這些數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)手術(shù)電鉆工作異常時(shí)，微處理器啟動(dòng)電壓反接制動(dòng)器對(duì)電鉆剎車，通過系統(tǒng)發(fā)出不同的聲音告知醫(yī)生；上位機(jī)與高速嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)顯示和記錄傳感器的信息，醫(yī)生能通過觀看上位機(jī)屏幕上顯示的傳感器信息分析和總結(jié)手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，上位機(jī)記錄的數(shù)據(jù)用于分析手術(shù)電鉆工作異常時(shí)的特征規(guī)律，修正手術(shù)電鉆的運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型，修改植入高速嵌入式系統(tǒng)的模式識(shí)別程序。經(jīng)過改裝后的手術(shù)電鉆安裝了四種傳感器多維壓力傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器。它們分別用于測(cè)量鉆頭在工作時(shí)受到的壓力、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓、鉆頭轉(zhuǎn)速。傳感器信號(hào)與智能化手術(shù)電鉆要實(shí)現(xiàn)的功能(識(shí)別三種異常狀態(tài)、識(shí)別空轉(zhuǎn)、確定停機(jī)時(shí)刻)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表l所示表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表示該狀態(tài)的識(shí)別需要這個(gè)信號(hào)手術(shù)電鉆的智能控制裝置的設(shè)計(jì)核心是對(duì)原手術(shù)電鉆改裝。為了便于醫(yī)生操作電鉆，僅把多維壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電鉆手柄上，電流傳感器、電壓傳感器和制動(dòng)器置后安裝到電鉆的直流電源上。耳科手術(shù)電鉆是一種很精密的手術(shù)設(shè)備，體積很小，需要對(duì)原電鉆的手柄進(jìn)行改裝才能在電鉆上安裝傳感器。電鉆手柄的前端增加了一個(gè)套筒，用于安裝多維壓力傳感器；手柄的后部外殼和傳動(dòng)軸被改裝，用于安裝轉(zhuǎn)速傳感器。為了保護(hù)多維壓力傳感器不與鉆頭濺起的血污和體液接觸，套筒外部裝有用螺紋連接的保護(hù)筒。本發(fā)明還可以記錄、回放反映電鉆運(yùn)行過程的多傳感器信號(hào)，可使醫(yī)生客觀地、定量地研究手術(shù)操作過程，對(duì)于提高手術(shù)操作水平、避免失誤及示范教學(xué)有重要意義。耳科手術(shù)電鉆是最具代表性的手持動(dòng)力手術(shù)器械，本發(fā)明所建立的電鉆運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型和多傳感器信息融合方法可為耳科手術(shù)電鉆、鼻科手術(shù)電鉆、骨科擺鋸等其他手持動(dòng)力手術(shù)器械以及機(jī)器人手術(shù)中手術(shù)工具的控制研究提供積極經(jīng)驗(yàn)。本發(fā)明改裝后的手術(shù)電鉆具有功能U)可以在復(fù)雜的手術(shù)環(huán)境下識(shí)別手術(shù)電鉆是否工作異常，并且通過快速制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電鉆剎車減少患者的損傷，同時(shí)通知操作者；(2)手術(shù)電鉆的智能控制裝置易于拆卸、清洗、消毒；(3)改裝后的手柄套筒不會(huì)沉積血污、體液等易于腐蝕、污染的物質(zhì)，不會(huì)危害患者；(4)手術(shù)電鉆的智能控制裝置與原電鉆相比增加的體積很小，便于醫(yī)生使用；圖l.是耳科手術(shù)電鉆智能控制裝置的結(jié)構(gòu)圖，1改裝的手術(shù)電鉆2高速嵌入式系統(tǒng)3上位機(jī)4直流電源5動(dòng)力裝置6直流電源的附加模塊7手柄8母插頭9公插頭10電鉆電纜ll信號(hào)線12通信總線。圖2是耳科手術(shù)電鉆手柄的改裝圖，13鉆頭14鉆桿15滑動(dòng)軸承16套筒17保護(hù)筒18多維壓力傳感器19傳動(dòng)軸20磁鋼21霍爾傳感器22插頭。具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖和耳科手術(shù)電鉆的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。耳科手術(shù)電鉆智能控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂蒲b置共包括三個(gè)部分改裝的手術(shù)電鉆1、高速嵌入式系統(tǒng)2、上位機(jī)3。上位機(jī)3通過通信總線12與高速嵌入式系統(tǒng)2進(jìn)行通信。改裝的手術(shù)電鉆1加裝的手柄7上的附加模塊和直流電源的附加模塊6通過信號(hào)線11與高速嵌入式系統(tǒng)2相聯(lián)。手柄7上的附加模塊包括多維壓力傳感器18、轉(zhuǎn)速傳感器；直流電源的附加模塊6包括電流傳感器、電壓傳感器、電壓反接制動(dòng)器。直流電源的附加模塊6通過一對(duì)公插頭9和母插頭8與直流電源4的母插頭8和耳科手術(shù)電鉆電纜10的公插頭財(cái)目連接。該改裝方案很容易實(shí)施，不用改動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)，不需要在電源的外殼上開洞。從電源插頭處取信號(hào)也不會(huì)對(duì)手術(shù)電鉆的使用造成不便。手術(shù)電鉆手柄的改裝如圖2所示。手柄7的改裝分為兩部分在手柄前端增加一個(gè)套筒16，安裝多維壓力傳感器；改裝手柄的外殼和內(nèi)部的傳動(dòng)軸19,安裝轉(zhuǎn)速傳感器。手桐前端的套筒包括三個(gè)零件滑動(dòng)軸承15、套筒16、保護(hù)筒17。套筒是一個(gè)細(xì)長的圓柱體，最大直徑10mm、長度50mm，體積小于半支鋼筆，方便醫(yī)生使用。套筒通過墨式結(jié)構(gòu)與原來的電鉆手柄7相接。當(dāng)電鉆磨削骨骼時(shí)，骨骼會(huì)向鉆頭施加一個(gè)反作用壓力，這個(gè)壓力通過鉆桿14和套筒前端的銅制滑動(dòng)軸承15傳遞到套筒上，手柄前端的套筒作為一個(gè)彈性體，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變片力學(xué)傳感器能夠檢測(cè)的微形變。為了獲得更好的測(cè)量效果，把套筒上安裝多維壓力傳感器18的區(qū)域車薄，形成受力集中區(qū)。為了測(cè)量壓力的方向，每隔90。貼一片應(yīng)變片，相隔180。的兩片組成半橋分別測(cè)量平行骨骼方向的分力和垂直骨骼方向的分力。保護(hù)筒17的作用是保護(hù)傳感器不與血污、體液等易于腐蝕的物質(zhì)接觸，它通過螺紋與套筒的前部相聯(lián)，拆卸和清洗很容易。轉(zhuǎn)速傳感器包括磁鋼20和霍爾傳感器21兩部分。磁鋼會(huì)隨著鉆頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭每轉(zhuǎn)過一周，霍爾元件就會(huì)輸出一個(gè)脈沖，通過計(jì)算每秒霍爾元件輸出的脈沖個(gè)數(shù)就可以得到鉆頭的轉(zhuǎn)速。磁鋼裝在傳動(dòng)軸19上，安裝前需要在傳動(dòng)軸上鉆一個(gè)體積合適的洞?；魻杺鞲衅餮b在與磁鋼位置相對(duì)的手柄外殼上，安裝前需要在手柄外殼上鉆一個(gè)面積合適的孔。多維壓力傳感器和霍爾傳感器的信號(hào)線11通過插頭22與高速嵌入式系統(tǒng)2相接。運(yùn)輸手術(shù)電鉆時(shí)，手柄可以通過該插頭與高速嵌入式系統(tǒng)分離，使手術(shù)電鉆1與高速嵌入式系統(tǒng)2和上位機(jī)3分開攜帶。耳科手術(shù)電鉆的智能控制裝置已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，對(duì)于耳科手術(shù)電鉆易發(fā)生的三種異常狀態(tài)各做了1000次試驗(yàn)，鉆頭打滑的識(shí)別率超過95%,磨穿骨質(zhì)和棉片纏繞的識(shí)別率都超過了80%。權(quán)利要求1、一種手術(shù)電鉆的智能控制裝置，其特征在于該裝置由改裝的手術(shù)電鉆(1)、高速嵌入式系統(tǒng)(2)、上位機(jī)(3)組成；上位機(jī)通過通信總線(12)與高速嵌入式系統(tǒng)(2)進(jìn)行通信，高速嵌入式系統(tǒng)(2)通過信號(hào)線(11)與改裝的手術(shù)電鉆(1)上的傳感器和制動(dòng)器進(jìn)行通信；改裝的手術(shù)電鉆(1)加裝兩個(gè)模塊手柄(7)上的附加模塊和直流電源的附加模塊(6)；手柄(7)上的附加模塊包括套筒(16)、多維壓力傳感器(18)、轉(zhuǎn)速傳感器；直流電源的附加模塊(6)包括電流傳感器、電壓傳感器、電壓反接制動(dòng)器，三個(gè)部件順序連接；改裝的手術(shù)電鉆的連接方式為鉆頭(13)與鉆桿(14)一端相連，鉆桿(14)的另一端與手柄(7)內(nèi)部的傳動(dòng)軸(19)相連接，手柄與鉆桿相連外前端為套筒(16)，套筒(16)與手柄(7)前端相連接，套筒(16)外側(cè)安裝多維壓力傳感器(18)，鉆頭(13)在磨削過程中所受壓力變化通過鉆桿(14)和套筒(16)前端的銅制滑動(dòng)軸承(15)傳遞到安裝在套筒(16)上的多維壓力傳感器(18)，多維壓力傳感器(18)外加保護(hù)筒(17)，傳動(dòng)軸(19)穿過手柄(7)與鉆桿(14)相連接，在傳動(dòng)軸(19)與手柄(7)相接觸處安裝轉(zhuǎn)速傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭(13)的轉(zhuǎn)速，多維壓力傳感器(19)和轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)線(11)通過插頭(22)將數(shù)據(jù)傳送到高速嵌入式系統(tǒng)(2)上；直流電源(4)的母插頭(8)與直流電源的附加模塊(6)的公插頭(9)相連接，直流電源的附加模塊(6)的母插頭(8)與手術(shù)電鉆電纜(10)的公插頭(9)相連接，電鉆電纜(10)與手術(shù)電鉆(9)的動(dòng)力裝置(5)相連接，動(dòng)力裝置(5)由傳動(dòng)軸(19)向鉆桿(14)提供動(dòng)力，直流電源的附加模塊(6)通過信號(hào)線(11)與高速嵌入式系統(tǒng)(2)進(jìn)行信息交互；高速嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器的數(shù)據(jù)，識(shí)別手術(shù)電鉆的運(yùn)行狀態(tài)，在手術(shù)電鉆工作異常時(shí)啟動(dòng)電壓反接制動(dòng)器對(duì)電鉆剎車；高速嵌入式系統(tǒng)由傳感器的信號(hào)調(diào)理電路和微處理器兩部分組成；傳感器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后，送入微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；微處理器通過植入的模式識(shí)別程序處理這些數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)手術(shù)電鉆工作異常時(shí)，微處理器啟動(dòng)電壓反接制動(dòng)器對(duì)電鉆剎車，通過系統(tǒng)發(fā)出不同的聲音告知醫(yī)生；上位機(jī)與高速嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)顯示和記錄傳感器的信息，醫(yī)生能通過觀看上位機(jī)屏幕上顯示的傳感器信息分析和總結(jié)手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，上位機(jī)記錄的數(shù)據(jù)用于分析手術(shù)電鉆工作異常時(shí)的特征規(guī)律，修正手術(shù)電鉆的運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型，修改植入高速嵌入式系統(tǒng)的模式識(shí)別程序。2、如權(quán)利要求l所述的手術(shù)電鉆的智能控制裝置，其特征在于當(dāng)電鉆磨削骨骼時(shí)，骨骼會(huì)向鉆頭施加一個(gè)反作用壓力，這個(gè)壓力通過鉆桿(14)和套筒前端的銅制滑動(dòng)軸承(15)傳遞到套筒上，手柄前端的套筒作為一個(gè)彈性體，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變片力學(xué)傳感器能夠檢測(cè)的微形變；把套筒上安裝多維壓力傳感器(18)的區(qū)域車薄，形成受力集中區(qū)，以獲得更好的測(cè)量效果；每隔90。貼一片應(yīng)變片，相隔180。的兩片組成半橋分別測(cè)量平行骨骼方向的分力和垂直骨骼方向的分力，以測(cè)量壓力的方向。3、如權(quán)利要求l所述的手術(shù)電鉆的智能控制裝置，其特征在于手柄(7)通過插頭(22)與高速嵌入式系統(tǒng)(2)分離，使手術(shù)電鉆(1)與高速嵌入式系統(tǒng)(2)和上位機(jī)(3)分開攜帶。4、如權(quán)利要求l所述的手術(shù)電鉆的智能控制裝置，其特征在于所述的轉(zhuǎn)速傳感器由磁鋼(20)和霍爾傳感器(21)組成，磁鋼(20)鑲嵌在傳動(dòng)軸(19)上，霍爾傳感器(21)安裝在與磁鋼(20)位置相對(duì)的手柄外殼上，磁鋼(20)會(huì)隨著鉆頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭每轉(zhuǎn)過一周，霍爾傳感器(21)就會(huì)輸出一個(gè)脈沖，通過計(jì)算每秒霍爾傳感器(21)輸出的脈沖個(gè)數(shù)，從而得到鉆頭的轉(zhuǎn)速。全文摘要一種用于醫(yī)療器械
技術(shù)領(lǐng)域：
的手術(shù)電鉆的智能控制裝置。其特征在于能夠輔助醫(yī)生減少手術(shù)事故；能夠在改變功率，改變磨削方向等復(fù)雜的往復(fù)磨削手術(shù)環(huán)境下使用。智能控制裝置包括三個(gè)系統(tǒng)改裝的手術(shù)電鉆、高速嵌入式系統(tǒng)、上位機(jī)。其中改裝的手術(shù)電鉆包括多維壓力傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器四種傳感器和電壓反接制動(dòng)器。智能控制裝置工作過程為通過多傳感器系統(tǒng)采集手術(shù)電鉆的運(yùn)行信息；通過高速的高速嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別手術(shù)電鉆的運(yùn)行狀態(tài)；上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示和記錄傳感器的信息。文檔編號(hào)A61B17/16GK101579250SQ20091008723公開日2009年11月18日申請(qǐng)日期2009年6月18日優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日發(fā)明者康瑞清,曹天揚(yáng),李希勝申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)