本发明属于测量技术领域,具体涉及一种带有力感知功能的脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置及标定方法,结合应变片阵列实现力反馈骨锥在钻取椎弓根骨道时偏向力矢量大小和方向的测量。
背景技术:
椎弓根骨道钻取作为脊柱手术中的关键步骤,对手术效果具有重要的影响,而骨道钻取的效果主要依赖于实际钻取的路径与规划路径之间是否出现偏差等,当路径出现偏差时会产生垂直于骨锥轴线方向的偏向力。目前,医生对路径的调整主要依赖于“手感”判断,不能够准确得到偏向力的矢量。
技术实现要素:
本发明目的在于提供一种能够测量椎弓根手术骨道钻取过程中偏向力矢量的脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置及标定方法,该标定装置整体结构简单,通过应变片阵列实现对偏向力矢量大小和方向的测量。
本发明脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置,包括标定平台底板、立柱、砝码、水平旋转支架、钢丝绳、竖直固定支架、垫块、滑轮组件、骨锥夹具、夹具支架、应变片和数据采集卡。所述的应变片共八片,四片应变片为一组组成一个惠斯通电桥,两个惠斯通电桥的输出端分别经信号放大器与数据采集卡连接;所述的夹具支架固定在标定平台底板上;立柱固定设置在标定平台底板的三个安装位置中的其中一个安装位置处;水平旋转支架和两个竖直固定支架均通过螺钉固定在立柱上;两个竖直固定支架上下布置,水平旋转支架设置在两个竖直固定支架之间;水平旋转支架的两个滑槽与其中两块垫块的通孔分别通过螺栓及螺母固定连接;两个竖直固定支架的滑槽与另外两块垫块的通孔分别通过螺栓及螺母固定连接;所述的骨锥夹具通过螺钉固定在夹具支架上。所述的滑轮组件包括滑轮、螺栓和滑轮支架。滑轮与通过螺纹固定连接在滑轮支架上的螺栓的光滑面构成转动副。每块垫块上设有两个滑轮组件,滑轮组件的滑轮支架与垫块固定。所有滑轮组件的滑轮轴线均水平且平行设置,与水平旋转支架或竖直固定支架的滑槽布置方向也均平行;四根钢丝绳一端均固定有砝码。
进一步,所述的立柱与标定平台底板各安装位置的固定方式为:立柱底部的四个通孔与标定平台底板各安装位置的四个螺纹孔分别通过螺钉连接。
进一步,所述的骨锥夹具包括基座、夹紧块和螺钉。基座固定在夹具支架上,相对设置的两块夹紧块的通孔与基座的两个螺纹孔分别通过螺钉连接,相对设置的另两块夹紧块的通孔与基座的两个滑槽分别通过螺栓及螺母连接;相对设置的每两块夹紧块中,一块夹紧块的通孔与另一块夹紧块的螺纹孔通过螺钉连接。
该脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置的标定方法,具体如下:
将力反馈骨锥一端通过骨锥夹具夹紧固定,四根钢丝绳未固定砝码的一端缠绕固定在力反馈骨锥另一端的同一横截面位置处,且将第一根钢丝绳绕过水平旋转支架一端两个滑轮组件的滑轮,第二根钢丝绳绕过水平旋转支架另一端两个滑轮组件的滑轮,第三根钢丝绳绕过其中一个竖直固定支架上两个滑轮组件的滑轮,第四根钢丝绳绕过另一个竖直固定支架上两个滑轮组件的滑轮;四根钢丝绳通过砝码同时施加力对力反馈骨锥实现加载;然后,在力反馈骨锥的矩形截面轴段的每个侧面上均粘贴两片应变片,矩形截面轴段的每两个对称侧面上的四片应变片组成一个惠斯通电桥;最后,对力反馈骨锥的多个横截面位置处进行多个方向力的加载系数标定:
步骤一、通过设置四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量来进行四个主方向的力加载、偏向力加载以及电压信号采集,具体如下:
1.1将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值,即四根钢丝绳的四个端部处均设置一个质量相等的砝码;将立柱设置在标定平台底板上最远离力反馈骨锥的安装位置处;将水平旋转支架调整为水平设置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向,即竖直向上、竖直向下以及水平面上垂直于力反馈骨锥的两个相反的方向;数据采集卡实时采集各应变片随加载砝码变化而改变的电压信号。
1.2采用n种砝码质量设定方案来改变四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量,从而改变四根钢丝绳对力反馈骨锥施加的力大小,数据采集卡实时采集各应变片随加载砝码变化而改变的电压信号,n≥8;各种砝码质量设定方案中,四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量均不完全相等;各种砝码质量设定方案相比,砝码最少的方案砝码质量与砝码最多的方案砝码质量相差不超过1kg。
1.3将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置,数据采集卡实时采集各应变片随加载砝码变化而改变的电压信号;然后重复一次步骤1.2。
1.4将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置,数据采集卡实时采集各应变片阵列随加载砝码变化而改变的电压信号;然后重复一次步骤1.2。
步骤二、通过改变各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量来进行偏向力加载和电压信号采集,具体如下:
2.1将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值,立柱设置在标定平台底板上最远离力反馈骨锥的安装位置处。
2.2采用m种垫块位置设定方案来改变各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,m≥8;各种垫块位置设定方案中,竖直向上的力、竖直向下的力以及水平面上垂直于力反馈骨锥的两个反向力中至少有一个发生变化;每种垫块位置设定方案执行后,重复一次步骤1.2。
2.3将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤2.2。
2.4将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤2.2。
步骤三、通过改变水平旋转支架相对水平面的倾角、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量来进行偏向力加载和电压信号采集,具体如下:
3.1将两根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值,立柱设置在标定平台底板1上最远离力反馈骨锥的安装位置处;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向。
3.2采用k种水平旋转支架倾角设定方案来改变水平旋转支架相对水平面的倾角,k≥8;每种水平旋转支架倾角设定方案执行后,重复一次步骤1.2。
3.3将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置;将水平旋转支架调整为水平设置;然后重复一次步骤3.2。
3.4将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置;将水平旋转支架调整为水平设置;然后重复一次步骤3.2。
3.5将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值,立柱设置在标定平台底板上最远离力反馈骨锥的安装位置处;将水平旋转支架调整为水平设置。
3.6采用k种水平旋转支架倾角设定方案来改变水平旋转支架相对水平面的倾角;每种水平旋转支架倾角设定方案执行后,重复一次步骤2.2。
3.7将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置;将水平旋转支架调整为水平设置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤3.6。
3.8将两根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值,调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置;将水平旋转支架调整为水平设置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤3.6。
步骤四、将立柱在标定平台底板的安装位置、四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及水平旋转支架相对水平面的倾角的不同组合方案和数据采集卡在不同组合方案下采集的随各应变片变化而改变的电压信号一一对应存储在工控机内;然后,工控机将不同组合方案下四个方向的力分解在四个主方向上得到四个主方向力;接着,选取其中两个相互垂直的主方向,将每个组合方案下四个方向的力分解得到的四个主方向力中相互平行的两对主方向力分别进行矢量求和,从而合并为在该两个相互垂直的主方向上的两个主方向力;最后,对力反馈骨锥的每个横截面位置,通过直线拟合方式拟合出各组合方案下合并得到的两个主方向力分别与反映相对应主方向应变的电压信号之间的线性关系,两条直线的斜率即分别为该两个相互垂直的主方向力相对应主方向的加载系数。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明提供了一种带有力感知功能、能够测量椎弓根手术骨道钻取过程中偏向力矢量的脊柱手术力反馈骨锥。
2、本发明提供了带有力感知功能的脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置,该标定装置结构简单、紧凑,易于装卸,维修方便。
3、本发明标定方法简单,利用滑轮和钢丝绳实现力的加载,并结合应变片阵列实现加载系数的标定;本发明能实现周向和轴向多角度以及不同横截面位置的加载力,使得加载系数的标定位置更加细分,标定结果更准确。
4、本发明通过加载系数的标定,实现了力反馈骨锥插入脊柱过程中偏向力矢量大小和方向的测量。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构立体图。
图2-1是本发明的力反馈骨锥组件插入脊柱的示意图。
图2-2是图2-1的a-a剖视图。
图3是本发明中骨锥夹具的结构立体图。
图4是本发明中滑轮组件的结构立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2-1和2-2所示,脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置,用于力反馈骨锥组件9的加载系数标定;力反馈骨锥组件9包括力反馈骨锥9-1;力反馈骨锥9-1设有矩形截面轴段,矩形截面轴段的四个侧面上均并排粘贴有两片应变片9-2,并分别于对侧两个应变片组成惠斯通电桥;两个惠斯通电桥的输出端分别通过信号放大器进行放大,实现四个主方向(竖直轴和水平轴上的两个正交力,每个正交力存在正负两个方向)的力测量,并通过这四个主方向的力获得偏向力的矢量大小和方向。
脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置,包括标定平台底板1、立柱2、砝码3、水平旋转支架4、钢丝绳5、竖直固定支架6、垫块7、滑轮组件8、骨锥夹具10、夹具支架11、应变片9-2和数据采集卡。应变片9-2共八片,每两片应变片9-2布置在力反馈骨锥9-1的矩形截面轴段的一个侧面上,且矩形截面轴段的每两个对称侧面上的四片应变片9-2组成一个惠斯通电桥,两个惠斯通电桥的输出端分别经信号放大器与数据采集卡连接;夹具支架11固定在标定平台底板1上;立柱2固定设置在标定平台底板1的三个安装位置中的其中一个安装位置处,立柱2与标定平台底板1各安装位置的固定方式为:立柱2底部的四个通孔与标定平台底板1各安装位置的四个螺纹孔分别通过螺钉连接;水平旋转支架4和两个竖直固定支架6均通过螺钉固定在立柱上;两个竖直固定支架6上下布置,水平旋转支架设置在两个竖直固定支架6之间;松开紧固水平旋转支架的螺钉,水平旋转支架能绕螺钉轴线旋转;水平旋转支架4的两个滑槽与其中两块垫块7的通孔分别通过螺栓及螺母固定连接;两个竖直固定支架6的滑槽与另外两块垫块7的通孔分别通过螺栓及螺母固定连接;骨锥夹具10通过螺钉固定在夹具支架11上。如图4所示,滑轮组件8包括滑轮8-1、螺栓8-2和滑轮支架8-3。滑轮与通过螺纹固定连接在滑轮支架8-3上的螺栓的光滑面构成转动副。每块垫块7上设有两个滑轮组件8,滑轮组件8的滑轮支架8-3与垫块7固定。所有滑轮组件8的滑轮8-1轴线均水平且平行设置,与水平旋转支架4或竖直固定支架6的滑槽布置方向也均平行;四根钢丝绳5一端均固定砝码3。
如图3所示,骨锥夹具包括基座10-1、夹紧块10-2和螺钉10-3。基座10-1固定在夹具支架11上,相对设置的两块夹紧块10-2的通孔与基座的两个螺纹孔分别通过螺钉连接,相对设置的另两块夹紧块10-2的通孔与基座的两个滑槽分别通过螺栓及螺母连接;相对设置的每两块夹紧块10-2中,一块夹紧块的通孔与另一块夹紧块的螺纹孔通过螺钉连接,实现力反馈骨锥9-1的夹紧;基座的两个滑槽,便于调整两对夹紧块10-2的间距,从而根据力反馈骨锥9-1的长度调整对力反馈骨锥9-1的夹紧位置。
该脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置的标定方法,具体如下:
将力反馈骨锥9-1一端通过骨锥夹具夹紧固定,四根钢丝绳未固定砝码的一端缠绕固定在力反馈骨锥9-1另一端的同一横截面位置处,且将第一根钢丝绳绕过水平旋转支架一端两个滑轮组件的滑轮,第二根钢丝绳绕过水平旋转支架另一端两个滑轮组件的滑轮,第三根钢丝绳绕过其中一个竖直固定支架上两个滑轮组件的滑轮,第四根钢丝绳绕过另一个竖直固定支架上两个滑轮组件的滑轮;四根钢丝绳通过砝码3同时施加力对力反馈骨锥9-1实现加载;然后,在力反馈骨锥9-1的矩形截面轴段的每个侧面上均粘贴两片应变片9-2,矩形截面轴段的每两个对称侧面上的四片应变片9-2组成一个惠斯通电桥;最后,对力反馈骨锥9-1的多个横截面位置处进行多个方向力的加载系数标定:
步骤一、通过设置四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量来进行四个主方向的力加载、偏向力加载以及电压信号采集,具体如下:
1.1将四根钢丝绳上砝码3质量设置为初始的最小值,即四根钢丝绳的四个端部处均设置一个质量(20g)相等的砝码3;将立柱2设置在标定平台底板1上最远离力反馈骨锥9-1的安装位置处;将水平旋转支架4调整为水平设置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥9-1上的四个力方向分别为四个主方向,即竖直向上、竖直向下以及水平面上垂直于力反馈骨锥9-1的两个相反的方向;数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号。
1.2采用n种砝码质量设定方案来改变四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量,从而改变四根钢丝绳对力反馈骨锥9-1施加的力大小,数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号;n≥8,各种砝码质量设定方案中,四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量均不完全相等;各种砝码质量设定方案相比,砝码最少的方案砝码质量与砝码最多的方案砝码质量相差不超过1kg。
1.3将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向移动一个安装位置,数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号;然后重复一次步骤1.2。
1.4将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向再移动一个安装位置,数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号;然后重复一次步骤1.2。
步骤二、通过改变各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量来进行偏向力加载和电压信号采集,具体如下:
2.1将四根钢丝绳上砝码3质量设置为初始的最小值,立柱2设置在标定平台底板1上最远离力反馈骨锥9-1的安装位置处。
2.2采用m种垫块位置设定方案来改变各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,m≥8;各种垫块位置设定方案中,竖直向上的力、竖直向下的力以及水平面上垂直于力反馈骨锥9-1的两个反向力中至少有一个发生变化;其中,某个垫块在水平旋转支架或竖直固定支架的滑槽上的两个不同位置即为两种垫块位置设定方案。每种垫块位置设定方案执行后,重复一次步骤1.2。
2.3将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向移动一个安装位置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥9-1上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤2.2。
2.4将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向再移动一个安装位置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥9-1上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤2.2。
步骤三、通过改变水平旋转支架4相对水平面的倾角、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量来进行偏向力加载和电压信号采集,具体如下:
3.1将四根钢丝绳上砝码3质量设置为初始的最小值,立柱2设置在标定平台底板1上最远离力反馈骨锥9-1的安装位置处;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥9-1上的四个力方向分别为四个主方向。
3.2采用k种水平旋转支架4倾角设定方案来改变水平旋转支架4相对水平面的倾角,k≥8;每种水平旋转支架4倾角设定方案执行后,重复一次步骤1.2。
3.3将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向移动一个安装位置;将水平旋转支架4调整为水平设置;然后重复一次步骤3.2。
3.4将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向再移动一个安装位置;将水平旋转支架4调整为水平设置;然后重复一次步骤3.2。
3.5将四根钢丝绳上砝码3质量设置为初始的最小值,立柱2设置在标定平台底板1上最远离力反馈骨锥9-1的安装位置处;将水平旋转支架4调整为水平设置。
3.6采用k种水平旋转支架4倾角设定方案来改变水平旋转支架4相对水平面的倾角;每种水平旋转支架4倾角设定方案执行后,重复一次步骤2.2。
3.7将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向移动一个安装位置;将水平旋转支架4调整为水平设置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥9-1上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤3.6。
3.8将四根钢丝绳上砝码3质量减少为初始的最小值,调节立柱2向靠近力反馈骨锥9-1方向再移动一个安装位置;将水平旋转支架4调整为水平设置;调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置,使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥9-1上的四个力方向分别为四个主方向;然后重复一次步骤3.6。
步骤四、步骤一至三通过调节立柱2在标定平台底板的安装位置、四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及水平旋转支架4相对水平面的倾角,实现了四根钢丝绳对力反馈骨锥9-1的不同横截面位置处的四个作用力方向及大小调节,从而实现力反馈骨锥在不同横截面位置处四个主方向的力加载以及多个方向偏向力的加载,并通过数据采集卡采集了各种力大小和方向加载下对应的随各应变片变化而改变的电压信号;因此,将立柱2在标定平台底板的安装位置、四根钢丝绳的四个端部处的砝码3质量、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及水平旋转支架4相对水平面的倾角的不同组合方案和数据采集卡在不同组合方案下采集的随各应变片变化而改变的电压信号一一对应存储在工控机内;然后,工控机将不同组合方案下四个方向的力分解在四个主方向上得到四个主方向力;接着,选取其中两个相互垂直的主方向,将每个组合方案下四个方向的力分解得到的四个主方向力中相互平行的两对主方向力分别进行矢量求和,从而合并为在该两个相互垂直的主方向上的两个主方向力;最后,对力反馈骨锥9-1的每个横截面位置,通过直线拟合方式拟合出各组合方案下合并得到的两个主方向力分别与反映相对应主方向应变的电压信号之间的线性关系,两条直线的斜率即分别为该两个相互垂直的主方向力相对应主方向的加载系数,至此完成力反馈骨锥9-1的多个横截面位置处多个方向力的加载系数标定。
实际应用时,力反馈骨锥9-1插入脊柱9-3后便带有负载力;数据采集卡采集反映步骤四选定的两个主方向应变的电压信号,并传给工控机;工控机将反映步骤四选定的两个主方向应变的电压信号分别与标定得到的该两个主方向上的加载系数(在手术中根据插入深度的不同调取力反馈骨锥9-1最近横截面位置处的加载系数以获得更加准确的偏向力。)相乘得到两个主方向力,然后将该两个主方向力进行矢量求和,得到手术过程中力反馈骨锥9-1所受偏向力的大小和方向,当该偏向力大小超过设定阈值时,工控机会提供报警声并将偏向力的大小和方向显示在界面上,医生则根据偏向力的偏角对力反馈骨锥9-1进行反馈调节,直到偏向力减小到设定阈值之内。