脊椎骨钻控制系统的制作方法

本发明属于外科器械领域，具体涉及脊椎骨钻控制系统。

背景技术：

脊椎微创手术是一种外科手术，其主要特征是：在一定医疗风险下避免大切口，采用微小切口或穿刺通道，运用特殊的器械和装置，在影像仪器监视下或导航技术引导下，从正常的解剖结构到达病变处，使用各种微型的手动或电动器械和器材，在可视条件下完成整个手术过程，以达到比传统或标准的脊柱手术切口小、组织创伤小、出血少、操作精确度高、效果肯定、术后功能恢复快为目的。

当前的脊柱手术用钻孔器械，主要是指脊椎骨钻。脊椎骨钻分为两种，一种为传统的手动进给式，另一种为可视下磨钻。手动进给式需要医师自己手工进行钻孔，医师自己观察骨钻深度，当到达预估的位置时停止钻孔；该方法严重依赖医师自身的熟练技术及经验，对于初学者难度过高，并不利于医师的迅速培养。可视下磨钻，采用x光对病人身体进行扫描，从而得到钻头所在位置，医师需要通过x光扫描结果，判断钻头深度是否达到要求，而后控制钻头停止。

因此，这两种脊柱手术用钻孔器械都无法判断该钻孔深度是否已经达到要求，也就是说，这些器材的使用都必须依靠医生熟练的技术及经验。这一特性制约了脊柱微创手术的应用，对初学者来言难度过高，医生在对该钻孔器材使用时，必须花费大量精力来观察其钻孔深度，增大了临床医师的工作压力。并且在钻孔过程中，大规模使用x光进行辅助，大大增加了医务人员的风险。

针对上述情况，国内在脊柱临床使用的钻还没有利用自动进给和通过传感器判断是否钻穿方面的研究，故本发明提供的自动进给且能够自行判断钻穿的手术用骨骼钻孔平台具有相当的发展前景。

技术实现要素：

本发明的脊椎骨钻控制系统，解决了现有技术中需要人工控制脊椎骨钻的钻孔深度问题。

本发明的基础方案为：脊椎骨钻控制系统，包括采集模块、存储模块、控制模块和用于脊椎钻孔的脊椎骨钻；

所述采集模块用于采集实际进给距离信息、实际轴向力信息和实际电流信息；

所述存储模块用于存储距离范围信息、轴向力范围信息和电流范围信息；

所述对比模块用于对实际进给距离信息与距离范围信息进行对比、对实际轴向力信息与轴向力范围信息进行对比、对实际电流信息与电流范围信息进行对比，当实际进给信息属于紧急范围信息，实际轴向力信息属于轴向力范围信息或实际电流信息属于电流范围信息时，对比模块向控制模块发送中断信息；

所述控制模块用于接收对比模块发送的中断信息，并控制脊椎骨钻所在电路断开。

基础方案的原理及有益效果为：本方案的脊椎骨钻控制系统在工作时，包括了采集模块、存储模块、控制模块和脊椎骨钻。

本系统中通过采集模块分别采集实际进给距离信息、实际轴向力信息和实际电流信息；而后通过对比模块将进给距离信息与紧急范围信息进行对比、实际轴向力信息与轴向力范围信息进行独白，实际电流信息与电流范围信息进行对比，以上三种中的任意一个结果出现信息出范围即可通过控制模块控制脊椎骨钻停止工作。

因此，通过控制模块实现对脊椎骨钻工作的自动停止，实现了使用脊椎骨钻进行工作时，脊椎骨钻的停止无需人工操控，减少医师的工作压力。并且，本方案中控制模块控制脊椎骨钻自动停止是由进给距离信息、实际轴向力信息和实际电流信息，三个因素共同决定的相比仅仅考虑单个因素的比较，本方案所提供的脊椎骨钻停止系统更为精确。

进一步，还包括输入模块和模糊模块；

所述输入模块用于输入标准距离信息、标准轴向力信息和标准电流信息；

所述模糊模块用于通过对标准距离信息的模糊化处理得到距离范围信息，通过对标准轴向力信息的模糊化处理得到轴向力范围信息，以及通过对标准电流信息的模糊化处理得到电流范围信息。

本方案中的输入标准距离信息、标准轴向力信息和标准电流信息均为通过模糊模块进行处理过的，模糊化将标准距离信息、标准值轴向力信息和标准电流信息所指范围进一步扩大，在允许冲量的存在下，提高了本方案的实用性。

进一步，还包括告警模块；

所述采集模块还用于采集电机停止后的实际冲量信息；

所述存储模块还用与存储冲量范围信息；

所述对比模块还用于对实际冲量信息与冲量范围信息进行对比，当实际冲量信息不属于存储冲量范围信息时，对比模块向控制模块发送告警信息；

所述控制模块还用于接收对比模块发送的告警信息后，控制告警模块进行告警。

本方案中的脊椎骨钻控制系统，针对冲量进行了检测，在进行预实验的时候便于判断脊椎骨钻的工作情况，保证通过预实验筛选所得到的脊椎骨钻能够正常使用。

进一步，还包括输入模块；所述输入模块用于输入冲量范围信息。

本方案中，冲量范围信息的输入，便于使用者根据不同的骨质层情况，改变冲量范围，使得本方案中的脊椎骨钻控制系统的适用范围更广。

进一步，所述标准距离信息由最大安全进给距离变化而来，所述最大安全进给距离由matlab软件计算腰椎小关节突厚度所得。

本方案中，利用病例中患者的年龄、身体状况等因素，通过matlab软件计算出该患者腰椎小关节突厚度，并推算出本次脊椎钻孔的最大安全进给距离。而标准距离信息是医护人员根据最大安全进给距离，结合自身经验所选择的本次脊椎骨钻所要求达到的钻孔深度距离。进一步，所述冲量范围信息为0～1mm。

冲量是指钻头间断到工件(这里指脊椎骨)底部之间的垂直分量距离。为保证安全性，钻头在钻穿脊椎骨时，应该严格控制钻头钻穿瞬间的过冲量，避免钻头损坏人体脊椎神经。

附图说明

图1为本发明脊椎骨钻控制系统实施例的模块示意图；

图2为本发明脊椎骨钻控制系统实施例的逻辑示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例基本如附图1所示：

(一)基础数值的建立

1.计算最大安全进给距离

使用医院的m设备/软件，测到腰椎小关节突厚度a，根据现实情况计算出本次骨钻工作的最大安全进给距离b。如，该病人需要进行的脊椎骨钻手术，仅需穿透1/3的脊椎厚度即可，则b＝a*1/3。

2.建立模糊数据库

根据优秀医师的经验，针对不同情况下电钻进给速度、钻孔误差值、钻孔角度等，建立模糊数据，并将该数据进行存储。

注：这里的不同情况指，不同年龄、不同生活环境、不同骨质的不同类型手术。

模糊数据库中，数据的存储以“年龄-生活环境-骨质-手术类型-电钻进给速度-钻孔误差值-钻孔角度等”的数据表为模板。

3.建立标准数据库

在自停颅骨钻理论研究基础上，测试出在钻穿不同情况下的骨骼过程中电流随着时间变化的曲线，从而将这些数据存储到标准数据库中；

标准数据库中还存储有标准距离信息和标准轴向力信息；其中标准距离信息是医护人员根据最大安全进给距离，结合自身经验所选择的本次脊椎骨钻所要求达到的钻孔深度距离；标准轴向力信息是指采用电钻对对应骨质进行钻孔时，电钻扭力所产生的轴向力。

这里的电钻进给速度、钻孔误差值、钻孔角度均是在模糊数据库的基础上的。

(二)步骤和原理

1.操作步骤

s1，利用输入模块，将标准距离信息、标准轴向力信息和标准电流信息，具体为：输入模块包括输入装置、匹配单元；

s1-1，从输入装置上，输入该患者的“年龄-生活环境-骨质判断-手术类型”这种相互关联的信息；

s1-2，根据输入模块输入的信息，匹配单元从标准数据库中查找对应的信息，从而得出电钻进给速度v、钻孔误差值d、钻孔角度μ，而后匹配单元将电钻进给速度v、钻孔误差值d、钻孔角度μ分别发送给存储模块的执行数据库，进行存储。

s1-3，从输入装置上，输入最大安全进给距离b，匹配模块结合“年龄-生活环境-骨质判断-手术类型”从模糊数据库中调出该骨钻的运行速度，从而得出，该骨钻钻孔的连续时间t，而后匹配模块根据连续时间t从标准数据库中的“电流-时间”图像，从而得到，电钻运行连续时间t时，电钻的瞬间电流i，将该瞬间电流i作为标准电流信息。

s1-4，标准轴向力设置为f。

s1-5，标准距离设置为b。

s1-6，将标准距离信息b、标准轴向力信息f和标准电流信息i，发送给存储模块。

s2，采集模块中对实际进给距离信息、实际轴向力信息和实际电流信息进行采集，具体为：采集模块包括红外测距传感器、轴向力传感器和数字电流表，红外线测距传感器的发射端固定在钻头的底部，红外线测距传感器的接收端固定到与钻头连接的机身上；

s2-1，红外线测距传感器所测到的钻头下降距离为c＝m-n；c指钻头下降深度，m指红外线测距所测到的当前距离，n是指在钻头没有启动的情况下红外线测距传感器所测到的初始距离。

s2-2，轴向力传感器对电钻的当前轴向力进行检测得到w；

s2-3，数字电流表对电钻所在电路的电流进行检测，得到实际电流i；

s2-4，采集模块将c、w、i分别作为实际进给距离信息、实际轴向力信息和实际电流信息，并将这些信息发送给对比模块。

s3，对比模块接收到c、w和i之后，从存储模块中调出b、f和i；

s3-1，对比模块将c与b进行对比，当c＝b时，对比模块向控制模块发送中断信息；

s3-2，对比模块将w与f进行对比，当w＝f时，对比模块向控制模块发送中断信息；

s3-3，对比模块将i与i进行对比，当i＝i时，对比模块向控制模块发送中断信息。

s4，控制模块接收到中断信息后，控制脊椎骨钻所在电路断开，即脊椎骨钻自动停止。

2.原理解释

本系统中通过采集模块分别采集实际进给距离信息、实际轴向力信息和实际电流信息；而后通过对比模块将实际进给距离信息c与标准距离信息b进行对比、实际轴向力信息w与标准轴向力信息f进行对比，实际电流信息i与标准电流信息i进行对比，以上三种中的任意一个结果出现相同即可通过控制模块控制脊椎骨钻停止工作。

因此，通过控制模块实现对脊椎骨钻工作的自动停止，实现了使用脊椎骨钻进行工作时，脊椎骨钻的停止无需人工操控，减少医师的工作压力。并且，本方案中控制模块控制脊椎骨钻自动停止是由进给距离信息c、实际轴向力信息w和实际电流信息i，三个因素共同决定的相比仅仅考虑单个因素的比较，本方案所提供的脊椎骨钻控制系统更为精确。

(三)相关解释

1.控制模块采用upsd单片机，控制模块控制的步进电机相关结构如图1所示；脊椎骨钻控制系统是通过脊椎骨钻控制设备来实现的：其中控制模块对应了upsd单片机作为控制模块，进给模块包括步进电机驱动器和步进电机，钻孔模块包括直流电机驱动器和直流电钻；在本方案中进给模块是用来控制整个钻孔模块下移的位移量的，通过步进电机的驱动器来控制步进电机的转动强度，而后通过丝杆和连接螺母之间的配合，改变钻孔模块的位移量，并且直流电机驱动器会带动直流电钻改变扭力进行钻孔。

2.由于人体骨骼各个层面的骨质不同，电钻要想继续钻入就需要改变电钻的扭力，本方案中通过比较电钻的扭力判断出电钻的钻入距离，进而判断电钻是否已经钻透；而电钻的扭力变化会死可以通过观察电钻电流差的变化来看出。因此本方案中通过电流强度来判断电钻是否已经到达目标位移量，这一方法是可行的。

(四)相应拓展

在上述操作过程中，标准距离信息b、标准轴向力f和标准电流信息i均是点状范围，然而在现有过程中，钻头在进行钻孔时，始终存在着冲量和误差的存在。所以，为结合现有实际，使得上述方案的实际应用范围更广，本方案中，进一步将标准范围扩大。

本方案中，冲量设置的范围信息为0～1mm，而误差设置为±z，那么对应扩大后，标准距离信息b变为距离范围信息x，其中x∈(b+m-z，b+m+z)，m∈(0mm，1mm)；标准轴向力信息f变为轴向力范围信息f，其中冲量0～1mm对应的轴向力为k∈(0，j)，f∈(f+k-z，f+k+z)；标准电流信息变为电流范围信息m，其中冲量0～1mm对应的电流变化为l∈(0，m)，m∈(i+m-z，i+m+z)。

那么对应地，在s1中，做出以下变化：

补充：s1-7：将标准距离信息b根据冲量和误差，转化为距离范围信息x；

s1-8：将标准轴向力信息f根据冲量和误差，转化为轴向力范围信息f；

s1-9：将标准电流信息i根据冲量和误差，转化为电流范围信息m；

s1-10：将距离范围信息x、轴向力范围信息f和电流范围信息m，发送给存储模块。

s3中作出以下变化：

s3-1，对比模块将c与x进行对比，判断c是否在距离范围信息x内，若是，则对比模块向控制模块发送中断信息；

s3-2，对比模块将w与f进行对比，判断w是否在轴向力范围信息f内，若是，则对比模块向控制模块发送中断信息；

s3-3，对比模块将i与m进行对比，判断i是否在电流范围信息m内，若是，则对比模块向控制模块发送中断信息。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。