一种能够感知待切削组织刚度和结构的智能手术动力工具

摘要

一种能够感知待切削组织刚度和结构的智能手术动力工具。其主要结构包括一个普通的手术磨钻、两个激光位移传感器和一台工业控制计算机。其工作原理：第一个激光位移传感器发出一束激光至磨头与磨钻的连接杆上，获取连接杆在磨削过程中的振动信号；第二个激光位移传感器发出激光至磨头前进路径上距磨头1mm-3mm的一点，获取测量位置处在手术动力工具工作过程中的振动信号；通过利用工业控制计算机分析两个激光位移传感器输出的数据，可以感知出磨头的磨损情况，及待切削组织的刚度和结构。本发明可准确检测手术动力工具上的磨头的磨损程度及待切削组织的刚度和结构，保证脊髓等重要软组织不会受到损伤，提高手术动力工具的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于医疗设备领域，具体涉及外科骨性组织切除中所用的手术动力工具上。

背景技术

利用手术动力工具开展骨性组织切除手术是目前治疗脊柱椎管狭窄症等骨科疾病的 重要方法，但是手术难度较大，瘫痪、大出血等严重并发症的几率相对较多。导致手术难 度较大的原因是现有的手术动力工具仅具有切削骨性组织的功能，如果存在手术动力工具 末端安装的磨头磨损严重需要更换，或者即将被手术动力工具磨削的位置处有脊髓等不可 损伤的组织，则完全靠医生经验判断。

发明内容

本发明目的是解决使用手术动力工具实施骨性组织切除手术的过程中如何准确感知 即将被手术动力工具切除的组织是骨性组织还是脊髓等软组织的问题，设计一种能够感知 待切削组织刚度和结构的手术动力工具，以便给医生提供手术过程中的重要预警信息。

本发明提供的一种能够感知待切削组织刚度和结构的手术动力工具，该工具的结构 是：

第1、包括一个普通的手术磨钻、两个激光位移传感器和一台工业控制计算机；

第2、第一个激光位移传感器发出一束激光至磨头与磨钻的连接杆上，在连接杆上出 现外径小于1mm的圆形光斑，传感器的输出的是圆形光斑处手术动力工具工作过程中的 振动信号；

第3、第二个激光位移传感器发出一束激光至磨头前进路径上距磨头1mm-3mm的一 点，在与磨钻接触的人体组织上出现外径小于1mm的圆形光斑，传感器的输出的是圆形 光斑处在手术动力工具工作过程中的振动信号；

第4、两个激光位移传感器的输出接入工业控制计算机；

第5、工业控制计算机对两个激光位移传感器的输出信号进行处理和分析：

第5.1、通过对比第一个激光位移传感器在磨头未接触和接触骨性组织时采集的振动 信号，判断磨头的磨损情况，根据磨损情况提示是否更换磨头；

第5.2、根据第二个激光位移传感器的输出振动信号，判断该传感器的测量位置处是 骨性组织还是脊髓等软组织，以及传感器的测量位置处骨性组织的结构；

第5.3、以上两点功能由安装在工业控制计算机上的信号处理和分析软件实现，并由 计算机的屏幕显示。

所述的第一激光位移传感器和第二激光位移传感器与磨钻固定连接，保持在手术过 程中，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器与磨头的相对位置不发生变化。

第一激光位移传感器和第二激光位移传感器量程不小于5mm，分辨力优于0.001mm。

本发明的优点和积极效果：

本发明能够准确感知待切削组织刚度和结构，保证脊髓组织不会受到损伤，提高手 术动力工具的安全性。还能够判断磨头的磨损情况，如果磨损较严重，就提示更换磨头， 提高手术动力工具的易用性。

附图说明

图1是能够感知待切削组织刚度和结构的手术动力工具示意图。

图中，1是安装在磨钻上的球形磨头，2是第一激光位移传感器，3是第二激光位移 传感器，4是椎弓根，5是脊髓，6是椎体。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，为本发明提出的能够感知待切削组织刚度和结构的智能手术动力工具示 意图，本发明的具体结构是：

第1、包括一个普通的手术磨钻、两个激光位移传感器和一台工业控制计算机；

第2、第一个激光位移传感器发出一束激光至磨头与磨钻的连接杆上，在连接杆上出 现外径小于1mm的圆形光斑，传感器的输出的是圆形光斑处手术动力工具工作过程中的 振动信号；

第3、第二个激光位移传感器发出一束激光至磨头前进路径上距磨头1mm-3mm的一 点，在与磨钻接触的人体组织上出现外径小于1mm的圆形光斑，传感器的输出的是圆形 光斑处在手术动力工具工作过程中的振动信号；

第4、两个激光位移传感器的输出接入工业控制计算机；

第5、工业控制计算机对两个激光位移传感器的输出信号进行处理和分析：

所述的第一激光位移传感器和第二激光位移传感器与磨钻固定连接，保持在手术过 程中，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器与磨头的相对位置不发生变化。这样不 论手术动力工具如何运动，第一激光位移传感器2始终能够测量到磨头的连接杆的横向振 动，第二激光位移传感器3始终能够测量到球形磨头与脊椎骨接触点附近的那个点的振 动。

第一激光位移传感器和第二激光位移传感器量程不小于5mm，分辨力优于0.001mm。

具体工作过程

手术开始时，医生手持手术动力工具，磨头在切削骨性组织的同时也是振动的激励源， 使磨头接触脊椎上需要切除的部位，完成对骨性组织的切削，切削过程中激光位移传感器 2发出一束激光至球形磨头与磨钻的连接杆上，在连接杆上出现外径小于1mm的圆形光 斑，采集连接杆上圆形光斑处在磨削过程中的振动信号。

激光位移传感器3发出一束激光至即将切削的部位(即磨头前进路径上距磨头 1mm-3mm的一点)，在即将切削的部位处出现外径小于1mm的圆形光斑，采集圆形光斑 处在磨削过程中的振动。

由工业控制计算机实时采集并分析激光位移传感器2和3输出的数据，通过对激光位 移传感器2和3采集的信号进行分析完成以下任务：

1.通过对比激光位移传感器2在球形磨头未接触和接触骨性组织时采集的信号，判 断磨头的磨损情况，如果磨损较严重，则提示医生更换磨头。判断磨损程度的方法是：对 于一个刚开始使用的磨头，激光位移传感器2输出信号的频谱较丰富，随着磨头磨损程度 的加剧，磨头与其接触的骨性组织的相互作用力变小，磨头去除骨性组织的效率降低。首 先计算信号的快速傅里叶变换，求傅里叶变换系数的熵，由熵值判断磨头磨损程度。比如， 根据使用磨钻的经验，设定熵值为0.3时磨头就不适合进行手术了，那么当根据信号检测 到熵值小于0.3就提示医生更换磨头。

2.在球形磨头切割骨性组织的过程中，根据激光位移传感器3的输出信号判断该传 感器的测量位置处是骨性组织还是脊髓等软组织，如果是软组织，则提示医生停止前进。 判断磨损程度的方法是：如果是骨性组织，则激光位移传感器3输出信号的频谱在10Hz 以上的部分较丰富，如果是脊髓等软组织，则信号的频谱在10Hz以上的部分要少很多， 所以通过比较10-100Hz范围内的频谱即可判断测量位置处是骨性组织还是脊髓等软组 织。

3.在磨头切割骨性组织的过程中，根据激光位移传感器3的输出信号，判断该传感 器的测量位置处骨性组织的结构，如果厚度较薄，则提示医生减小磨削进给量。判断骨性 组织结构的方法是：如果骨性组织较薄，会产生幅度较大的振动，这样在信号的频谱中某 个部位会出现尖峰，通过判断尖峰是否存在可估计骨性组织的厚度。

以上两点功能由安装在工业控制计算机上的信号处理和分析软件实现，并由计算机 的屏幕显示。