外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置

摘要

本发明涉及一种外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，它控制的精确度高，通过监测骨磨削的声发射信号，来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的磨削温度，从而可有效避免对脑组织的热损伤。它包括壳体，壳体前端安装砂轮，砂轮通过传动装置与直流电机连接，在砂轮与壳体连接处设有声发射传感器，它通过导线与壳体内设置的信号分析处理模块连接，信号分析处理模块分别与反馈装置和显示及报警装置连接，直流电机通过反馈装置经控制开关与直流电源连接；信号分析处理模块接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速。

权利要求

1.一种外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，它包括壳体，壳体前端安装砂轮，砂轮通过传动装置与直流电机连接，其特征是，在砂轮与壳体连接处设有声发射传感器，它通过导线与壳体内设置的信号分析处理模块连接，信号分析处理模块分别与反馈装置和显示及报警装置连接，直流电机通过反馈装置经控制开关与直流电源连接；信号分析处理模块接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速；所述信号分析处理模块根据声发射传感器输出的电压信号与骨表面温度成正比的关系，通过设定阈值判断骨磨削温度是否过高，当检测到的信号超过设定阈值时，通过反馈装置控制直流电机的转速。

2.如权利要求1所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述声发射传感器包括：一个表面形状与安装面共轭的声匹配层，实现声发射信号最大限度地向传感器进行辐射；在声匹配层上开有环形槽，在其内安装环形永久磁体以与安装面固定，声匹配层与压电元件之间由粘结胶层进行粘结连接，压电元件上加背衬消除或减少透过压电元件的声波交界面反射再度返回压电元件形成次生压电效应，通过导线连接到接头上将电信号输出，声匹配层与外壳螺纹连接并将其内部元件固定，采用螺纹连接方式实现调节接头的方向方便接线。

3.如权利要求2所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述声发射传感器的外壳顶端安装橡胶垫片。

4.如权利要求1所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述信号分析处理模块主要由滤波器，主放大器，信号采集器，信号分析器组成；其中前置放大器和滤波器用信号线连接，滤波器和主放大器相连，主放大器和信号采集器相连，信号采集器和信号分析器相连，信号分析器分别与反馈装置和显示及报警装置相连。

5.如权利要求1所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述传动装置包括两级传动： 第一级为齿轮传动，包括一个主动齿轮和一个从动齿轮，两者啮合，其中主动齿轮安装在主动齿轮轴上，主动齿轮轴通过平键III与联轴器一端连接，联轴器另一端与直流电机主轴连接，直流电机安装在电机底座上；从动齿轮通过平键II安装在轴的一端上，轴的另一端安装套筒II；

第二级锥齿轮传动，包括一对啮合的锥齿轮，其中一个锥齿轮通过套筒II与轴连接，锥齿轮另一侧设有止动螺母；另一个锥齿轮与锥齿轮轴连接，锥齿轮轴伸出壳体的部分安装卡盘I，卡盘I一侧靠轴肩定位，再安装衬垫II、砂轮，砂轮一侧套在卡盘上，砂轮与卡盘轴选取相同的公称直径采用过渡配合的方式安装；砂轮另一侧再安装上衬垫I和卡盘II，最后用垫圈和螺母夹紧。

6.如权利要求5所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述主动齿轮轴两端安装深沟球轴承III和深沟球轴承IV，两个轴承均靠主动齿轮轴的轴肩和壳体实现定位。

7.如权利要求5所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述从动齿轮一侧靠轴的轴肩，另一侧安装轴套和深沟球轴承II，深沟球轴承II靠壳体定位，在轴靠近中心两侧安装圆锥滚子轴承II和圆锥滚子轴承I，一对圆锥滚子轴承采用反装的方式安装，并由壳体和轴肩进行定位。

8.如权利要求5所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述锥齿轮轴一侧安装套筒I和深沟球轴承I并由壳体对其定位，另一侧安装深沟球轴承V，靠轴肩和壳体定位，在壳体上嵌有密封圈。

9.如权利要求8所述的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，其特征是，所述深沟球轴承V的安装部位开槽，槽的直径小于深沟球轴承V的宽度，声发射传感器的直径小于槽的直径，声发射传感器安装在槽内，与深沟球轴承V的外瓦相接触，对深沟球轴承V的接触部位进行表面打磨去除氧化皮或油垢，并在与传感器接触表面涂抹耦合剂，填充接触面之间的微小空隙。

说明书

外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种医疗器械，具体的为一种外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置。

背景技术

[0002] 骨磨削时神经外科医生通常使用内窥镜扩大鼻内的方法通过鼻孔作为通道来治疗颅底患有癌症的病人。这种微创技术在不需要毁容的条件了提供了一个直接通向颅底肿瘤的通道。在切除脑瘤的过程中发现和切除病变肿瘤需要广泛的研磨环绕在视神经、海绵窦、三叉神经分支上的骨头来识别并保护这些主要神经。在磨削骨头的过程中会产生热并且有可能会损伤神经。这样的热损伤可以导致失明和失去颜面肌肉控制能力，由于缺少在骨磨削中热传递到神经的知识，所以对神经外科医生来说很担心的。高速(超过50000转每分)微型球头金刚石砂轮可用于这样的外科手术。在骨磨削中主要的冷却方式是用生理盐水冷却。在磨削中高速砂轮旋转的速度和受限的手术空间都一起限制了生理盐水冷却和润滑的有效性。这个来自骨磨削的热损伤毗邻神经是被神经外科医生公认的一个现象。手术中面部神经瘫痪在骨磨削中已经报道了高达3.6%。Abbas和Jones在一项尸体解剖研究中利用金刚石砂轮进行骨磨削实验，测量了面部神经温度，并且证实了神经热损伤。

[0003] 神经组织特别容易受到高温的影响。组织损伤的起始温度大约是43度。在头颈部手术中神经热损伤的事已经被报道过。神经外科医生目前不能确定骨磨削中在砂轮/骨界面产生的热量和转移到骨和相邻神经的热能有多少。

[0004] 目前外科颅骨磨削的器械为手持式磨削装置，手术时须凭借医师个人丰富的临床经验与手部感觉来判断磨削力及磨削温度，当磨削温度过高时，会调整砂轮转速，使磨削温度降低以保护周围组织免受伤害。若是经由缺乏丰富经验的医师执行时，稍有不慎有可能在外科颅骨磨削时温度超过周围组织的临界承受温度而伤及头骨下方的脑膜及神经组织。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，它控制的精确度高，通过监测骨磨削的声发射信号，来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的磨削温度，从而可有效避免对脑组织的热损伤。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，它包括壳体，壳体前端安装砂轮，砂轮通过传动装置与直流电机连接，在砂轮与壳体连接处设有声发射传感器，它通过导线与壳体内设置的信号分析处理模块连接，信号分析处理模块分别与反馈装置和显示及报警装置连接，直流电机通过反馈装置经控制开关与直流电源连接；信号分析处理模块接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速。

[0008] 所述声发射传感器包括：一个表面形状与安装面共轭的声匹配层，实现声发射信号最大限度地向传感器进行辐射；在声匹配层上开有环形槽，在其内安装环形永久磁体以与安装面固定，声匹配层与压电元件之间由粘结胶层进行粘结连接，压电元件上加背衬消除或减少透过压电元件的声波交界面反射再度返回压电元件形成次生压电效应，通过导线连接到接头上将电信号输出，声匹配层与外壳螺纹连接并将其内部元件固定，采用螺纹连接方式实现调节接头的方向方便接线。

[0009] 所述声发射传感器的外壳顶端安装一橡胶垫片。

[0010] 所述信号分析处理模块主要由滤波器，主放大器，信号采集器，信号分析器组成；其中前置放大器和滤波器用信号线连接，滤波器和主放大器相连，主放大器和信号采集器相连，信号采集器和信号分析器相连，信号分析器分别与反馈装置和显示及报警装置相连。

[0011] 所述信号分析处理模块根据声发射传感器输出的电压信号与骨表面温度成正比的关系，通过设定阈值判断骨磨削温度是否过高，当检测到的信号超过设定阈值时，通过馈装置控制直流电机的转速。

[0012] 所述传动装置包括两级传动：

[0013] 第一级为齿轮传动，包括一个主动齿轮和一个从动齿轮，两者啮合，其中主动齿轮安装在主动齿轮轴上，主动齿轮轴通过平键III与联轴器一端连接，联轴器另一端与直流电机主轴连接，直流电机安装在电机底座上；从动齿轮通过平键II安装在轴的一端上，轴的另一端安装套筒II；

[0014] 第二级锥齿轮传动，包括一对啮合的锥齿轮，其中一个锥齿轮通过套筒II与轴连接，锥齿轮另一侧设有止动螺母；另一个锥齿轮与锥齿轮轴连接，锥齿轮轴伸出壳体的部分安装卡盘I，卡盘I一侧靠轴肩定位，再安装衬垫II、砂轮，砂轮一侧套在卡盘上，砂轮与卡盘轴选取相同的公称直径采用过渡配合的方式安装；砂轮另一侧再安装上衬垫I和卡盘II，最后用垫圈和螺母夹紧。

[0015] 所述主动齿轮轴两端安装深沟球轴承III和深沟球轴承IV，两个轴承均靠主动齿轮轴的轴肩和壳体实现定位。

[0016] 所述从动齿轮一侧靠轴的轴肩，另一侧安装轴套和深沟球轴承II，深沟球轴承II靠壳体定位，在轴靠近中心两侧安装圆锥滚子轴承II和圆锥滚子轴承I，一对圆锥滚子轴承采用反装的方式安装，并由壳体和轴肩进行定位。

[0017] 所述锥齿轮轴一侧安装套筒I和深沟球轴承I并由壳体对其定位，另一侧安装深沟球轴承V，靠轴肩和壳体定位，在壳体上嵌有密封圈。

[0018] 所述深沟球轴承V的安装部位开槽，槽的直径小于深沟球轴承V的宽度，声发射传感器的直径小于槽的直径，声发射传感器安装在槽内，与深沟球轴承V的外瓦相接触，对深沟球轴承V的接触部位进行表面打磨去除氧化皮或油垢，并在与传感器接触表面涂抹耦合剂，填充接触面之间的微小空隙。

[0019] 本发明的有益效果是：砂轮磨削过程中产生的声发射信号，经信号采集器和信号分析器得出结果传递给反馈装置，反馈装置判断此结果是否超过设定的阈值，如果没有超过则直流电机正常工作；如果超过阈值，则反馈装置给出反馈信息调节输入到直流电机的电流，减小电流使直流电机转速降低，进而使砂轮转速降低，减少了砂轮对骨作用力，实现磨削表面温度的降低，实现在线检测磨削表面的温度并使其可以得到控制，以保护周围组织免受伤害。

附图说明

[0020] 图1为医用外科手术手持式磨削装置的剖视图；

[0021] 图2为声发射传感器安装位置放大图；

[0022] 图3为新型声发射传感器；

[0023] 图4为信号分析处理模块组成图；

[0024] 图5为声发射信号传递图；

[0025] 图6为声发射信号检测显示图；

[0026] 图7为声发射信号检测反馈图；

[0027] 其中，1-锥齿轮轴，2-套筒I，3-深沟球轴承I，4-止动螺母，5-平键I，6-锥齿轮，7-套筒II，8-圆锥滚子轴承I，9-轴，10-壳体，11-圆锥滚子轴承II，12-平键II，13-从动齿轮，14-轴套，15-深沟球轴承II，16-信号分析处理模块，17-显示及报警装置，18-反馈装置，19-控制开关，20-螺纹孔，21-电机底座，22-直流电机，23-联轴器，24-平键III，
25-深沟球轴承III，26-主动齿轮轴，27-深沟球轴承IV，28-前置放大器，29-橡胶垫片，
30-声发射传感器，31-砂轮，32-卡盘I，33衬垫I，34-垫圈，35-螺母，36-卡盘II，37-衬垫II，38-密封圈，39-深沟球轴承V，40-声匹配层，41-粘结胶层，42-压电元件，43-永久磁铁，44-背衬，45-接头，46-外壳，47-信号采集器，48-信号分析器，49滤波器，50-主放大器。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

[0029] 图1显示了带测温装置的医用手持式磨削装置的各个组成部分，其各个部分的传动与定位如下：其中壳体10由对称的上下两半构成，并由螺钉通过螺纹孔20连接固定，磨削装置外接直流电源，直流电源与控制开关19由导线连接，控制开关19与反馈装置18由导线连接，反馈装置18和直流电机22用导线连接，直流电机22固定在电机底座21上，直流电机22和主动齿轮轴26通过联轴器23连接，联轴器23一端通过销钉与直流电机主轴连接实现轴向定位，通过直流电机主轴与联轴器23凹凸配合实现周向传动，另一端通过平键III24与主动齿轮轴26连接实现周向定位，主动齿轮轴26在齿轮两端安装深沟球轴承III25和深沟球轴承IV27，两个轴承均靠主动齿轮轴26的轴肩和壳体10实现定位，主动齿轮轴26与从动齿轮13啮合，从动齿轮13安装在轴9上，与轴9通过平键II12周向定位，从动齿轮13一侧靠轴9的轴肩，另一侧安装轴套14和深沟球轴承II15，深沟球轴承II15靠壳体10定位，在轴9靠近中心两侧安装圆锥滚子轴承II11和圆锥滚子轴承I8，一对圆锥滚子轴承采用反装的方式安装，并由壳体10和轴肩进行定位，在轴9的另一端先安装套筒II7再安装锥齿轮6，安装锥齿轮6通过平键I5实现周向传动，锥齿轮6两侧分别靠套筒II7和止动螺母4轴向定位，锥齿轮6与锥齿轮轴1啮合传动，锥齿轮轴1一侧安装套筒I2和深沟球轴承I3并由壳体10对其定位，另一侧安装深沟球轴承V39，靠轴肩和壳体10定位，在壳体10上嵌有密封圈38起密封作用，锥齿轮轴1伸出壳体10的部分安装卡盘I32，卡盘I32一侧靠轴肩定位，再安装衬垫II37、砂轮31，砂轮31由衬垫II37限制了三个自由度包括一个移动副和两个转动副，砂轮31套在卡盘I32上，砂轮31与卡盘I32轴选取相同的公称直径采用过渡配合的方式安装，因此卡盘I32可以限制砂轮31三个自由度包括两个移动副和一个转动副，所以砂轮31完全定位，安装上衬垫I33和卡盘II36，最后用垫圈34和螺母35夹紧。

[0030] 如图2，安装部位局部放大图，在壳体10上深沟球轴承V39的安装部位开槽，槽的直径小于深沟球轴承V39的宽度，声发射传感器30的直径小于槽的直径，声发射传感器30安装在槽内，与深沟球轴承V39的外瓦相接触，对深沟球轴承V39的接触部位进行表面打磨去除氧化皮或油垢等，并在与传感器接触表面涂抹耦合剂，填充接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响声波的穿透起声耦合作用，通过其过渡作用减少声波能量在此界面的反射损失，还起润滑作用减少传感器与外瓦之间的摩擦，减小信号干扰，在声发射传感器30的顶端安装一橡胶垫片29，减小声发射传感器30的振动以及对声发射传感器30施加作用力使其与深沟球轴承V39外瓦良好接触，橡胶垫片29罩在声发射传感器30上实现对其定位。

[0031] 如图3，由于深沟球轴承V39外瓦形状为圆柱表面，为了与其实现良好的接触，所以针对接触表面的形状设计一个新的声发射传感器，由声匹配层40，压电元件42，永久磁铁43，背衬44，接头45和外壳46组成，由图可知，声匹配层40表面形状为内凹圆弧面与深沟球轴承39外瓦形状共轭，通过声匹配层40可以实现声发射信号最大限度地向传感器进行辐射，此外还对传感器起到保护的作用，在声匹配层40上开有环形槽，在其内安装环形永久磁铁目的是使传感器吸附在深沟球轴承V39的外瓦上，声匹配层40与压电元件42之间由粘结胶层41进行粘结连接，选择合适的粘结胶层41厚度能极大的改善声能透射，可将粘结胶层41看成声匹配层形成双匹配层，这样就扩大了材料的选择范围，压电元件42上加背衬44来消除或减少透过压电元件42的声波交界面反射再度返回压电元件42形成次生压电效应，能提高传感器的分辨率和信噪比，通过导线连接到接头45上将电信号输出，声匹配层40与外壳46通过螺纹进行连接并将其内部元件固定，由于接触表面形状的特殊性采用螺纹连接方式可以实现调节接头45的方向方便接线。

[0032] 在砂轮31磨削骨时，砂轮对骨有作用力使产生磨削温度同时产生声发射信号，砂轮磨削骨可以看成是一热流密度为q、长度为l的热源以恒定速度Vw在一半无穷大物体表面上运动时，设骨的热传导系数为λ，体积比热为cpρ，则骨表面的平均温度 为：

[0033]

[0034] 条件是L＝Vl/α＞20，α是热扩散率，α＝λ/cpρ；R为能量比例系数。

[0035] 热源强度q为：

[0036]

[0037] 式中：Ee为比磨削能；vw为工件速度；b为磨削宽度；a为磨削深度。

[0038]

[0039] 将式(3)代入式(2)中得：

[0040]

[0041] 将式(4)代入式(1)中得：

[0042]

[0043] 由式(5)可以看出，骨表面的平均温度与磨削力成正比，平均温度升高时骨受到的磨削力越大。

[0044] 当砂轮磨削时产生磨削力作用在骨上，骨由于磨削力的作用会快速释放能量产生瞬态弹性波，弹性波的幅值与力有关，当磨削力越大时产生的弹性波的幅值就越高，弹性波的振动曲线为：

[0045]

[0046] 式中：A为参数；w为零件的固有频率。

[0047] 弹性波在砂轮31，卡盘II37，锥齿轮轴1以及深沟球轴承V39各个零件的传递过程中会有衰减现象，衰减后的弹性波振动曲线为：

[0048]

[0049] 声发射信号以弹性波的形式通过砂轮31传递到卡盘I32，锥齿轮轴1，传递到深沟球轴承V39，最后传递到声发射传感器30，声发射传感器30产生电信号的大小和弹性波的强度有关，声发射信号经过声发射传感器30输出电压可表示为：

[0050] V＝g·f·l (8)

[0051] 式中：g为压电元件的压电常数；f为传感器所受应力大小；l为压电元件厚度。

[0052] 综述式(1)至式(8)可知，砂轮31作用的磨削力与骨表面温度成正比，声发射传感器30输出的电压信号与砂轮31的磨削力成正比，即声发射传感器30输出的电压信号与骨表面温度成正比。

[0053] 声发射传感器30输出电压后，需要经过前置放大器28进行信号放大，以便于信号远距离传输至信号分析处理模块16。

[0054] 如图4，信号分析处理模块16由滤波器49，主放大器50，信号采集器47，信号分析器48组成。其中前置放大器28和滤波器49用信号线连接，滤波器49和主放大器50相连，主放大器50和信号采集器47相连，信号采集器47和信号分析器48相连，信号分析器48分别与反馈装置18和显示及报警装置17相连。

[0055] 由图5可知，在磨削的过程中，声发射信号传递路线是骨反作用在砂轮31上，砂轮31传递给卡盘I32，卡盘I32传递给锥齿轮轴1，锥齿轮轴1传递给深沟球轴承V39，深沟球轴承V39传递给声发射传感器30，这样声发射传感器30就会接收到声发射信号，导致声发射传感器30产生电信号，这样声发射信号就被声发射传感器30转变为电信号。

[0056] 由图6可知，声发射传感器30接收到声发射信号产生电信号，由于电信号很微弱所以需要在靠近声发射传感器30的地方安置前置放大器28，电信号经前置放大器放大后进行传输，然后经过滤波器49进行滤波，排出背景噪音等，再经主放大器50放大电信号，放大到适合信号采集器47采集的范围，经过信号采集器47提取出声发射信号特征信息，经过信号分析器48处理得出最后结果并通过显示及报警装置17显示出来并给出提醒。

[0057] 由图7可知，砂轮31磨削时产生声发射信号经过信号采集器47提取信息，经过信号分析器48处理得出结果，输入到反馈装置18中判断是否满足反馈条件，对反馈装置设定一个阈值，当小于阈值时反馈装置18不给出反馈信号，直流电机22正常工作，当超过阈值时反馈装置18给出反馈信息，改变输入到直流电机22的电流，使电流减小直流电机22转速降低最终使砂轮31转速降低，即改变砂轮31的转速减小砂轮31对骨的作用力从而降低磨削表面的温度。

[0058] 本发明的工作过程如下：

[0059] 结合图1可知，接通电源，闭合控制开关19，反馈装置18判断无反馈信息即实现电源通过控制开关19给直流电机22供电，使直流电机22正常工作，直流电机22产生动力，通过直流电机主轴传递给联轴器23，通过平键III24的作用传递给主动齿轮轴26，主动齿轮轴26与从动齿轮13啮合传动，通过平键II12的作用，从动齿轮13将动力传递给轴9，通过平键I5的作用，轴9将动力传递给锥齿轮6，锥齿轮6通过啮合将动力传递给锥齿轮轴1，锥齿轮轴1传递给卡盘I32，卡盘II36及衬垫II37，衬垫I33，最终将动力传递给砂轮31，实现砂轮的旋转运动，结合图5可知，磨削过程中骨表面的声发射信号传递到砂轮31上，从砂轮31传递到卡盘I32，卡盘I32传递到锥齿轮轴1，锥齿轮轴1传递到深沟球轴承V39，深沟球轴承V39传递到声发射传感器30，结合图6，声发射传感器30检测到声发射信号产生微弱的电信号，经信号线传递到前置放大器28，经前置放大器28放大后进行传输，传输到滤波器49，经滤波器49排除背景噪音等传输到主放大器50，电信号经主放大器50放大到适合信号采集器47采集的范围，经信号采集器47和信号分析器48处理后得到结果经过显示及报警装置17显示出来，当显示结果超过设定的一个值时报警装置给出报警提示，结合图7可知，砂轮31磨削过程中产生的声发射信号，经信号采集器47和信号分析器48得出结果传递给反馈装置18，反馈装置18判断此结果是否超过设定的阈值，如果没有超过则不给出反馈信息，直流电机22正常工作，如果超过阈值，则反馈装置18给出反馈信息调节输入到直流电机22的电流，减小电流使直流电机22转速降低，进而使砂轮31转速降低，减少了砂轮31对骨作用力，实现磨削表面温度的降低，由此可以实现检测磨削表面的温度并使其可以得到控制，磨削完成后对骨表面进行消毒和清洁处理，将磨削设备进行消毒并妥善保管。