專利名稱：采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療器械，具體的為一種采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆。
背景技術：
目前外科頭骨鉆孔的器械為手持式電動鉆,手持式電動鉆的操作方式為由醫師徒手扶持電鉆來控制鉆孔方向與進給量。電鉆設計有一組安全裝置，動力源通過離合器與鉆頭相連接，當鉆頭承受壓力會使鉆頭通過離合器與動力源相連，帶動鉆頭運轉以進行骨鉆孔操作；當鉆頭鉆穿頭骨時，因不再承受頭骨的反作用力會使鉆頭與動力源分離，使電鉆停止運轉。然而這些方法均須憑借醫師個人豐富的臨床經驗與手部感覺來判斷骨鉆孔的過程中是否已穿越頭骨，并手動迅速停止；若是經由缺乏豐富經驗的醫師執行時，即使有上述特殊安全裝置的電鉆，稍有不慎也有可能在穿越頭骨的同時傷及頭骨下方的腦膜及神經組織。此外采用徒手方式鉆孔，亦可能因為手臂力量不足導致鉆孔過程產生震動，影響鉆孔過程的安全性、準確性與舒適性。為了增加外科骨鉆孔過程中的安全性和準確性，“一種智能骨鉆及其控制方法”(中國專利號為2009101036423)發明專利公開了在骨鉆電機上設置有應變式扭矩傳感器、轉速傳感器或壓力傳感器的任意一種、兩種或三種傳感器件；在骨鉆電機上還設置有嵌入式智能測控模塊接收傳感器采集的感應信號并進行判斷，控制骨鉆電機。但這種方法是在骨鉆電機的基體上設置轉速傳感器、扭矩傳感器以及壓力傳感器對鉆頭轉速、扭矩和壓力進行實時測量。顯然這種測量方法的精度和準確性不能保證要求，因為骨鉆電機的基體上受各種信號及其復雜，信號的采集和處理精度和準確性很難得到保證，再加上從鉆頭的受力點到動力源電機，傳動鏈比較長，測試的精度和準確性也不能滿足要求。

發明內容
本發明的目的就是為解決上述問題，提供一種采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，它控制的精確度高，可有效避免對腦組織的損傷。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，它包括鉆體和鉆頭，所述鉆體包括機殼，在機殼內設有直流電機，直流電機與智能集成控制系統和直流電源連接，直流電機的輸出軸與齒輪傳動裝置連接，齒輪傳動裝置通過傳動軸與鉆頭夾頭連接，鉆頭安裝在鉆頭夾頭上；在鉆頭夾頭與傳動軸的連接處設有推力軸承，推力軸承緊貼變形元件，變形元件緊靠在機殼上，變形元件用彈性元件定位，電阻應變片粘貼在變形元件內表面，電阻應變片還與智能集成控制系統連接，鉆頭夾頭與機殼間則設有密封裝置；所述鉆頭為一根頭端帶有圓錐的圓柱桿，在圓錐及圓柱桿工作部分表面上布置安裝磨粒。所述鉆頭為不銹鋼制成，圓柱桿末端為鉆柄部分，采用直柄結構；圓錐的頂角 范圍為90°-120°，直徑為Cl1 ;鉆頭釬焊磨粒后的平均直徑在2mm-10mm ;磨粒之間的行距H1和列距Ill范圍在2— 3倍的磨粒粒徑之間。所述智能集成控制系統包括單片機，單片機通過開關控制電路與直流電機和控制開關連接；同時單片機還依次與A/D轉換器、信號采集器、放大器、濾波器、電橋電路連接，電橋電路與電阻應變片連接；信號采集器對測量的電壓信號進行采集，然后經A/D轉換器轉換成數字量輸入到單片機中，判斷是否滿足自停條件鉆頭在鉆穿骨頭瞬間軸向力會突然下降，并且以后的軸向力會很小并基本保持不變，所以判斷鉆穿的依據就是所采集到的電壓信號的斜率小于一個設定好的很小的值并基本保持不變，此時單片機即判斷滿足自停條件，即會發出信號切斷開關控制電路，從而實現自停功能；同時，單片機根據信號采集裝置采集的電壓信號判斷軸向力是否過大，判斷軸向力過大的依據是所采集的電壓信號大于某個設定好的值，這時單片機即判斷此時軸向力過大。
所述齒輪傳動裝置包括一個與直流電機輸出軸通過凹凸槽連接的主動齒輪軸，主動齒輪軸兩端分別與深溝球軸承I和深溝球軸承II連接進行定位，并且兩個軸承均靠軸肩和機殼實現定位；主動齒輪軸與從動齒輪嚙合，從動齒輪通過平鍵與從動軸連接，從動齒輪靠軸肩和軸套I實現軸向定位，從動軸兩端對稱安裝有深溝球軸承III和深溝球軸承IV，深溝球軸承III用止動螺母I1、軸肩和機殼來定位，深溝球軸承IV用軸套1、止動螺母I和機殼定位；從動軸和傳動軸通過凹凸槽相連。所述傳動軸設有軸套II，從動軸兩端分別安裝在深溝球軸承V和深溝球軸承VI上。所述密封裝置為嵌在機殼上的密封圈。本發明提供一種采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆及其鉆頭，在鉆孔的過程中，軸向力傳遞路線是骨頭作用在鉆頭上，鉆頭傳遞給鉆頭夾頭，鉆頭夾頭傳遞給傳動軸，傳動軸傳傳遞給推力軸承，推力軸承傳遞給變形元件，這樣就引起變形元件發生形變，導致電阻應變片的形變，這樣軸向力大小就轉化為電阻應變片形變量的大小。電阻應變片的形變會使其電阻值發生改變，經過電橋電路后轉換為微小的電壓值，然后經濾波器進行濾波，排出干擾信號后，再經放大器放大、信號采集器采集信號以及A/D轉換器轉換后即可被單片機識別，對工況進行判斷。在鉆孔時，可能由于骨頭碎片的塑性變形和鉆頭與骨頭間的摩擦力而造成溫度升高。骨鉆孔過程中可能會引發骨壞死，鉆孔鄰近區域的骨細胞由于鉆孔溫度超過50°C臨界值時會導致永久性死亡。為了降低鉆孔溫度，鉆孔過程盡可能快已防止熱量傳入到骨鄰近組織中。通過增加軸向力可以使鉆孔速度提高。然而，軸向力過大，可能引起病人的進一步骨折和鉆削溫度的提高。通過改變鉆孔參數來調整軸向力和鉆孔溫度顯然不能從根本上解決問題。本發明采用在骨鉆基體表面上釬焊金剛石，并實現金剛石磨粒的可控有序排布。磨粒的裸露高度可達70 %-80 %，因此相當于用金剛石磨粒代理骨鉆的切削刃完成鉆孔操作，因此可大大降低鉆削力，從而降低鉆削溫度。本發明的有益效果是在骨鉆傳動軸的前軸承即推力軸承上設置有變形元件和電阻應變片，從而監測鉆削過程中的鉆削力，由于前軸承直接在鉆頭受力點附近，信號的監測和傳輸比較準確，精度高，可有效防止軸向力過大或骨鉆穿時對骨組織的傷害；骨鉆鉆頭的頂尖為圓錐形狀，能夠實現準確的定位；在骨鉆鉆頭基體表面上釬焊金剛石，并實現金剛石磨粒的可控有序排布，將磨粒的行距和列距控制在2— 3倍磨粒粒徑之間，這種可控排布不僅延長了刀具壽命和鉆孔表面質量，而且提高了加工效率，縮短了鉆孔時間，從而降低了鉆孔過程的溫升；金剛石磨粒的裸露高度可達70 %-80 %，保證鉆頭有足夠的容屑空間，及時排除切屑，帶走產生的熱量，降低鉆削溫度；這種用金剛石磨粒代替骨鉆鉆頭的切削刃完成鉆孔操作，可大大降低鉆削力，從而降低鉆削溫度。


圖1為外科骨鉆孔自停降溫電鉆的剖視圖；圖2為智能集成控制系統部件；圖3為軸向力傳遞框圖；圖4為軸向力檢測控制框圖；圖5為鉆穿自停功能控制框圖；圖6為軸向力過大控制框圖；圖7為骨鉆孔鉆頭；圖7a為A-A向剖視圖；圖7b為圖7a的局部放大圖；圖7c為鉆頭圓錐結構圖。其中，1-直流電源，2-控制開關，3-主動齒輪軸，4-機殼，5-直流電機，6_從動軸，7-智能集成控制系統，8-平鍵，9-從動齒輪，10-軸套I，11-軸套II，12-止動螺母I，13-傳動軸，14-電阻應變片，15-彈性元件，16-變形元件，17-推力軸承，18-密封圈，19-鉆頭夾頭，20-鉆頭，21-深溝球軸承I，22-深溝球軸承II，23-深溝球軸承III，24-深溝球軸承IV，25-深溝球軸承V，26-深溝球軸承VI，27-止動螺母II，28-止動螺母III，29-直流電機底座，30-直流電源底蓋，31-螺紋孔，32-電橋電路，33-濾波器，34-放大器，35-信號采集器，36-A/D轉換器，37-單片機，38-開關控制電路。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。圖1顯示了外科骨鉆孔自停降溫電鉆的各組成部分，其中機殼4由對稱的上下兩半構成，并由螺釘通過螺紋孔31相固定。直流電源I與控制開關2用導線相連，結合圖2可知，控制開關2和智能集成控制系統7中的開關控制電路38用導線相連，開關控制電路38和直流電機5用導線連接。直流電機5固定在直流電機底座29上。直流電機5和主動齒輪軸3通過凹凸槽相連，主動齒輪軸3安裝在深溝球軸承I 21和深溝球軸承II 22上來實現定位，并且兩個軸承均靠軸肩和機殼4實現定位，主動齒輪軸3和從動齒輪9相嚙合，從動齒輪9通過平鍵8和從動軸6相配合。從動齒輪9靠軸肩和軸套I 10實現軸向定位，從動軸6兩端對稱安裝有深溝球軸承III 23和深溝球軸承IV 24，深溝球軸承III 23用止動螺母II 27、軸肩和機殼4來定位，深溝球軸承IV 24用軸套I 10、止動螺母I和機殼4定位。從動軸6和傳動軸13凹凸槽相連，傳動軸6兩端安裝有深溝球軸承V 25和深溝球軸承VI 26來實現定位，深溝球軸承V 25依靠止動螺母III 28、軸套II 11和機殼4定位，深溝球軸承VI 26用軸肩、軸套II 11和機殼4定位。傳動軸13的另一端的軸肩處安裝有一推力軸承17，推力軸承17緊貼變形元件16，變形元件16另一端緊靠在機殼4上，變形元件16用彈性元件15定位，電阻應變片14粘貼在變形元件16內表面。結合圖2可得，電阻應變片14與智能集成控制系統7中的電橋電路用導線相連。鉆頭夾頭19固定在傳動軸末端，鉆頭夾頭19用來夾緊鉆頭20。密封圈18嵌在機殼中起密封作用，直流電源底蓋30緊扣在機殼4上。由圖2可知，智能集成控制系統7由電橋電路32，濾波器33，放大器34，信號采集器35，A/D轉換器36，單片機37，開關控制電路38集合而成。其中，電阻應變片14和電橋電路32用導線相連，電橋電路32和濾波器33連通，濾波器33和放大器34相連，放大器34和信號采集器35相連，信號采集器35和A/D轉換器36相連，A/D轉換器36和單片機37相連，單片機37和和開關控制電路38相連，開關控制電路38分別和直流電機5和控制開關2用導線相連。由圖3可得，在鉆孔的過程中，軸向力傳遞路線是骨頭作用在鉆頭20上，鉆頭20傳遞給鉆頭夾頭19，鉆頭夾頭19傳遞給傳動軸13，傳動軸傳13傳遞給推力軸承17，推力軸 承17傳遞給變形元件16，這樣就引起變形元件16發生形變，導致電阻應變片14的形變，這樣軸向力大小就轉化為電阻應變片14形變量的大小。由圖4可得電阻應變片14的形變會使其電阻值發生改變，經過電橋電路32后轉換為微小的電壓值，然后經濾波器33進行濾波，排出干擾信號后，再經放大器34放大、信號采集器35采集信號以及A/D轉換器36轉換后即可被單片機37識別，對工況進行判斷。由圖5可知，電鉆工作中，信號采集器對測量的電壓信號進行采集，然后經A/D轉換器36轉換成數字量輸入到單片機37中判斷是否滿足自停條件，如果滿足自停條件，那么單片機37會發送指令使開關控制電路38斷路，實現自停功能。因為鉆頭在鉆穿骨頭瞬間軸向力會突然下降，并且以后的軸向力會很小并基本保持不變，所以判斷鉆穿的依據就是所采集到的電壓信號的斜率小于一個設定好的很小的值并基本保持不變，此時單片機37即判斷滿足自停條件，即會發出信號切斷開關控制電路38，從而實現自停功能。由圖6可知，采集到的電壓信號經A/D轉換器36轉換后被單片機37接收，單片機37如果判斷此時軸向力過大，單片機就會向開關控制電路38發出指令，減小電流，從而將軸向力控制在正常范圍內。判斷軸向力過大的依據是所采集的電壓信號大于某個設定好的值，這時單片機37即判斷此時軸向力過大。圖7、圖7a_7c所示，鉆頭的總長L1,工作部分的長度I1,其制作過程是在一根頭端帶有圓錐的圓柱桿基體表面上進行釬焊金剛石，并實現金剛石的可控排布，這樣不僅延長了刀具壽命和鉆孔表面質量，而且提高了加工效率，縮短了鉆孔時間，從而降低了鉆孔過程的溫升。基體材料選用不銹鋼，圓柱桿末端為鉆柄部分，采用直柄結構，其圓錐的頂角范圍為90° —120°，其基體直徑為屯。鉆頭制作過程中，根據需要的不同，可選用20#—80#多種磨粒粒度。采用釬焊的加工方法所能達到的單顆磨粒的裸露高度htl占整顆磨粒高度的70 % —80 %，金剛石磨粒的裸露高度可達70 % —80 %，并將磨粒的行距和列距控制在2— 3倍磨粒粒徑之間，保證鉆頭有足夠的容屑空間，及時排除切屑，帶走產生的熱量，降低溫升。根據所采用的基體直徑Cl1和單顆磨粒的裸露高度htl，鉆頭釬焊磨粒后可將鉆頭的平均直徑D1范圍確定在2mm—10mm。本發明的工作過程如下結合圖1可知，首先將鉆頭20安裝在鉆頭夾頭19上，然后閉合控制開關2，智能集成控制系統7判斷符合通路條件即實現直流電源I通過開關控制電路38給直流電機5供電，直流電機產生動力，電機產生的動力通過電機主軸傳遞給主動齒輪軸3，主動齒輪3通過齒輪的嚙合將動力傳動給從動齒輪9，通過平鍵8的連接作用，從動齒輪9將動力傳遞給從動軸6，從動軸6再將動力傳遞給傳動軸13，傳動軸13將動力傳遞給鉆頭夾頭19，鉆頭夾頭19最終將動力傳遞給鉆頭20，這樣就實現了鉆孔運動。結合圖3可得，鉆孔的過程中骨頭的反作用力作用在鉆頭20上，鉆頭20傳遞給鉆頭夾頭19，鉆頭夾頭19傳遞給傳動軸13，傳動軸傳13傳遞給推力軸承17，推力軸承17傳遞給變形元件16，這樣就引起變形元件16發生形變，導致電阻應變片14的形變，這樣軸向力大小就轉化為電阻應變片14形變量的大小。結合圖4可得電阻應變片14的形變會使其電阻值發生改變，經過電橋電路32后轉換為微小的電壓值，然后經濾波器33進行濾波，排出干擾信號后，再經放大器34放大、信號采集器35采集信號及A/D轉換器36轉換后即可被單片機37識別，并對工況進行判斷。鉆孔過程中智能控制系統7能夠實現軸向力監控和鉆穿自停兩種功能。由圖5可知，電鉆工作中，信號采集器35對電壓信號進行采集，然后經A/D轉換器36轉換成數字量輸入到單片 機37中，判斷是否滿足自停條件，如果滿足自停條件，那么單片機37會發送指令使開關控制電路38斷路，實現自停功能。結合圖6可知，采集到的電壓信號經A/D轉換器36轉換后被單片機37接收，單片機37如果判斷此時軸向力過大，就會向開關控制電路38發出指令，減小電流，從而將軸向力控制在正常范圍內。鉆孔完成后將鉆頭20卸下，對設備進行消毒并妥善保管。
權利要求
1.一種采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，它包括鉆體和鉆頭，其特征是，所述鉆體包括機殼，在機殼內設有直流電機，直流電機與智能集成控制系統和直流電源連接，直流電機的輸出軸與齒輪傳動裝置連接，齒輪傳動裝置通過傳動軸與鉆頭夾頭連接，鉆頭安裝在鉆頭夾頭上；在鉆頭夾頭與傳動軸的連接處設有推力軸承，推力軸承緊貼變形元件，變形元件緊靠在機殼上，變形元件用彈性元件定位，電阻應變片粘貼在變形元件內表面，電阻應變片還與智能集成控制系統連接，鉆頭夾頭與機殼間則設有密封裝置；所述鉆頭為一根頭端帶有圓錐的圓柱桿，在圓錐及圓柱桿工作部分表面上布置安裝磨粒。
2.如權利要求1所述的采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，其特征是，所述鉆頭為不銹鋼制成，圓柱桿末端為鉆柄部分，采用直柄結構；圓錐的頂角^P1范圍為90° — 120°，直徑為屯；鉆頭釬焊磨粒后的平均直徑在磨粒之間的行距氏和列距匕范圍在2— 3倍的磨粒粒徑之間。
3.如權利要求1所述的采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，其特征是，所述智能集成控制系統包括單片機，單片機通過開關控制電路與直流電機和控制開關連接；同時單片機還依次與A/D轉換器、信號采集器、放大器、濾波器、電橋電路連接，電橋電路與電阻應變片連接；信號采集器對測量的電壓信號進行采集，然后經A/D轉換器轉換成數字量輸入到單片機中，判斷是否滿足自停條件鉆頭在鉆穿骨頭瞬間軸向力會突然下降，并且以后的軸向力會很小并基本保持不變，所以判斷鉆穿的依據就是所采集到的電壓信號的斜率小于一個設定好的很小的值并基本保持不變，此時單片機即判斷滿足自停條件，即會發出信號切斷開關控制電路，從而實現自停功能；同時，單片機根據信號采集裝置采集的電壓信號判斷軸向力是否過大，判斷軸向力過大的依據是所采集的電壓信號大于某個設定好的值，這時單片機即判斷此時軸向力過大。
4.如權利要求1所述的采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，其特征是，所述齒輪傳動裝置包括一個與直流電機輸出軸通過凹凸槽連接的主動齒輪軸，主動齒輪軸兩端分別與深溝球軸承I和深溝球軸承II連接進行定位，并且兩個軸承均靠軸肩和機殼實現定位； 主動齒輪軸與從動齒輪嚙合，從動齒輪通過平鍵與從動軸連接，從動齒輪靠軸肩和軸套I 實現軸向定位，從動軸兩端對稱安裝有深溝球軸承III和深溝球軸承IV，深溝球軸承III用止動螺母I1、軸肩和機殼來定位，深溝球軸承IV用軸套1、止動螺母I和機殼定位；從動軸和傳動軸通過凹凸槽相連。
5.如權利要求1所述的采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，其特征是，所述傳動軸設有軸套II，從動軸兩端分別安裝在深溝球軸承V和深溝球軸承VI上。
6.如權利要求1所述的采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，其特征是，所述密封裝置為嵌在機殼上的密封圈。
全文摘要
本發明涉及一種采用磨粒鉆頭的軸向力可控的外科骨鉆，它控制的精確度高，可有效避免對腦組織的損傷。它包括鉆體和鉆頭，所述鉆體包括機殼，在機殼內設有直流電機，直流電機與智能集成控制系統和直流電源連接，直流電機的輸出軸與齒輪傳動裝置連接，齒輪傳動裝置通過傳動軸與鉆頭夾頭連接，鉆頭安裝在鉆頭夾頭上；在鉆頭夾頭與傳動軸的連接處設有推力軸承，推力軸承緊貼變形元件，變形元件緊靠在機殼上，變形元件用彈性元件定位，電阻應變片粘貼在變形元件內表面，電阻應變片還與智能集成控制系統連接，鉆頭夾頭與機殼間則設有密封裝置；所述鉆頭為一根帶有圓錐的圓柱桿，在圓錐及圓柱桿工作部分表面上布置安裝磨粒。
文檔編號A61B17/16GK103006289SQ201310011010
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月12日 優先權日2013年1月12日
發明者李長河, 馬宏亮 申請人:青島理工大學