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1、华中科技大学 硕士学位论文 一种自停式颅骨钻的研究 姓名：田汉波 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：赵英俊 20070129 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘 要 摘 要 近年来，随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对医疗水平的要求也越 来越高，一些先进的控制技术也被广泛应用在医疗设备的设计与开发上。 头骨钻孔为脑部微创手术的重要步骤，现有钻孔设备均采用手动方式，钻孔设 备没有任何控制钻穿的装置，医生在钻孔过程中以手来感觉阻力的变化，进而调整 钻孔的进程来避免因过度进刀钻穿脑膜而对病人造成伤害。钻穿骨头后停止钻进完 全靠医生的经
2、验来实现。本研究设计开发了一种颅骨钻孔平台，在钻进过程中能够 自动进给，利用电钻直流电机的扭力与电流成正比的关系，测量电钻电流反馈信号 作为判断钻穿的依据，并结合一定的控制算法，实现钻穿头骨后自动停止进给、钻 头停止切削的功能。 在控制系统中以单片机为控制核心。对闭环运动控制系统推导出相关的动态数 学模型，并采用 MATLAB/SIMULINK 仿真，初步定出控制算法中的相关参数，减少 了实际调试的工作量。在控制法则中，提出了一种较为理想的控制策略，以减少复 杂的参数设定，使操作、控制更简便。 为测试所开发的钻孔设备的可行性，利用此钻孔平台对猪肩胛骨和三合板做了 一系列实验，结果证明电钻在钻穿
3、瞬间能够自动停止，且过冲量不超过 1mm。证明 了以电流检测的方式判断钻穿的方法有相当的可行性，也验证了本自动停钻机制具 有相当的稳定性与可靠性。 关键词关键词：颅骨钻孔 自动进给 自动停止 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract Nowadays, with the development of the science and technologies and the improvement of peoples standard of living, people make more and more demands of medic
4、al treatment level. Many advanced control technologies are used in the design and development of the medical equipment. Currently, bone-drilling tools used in surgery do not include any means for the control of penetration. When break-through is detected, the drilling will stop in order to prevent e
5、xcessive penetration of the drill bit. This thesis presents the development of a precision skull drilling machine. The drill is driven by a DC motor, whose current is proportional to the cutting torque. The current sense detects the feed back signal of current , we can depend on this to judge the pe
6、netration of the drill bit. A step motor controls the feed rate of the drill, and it stops feeding when the bone whose thickness is unknown is drilled through. In this paper, an uPSD SCM is used as the processor for the control system. A closed-loop velocity system is developed and the corresponding
7、 dynamical model of the control system is desired. The MATLAB/SIMULINK software package is used for system dynamics. This paper presents a preferable control strategy, so we can operate the machine more simple and convenient. To test the feasibility of the sensor-based power drill, a series of exper
8、iments was undertaken using a lot of materials with different structures. Experimental results show that the proposed drilling strategy is reliable and the bone extrusion of drill head can be maintained within 1mm. Keywords: cranial drilling, automatic feed, automatic stop 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指
9、导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于
10、（请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于： 1）华中科技大学科学研究基金(医工交叉)项目“脑微创手术图像引导系统 的研究与设计”。 2）武汉市科技攻关项目(20056002055)“数字化脑立体定向手术技术与装备 的研究与开发”。 1.2 课题背景课题背景 人脑是相当复杂且脆弱的，因此脑神经组织上覆盖一层具有弹性的脑膜，并以 厚硬的头骨包围保护整个脑组
11、织。然而当脑组织有病变的病人需进行脑部手术时， 必须钻穿厚硬的头骨才能进行医疗处理，医护人员必须非常小心谨慎的使用钻孔工 具以避免伤及脑组织而危及病人生命安全。所以开发简单而又安全的脑部手术钻孔 器材，对脑神经外科而言是一个重要的研究课题。华中科技大学同济医学院临床医 生不满意于目前的脑手术方法，由于人的头骨厚度不一，在钻穿头骨时现有钻孔器 都是由人工进给，并且全凭医生的经验去感觉头骨是否已被钻穿。具体过程为利用 手部的感觉感受钻孔时来自头骨的反作用力大小，作为控制钻头进给速度快慢或停 止的依据，当医生感觉到阻力增大时，便放慢进给速度减少作用在钻孔器上的力量； 感觉进给顺利时，即维持原进给速度
12、；当阻力突然变小或消失时，便即时停止进刀， 以确保病人脑部安全。 现有钻孔设备采用的是手动进给式的钻孔器，主要分为人工手摇钻孔器与手持 式电钻两种。而这两种手动进给的方式都是靠医生的经验，凭借医生利用钻穿头骨 时的突穿感和手感来判断是否已钻穿头骨，因此操作时注意力必须非常集中并且需 要依靠个人经验与技巧来从事这项工作。若医生缺乏经验或操刀时判断有误而没有 停止进给，或因钻头扭力不均匀、不足或插入力控制不当，造成头骨钻穿后没有及 时停止而钻穿脑膜，这些都将导致病人脑部组织破坏，造成二次伤害。另外，由于 医生钻孔时必须非常专注，使得钻孔花费的时间也较长，通常手动钻一个孔需一分 钟以上，尤其是女医生
13、因手力不够则花费的时间更长。因此有必要设计一种能自动 进给的并且能够自动判断钻穿的钻孔机构取代医生手动钻孔的工作，解决手动进给 的不足并有效缩短钻孔时间，以保证医生有充足的时间进行钻孔后的医疗处理工作。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 1.3 课题目的与意义课题目的与意义 本文针对现实需求研发一种既简单又安全，且能实现精密定位与自动进给的脑 部手术用模块化钻孔装置，该电钻能在单轴向自动进给并可在钻透对象瞬间前自动 停钻。本设备通过对电钻电流的反馈反映钻进过程的情况，以电流传感受器取代人 的神经感觉，并通过计算机精确控制，能仿真人手自动进给且能在钻透瞬
14、间停钻。 本研究的目的在于进一步改善此设备的停钻机制，除在过冲量方面能更稳定、可靠 外，同时尝试建立一种能自动因材料软硬不同而作不同停钻参数调整的停钻机制， 并最终能取代现有手动进给钻孔的方式，增加手术的安全性与可靠性。此外，头骨 钻孔的控制技术，也可应用至骨科的外科手术(如骨头的钻洞与骨钉长度的测知)及 心脏外科手术上(如胸骨的锯断)，避免钻穿骨头后因控制不当造成钻头绞住肌肉或 神经而造成伤害1。 作为脑部手术用钻孔器材，无论是传统的手动进给式，还是稍先进一点的机械 自动分离式，都必须依靠医生熟练的技术及经验，这些都制约了脑微创手术的应用。 因此本课题意义在于： (1)改善立体定向手术系统成
15、本较高的问题； (2)位置精确定位可大幅减轻医师临床手术时的压力； (3)能够自动钻穿停止使脑部钻孔手术更加安全高效，操作更加简单，同时大大 减少了在监测钻头位置期间对病人身体 X 光的使用； (当前的应用于神经外科 手术的电钻尚未包括任何控制钻穿的方式，依照外科医生的规范当钻孔完成 钻穿时，只有靠 X 光控制或外科医生人工方式来停止继续钻孔。因此，在钻 孔过程中 X 光放射被大规模用来辅助医生，这种方式大大地增加了医务人员 的风险。) (4) 能够与课题组现有的框架式立体定向手术系统2结合，通过框架式定位系统 做引导定位，位置固定后在头骨定位点用本钻孔装置做单轴向的自动进给钻 孔。 因此，脑
16、部钻孔自动化技术的开发除了可大幅缩短新进医师的培训时间外，对 病人手术后的康复及手术的安全性都有积极的帮助。国外研究一般用测量电钻轴向 力或电钻扭矩的变化来检测骨骼钻孔时穿越不同骨质的信号。国内在临床使用的电 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，故本研究开发的自 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。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 1.4 国内外研究概况与趋势国内外研究概况与趋势 随着经济的发展、生活条件的改善，人们对医疗的要求也越来越高，除了相关 医疗技术的研究发展外，医疗设备的设计开发也是一项非常重要的课题。特别是在 进行外科手术时，许多医疗行为需要利用机械器材的辅助，为保证手术的安全与精 确，机械的自动化、精密定位等技术都被广泛应用于医疗设备的开发上。脑部手术 更要注意病人安全，因此对使用的医学仪器的精密性要求更高。 脑部手术用自动钻孔平台设计中最为关键的功能，是自动进给、检测到骨骼钻 穿便立即停止的控
