智能化耳科手術電鉆的初步研究.pdf

1、研究背景和目的
　　 耳科手術中高速旋轉的電鉆鉆頭很容易碰到正常組織而造成副損傷，如何減少甚至避免電鉆造成的副損傷，一直是有待解決的問題。一些學者嘗試用導航或手術機器人的方法來控制電鉆的運行，目前大多處于實驗室階段。
　　 由實際耳科手術經驗可知，當術中出現(xiàn)鉆頭打滑，磨穿骨質、棉片纏繞等異常情況時容易造成正常組織結構的損傷。在對鉆頭受力分析的基礎上，結合多傳感器信息融合、微弱信號檢測等相關技術，我們對正常磨削（包括正常離

2、開）、鉆頭打滑、磨穿骨質，棉片纏繞等各種情況下鉆頭受力的變化情況進行分析，探索其規(guī)律，并利用該規(guī)律對電鉆的運行狀態(tài)進行實時識別，最終實現(xiàn)耳科手術電鉆的智能化控制。
　　 近年來，多傳感器信息融合技術和微弱信號檢測技術的快速發(fā)展和廣泛應用為本課題的成功實施提供了較強的技術背景。
　　 材料與方法
　　 基于耳科手術電鉆運行時鉆頭的受力分析，首先對第一臺耳科手術電鉆進行改裝并合理布置了多維力傳感器、電流傳感器、電壓傳

3、感器和轉速傳感器，采用單一條件（同一操作者、最大電壓和3mm切割鉆頭），在新鮮豬肩胛骨上模擬進行正常磨削（包括正常離開）、鉆頭打滑，磨穿骨質，棉片纏繞等四種情況各1000次，采集傳感器信號，分析其規(guī)律性，并提取出各種異常情況下的特征信號；設計合適的多傳感器信息融合系統(tǒng)識別電鉆的運行狀態(tài)，統(tǒng)計識別率，并設計停機程序使電鉆在出現(xiàn)異常運行狀態(tài)時自動快速地停止磨削。
　　 然后對第二臺耳科手術電鉆進行改裝并安裝了多維力傳感器、電流傳感器

4、和電壓傳感器，采用復雜條件（最大電壓，10名不同的操作者，直徑2.5mm、4mm、5.9mm的切割鉆頭和直徑4.2mm的金剛石鉆頭）下，在尸頭顳骨上，每名操作者應用每種鉆頭模擬進行正常磨削（包括正常離開）、鉆頭打滑、磨穿骨質、棉片纏繞等四種情況各100次，采集傳感器信號進行分析，應用多傳感器信息融合系統(tǒng)識別電鉆的運行狀態(tài)，統(tǒng)計識別率。
　　 結果：
　　 單一條件下，在正常磨削（包括正常離開）、鉆頭打滑，磨穿骨質、棉片纏

5、繞等每種情況下，各傳感器信號變化的趨勢和過程大部分是一致的，可重復性強，有較強的規(guī)律性，能夠提取出異常情況（包括鉆頭打滑、磨穿骨質和棉片纏繞）發(fā)生初期的特征信號；運用我們設計的BP神經網(wǎng)絡，對正常磨削（包括正常離開）、鉆頭打滑、磨穿骨質、棉片纏繞的識別率分別為82.2％、75.6％、71.6％和70.2％；當融合系統(tǒng)識別出電鉆出現(xiàn)異常情況時，自動停機程序反應快速準確，能在0.2～0.3秒之內使電鉆停止磨削。
　　 復雜條件下，各

6、傳感器信號變化的趨勢和過程大部分一致，可重復性較強，有較強的規(guī)律性，與單一條件下的結果相似；我們設計的BP神經網(wǎng)絡對復雜情況下正常磨削（包括正常離開）、鉆頭打滑、磨穿骨質，棉片纏繞的平均識別率分別為81.3％、72.625％、68.575％和70.5％。
　　 結論：
　　 本實驗利用多種傳感器對各種情況下鉆頭受力變化過程進行分析，發(fā)現(xiàn)在正常磨削（包括正常離開）、鉆頭打滑、磨穿骨質、棉片纏繞等四種情況發(fā)生過程中，鉆頭的受