CN112040369B - 能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列*** - Google Patents

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Abstract

能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，包括两个固定导轨，固定导轨上安装的N个滑动导轨组件，各滑动导轨组件上各安装有M个滑动麦克风组件，各滑动麦克风组件上的麦克风分别通过通讯总线与处理器连接，处理器通过控制器和控制总线对各滑动导轨组件和各滑动麦克风组件进行位置控制；相邻麦克风之间的间距根据实际铣削声由处理器通过控制器进行自动调节，并可以在铣削实验校准后监控骨铣削深度。本发明能够实时采集骨组织铣削过程中的铣削声信号，根据信号自动调整麦克风阵列间距，可在手术视野受限时使用，实现骨铣削深度监控，从而提高骨铣削时的安全性。

Description

能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***
技术领域
本发明属于手术辅助器械技术领域，具体涉及一种能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***。
背景技术
骨外科手术中，医生常需要手持刀具，使用其高速旋转的表面毛刺，对骨组织进行铣削操作。医生手持刀具实施骨铣削时存在一定风险。例如，在椎板铣削减压手术中：(1)铣刀的旋转频率高，铣削位置和深度不易控制，高速旋转时容易卷刮硬脊膜或其他软组织；(2)铣刀在铣削时，需要被施加轴向应力，而很多老年患者的骨组织往往有硬化和增生，使得铣削时需要的应力较大，若铣刀在铣削骨面时发生打滑现象，容易伤害到患者的神经根、血管或其他软组织。
机器人的进步和发展，使得其被广泛运用于各种行业。在医疗方面，机器人能够提高众多手术的可行性、成功率以及安全性。使用安装手术铣刀的机器人实施骨铣削为降低人工手术的风险提供了可能。手术机器人实施骨铣削时，不会发生铣削打滑现象，但要求刀具始终能保持在一个较为稳定、安全的铣削深度。刀具接触骨骼时，肌肉韧带对骨骼的牵引作用可能导致骨骼位移，使得沿规划轨迹运动的刀具切入或切出骨骼。铣削力造成的骨骼振动和形变、手术空间狭小等原因，使得铣刀和骨骼接触区域的铣削深度难以使用距离测量装置等实时测量，给手术机器人的铣削深度控制造成很大困难。
目前，对手术机器人实施骨铣削时的铣削状态进行的监测和控制，依赖于各类传感器对刀具骨面接触状态的感知和反馈。这些传感器主要包括力/力矩传感器、加速度计、激光位移传感器、阻抗测量仪和麦克风等。力/力矩传感器、加速度计、阻抗分析仪等的接触式测量方式对信号影响较大，需要改装机器人手臂，设计特定的夹持装置，信噪比较低。激光位移传感器可以非接触式采集振动信号，但在实际应用中，很难定位到合适的邻近组织上，反射光也可能被某些组织或手术工具阻挡，导致测量不准确。基于铣削声监测骨铣削深度的优点主要包括：(1)麦克风价格便宜；(2)安装位置精度要求低，不需要改装机器人构型；(3)非接触式测量使得信号采集不依赖特定夹持装置；(4)采集时不影响手术过程。然而在实际手术环境中，不可避免的有一定环境噪声(如医学监视仪器的各种声音)，可能会对基于铣削声实现铣削深度监控产生影响，需要基于麦克风阵列对铣削声进行采集和预处理。然而，目前还没有专门用于实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***。
发明内容
本发明的目的是解决骨科机器人在术野受限时的铣削深度监控问题，提供一种能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列，以便根据手术工具主轴旋转频率的变化调整麦克风之间的间距对铣削声直接进行LCMV定向录音，从而根据铣削声的相应频率范围内的能量大小实现对骨铣削深度的监控。
本发明的技术方案如下
能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，***包括两个固定导轨，固定导轨上安装的N个滑动导轨组件，各滑动导轨组件上各安装有M个滑动麦克风组件，各滑动麦克风组件上的麦克风分别通过通讯总线与处理器连接，处理器通过控制器和控制总线对各滑动导轨组件和各滑动麦克风组件进行位置控制；相邻麦克风之间的间距均为等间距d，并可根据实际铣削声由处理器计算d值，通过控制器进行自动调节；***在铣削实验校准后监控骨铣削深度。各麦克风采集的铣削声信号送入处理器，由处理器对声信号进行快速傅里叶变换处理得到骨铣削时的实际手术工具主轴旋转频率，并计算出期望的间距后送入控制器，控制器根据期望的间距调整滑动导轨组件之间的间距和滑动麦克风组件之间的间距，完成以后将调节成功信号返回处理器，处理器收到调节成功信号后根据铣削声的相应频率合适频带宽度范围内的能量，在人工骨材料的铣削实验校准后，输出当前的骨铣削深度值。
所述的固定导轨是一个长方体结构，固定导轨的上表面中间开有一个供滑动导轨组件移动的滑槽，左右两侧各开有一个与滑动导轨组件进行装配的凹槽。
所述的滑动导轨组件包括两端的第一滑座和第一滑座之间固定的滑动导轨，第一滑座底部与固定导轨同向开有一个凹槽，凹槽下端两侧呈L型并分别与固定导轨两侧的一个凹槽进行装配，第一滑座底部的凹槽内安装有第一电机和第一滑轮，第一滑轮置于固定导轨上表面中间开设的滑槽内，第一滑座的侧壁开有供与第一电机连接的线缆通过的通孔，所述第一电机通过线缆与控制器连接；所述滑动导轨的结构形状与固定导轨的结构形状相同，且在导轨上表面中间的滑槽一侧增开一个供麦克风通讯线穿过的通道。
所述的滑动麦克风组件包括安装在滑动导轨组件上并与其中的滑动导轨装配的第二滑座，第二滑座的结构形状与第一滑座的结构形状相同，第二滑座底部的凹槽内安装有第二电机和第二滑轮，第二滑座的侧壁开有供与第二电机连接的控制总线通过的通孔，所述第二电机通过控制总线与控制器连接，第二滑轮置于滑动导轨上表面中间开设的滑槽内；第二滑座的上表面开孔，开孔位置与滑动导轨上表面开设的供麦克风通讯线穿过的通道对应，第二滑座的上表面各安装有一个麦克风，麦克风的连接线先后经过开孔及通道与处理器连接。
所述的控制器接受处理器发送的期望的相邻麦克风等间距信息d，控制每个滑动导轨组件和滑动麦克风组件的位置并向处理器发送间距调节成功信号。
所述的处理器，调节各麦克风之间的间距之前负责对M×N个麦克风的铣削声分别进行快速傅里叶变换和最大值搜索，获得当前骨铣削时的手术工具主轴旋转频率
Figure GDA0003550677380000031
根据波长计算公式λ＝v/f，v为声速，计算期望的麦克风等间距d＝λ/2并发送给控制器；在控制器调节间距成功后，处理器可对当前的M×N个麦克风的铣削声信号直接安装进行LCMV空间滤波s(n)＝[w1,w2,w3,...wM×N]T[s1(n),s2(n),s3(n),...,sM×N(n)]，实现定向录音得到定向录音的铣削声信号s(n)，其中，[w1,w2,w3,...wM×N]为LCMV的滤波器系数，是由麦克风阵列和骨铣削部位的空间位置唯一确定，n为采样点的个数，等于麦克风采样频率(Hz)和采样时间(s)的乘积；对s(n)再进行快速傅里叶变换，并将(f±a)Hz范围内的所有系数相加得到铣削声的相应频率范围内的幅度值E，a为工程人员根据实际情况所选取的频带宽度；在人工骨材料的铣削实验校准，铣削深度分别为空转、0.1mm，0.2mm、0.3mm、0.4mm，0.5mm时的铣削声信号的(f±a)Hz范围内的幅度值E分别为E0，E1，E2，E3，E4和E5，基于最小二乘法拟合曲线E＝kx+E0，其中k是当前实际监控条件下的比例系数，E0是空转时的铣削声信号的(f±a)Hz范围内的幅度值E，输出铣削深度x＝(E-E0)/k。
本发明的优点和积极效果：
本发明能够实时采集骨组织铣削过程中的铣削声信号，根据信号自动调整麦克风阵列间距，可在手术视野受限时使用，实现骨铣削深度监控，从而提高骨铣削时的安全性。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的***框图；
图2为本发明的一个实施例的麦克风阵列示意图；
图3为本发明的一个实施例的固定导轨示意图；
图4为本发明的一个实施例的滑动导轨组件示意图；
图5为本发明的一个实施例的滑动麦克风组件示意图；
图中，1固定导轨，2滑动导轨组件，3滑动麦克风，4电机控制总线，5麦克风传输总线，6固定导轨的两侧凹槽，7固定导轨的上表面中间凹槽，8第一底座底面凹槽下端两侧的L型装配部分，9第一底座凹槽内的第一电机和第一滑轮，10第一底座侧壁上通孔，11滑动导轨上表面的中间滑槽，12滑动导轨上表面的线缆通道，13滑动麦克风组件中的第二底座凹槽内的第二电机和第二滑轮，14滑动麦克风组件中的第二底座底部的凹槽，15滑动麦克风组件中的第二底座的上表面开孔，16麦克风，17滑动麦克风组件中的第二底座的侧壁开孔。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供的能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***如图1所示，***内的麦克风阵列、固定导轨、滑动导轨组件和滑动麦克风组件分别如图2、3、4、5所示，***能够定向采集人工骨材料铣削过程中的铣削声信号，通过对铣削声信号进行分析，输出当前的铣削深度值。
如图1和图2所示，***包括两个固定导轨1，固定导轨上安装的N个(本例中N取4)滑动导轨组件2，各滑动导轨组件上各安装有M个(本例中M取4)滑动麦克风组件3，各滑动麦克风组件上的麦克风16分别通过通讯总线与处理器连接，处理器通过控制器和控制总线对各滑动导轨组件和各滑动麦克风组件进行位置控制(见图1)。
所述的固定导轨是一个长方体结构，如图3所示，固定导轨的上表面中间开有一个供滑动导轨组件移动的滑槽7，左右两侧各开有一个与滑动导轨组件进行装配的凹槽6。
所述的滑动导轨组件如图4所示，包括两端的第一滑座和第一滑座之间固定的滑动导轨，第一滑座底部与固定导轨同向开有一个凹槽，凹槽下端两侧呈L型装配部分8并分别与固定导轨两侧的一个凹槽进行装配，第一滑座底部的凹槽内安装有第一电机和第一滑轮9，第一滑轮置于固定导轨1上表面中间开设的滑槽7内，第一滑座的侧壁开有供与第一电机控制总线通过的通孔10，所述第一电机通过控制总线与控制器连接；所述滑动导轨的结构形状与固定导轨的结构形状相同，且在导轨上表面中间的滑槽11一侧增开一个供麦克风通讯线穿过的通道12。
所述的滑动麦克风组件如图5所示，包括安装在滑动导轨组件上并与其中的滑动导轨装配的第二滑座，第二滑座的结构形状与第一滑座的结构形状相同，第二滑座底部的凹槽14内安装有第二电机和第二滑轮13，第二滑座的侧壁开有供与第二电机连接的控制总线通过的通孔17，所述第二电机通过控制总线与控制器连接，第二滑轮置于滑动导轨上表面中间开设的滑槽内，第二滑座上表面开孔15，开孔位置与滑动导轨上表面开设的供麦克风通讯线穿过的通道对应，第二滑座的上表面各安装有一个麦克风16，麦克风的连接线先后经过开孔15及通道12与处理器连接。
选择人工骨材料进行骨铣削实验。使用虎钳将人工骨材料两端固定，设定铣削深度分别为0mm(空转)、0.1mm，0.2mm、0.3mm、0.4mm，0.5mm，横向移动速度vy设置为1mm/s，铣削时长10s，钻头转速为60000转/分。麦克风阵列放置在在距离骨铣削声源2m外的位置，采集铣削声压信号，提取方位角10°，空间角0°方向的骨铣削声信号。控制器调节各麦克风之间的间距之前，处理器对M×N个麦克风的铣削声分别进行快速傅里叶变换和最大值搜索，获得当前骨铣削时的手术工具主轴旋转频率
Figure GDA0003550677380000041
根据波长计算公式λ＝v/f，声速v＝340m/s，计算期望的麦克风等间距d＝λ/2＝0.17m并发送给控制器；在控制器调节间距成功后，处理器可对当前的M×N个麦克风的铣削声信号进行LCMV空间滤波s(n)＝[w1,w2,w3,...wM×N]T[s1(n),s2(n),s3(n),...,sM×N(n)]，得到铣削声信号s(n)，其中，[w1,w2,w3,...wM×N]为LCMV的滤波器系数，是由麦克风阵列和骨铣削部位的空间位置方位角10°，空间角0°确定，n＝256为采样点的个数，等于麦克风采样频率7500Hz和0.034s采样时间的乘积；对s(n)再进行快速傅里叶变换，并将(f±a)Hz范围内的所有系数相加得到铣削声的相应频率范围内的幅度值E，a为工程人员根据实际情况所选取的频带宽度，这里选取a＝7；在人工骨材料的铣削实验校准，铣削深度分别为空转、0.1mm，0.2mm、0.3mm、0.4mm，0.5mm时的铣削声信号的(1000±7)Hz范围内的幅度值E分别为0.05，0.47，1.03，1.48，1.97和2.46；标准差分别为0.0201，0.1010，0.1111，0.1228，0.2010，0.2203和0.2430。上述实验表明，本发明可实现在[0-0.5mm]范围内，以0.1mm的分辨率，监控人工骨材料的铣削深度。基于最小二乘法拟合曲线E＝kx+E0，其中k＝4.9327是当前实际监控条件下的比例系数，E0＝0.05是当前实际监控条件下空转时的铣削声信号的(1000±7)Hz范围内的幅度值，输出铣削深度x＝(E-0.05)/4.9327，即线性拟合方程为f＝4.9327x+0.05。确定系数R2＝0.9835.确定系数R2接近1，拟合较精准。根据拟合曲线和实际监测的铣削深度最大偏差，计算独立线性率为8.812％，表明铣削深度监控的线性度较高，噪声较低。

Claims (5)

1.能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，其特征在于：***包括两个固定导轨，固定导轨上安装的N个滑动导轨组件，各滑动导轨组件上各安装有M个滑动麦克风组件，各滑动麦克风组件上的麦克风分别通过通讯总线与处理器连接，处理器通过控制器和控制总线对各滑动导轨组件和各滑动麦克风组件进行位置控制；相邻麦克风之间的间距均为等间距d，并可根据实际铣削声由处理器计算d值，通过控制器进行自动调节；***在铣削实验校准后监控骨铣削深度；
其中，各麦克风采集的铣削声信号送入处理器，由处理器对声信号进行快速傅里叶变换处理得到骨铣削时的实际手术工具主轴旋转频率，并计算出期望的间距后送入控制器，控制器根据期望的间距调整滑动导轨组件之间的间距和滑动麦克风组件之间的间距，完成以后将调节成功信号返回处理器，处理器收到调节成功信号后根据铣削声的相应频率合适频带宽度范围内的能量，在人工骨材料的铣削实验校准后，输出当前的骨铣削深度值；
所述的处理器，调节各麦克风之间的间距之前负责对M×N个麦克风的铣削声分别进行快速傅里叶变换和最大值搜索，获得当前骨铣削时的手术工具主轴旋转频率
Figure FDA0003550677370000011
根据波长计算公式λ＝v/f，v为声速，计算期望的麦克风等间距d＝λ/2并发送给控制器；在控制器调节间距成功后，处理器可对当前的M×N个麦克风的铣削声信号直接安装进行LCMV空间滤波s(n)＝[w1,w2,w3,...wM×N]T[s1(n),s2(n),s3(n),...,sM×N(n)]，实现定向录音得到定向录音的铣削声信号s(n)，其中，[w1,w2,w3,...wM×N]为LCMV的滤波器系数，是由麦克风阵列和骨铣削部位的空间位置唯一确定，n为采样点的个数，等于麦克风采样频率(Hz)和采样时间(s)的乘积；对s(n)再进行快速傅里叶变换，并将(f±a)Hz范围内的所有系数相加得到铣削声的相应频率范围内的幅度值E，a为工程人员根据实际情况所选取的频带宽度；在人工骨材料的铣削实验校准，铣削深度分别为空转、0.1mm，0.2mm、0.3mm、0.4mm，0.5mm时的铣削声信号的(f±a)Hz范围内的幅度值E分别为E0，E1，E2，E3，E4和E5，基于最小二乘法拟合曲线E＝kx+E0，其中k是当前实际监控条件下的比例系数，E0是空转时的铣削声信号的(f±a)Hz范围内的幅度值E，输出铣削深度x＝(E-E0)/k。
2.根据权利要求1所述的能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，其特征在于：所述的固定导轨是一个长方体结构，固定导轨的上表面中间开有一个供滑动导轨组件移动的滑槽，左右两侧各开有一个与滑动导轨组件进行装配的凹槽。
3.根据权利要求2所述的能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，其特征在于：所述的滑动导轨组件包括两端的第一滑座和第一滑座之间固定的滑动导轨，第一滑座底部与固定导轨同向开有一个凹槽，凹槽下端两侧呈L型并分别与固定导轨两侧的一个凹槽进行装配，第一滑座底部的凹槽内安装有第一电机和第一滑轮，第一滑轮置于固定导轨上表面中间开设的滑槽内，第一滑座的侧壁开有供与第一电机连接的线缆通过的通孔，所述第一电机通过线缆与控制器连接；所述滑动导轨的结构形状与固定导轨的结构形状相同，且在导轨上表面中间的滑槽一侧增开一个供麦克风通讯线穿过的通道。
4.根据权利要求3所述的能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，其特征在于：所述的滑动麦克风组件包括安装在滑动导轨组件上并与其中的滑动导轨装配的第二滑座，第二滑座的结构形状与第一滑座的结构形状相同，第二滑座底部的凹槽内安装有第二电机和第二滑轮，第二滑座的侧壁开有供与第二电机连接的控制总线通过的通孔，所述第二电机通过控制总线与控制器连接，第二滑轮置于滑动导轨上表面中间开设的滑槽内；第二滑座的上表面开孔，开孔位置与滑动导轨上表面开设的供麦克风通讯线穿过的通道对应，第二滑座的上表面各安装有一个麦克风，麦克风的连接线先后经过开孔及通道与处理器连接。
5.根据权利要求1所述的能够基于铣削声实现骨铣削深度监控的麦克风阵列***，其特征在于：所述的控制器接受处理器发送的期望的相邻麦克风等间距d信息，控制每个滑动导轨组件和滑动麦克风组件的位置并向处理器发送间距调节成功信号。
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