CN113679446A - 一种实时反馈式智能钻孔工具及钻孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实时反馈式智能钻孔工具及钻孔方法，该工具包括钻头、钻柄、动力件、设置在钻头内部且随着钻头同步运动的超声探头、信息接收处理模块，其中超声探头能够获取待钻孔物体的厚度信息和钻头已钻深度信息，且超声探头的工作面的朝向与钻头的钻取方向一致；信息接收处理模块与动力件连通并控制动力件的启停，且信息接收处理模块包括滑环、超声激励接收模块、信息处理模块、显示器、电源模块。本发明一方面能够避免钻穿待钻取对象，造成与待钻取对象及周边的意外损坏，而且钻取的深度可以直接获取，方便钻孔操作；另一方面一旦钻取出现错位或偏差，信息接收处理模块能够智能控制动力件急停。

Description

一种实时反馈式智能钻孔工具及钻孔方法

技术领域

本发明属于电动工具领域，具体涉及一种实时反馈式智能钻孔工具，同时本发明还涉及一种钻孔工具的钻孔方法。

背景技术

众所周知，钻孔所使用的电动工具一般都是电钻，而用于外科手术中在骨骼上钻孔又称为骨钻，其中常规骨钻与常用电钻结构类似，都是由电机带动钻头高速旋转，在骨骼或者目标物中钻出一定的腔道。

然而，针对上述电钻或骨钻均存在以下缺陷(以骨钻为例)：

1、无法实时探测钻头前端可继续钻孔的距离，极有可能钻穿骨骼，造成对神经和血管的意外伤害；

2、无法获取钻取的深度，每次钻孔后需要用卡尺等测量工具测量孔深，增加了手术时间和风险；

3、基本纯手动控制，出错后无法自动停止钻动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实时反馈式智能钻孔工具。

同时本发明还涉及一种钻孔工具的钻孔方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种实时反馈式智能钻孔工具，其包括钻头、钻柄、动力件、设置在钻头内部且随着钻头同步运动的超声探头、与超声探头相连通的信息接收处理模块，其中超声探头能够获取待钻孔物体的厚度信息和钻头已钻深度信息，且超声探头的工作面的朝向与钻头的钻取方向一致；信息接收处理模块与动力件连通并控制动力件的启停，且信息接收处理模块包括滑环、超声激励接收模块、信息处理模块、显示器、电源模块，其中滑环通过连接器与钻头相转动连接，显示器实时显示所钻孔的数据信息。

优选地，钻头包括钻杆、钻刃，其中钻杆具有钻取端部和连接端部，连接端部与动力件相传动连接，超声探头位于钻取端部内。这样能够更准确的获取需要数据信息。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，超声探头的工作面的朝向与钻取端部的钻取方向一致，且超声探头的工作频率在20KHz～10MHz之间。频率选取的根据是，穿透深度要求深则选用低频率的探头，若对钻头钻孔深度精度控制要求高则选用高频率的探头。该超声探头可以是压电陶瓷、压电单晶和复合材料的超声探头。同时为了提高探头的探测灵敏度和信噪比，可以在前端设置阻抗匹配电路与微型前置信号放大电路等。

优选地，在钻柄上设有相对运动设置的夹头，连接端部可拆卸地连接在夹头上。在夹头的设置下，便于将钻头与动力件相对衔接，从而实施钻头的高速转动。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，超声探头有多个且阵列分布在钻取端部，信息接收处理模块根据多个超声探头所获得的数据实时成像设置。这样一来，在钻取过程中，能够实现对钻头侧壁周边组织和情况的探测，也可以在钻头的侧壁放置阵列的超声探头，并通过滑环与超声激励接收模块连接，从而实现实时的成像，尤其是作为骨钻时，不仅能够避免钻穿骨骼造成对神经和血管的意外伤害，而且通过实时成像便于手术实施，大幅度降低手术风险和时间。

优选地，钻取端部呈锥形(也包括锥台形)，多个超声探头中一个位于锥形的锥顶端部，剩余的绕着锥面的周向均匀分布。

本例中，连接器主要作用是实现与钻柄中滑环接头的连接，实现高压激励与回波信号的传输，而滑环通过连接器与钻头中的超声探头连接，并实现换能器可随钻头转动而钻柄内的后端线缆可固定不动。为了实现相关功能也可以采用磁环等类似功能结构。同时滑环另一端的线缆连接到超声激励接收模块上。

进一步的，在钻杆内还设有线缆通孔，滑环自连接器中穿出设置，且穿出端部与超声探头之间通过设置在线缆通孔中的同轴线缆相连通。

此外，钻头与钻柄垂直设置，且位于钻柄的一端，滑环、动力件、显示器均位于钻头所在的端部，且动力件位于显示器和滑环之间。这样一来，电动工具的造型和常规的电钻就存在截然不同的区别，而且手握住钻柄进行钻取时，能够从显示器中显示对应的数据或/和图像，便于准确实施设定的钻取深度。

优选地，超声激励接收模块、信息处理模块、电源模块并排的设置在钻柄内，且在钻柄的另一端部还设有无线传输模块和外接口模块。这样一来，电动工具结合布局和比重分配合理，手持操作时，相对省力。

同时，超声激励接收模块主要包含高压脉冲激励模块、超声回波接收模块、检测包络、数据采集和TOF(Time of flight，飞行时间)检测等，主要功能是实现对钻头内超声探头的激励，使之产生超声波，并将其接收到的超声回波信号经滤波、增益放大、取包络、检测TOF、数据采集传输等功能。

采集到的回波信号与TOF等数据可以通过信息处理模块进行分析处理，并通过显示器显示，或者经无线模块或者接口模块中的信号传输线传输到上位机进行计算软件处理和显示。

本发明的另一技术方案是：一种骨钻的钻孔方法，其骨钻为上述的实时反馈式智能钻孔工具，且包括如下步骤：

S1、将钻头顶部垂直放置到骨骼表面点上，启动超声模块，此时由检测到的骨骼的上、下表面产生的回波，并获得上下表面的TOF值，故

H0＝TOF×V_B/2 (1)

式(1)中V_B是骨骼中超声波的传播速度；TOF值为骨骼的上、下表面产生的回波所需要的时间；H0为骨骼的厚度；

S2、启动动力件，钻头转动，钻入骨骼中，此时，钻孔的剩余厚度满足如下公式：

T0＝TOF×V_B/2 (2)

式(2)中V_B是骨骼中超声波的传播速度；TOF值为钻头尖端和骨骼下表面产生的回波所需要的时间；T0实时计算出目前剩余的骨骼的厚度；

S3、T0实时显示在显示器上，且根据T0变化情况，可计算目前钻头的平均钻孔速度：

C＝ΔT0/ΔTOF (3)

式(3)中ΔT0为前后两次测量到的剩余骨骼厚度T0的距离变化，ΔTOF为前后两侧测量的时间差，C为前后两次钻孔速度变化率；

S4、根据需要可实时调整钻速，钻头到预期位置后，停止钻动，利用之前的测量结果计算钻孔深度H1：

H1＝H0-T0 (4)

其中式(4)中H0为式(1)中的骨骼的厚度；T0为式(2)中实时计算出目前剩余的骨骼的厚度。

优选地，在T0或C显示异常时，动力件停止转动或反向转动而旋出钻孔；且同时在钻头退出至骨骼表面钻入点时停止钻头，利用超声探头测量以验证H1，

H1＝TOF×V_A/2 (5)

式(5)中，声速V_A为超声探头在所钻孔中空气或生理盐水的声波传播速度，TOF值为钻头尖端和所钻孔的孔底面产生的回波所需要的时间。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明一方面能够避免钻穿待钻取对象，造成与待钻取对象及周边的意外损坏，而且钻取的深度可以直接获取，直接方便钻孔操作；另一方面一旦钻取出现错位或偏差，信息接收处理模块能够智能控制动力件急停，结构简单，成本低。

附图说明

图1为实施例1的电动工具的主视示意图；

图2为图1实施过程示意图；

图3为实施例2的电动工具的主视示意图；

其中：1、钻头；10、钻杆；100、线缆通孔；11、钻刃；10a、钻取端部；10b、连接端部；2、钻柄；3、动力件；4、超声探头；5、信息接收处理模块；50、滑环；51、超声激励接收模块；52、信息处理模块；53、显示器；54、电源模块；55、无线传输模块；56、外接口模块；6、夹头；7、连接器；8、同轴线缆。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例1

如图1所示，按照本实施例钻孔用的智能超声电动工具，且为骨钻，其包括钻头1、钻柄2、动力件3、设置在钻头1内部且随着钻头1同步运动的超声探头4、与超声探头4相连通的信息接收处理模块5。

具体的，钻头1与钻柄2垂直设置，且位于钻柄2的左端部。

钻头1包括钻杆10、钻刃11，其中钻杆10具有钻取端部10a和连接端部10b，超声探头4位于钻取端部10a内，连接端部10b与动力件3相传动连接。这样能够更准确的获取需要数据信息。

具体的，钻取端部10a呈锥形，超声探头4位于锥顶内部。

本例中，在钻柄2的左端部对应设有夹头6，其中连接端部10b可拆卸地连接在夹头6中，且夹头6与动力件3相传动连接。在夹头的设置下，便于将钻头与动力件相对衔接，从而实施钻头的高速转动。

动力件3为常规的马达。

超声探头4能够获取待钻孔物体的厚度信息和钻头1已钻深度信息，信息接收处理模块5与动力件3连通并控制动力件3的启停。

本例中，超声探头4的工作面的朝向与钻取端部的钻取方向一致，且超声探头的工作频率在20KHz～10MHz之间。频率选取的根据是，穿透深度要求深则选用低频率的探头，若对钻头钻孔深度精度控制要求高则选用高频率的探头。该超声探头可以是压电陶瓷、压电单晶和复合材料的超声探头。同时为了提高探头的探测灵敏度和信噪比，可以在前端设置阻抗匹配电路与微型前置信号放大电路等。

信息接收处理模块5包括滑环50、超声激励接收模块51、信息处理模块52、显示器53、电源模块54、无线传输模块55、外接口模块56。

具体的，滑环50通过连接器7与连接端部10b相转动连接。连接器7主要作用是实现与钻柄中滑环接头的连接，实现高压激励与回波信号的传输，而滑环通过连接器与钻头中的超声探头连接，并实现换能器可随钻头转动而钻柄内的后端线缆可固定不动。为了实现相关功能也可以采用磁环等类似功能结构。同时滑环另一端的线缆连接到超声激励接收模块上。

本例中，在钻杆10内还设有线缆通孔100，滑环50自连接器7中穿出设置，且穿出端部与超声探头4之间通过设置在线缆通孔100中的同轴线缆8相连通。

同时，滑环50、动力件3、显示器53均位于钻头1所在的端部，且动力件3位于显示器53和滑环50之间。这样一来，电动工具的造型和常规的电钻就存在截然不同的区别，而且手握住钻柄进行钻取时，能够从显示器中显示对应的数据或/和图像，便于准确实施设定的钻取深度。

超声激励接收模块51、信息处理模块52、电源模块54并排的设置在钻柄2内，无线传输模块55和外接口模块56上下并列在钻柄2的右端部。这样一来，电动工具结合布局和比重分配合理，手持操作时，相对省力。

同时，超声激励接收模块51主要包含高压脉冲激励模块、超声回波接收模块、检测包络、数据采集和TOF(Time of flight，飞行时间)检测等，主要功能是实现对钻头内超声探头的激励，使之产生超声波，并将其接收到的超声回波信号经滤波、增益放大、取包络、检测TOF、数据采集传输等功能。

采集到的回波信号与TOF等数据可以通过信息处理模块52进行分析处理，并通过显示器53显示。

结合图2所示，本实施例实施过程如下：

S1、首先根据需要钻取的孔径大小，选取合适的钻头，并将钻头尾部对接连接器并***夹头中，利用可调夹头将钻头固定咬紧，接着将钻头顶部垂直放置到骨骼表面点上，启动超声模块，此时由检测到的骨骼的上、下表面产生的回波，并获得上下表面的TOF值，故

H0＝TOF×V_B/2 (1)

式(1)中V_B是骨骼中超声波的传播速度；TOF值为骨骼的上、下表面产生的回波所需要的时间；H0为骨骼的厚度；

S2、启动动力件，钻头转动，钻入骨骼中，此时，钻孔的剩余厚度满足如下公式：

T0＝TOF×V_B/2 (2)

式(2)中V_B是骨骼中超声波的传播速度；TOF值为钻头尖端和骨骼下表面产生的回波所需要的时间；T0实时计算出目前剩余的骨骼的厚度；

S3、T0实时显示在显示器上，且根据T0变化情况，可计算目前钻头的平均钻孔速度：

C＝ΔT0/ΔTOF (3)

式(3)中ΔT0为前后两次测量到的剩余骨骼厚度T0的距离变化，ΔTOF为前后两侧测量的时间差，C为前后两次钻孔速度变化率；

S4、根据需要可实时调整钻速，钻头到预期位置后，停止钻动，利用之前的测量结果计算钻孔深度H1：

H1＝H0-T0 (4)

其中式(4)中H0为式(1)中的骨骼的厚度；T0为式(2)中实时计算出目前剩余的骨骼的厚度。

本例中，为了验证H1值是否准确，在钻头退出至骨骼表面钻入点时停止钻头，利用超声探头测量以验证H1，

H1＝TOF×V_A/2 (5)

式(5)中，声速V_A为超声探头在所钻孔中空气或生理盐水的声波传播速度，TOF值为钻头尖端和所钻孔的孔底面产生的回波所需要的时间。

同时，上述在钻孔过程中，若发生意外，击穿了骨骼，即T0或C异常，紧急制动钻头，使之立马停止或者反转退出，快速阻止后续可能造成的伤害。

实施例2

如图2所示，本实施例的骨钻，其结构与实施例1基本相同，不同之处具体如下。

本例中，超声探头4有多个且阵列分布在钻取端部10a，信息接收处理模块5根据多个超声探头4所获得的数据实时成像设置。这样一来，在钻取过程中，能够实现对钻头侧壁周边组织和情况的探测，也可以在钻头的侧壁放置阵列的超声探头，并通过滑环与超声激励接收模块连接，从而实现实时的成像。

多个超声探头4中一个位于锥形的锥顶端部，剩余的绕着锥面的周向均匀分布。

同时，本例中采集到的回波信号与TOF等数据经无线模块55或者接口模块56中的信号传输线传输到上位机进行计算软件处理和显示。这样一来，本例中可以或不可以安装上述的显示器53和信息处理模块52均可实施。

综上，上述实施例所涉及的骨钻，其具有以下优势：

1、通过在钻头中内置微型超声探头，实现对骨钻钻孔速度、深度的实时监测，为术中操作和后续骨钉的选取等提供依据，同时，不仅避免钻穿骨骼造成对神经和血管的意外伤害，而且通过实时成像便于手术实施，大幅度降低手术风险和时间；

2、利用探测到的钻头位置信息(钻深)，可实现自动停止钻头或者反转退出，实现智能保护；

3、不仅可以用在医疗骨钻中，也同样适用于日常打孔和工业精准钻机使用，实用性强。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种实时反馈式智能钻孔工具，其包括钻头、钻柄和动力件，其特征在于：所述智能钻孔工具还包括设置在所述钻头内部且随着所述钻头同步运动的超声探头、与所述超声探头相连通的信息接收处理模块，其中所述超声探头能够获取待钻孔物体的厚度信息和钻头已钻深度信息，且所述超声探头的工作面的朝向与所述钻头的钻取方向一致；所述信息接收处理模块与所述动力件连通并控制所述动力件的启停，且所述信息接收处理模块包括滑环、超声激励接收模块、信息处理模块、显示器、电源模块，其中所述滑环通过连接器与所述钻头相转动连接，所述的显示器实时显示所钻孔的数据信息。

2.根据权利要求1所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：所述钻头包括钻杆、钻刃，其中所述钻杆具有钻取端部和连接端部，所述连接端部与所述动力件相传动连接，所述超声探头位于所述钻取端部内。

3.根据权利要求2所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：所述超声探头的工作面的朝向与所述钻取端部的钻取方向一致，且所述超声探头的工作频率在20KHz～10MHz之间。

4.根据权利要求2所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：在所述钻柄上设有相对运动设置的夹头，所述连接端部可拆卸地连接在所述夹头上。

5.根据权利要求2所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：所述的超声探头有多个且阵列分布在所述钻取端部，所述信息接收处理模块根据多个所述超声探头所获得的数据实时成像设置。

6.根据权利要求5所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：所述钻取端部呈锥形，多个所述超声探头中一个位于锥形的锥顶端部，剩余的绕着锥面的周向均匀分布。

7.根据权利要求6所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：在所述钻杆内还设有线缆通孔，所述滑环自所述连接器中穿出设置，且穿出端部与所述超声探头之间通过设置在所述线缆通孔中的同轴线缆相连通。

8.根据权利要求7所述的实时反馈式智能钻孔工具，其特征在于：所述钻头与所述钻柄垂直设置，且位于所述钻柄的一端，所述滑环、所述动力件、所述显示器均位于所述钻头所在的端部，且所述动力件位于所述显示器和所述滑环之间。

9.一种骨钻的钻孔方法，其特征在于：所述的骨钻为权利要求1至8中任一项权利要求所述的实时反馈式智能钻孔工具，且包括如下步骤：

S1、将钻头顶部垂直放置到骨骼表面点上，启动超声模块，此时由检测到的骨骼的上、下表面产生的回波，并获得上下表面的TOF值，故

H0＝TOF×V_B/2 (1)

式(1)中V_B是骨骼中超声波的传播速度；TOF值为骨骼的上、下表面产生的回波所需要的时间；H0为骨骼的厚度；

S2、启动动力件，钻头转动，钻入骨骼中，此时，钻孔的剩余厚度满足如下公式：

T0＝TOF×V_B/2 (2)

式(2)中V_B是骨骼中超声波的传播速度；TOF值为钻头尖端和骨骼下表面产生的回波所需要的时间；T0实时计算出目前剩余的骨骼的厚度；

S3、T0实时显示在显示器上，且根据T0变化情况，可计算目前钻头的平均钻孔速度：

C＝ΔT0/ΔTOF (3)

式(3)中ΔT0为前后两次测量到的剩余骨骼厚度T0的距离变化，ΔTOF为前后两侧测量的时间差，C为前后两次钻孔速度变化率；

S4、根据需要可实时调整钻速，钻头到预期位置后，停止钻动，利用之前的测量结果计算钻孔深度H1：

H1＝H0-T0 (4)

其中式(4)中H0为式(1)中的骨骼的厚度；T0为式(2)中实时计算出目前剩余的骨骼的厚度。

10.根据权利要求9所述的骨钻的钻孔方法，其特征在于：在T0或C显示异常时，所述动力件停止转动或反向转动而旋出钻孔；且同时在钻头退出至骨骼表面钻入点时停止钻头，利用超声探头测量以验证H1，

H1＝TOF×V_A/2 (5)

式(5)中，声速V_A为超声探头在所钻孔中空气或生理盐水的声波传播速度，TOF值为钻头尖端和所钻孔的孔底面产生的回波所需要的时间。

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