可实时电信号检测的开颅装置

1.本发明涉及的是一种医疗工具领域的技术，具体是一种可实时电信号检测的开颅装置。

背景技术：

2.开颅手术是神经外科手术中占比最高的手术之一，是电极植入脑部的前提，这也意味着开颅手术是脑科学研究、脑部疾病诊疗等领域的技术前提与基础。随着脑机接口逐步往微型化、高通量数发展，且基于脑机接口的脑科学研究往往在大鼠等小动物上率先实施，如何安全地、微创地在动物脑部实现微孔开颅是目前动物开颅手术的技术难点之一。以大鼠为例，大鼠颅骨厚度约1mm左右，且颅骨表面不同位置对应的颅骨厚度也不相同。目前医生所用的大鼠颅钻钻头直径为0.5mm，手术方式为通过使用手持式颅钻(例如瑞沃德微型手持式颅钻)手动进行开颅，颅钻转速控制方式为手动或者脚踏的开环控制。由于大鼠颅骨厚度薄且厚度不均，以及医生手动执行开颅手术中可能的抖动，术中往往会出现出血现象，且钻出来的颅孔会偏大，造成更大的创伤。研究表明，大鼠颅骨下表面几乎紧贴着脑膜，脑膜下面就是脑组织，缓冲距离大约只有0.1mm，因此，这样手动开颅的操作方式容易导致颅骨过钻，造成脑组织的损伤，影响后续的电极植入与脑科学探究，同时需要耗费外科医生大量的精力，并对其操作熟练度要求较高。

技术实现要素：

3.本发明针对现有医用微动力系统开颅技术通过控制箱控制颅钻转速为手动开环控制，输出转速和力都不稳定，无法实现转速闭环控制，开颅状态需要医生凭借自身经验判断颅骨是否钻穿的不足，提出一种可实时电信号检测的开颅装置，能够实现自动化动物开颅手术，采用超高速过孔电滑环作为中间传输部件，将铜片直接贴附于颅钻末端，能在颅钻高速旋转进行手术的情况下，实时将颅钻钻头与大鼠之间测量的阻抗信息传输给信号采集板，进而作出闭环反馈控制，可编程实现稳定的万转以上的颅钻转速和足够的钻削扭矩，无需医生术中手动调节或把持颅钻。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种可实时电信号检测的开颅装置包括：保护外壳组件以及依次设置于其内部的电机驱动模块、主轴及其支承模块、颅钻末端模块、传感信号传输模块以及主控制器，其中：电机驱动模块、主轴及其支承模块和颅钻末端模块依次相连，主轴及其支承模块将高速旋转运动传递到高速主轴的末端，且结构上刚度足够，能承受轴向力和径向力，还能避免工作时温度上升带来的不良影响。颅钻末端模块实现高速旋转进行开颅作业并实时采集信号以便闭环反馈控制；电机驱动模块和传感信号传输模块分别与主控制器相连以接收控制指令并输出实时采集的电信号。技术效果
6.本发明通过直接贴附于颅钻末端的铜片实时采集动物开颅过程中颅钻钻头与大
鼠之间测量的阻抗信息，进一步通过超高速过孔电滑环实时传输给信号采集板，用来判断颅钻钻头是否钻穿颅骨，为电机驱动模块提供明确且及时的开颅进给、终止以及转速保持等信号；采用内置速度闭环驱动器的无刷电机作为驱动件，采用了胀紧套转接件作为联轴器以缩短轴向尺寸，采用开槽的高速主轴直接穿过“超高速过孔电滑环”的形式以布置信号线，采用定制的颅钻抱紧件便于颅钻钻头的装拆，采用陶瓷轴承两端支撑主轴以确保结构刚度，可编程实现稳定的开颅手术，无需医生术中手动调节或把持颅钻。
7.与现有技术相比，本装置的性能提升显著：
①
电信号传输延迟小于0.1s；
②
颅钻可稳定输出10000转/分钟的转速，成功钻穿颅骨；
③
颅骨钻穿深度误差为10μm左右，远小于颅骨与脑组织的缓冲距离0.1mm，保证了开颅的安全性。
附图说明
8.图1为本发明整体外观布局示意图；
9.图2为本发明整体爆炸示意图；
10.图3为无刷电机连接部分示意图；
11.图4为颅钻连接部分示意图；
12.图5为整体运动示意及控制信号传递示意图；
13.图6为整体剖视图及信号传递关系示意图，剖面为侧面保护外壳51的中垂面；
14.图7为高速主轴示意图；
15.图中：电机驱动模块1、无刷电机11、电机安装座12、胀紧套转接件13、胀紧套14、主轴及其支承模块2、高速主轴21、深沟球陶瓷轴承22、轴用卡簧23、角接触陶瓷轴承24、轴承内圈固定螺母25、轴承外圈限位挡圈26、轴承座27、颅钻末端模块3、颅钻抱紧件31、颅钻旋紧螺母32、颅钻钻头33、铜片及其信号线34、传感信号传输模块4、超高速过孔电滑环41、滑环限位块42、保护外壳组件5、侧面保护外壳51、无刷电机保护外壳52。
具体实施方式
16.如图1所示，为本实施例涉及一种可实时电信号检测的开颅装置，包括：保护外壳组件5以及依次设置于其内部的电机驱动模块1、主轴及其支承模块2、颅钻末端模块3、传感信号传输模块4以及主控制器，其中：电机驱动模块1、主轴及其支承模块2和颅钻末端模块3依次相连，主轴及其支承模块2将高速旋转运动传递到高速主轴21的末端，且结构上刚度足够，能承受轴向力和径向力，还能避免工作时温度上升带来的不良影响。颅钻末端模块3实现高速旋转进行开颅作业并实时采集信号以便闭环反馈控制；电机驱动模块1和传感信号传输模块4分别与主控制器相连以接收控制指令并输出实时采集的电信号。
17.所述的主控制器包括：stm32控制板、电压信号发生板以及电压信号采集板，其中：stm32控制板根据电机转速反馈脉冲信息，进行闭环的pwm调速处理，可以输出稳定的万转转速，还根据计算得到的阻抗信息，控制颅钻的转动和进给运动；电压信号发生板根据信号发生器，输出正弦电压信号；电压信号采集板根据测到的电压信息，进行阻抗信息计算，得到颅钻钻头与大鼠之间测量的阻抗值，如果颅骨被钻穿，该数值会发生骤减。
18.如图2所示，所述的电机驱动模块1包括：固定设置于电机安装座12上的内置速度闭环驱动器的无刷电机11、胀紧套转接件13和胀紧套14，其中：无刷电机11的电机转轴通过
胀紧套14抱紧与胀紧套转接件13连接，胀紧套转接件13与主轴及其支承模块2相连。
19.如图2、图3和图6所示，所述的主轴及其支承模块2包括：轴承座27以及设置于其内部的高速主轴21、深沟球陶瓷轴承22、轴用卡簧23、角接触陶瓷轴承24、轴承内圈固定螺母25和轴承外圈限位挡圈26，其中：作为大跨度高速旋转运动传动部件的高速主轴21与电机驱动模块1的胀紧套转接件13相连，接受传递过来的旋转驱动力；为适应大跨度、高转速的严苛工况，深沟球陶瓷轴承22和角接触陶瓷轴承24作为高速主轴21两端的支撑；深沟球陶瓷轴承22内圈的一端靠在高速主轴21的轴肩、另一端由轴用卡簧23限位，外圈的两端不固定，避免开颅手术中零部件高速运动带来的温度上升造成轴承卡死；角接触陶瓷轴承24采用背对背成对装配的形式，用来承受开颅手术中钻孔带来的轴向力和径向力，其内圈的一端靠在高速主轴21的轴肩、另一端由轴承内圈固定螺母25旋紧固定，外圈装配于轴承座27的孔内，一端由孔内台阶定位、另一端由轴承外圈限位挡圈26拧紧限位。
20.如图4所示，所述的颅钻末端模块3包括：依次设置的颅钻抱紧件31、颅钻旋紧螺母32、颅钻钻头33以及铜片及其信号线34，其中：颅钻抱紧件31通过螺钉与主轴及其支承模块2的高速主轴21连接，即接受到传递过来的旋转驱动力；颅钻抱紧件31末端为四爪形式，其与颅钻旋紧螺母32接触面为锥面，通过旋紧颅钻旋紧螺母32即可实现对颅钻钻头33的抱紧，由此从无刷电机11输出的旋转驱动力传递到颅钻钻头33；铜片及其信号线34贴附于末端零件的表面以采集颅钻钻头33的电信号，实现实时电信号的采集并输出至传感信号传输模块4。
21.所述的传感信号传输模块4包括：超高速过孔电滑环41和两个滑环限位块42，其中：主轴及其支承模块2的高速主轴21穿过超高速过孔电滑环41的通孔，且超高速过孔电滑环41的内圈通过螺钉与高速主轴21连接，外圈由滑环限位块42限位；高速旋转的颅钻末端模块3的铜片及其信号线34穿过高速主轴21上的槽口与超高速过孔电滑环41的内圈相连，并进一步电连接至超高速过孔电滑环41的外圈，从而与主控制器电连接，实现颅钻钻头33电信号的实时检测即采集与传输。
22.所述的保护外壳组件5包括：用于保护超高速过孔电滑环41的一对侧面保护外壳51和用于保护无刷电机11的无刷电机保护外壳52。
23.如图7所示，所述的高速主轴21包括：固连底座211以及一端固定设置于其上的轴体213，其中：固连底座211固连于无刷电机11以进行刚性传动，轴体213的另一端设有信号线传输入口215。
24.所述的轴体213的两端均设有轴承支承位212，该轴承支承位212保证大跨度主轴稳定高速转动。
25.所述的信号线传输入口215上设有槽口214，该槽口214与轴体213的内孔相连通且穿过设置于轴承支承位212处的轴承内圈，使得高速主轴21转动的同时能够从超高速过孔电滑环41的动子端采集电信号。
26.本实施例涉及上述装置的工作过程，具体包括：
27.①
颅钻钻头33的电信号通过金属传导给铜片及其信号线34采集，信号线通过高速主轴21末端开的槽口穿过角接触陶瓷轴承24连接到超高速过孔电滑环41的内圈即动子端，再通过超高速过孔电滑环41的外圈即定子端将电信号传输给主控制器。
28.②
主控制器接收到颅钻钻头33的电信号和无刷电机11的转速信号，通过闭环控制
输出给无刷电机11的运动控制信号以驱动其高速转动，无刷电机11通过胀紧套转接件13和胀紧套14将高速转动传递给高速主轴21，高速主轴21通过颅钻抱紧件31和颅钻旋紧螺母32将高速转动传递给颅钻钻头33，至此实现开颅手术所需的颅钻高速旋转运动。
29.经过具体实际实验，在24v直流电源供电、1mm厚的peek板作为动物颅骨模拟物的具体环境设置下，以10000rpm启动无刷电机，并供以10mm/min的开颅进给速度，执行多次开颅钻孔测试，能够得到的实验数据是：颅钻钻头与大鼠之间测量的电信号在100hz正弦电压激励下，信号处理延迟小于0.1s；多次钻孔均成功钻穿，钻穿深度误差为10μm左右，远小于颅骨与脑组织的缓冲距离0.1mm。
30.与现有技术相比，本装置可闭环稳定控制无刷电机在开颅过程的转速，保证颅骨能被钻穿；可实时检测开颅过程中颅钻钻头与大鼠之间测量的电信号，判断是否钻穿，并提供及时的终止信号，保证开颅安全性。
①
本装置通过颅钻钻头33电信号和无刷电机11转速信号实现闭环反馈控制，实现高位置精度的、稳定的自动化开颅作业；
②
本装置使用超高速过孔电滑环41，在装置内部实现开颅手术中颅钻钻头33电信号的实时检测即采集与传输；
③
本装置通过采用内置速度闭环驱动器的无刷电机、胀紧套传动形式、高速主轴穿孔且两端陶瓷轴承支撑形式、定制的四爪颅钻抱紧件等多种方法，将动物开颅装置在满足结构刚度的前提下高度集成化、轻量化。
31.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：

1.一种可实时电信号检测的开颅装置，其特征在于，包括：保护外壳组件以及依次设置于其内部的电机驱动模块、主轴及其支承模块、颅钻末端模块、传感信号传输模块以及主控制器，其中：电机驱动模块、主轴及其支承模块和颅钻末端模块依次相连，主轴及其支承模块将高速旋转运动传递到高速主轴的末端，且结构上刚度足够，能承受轴向力和径向力，还能避免工作时温度上升带来的不良影响。颅钻末端模块实现高速旋转进行开颅作业并实时采集信号以便闭环反馈控制；电机驱动模块和传感信号传输模块分别与主控制器相连以接收控制指令并输出实时采集的电信号。2.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的主控制器包括：stm32控制板、电压信号发生板以及电压信号采集板，其中：stm32控制板根据电机转速反馈脉冲信息，进行闭环的pwm调速处理，可以输出稳定的万转转速，还根据计算得到的阻抗信息，控制颅钻的转动和进给运动；电压信号发生板根据信号发生器，输出正弦电压信号；电压信号采集板根据测到的电压信息，进行阻抗信息计算，得到颅钻钻头与大鼠之间测量的阻抗值，如果颅骨被钻穿，该数值会发生骤减。3.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的电机驱动模块包括：固定设置于电机安装座上的内置速度闭环驱动器的无刷电机、胀紧套转接件和胀紧套，其中：无刷电机的电机转轴通过胀紧套抱紧与胀紧套转接件连接，胀紧套转接件与主轴及其支承模块相连。4.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的主轴及其支承模块包括：轴承座以及设置于其内部的高速主轴、深沟球陶瓷轴承、轴用卡簧、角接触陶瓷轴承、轴承内圈固定螺母和轴承外圈限位挡圈，其中：作为大跨度高速旋转运动传动部件的高速主轴与电机驱动模块的胀紧套转接件相连，接受传递过来的旋转驱动力；为适应大跨度、高转速的严苛工况，深沟球陶瓷轴承和角接触陶瓷轴承作为高速主轴两端的支撑；深沟球陶瓷轴承内圈的一端靠在高速主轴的轴肩、另一端由轴用卡簧限位，外圈的两端不固定，避免开颅手术中零部件高速运动带来的温度上升造成轴承卡死；角接触陶瓷轴承采用背对背成对装配的形式，用来承受开颅手术中钻孔带来的轴向力和径向力，其内圈的一端靠在高速主轴的轴肩、另一端由轴承内圈固定螺母旋紧固定，外圈装配于轴承座的孔内，一端由孔内台阶定位、另一端由轴承外圈限位挡圈拧紧限位。5.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的颅钻末端模块包括：依次设置的颅钻抱紧件、颅钻旋紧螺母、颅钻钻头以及铜片及其信号线，其中：颅钻抱紧件通过螺钉与主轴及其支承模块的高速主轴连接，即接受到传递过来的旋转驱动力；颅钻抱紧件末端为四爪形式，其与颅钻旋紧螺母接触面为锥面，通过旋紧颅钻旋紧螺母即可实现对颅钻钻头的抱紧，由此从无刷电机输出的旋转驱动力传递到颅钻钻头；铜片及其信号线贴附于末端零件的表面以采集颅钻钻头的电信号，实现实时电信号的采集并输出至传感信号传输模块。6.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的传感信号传输模块包括：超高速过孔电滑环和两个滑环限位块，其中：主轴及其支承模块的高速主轴穿过超高速过孔电滑环的通孔，且超高速过孔电滑环的内圈通过螺钉与高速主轴连接，外圈由滑环限位块限位；高速旋转的颅钻末端模块的铜片及其信号线穿过高速主轴上的槽口与超高速过孔电滑环的内圈相连，并进一步电连接至超高速过孔电滑环的外圈，从而与主控
制器电连接，实现颅钻钻头电信号的实时检测即采集与传输。7.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的保护外壳组件包括：用于保护超高速过孔电滑环的一对侧面保护外壳和用于保护无刷电机的无刷电机保护外壳。8.根据权利要求1所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的高速主轴包括：固连底座以及一端固定设置于其上的轴体，其中：固连底座固连于无刷电机以进行刚性传动，轴体的另一端设有信号线传输入口。9.根据权利要求8所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的轴体的两端均设有轴承支承位，该轴承支承位保证大跨度主轴稳定高速转动。10.根据权利要求9所述的可实时电信号检测的开颅装置，其特征是，所述的信号线传输入口上设有槽口，该槽口与轴体的内孔相连通且穿过设置于轴承支承位处的轴承内圈，使得高速主轴转动的同时能够从超高速过孔电滑环的动子端采集电信号。

技术总结

一种可实时电信号检测的开颅装置，包括：保护外壳组件以及依次设置于其内部的电机驱动模块、主轴及其支承模块、颅钻末端模块、传感信号传输模块以及主控制器，本发明能够实现自动化动物开颅手术，采用超高速过孔电滑环作为中间传输部件，将铜片直接贴附于颅钻末端，能在颅钻高速旋转进行手术的情况下，实时将颅钻钻头与大鼠之间测量的阻抗信息传输给信号采集板，进而作出闭环反馈控制，可编程实现稳定的万转以上的颅钻转速和足够的钻削扭矩，无需医生术中手动调节或把持颅钻。医生术中手动调节或把持颅钻。医生术中手动调节或把持颅钻。