骨材料钻削状态多参数（钻削力、温度）检测系统设计开题报告

全文总字数：6385字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

随着微创的概念在骨科手术中的不断推广和深入，在保障手术效果的前提下尽量减小手术操作对患者的损伤已成为未来骨科手术发展的重要方向。骨骼钻削是骨科手术中最基本、最常见的手术操作方式之一，也是医学中历史悠久的外科手术之一。在钻骨过程中，钻削力的大小和钻削温度的高低对骨头钻削质量及手术的效果会产生很大的影响，钻削过程中产生的切削热会对骨骼造成不可逆的损伤，对于人体来说，47℃是骨组织的最高极限安全温度，超过这个值骨头就会发生坏死^[1]。

此外，随着虚拟手术系统被应用于各种手术的教学与培训并取得良好的教学效果，其在未来将会是骨钻削等外科手术教学和培训的理想平台。虚拟手术系统实质是让外科医生沉浸于虚拟环境中模拟各项手术操作，给虚拟手术系统提供人体各组织相应的手术操作力学参数是解决力反馈缺乏问题最为有效的方法，而获得手术操作力学参数最直接有效的方法是对临床手术操作中需涉及的力学参数进行测试并得出相应的关系。

本次设计拟设计并搭建骨材料钻削状态多参数（钻削力、温度）检测系统，在系统中对主轴转速、钻削力、钻削温度进行测量，并基于实验数据分析并建立钻削参数与钻削力和温度的函数关系。本次设计对于优化骨钻削手术中的钻削参数、改善手术效果及虚拟手术系统的完善具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

1.1研究基本内容

本次设计的主要内容是开展基于光纤光栅和电类传感器构建骨材料钻削状态多参数检测系统，基本内容包括：（1）掌握钻削力、转速和温度传感器测量原理，以及光纤光栅原理；（2）设计并制作光纤光栅温度传感器；（3）搭建骨材料钻削状态钻削力、转速和温度检测硬件系统；（4）基于LabVIEW编写软件，实现传感器在骨材料钻削过程中的多参数测量，并对测量结果进行显示和记录；（5）开展实验研究，建立钻削力、钻削温度与钻削参数的函数关系。

1.2研究的目标

本次设计的目标是实现对安装在机械臂中的钻头的转速测量，对钻头与骨材料接触并进行切削时钻头的轴向力进行测量，对骨钻削过程中钻孔处的温度进行测量，且所有测量的信号在软件中解调得出所需要的参数值。此外，根据测量所得的实验数据，利用计算机软件建立钻削力、钻削温度与钻削参数的函数关系，并形成毕业论文一篇。

1.3拟采用的技术方案及措施

骨材料钻削多参数检测系统的实现，其核心就是利用不同的传感器对主轴转速、钻削力、钻削温度的测量，因此本次设计拟基于一台机械臂，将六维力/力矩传感器安装于机械臂内测量钻削力，将光电转速传感器安装于机械臂外围用于测量主轴转速，将光纤光栅温度传感器安装于骨样品表面测量钻削温度，各传感器测量所得的信号经数据采集板卡或解调仪传输至PC端，开发PC端软件（基于LabVIEW开发平台编写）将信号解调为所需要的信息并进行显示和记录。为研究钻削力、钻削温度与钻削温度的关系，设计对比实验，实验样品为去除组织和肌肉的牛骨。实验中，在梯度进给速度下，从低到高依次采用不同的主轴转速对骨样品进行钻削并检测相关数据，将测得的数据利用MATLAB软件进行处理，得出钻削力、钻削温度与钻削参数的函数关系。

六维力/力矩传感器精度高，耦合误差小，单向线性好，基于压电效应，将力信号转化为电信号，电信号强度的变化与力的变化成正比，利用数据采集板卡采集电信号，用软件处理后可得到力信号。光电转速传感器具有响应速度快、精度高、分辨率高、可靠性好、体积小、质量轻、功耗低等优点。光电转速传感器基于光电效应，将传感器安装于主轴一侧，将一定宽度的反光贴条贴在主轴上，传感器光源发出的光被贴条反射，随着主轴转动，传感器将接收到一定频率的反射光脉冲，光脉冲照射在光敏元件即可得到电脉冲信号，经采集、处理即可得到转速信号。光纤光栅温度传感器作为一种无接触的传感器，具有灵敏度高、测量范围大、抗电磁干扰能力强、对环境要求低等特点。分布式光纤温度传感器是近年发展起来的可以连续监测空间温度场变化的光纤传感技术，其原理是激光脉冲入射到光纤中后，在传播的过程中与光纤相互作用发生拉曼散射产生斯托克斯光和反斯托克斯，由于斯托克斯光对温度变化不敏感，而反斯托克斯光却对温度非常敏感，因此通过这两者的比值来解调得到温度。

3. 研究计划与安排

（1）寒假（1/18-2/23）：查找相关的文献和资料，阅读文献。

（2）1-2周（2/24-3/8）：外文文献翻译；文献整理，撰写开题报告。

（3）3-5周（3/9-3/29）：力传感器、转速传感器、光纤温度传感器的传感原理和方法学习与分析，形成钻削力、主轴转速、钻削温度的传感方案并完成传感器设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 许琳琳, 王成勇, 江敏, et al. 面向康复的医疗手术中钻削力和钻削温度研究[j]. 工具技术, 2014, 48(07): 3-11.

[2] 王豫, 曹萌, 牛海军, et al. 一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台, 2013.

[3] 陈少波. 旋转式动态切削力测量技术的研究[d]. 同济大学, 2003.