摘 要

骨钻手术中，实时检测骨钻削过程中的参数变化，对于手术的进行很有意义。目前大多数的骨材料钻削参数检测系统都是利用不同的仪器设备对各个参数分开测量，难以保证测量的同时性。针对这一缺点，本文设计了一套可同时检测钻削力、钻削温度和转速的系统，该系统具有使用方便，功能齐全，同时性好等优点。

本文分析了测量环境的特点和被测对象的特点，确定了钻削力、钻削温度和转速的传感方案，根据市场已有的传感器的精度、输出信号、价格等因素确定了力传感器和转速传感器的型号，根据光纤光栅温度传感原理和被测对象的特点设计了分布式光纤光栅温度传感器的封装结构、尺寸及材料，并依据耦合模理论和热传导理论对传感器的输出关系进行了理论推导。

根据设计需求和传感方案，设计了传感器的布置方案及信号的采集方法，设计了检测系统的功能，并基于LabVIEW编程平台编写了检测系统的功能模块和软件系统，设计和美化了软件的人机交互界面。

基于MATLAB对钻削力和钻削温度关于转速和进给速度的预测模型进行了数值仿真计算，观察实验结果，分析了转速和进给速度分别对钻削力和钻削温度的影响情况。

关键词：骨材料钻削；钻削力；钻削温度；转速；检测系统

Abstract

In the process of bone drilling, it is very meaningful to detect the changes of parameters in real time. At present, most of the bone drilling parameter detection systems use different instruments to measure each parameter separately, it is difficult to guarantee the simultaneity of measurement. In order to solve this problem, this paper designed a system which can detect drilling force, drilling temperature and rotation speed at the same time. The system has the advantages of convenient use, complete functions and good simultaneity.

This paper analyzed the characteristics of the measurement environment and the tested object, and determined the sensing scheme of drilling force, drilling temperature and rotation speed. According to the accuracy, output signal, price and other factors of existing sensors in the market, this paper determined the models of force sensor and speed sensor. This paper designed the package structure, size and material of distributed FBG temperature sensor through the analysis of the principle of FBG temperature sensing and the characteristics of the measured object, deduced the output relationship of the sensor through the analysis of the coupled mode theory and the heat conduction theory.

According to design requirements and sensing scheme, this paper designed the arrangement scheme of sensor and the method of signal acquisition, design the function of the detection system, and wrote the function module and software system of the detection system based on LabVIEW programming platform. In addition, this paper designed and beautified the human-computer interface of the software.

Based on MATLAB, This paper emulated the prediction model of drilling force and drilling temperature with respect to rotation speed and feed speed.

Key Words：Bone drilling; Drilling force; Drilling temperature; Rotation speed; Detection system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 3

第2章 传感器设计选型与布置方案 4

2.1 引言 4

2.2 力传感器选型 4

2.2.1 钻削力传感方案 4

2.2.2 力传感器型号选择 5

2.3 转速传感器选型 6

2.3.1 转速传感方案 6

2.3.2 转速传感器型号选择 6

2.4 温度传感器设计 7

2.4.1 温度传感方案 7

2.4.2 光纤光栅温度传感原理 8

2.4.3 光纤光栅温度传感器设计 9

2.5 传感器布置 12

2.6 小结 14

第3章 检测系统软件设计 15

3.1 引言 15

3.2 信号采集方式 15

3.2.1 力和转速传感器的信号采集 15

3.2.2 温度传感器的信号采集 15

3.3 子VI设计 16

3.3.1 波长读取VI 16

3.3.2 转速读取VI 18

3.3.3 数据转换VI 18

3.3.4 图像文件保存路径VI 19

3.3.5 文件保存VI 19

3.3.6 数据仿真VI 20

3.4 主程序设计 22

3.4.1 启停控制方式 22

3.4.2 采样频率控制 23

3.4.3 前面板设计 23

3.4.4 其他功能的实现 24

3.5 小结 25

第4章 钻削力和钻削温度与钻削参数间的关系研究 26

4.1 引言 26

4.2 钻削力与钻削参数的关系仿真分析 26

4.2.1 钻削力预测模型 26

4.2.2 基于LabVIEW的仿真分析 26

4.3 钻削温度与钻削参数的关系仿真分析 27

4.3.1 钻削温度模型 27

4.3.2 基于LabVIEW的仿真分析 28

4.4 小结 29

第5章 结论 30

参考文献 31

附录A 33

附录B 34

附录C 35

程序C1 钻削力预测模型数值仿真的MATLAB编程 35

程序C2 钻削温度预测模型数值仿真的MATLAB编程 36

致谢 37

骨材料钻削状态多参数（钻削力、温度）

检测系统设计

绪论

研究目的和意义

随着科学技术的不断发展，在手术过程中人们不但追求治疗效果，同时也追求微创的效果，在不影响手术效果的同时，从各个方面来减少手术对人体的损伤，成为了手术发展的一个重要方向。骨钻手术是医学中比较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，近年来虚拟手术系统的应用越来越广泛，且在各种应用场合的效果也十分不错，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，其实就是让医生或其他手术人员在虚拟的环境中来进行手术操作并获得真实的体验。为了让医生有更加真实的体验，其中一个重要的问题就是让系统给才操作者反馈手术过程中的各种参数。这就需要在系统软件中建立参数的预测模型，而建立模型最行之有效的方法就是对所涉及的参数进行实验测量并建立相应的数学模型。