一种脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法、装置及应用

本发明属于医学设备，尤其涉及一种脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法、装置及应用。

背景技术：

1、65岁以上的老年人，椎管狭窄手术率为3-11.5/100,000。颈椎管狭窄(cervicalspine stenosis,css)致脊髓压迫是50岁以上成人最多见的瘫痪原因，手术减压是唯一有效治疗方法。腰椎管狭窄(lumbral spine stenosis,lss)减压手术率是颈椎管减压手术率的4倍。3-4％的腰痛就诊患者行腰椎管减压手术。黄韧带骨化(ossification ligamentumflavum,olf)和后纵韧带骨化在亚洲发生率为20％～40％，是胸椎管狭窄(thoracic spinestenosis,tss)最主要病因。由于tss手术难度较高，未见有关全球手术率的报道。全球每年可统计脊柱手术约480万例，其中后路手术率较前路手术率高。脊柱手术术后神经并发症(neurological complication，nlcl)是脊柱外科的临床难题。约6％颈椎后路减压术出现术后神经并发症。tss减压手术满意度不足80％。因手术难度不同，腰椎手术硬膜囊破损发生率为1-17％。

2、近年来，体感诱发电位，运动诱发电位，肌电记录被用于颈椎减压操作中的安全监测，但由于其不能提供实时反馈，因此在反馈时效上滞后于脊髓和神经损伤。脊柱辅助手术机器人被用来减轻外科医生的负担和提高手术安全性，但由于缺乏实时的反馈参数，目前的脊柱辅助手术机器人仅局限于定位导航和一些简单的外科操作。

3、现有技术中，bai h,wang r,wang q,xia gm,xue y,dai y,zhang jx.motor burmilling state identification via fast fourier transform analyzing soundsignal in cervical spine posterior decompression surgery.orthop surg.2021dec；13(8):2382-2395.doi:10.1111/os.13168.epub 2021nov 17.pmid:34792301；pmcid:pmc8654648。上述技术缺陷在于，样本数量较少；没有考虑周围肌肉、脂肪和牵开器的阻尼效应；运动(呼吸的流动性)可能会影响实验结果。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有技术实时识别脊柱手术中磨钻的工作状态效果差，对存在的潜在问题不能给出进一步纠正建议。(2)现有技术识别脊柱手术工作状态的设备制造成本高。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法、装置及应用。具体涉及一种利用声、震动信号识别脊柱手术磨钻工作状态的装置。

2、所述技术方案如下：一种脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法，包括：

3、s1，利用快速傅里叶变换(fft)和小波包分析(wpt)分析脊柱减压手术操作、融合手术操作、固定手术操作、矫形手术操作时，高速磨钻在生理组织内不同工作状态的声音、震动信号特征；

4、s2，分析高速磨钻在生理组织内研磨不同工作界深的声音、震动特征。

5、在一个实施例中，在步骤s1中，生理组织的声音、震动信号特征包括：椎板腹侧和背侧皮质骨、椎板松质骨；椎弓根皮质骨、椎弓根松质骨；椎体皮质骨、椎体松质骨；椎间盘纤维环、髓核、软骨板的声音、震动特征。

6、在本发明中，快速傅里叶变换(fft)是一种从时间到频率变化的积分方法：任何时域中连续测量的不规则波形，都可以用不同频率的正弦波信号无限叠加拟合形成。fft将原来难以处理的时域信号转化成了谐振频率上的振幅。因此，复合频率的振动、声音在其谐振频率上有特征性振幅(特征指纹)。小波包分析(wpt)可以看到振动、声音在不同谐振频率上的波形特征，分解后不同频率的时域波形重叠拟合后为检测的原始波形。wpt分解后发现，在判断松质骨、皮质骨、软组织和穿透皮质骨不同的工作界深时，不同的频段振动能量存在显著差异。

7、声音信号特征推导公式为：

8、

9、

10、

11、

12、

13、式中，f(t)为合力，f0为初始力，fn为周期力，n表示谐波次数，fr为磨钻频率，t为时间，为初始相位角；mb表示骨头质量，xd为位移，kb表示骨头的弹性模量；γn表示钻头第n次的系数，ρ为密度，kρ表示密度系数，v表示体积，kv表示体积系数；s(t)为声压幅值，a为加速度，α为比值系数；l表示求和公式中的自然数，d表示深度值，ab表示骨头的加速度；

14、振动信号特征推导公式为：

15、

16、

17、

18、

19、ahz＝πrdm

20、vhz＝ahzvhz

21、

22、

23、

24、式中，k为弹性系数，x(t)表示随时间的位移，γ为系数，r为钻头半径，ahz为截面积，vhz为水平位移的速度，当前随时间的位移，δ表示磨钻频率方差，k0表示初始弹性系数，i表示第几次谐波，fi表示第几次谐波的力，表示第几次谐波的相位角，m表示骨头或磨钻的质量，dm表示磨钻钻入骨头的深度，kv表示体积系数。

25、在一个实施例中，在步骤s2中，工作界深的声音、震动特征为：距皮质骨穿透0.5mm的声音、震动特征。

26、在一个实施例中，在步骤s2中，工作界深的声音、震动特征为：距皮质骨穿透1mm的声音、震动特征。

27、在一个实施例中，在步骤s2中，工作界深的声音、震动特征为：距皮质骨穿透2mm的声音、震动特征。

28、本发明的另一目的在于提供一种实施所述脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法的柱手术磨钻工作状态的信号识别装置，该装置包括：声音和震动的收集装置，传导装置，分析处理装置；

29、所述声音和震动的收集装置用于收集产生的声音和震动信号，并发送给传导装置，传导装置采集该声音和震动信号后，传输给对分析处理装置，对工作设备的实时状态进行识别。

30、在一个实施例中，声音和震动的收集装置包括：正交结构机械臂、麦克风和加速度计以及高速磨钻；

31、声音和震动的收集装置的信号收集由麦克风和加速度计完成，高速磨钻安装在正交结构机械臂的y轴上，麦克风和加速度计安装在正交结构机械臂的x轴上，高速磨钻产生的声音和震动信号发送给麦克风/加速度计被收集。

32、在一个实施例中，传导装置采用动态信号采集装置，通过有线或无线接收麦克风/加速度计发送的高速磨钻产生的声音和震动信号；所述分析处理装置采用工作站。

33、本发明的另一目的在于提供一种高速磨钻，所述高速磨钻执行所述脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法。

34、本发明的另一目的在于提供一种辅助脊柱手术机器人，所述辅助脊柱手术机器人执行所述脊柱手术磨钻工作状态的信号识别方法。

35、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

36、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：快速傅里叶变换(fft)和小波包分析(wpt)是分析声音信号特征的公认科学方法和手段。声音，震动信号具有实时反馈，信噪比高，便于收集，价格便宜，可重复使用等优势，因此本装置可在临床实践中得到广泛应用，对治疗各种脊柱相关疾病有较高的实用价值，并为机器人辅助脊柱手术的发展提供一种新的实时敏感反馈参数。麦克风和加速度计等收集传导装置既可以有线也可以无线，并且基于目前的制造水平，上述麦克风、加速度计或蓝牙麦克风、蓝牙加速度计费用不高，而且可以消毒重复使用，节省费用。

37、第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本装置基于fft和wpt提取特定频率下磨钻工作时的声音，震动信号，分析不同工作状态及界深下声音，震动信号的差异，从而实时识别脊柱手术中磨钻的工作状态。本装置可预先在实验动物、大体标本上进行操作，证明声音，震动信号是脊柱手术中识别磨钻工作状态的一种可靠敏感的实时反馈参数，并发现潜在的问题加以纠正，进一步完善，在实践中总结经验。由于声音，震动信号具有实时反馈，信噪比高，便于收集，价格便宜，可重复使用等优势，因此本装置可在临床实践中得到广泛应用，对治疗各种脊柱相关疾病有较高的实用价值，并为机器人辅助脊柱手术的发展提供一种新的实时敏感反馈参数。

38、第三、作为本发明创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：将该技术方案相关的医用器械应用到脊柱手术中，降低手术风险及并发症，信噪比高，便于收集，价格便宜，可重复使用，销售前景广阔。现有技术主要依靠x线片为主的手术方式，本发明填补了“视觉”以外的感知手段，并为机器人辅助脊柱手术的发展提供一种新的实时敏感反馈参数。现有技术实时识别脊柱手术中磨钻的工作状态效果差且设备制造成本高，对存在的潜在问题不能给出进一步纠正建议。本发明以较小的成本取得了显著的综合效益，是医学设备信息处理技术领域的一大进步。