修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法及设备技术

本发明专利技术提供一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，包括：1、建立三种有限元分析模型；2、进行实体钻骨测温实验，提取模型二和模型三的最高测量温度值；对模型二与模型三进行优化，将优化结果应用于模型一；3、对优化后的模型一、模型二和模型三进行仿真，提取最高模拟温度值；4、计算在不同的钻骨参数组合下，模型二和模型三的最高模拟温度相对于模型一的相对误差，并拟合出相对误差公式，根据相对误差公式、模型二与模型三的最高测量温度值计算出模型一的实际钻削点最高温度值；5、根据实际钻削点最高温度值选定骨外科手术的钻骨参数并控制范围。本发明专利技术还提供一种计算机设备，提高实际钻削点钻骨最高温度值的准确性。

Method and Equipment for Calculating Drilling Bone Temperature at Actual Drilling Point by Correcting Thermocouple Measurements

The invention provides a method for obtaining the actual drilling point drill temperature by modifying the thermocouple measurement value, including: 1. establishing three finite element analysis models; 2. extracting the maximum measurement temperature values of model 2 and model 3 through physical drill temperature measurement experiments; optimizing model 2 and model 3, applying the optimization results to model 1; 3. optimizing model 1, model 2 and model 3; Model 3 simulates and extracts the maximum simulated temperature value; 4. Calculates the relative error of the maximum simulated temperature of model 2 and model 3 relative to model 1 under different combination of drilling parameters, and fits the relative error formula, calculates the actual maximum drilling temperature value of model 1 according to the relative error formula, the maximum measured temperature value of model 2 and model 3; 5. Calculates the actual maximum drilling temperature value of model 1 according to the relative error formula, the maximum measured temperature value of model 2 and model 3. The maximum temperature of the actual drilling point is used to select the drilling parameters and control the range of the drilling parameters in orthopaedic surgery. The invention also provides a computer device to improve the accuracy of the highest temperature value of the drill bone at the actual drilling point.

【技术实现步骤摘要】
修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法及设备
本专利技术涉及一种钻孔温度，尤其涉及一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法及设备。
技术介绍
骨骼作为生命体重要的组成部分，同时具有支持身体、保护内脏器官、制造血细胞、储存矿物质、维护血液中PH值、完成运动等重要功能。在实际生活中，运动过量、高空坠落、物体撞击等都会使骨骼受到瞬时冲击载荷的作用，进而引发骨损伤和骨折。骨折严重的会影响到人们的正常生活，如果处理不当会留下后遗症。因此对骨折进行有效的治疗显得尤为重要。在外科手术中，常采用钻头在折断骨周围钻孔以固定或安装医疗器具，维持骨结构的稳固性。在骨的钻孔的过程中，钻头对骨头的切削作用及钻头与骨质的摩擦作用会产生大量的热，由于钻削环境的封闭性，热量扩散到钻头、骨屑和皮质骨，其中大部分热量进入皮质骨。钻骨温度是骨钻过程中的—个重要考虑因素，过高的钻削温度会严重损伤骨头的性能。Hayes等的研究认为切削温度会影响骨头的生命活性，如果温度保持在20-43℃的情况下不会损伤骨头的活性；为保证骨头的活性，钻骨温度不宜超过50℃。有学者对兔骨进行试验研究，得出在55℃的条件下持续30s会使骨细胞产生不可逆的死亡。也有学者同样以兔骨为试验材料，通过试验研究后提出在47℃的条件下持续l分钟是皮质骨产生热坏死的阈值条件。由此可见，手术中过高的温度会对骨组织造成伤害，影响骨组织的正常康复。严格的对钻骨温度进行控制非常重要。不同的钻削条件对钻削温度会造成一定的影响，有些学者研究了骨科手术中主轴转速、进给量等参数对骨钻削中温度的作用效果，并进行了实验验证，结果表明：低速范围内骨钻孔时，主轴转速对温度的作用效果最大，并且温度随着主轴转速的增加而升高，随着进给量的增加而降低。近年来，随着有限元技术的不断进步，有限元技术在钻削领域的使用范围越来越广。K.Alam,Mitrofanov和Siberschmidt对皮质骨的力学特性以及材料特性进行实验测量，测量和计算出一部分皮质骨在有限元仿真软件所需的属性参数。XiashuangLi利用ANSYS三维钻骨有限元模型，探究了不同因素对钻骨温度的影响，并拟合了经验公式用于预测和优化合理的钻骨参数。目前切削过程中温度测量方法主要有热电偶法与红外线测温法。由于钻削过程的封闭性，红外线无法照射到工件内部，因此不适合钻削温度的测量。热电偶法可以将热电偶丝埋入工件内，能够测量钻削过程中骨头内部的温度变化。传统的热电偶测量基本采用埋入法，如图1所示，由钻头1在皮质骨2上钻有一钻孔3，在距离钻孔3的孔壁一定距离的位置开一个一定深度的盲孔4，将热电偶5放置在盲孔4内，用于测量盲孔4底部骨头的温度，热电偶5测得的温度传输给信号处理电路6进行处理。将测量得到的最高温度作为钻削过程中骨头上升的最高温度，由于测量点并非最高温度分布区域(钻骨时产生的最高温度出现在孔内壁的最底端)，而是在最高温度分布区域的附近，同时为了测温埋放热电偶，在骨头上打孔破坏了骨头原有的完整性，在实际手术中也不可能用热电偶法进行钻骨测温；同时，热电偶法对钻骨过程中的热传导也有一定的影响，多种因素共同影响下导致实验测量的最高温度值(开孔预埋热电偶时开孔底部的温度)与实际钻削点的最高温度值(未预埋热电偶时钻孔内壁底部的温度)存在一定的误差，测温误差会对钻骨手术参数的确定造成不良影响。为了修正这一误差，本专利技术提供了一种修正热电偶测量的钻骨温度，并获得实际最高钻骨温度的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题之一，在于提供一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，修正热电偶在钻骨实验测温得到的温度值与实际钻削点的最高温度数据之间存在的误差，用于提高最高温度测量结果的准确度。本专利技术要解决的技术问题之一，是这样实现的：一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，包括：步骤1、建立三种有限元分析模型，分别是：模型一：考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨的理想模型、模型二：在考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨上开孔埋装热电偶的实验场景模型、模型三：在不考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨上开孔埋装热电偶的实验场景模型；步骤2、根据模型二和模型三的结构分别进行实体钻骨测温实验得出实验结果，从最高温度提取区域中提取出实验结果中模型二结构下的最高测量温度值和模型三结构下的最高测量温度值；通过该实验结果分别对模型二与模型三进行优化，并将优化得出的优化结果应用于模型一；步骤3、根据实验结果对优化后的模型一、模型二和模型三进行钻骨测温仿真模拟得出仿真结果，提取出仿真结果中模型一的钻削点模拟温度值、模型二的埋装热电偶处的模拟温度值和模型三的埋装热电偶处的模拟温度值；步骤4、根据仿真结果计算在不同的钻骨参数组合下，模型二的最高模拟温度值和模型一的最高模拟温度值之间以及模型三的最高模拟温度值和模型一的最高模拟温度值之间的相对误差，拟合出不同的钻骨参数下的相对误差公式，并计算出模型一实际钻削点最高温度的推算公式，根据该相对误差公式、推算公式、模型二结构下的最高测量温度值与模型三结构下的最高测量温度值计算出模型一结构下的实际钻削点最高温度值；步骤5、根据该实际钻削点最高温度值选定骨外科手术的钻骨参数，并将模型一结构下的实际钻削点最高温度值控制在钻骨手术需要的温度范围内。进一步地，所述步骤4具体为：将模型一、模型二和模型三测得的最高模拟温度值分别记为T1、T2和T3，在不同的钻骨参数组合下，模型二测得的最高模拟温度值相对于模型一的相对误差记为：δ21＝(T2-T1)/T1，模型三测得的最高模拟温度值相对于模型一的相对误差记为：δ31＝(T3-T1)/T1，根据相对误差的计算公式δ21＝(T2-T1)/T1和δ31＝(T3-T1)/T1推出：T1＝T2/(δ21+1)和T1＝T3/(δ31+1)，进而得到模型一的实际钻削点最高温度：T1实际钻削点＝T2实验/(δ21+1)，T1实际钻削点＝T3实验/(δ31+1)；采用响应面分析法对不同的钻骨参数下模型二测得的最高模拟温度值相对于模型一的相对误差进行分析，不同的钻骨参数包括钻头直径、主轴转速和进给速度，并拟合出模型二相对于模型一的相对误差与钻骨参数之间的函数公式：δ21＝A21+B21*d+C21*v+D21*f+E21*d*v+F21*d*f+G21*v*f+H21*d^2+I21*v^2+J21*f^2，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I和J代表系数，d代表钻头直径，v代表主轴转速，f代表进给速度；同理，拟合出模型三相对于模型一的相对误差与钻骨参数之间的函数公式：δ31＝A31+B31*d+C31*v+D31*f+E31*d*v+F31*d*f+G31*v*f+H31*d^2+I31*v^2+J31*f^2，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I和J代表系数，d代表钻头直径，v代表主轴转速，f代表进给速度；当在实验过程中采用模型二或模型三的钻骨温度测量方式并获取实验钻骨最高温度时，利用预先获得的相对误差与钻骨参数之间的函数公式、模型二结构下的最高测量温度值T2实验、模型三结构下的最高测量温度值T3实验及模型一的实际钻削点最高温度T1实际钻削点的推算公式计算得到修正后的模型一结构下的实际钻削点最高温度值T1实际钻削点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，其特征在于：包括：步骤1、建立三种有限元分析模型，分别是：模型一：考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨的理想模型、模型二：在考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨上开孔埋装热电偶的实验场景模型、模型三：在不考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨上开孔埋装热电偶的实验场景模型；步骤2、根据模型二和模型三的结构分别进行实体钻骨测温实验得出实验结果，从最高温度提取区域中提取出实验结果中模型二结构下的最高测量温度值和模型三结构下的最高测量温度值；通过该实验结果分别对模型二与模型三进行优化，并将优化得出的优化结果应用于模型一；步骤3、根据实验结果对优化后的模型一、模型二和模型三进行钻骨测温仿真模拟得出仿真结果，提取出仿真结果中模型一的钻削点模拟温度值、模型二的埋装热电偶处的模拟温度值和模型三的埋装热电偶处的模拟温度值；步骤4、根据仿真结果计算在不同的钻骨参数组合下，模型二的最高模拟温度和模型一的最高模拟温度之间以及模型三的最高模拟温度和模型一的最高模拟温度之间的相对误差，拟合出不同的钻骨参数下的相对误差公式，并计算出模型一实际钻削点最高温度的推算公式，根据该相对误差公式、推算公式、模型二结构下的最高测量温度值与模型三结构下的最高测量温度值计算出模型一结构下的实际钻削点最高温度值；步骤5、根据该实际钻削点最高温度值选定骨外科手术的钻骨参数，并将模型一结构下的实际钻削点最高温度值控制在钻骨手术需要的温度范围内。...

【技术特征摘要】
1.一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，其特征在于：包括：步骤1、建立三种有限元分析模型，分别是：模型一：考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨的理想模型、模型二：在考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨上开孔埋装热电偶的实验场景模型、模型三：在不考虑骨腔液体流动的圆柱型胫骨上开孔埋装热电偶的实验场景模型；步骤2、根据模型二和模型三的结构分别进行实体钻骨测温实验得出实验结果，从最高温度提取区域中提取出实验结果中模型二结构下的最高测量温度值和模型三结构下的最高测量温度值；通过该实验结果分别对模型二与模型三进行优化，并将优化得出的优化结果应用于模型一；步骤3、根据实验结果对优化后的模型一、模型二和模型三进行钻骨测温仿真模拟得出仿真结果，提取出仿真结果中模型一的钻削点模拟温度值、模型二的埋装热电偶处的模拟温度值和模型三的埋装热电偶处的模拟温度值；步骤4、根据仿真结果计算在不同的钻骨参数组合下，模型二的最高模拟温度和模型一的最高模拟温度之间以及模型三的最高模拟温度和模型一的最高模拟温度之间的相对误差，拟合出不同的钻骨参数下的相对误差公式，并计算出模型一实际钻削点最高温度的推算公式，根据该相对误差公式、推算公式、模型二结构下的最高测量温度值与模型三结构下的最高测量温度值计算出模型一结构下的实际钻削点最高温度值；步骤5、根据该实际钻削点最高温度值选定骨外科手术的钻骨参数，并将模型一结构下的实际钻削点最高温度值控制在钻骨手术需要的温度范围内。2.根据权利要求1所述的一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，其特征在于：所述步骤4具体为：将模型一、模型二和模型三测得的最高模拟温度分别记为T1、T2和T3，在不同的钻骨参数组合下，模型二测得的最高模拟温度相对于模型一的相对误差记为：δ21＝(T2-T1)/T1，模型三测得的最高模拟温度相对于模型一的相对误差记为：δ31＝(T3-T1)/T1，根据相对误差的计算公式δ21＝(T2-T1)/T1和δ31＝(T3-T1)/T1推出：T1＝T2/(δ21+1)和T1＝T3/(δ31+1)，进而得到模型一的实际钻削点最高温度T1实际钻削点的推算公式为：T1实际钻削点＝T2实验/(δ21+1)，T1实际钻削点＝T3实验/(δ31+1)；采用响应面分析法对不同的钻骨参数下模型二测得的最高模拟温度相对于模型一的相对误差进行分析，不同的钻骨参数包括钻头直径、主轴转速和进给速度，并拟合出模型二相对于模型一的相对误差与钻骨参数之间的函数公式：δ21＝A21+B21*d+C21*v+D21*f+E21*d*v+F21*d*f+G21*v*f+H21*d^2+I21*v^2+J21*f^2，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I和J代表系数，d代表钻头直径，v代表主轴转速，f代表进给速度；同理，拟合出模型三相对于模型一的相对误差与钻骨参数之间的函数公式：δ31＝A31+B31*d+C31*v+D31*f+E31*d*v+F31*d*f+G31*v*f+H31*d^2+I31*v^2+J31*f^2，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I和J代表系数，d代表钻头直径，v代表主轴转速，f代表进给速度；当在实验过程中采用模型二或模型三的钻骨温度测量方式并获取实验钻骨最高温度时，利用预先获得的相对误差与钻骨参数之间的函数公式、模型二结构下的最高测量温度值T2实验、模型三结构下的最高测量温度值T3实验及模型一的实际钻削点最高温度T1实际钻削点的推算公式计算得到修正后的模型一结构下的实际钻削点最高温度值T1实际钻削点。3.根据权利要求1所述的一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，其特征在于：所述步骤2中通过该实验结果分别对模型二与模型三进行优化，其优化方法有：细化有限元分析模型的网格，测量和配置实验选用的骨的物理性能参数，使模型二与模型三的仿真结果与实验结果相吻合。4.根据权利要求1所述的一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，其特征在于：所述模型一的最高温度提取区域位于钻孔内壁底端区域，所述模型二与模型三的最高温度提取区域位于开孔的底端区域。5.根据权利要求1所述的一种修正热电偶测量值获得实际钻削点钻骨温度的方法，其特征在于：所述有限元分析模型的选取方式是：将骨头模型设为圆筒型骨头模型，在圆筒型骨头模型中取钻头处20...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤芳怡，崔虎子，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35