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作者:林浩瑋 (2000-07-10),核可:徐業良 (2000-07-10)
附註:本文為八十八學年度元智大學機械工程研究所林浩瑋碩士論文第四章。

腦部手術骨骼鑽孔平台整合測試

4.1 與現有電鑽的比較

目前腦科手術頭骨鑽孔,是經由醫院現有無框式光學定位系統的影像定位引導,將電鑽移到離病灶最近距離的頭骨上,在接近頭骨上定位點的法線方向用電鑽進行骨骼鑽孔。醫生以現有電鑽進行骨骼鑽孔時,是根據其手部力量變化的感覺來判斷是否鑽穿,當感受到快鑽穿骨骼時,在第三層的硬骨質進行擴孔,可避免造成鑽頭頂端的過衝量,鑽穿硬骨質後,醫生將電鑽立即反向退刀,並用腳踏開關切斷電鑽電源。醫生徒手持電鑽的進給方式如圖4.1所示,一手頂住病患頭部負責維持在鑽孔時的穩定,一手則緩慢的將電鑽推進鑽孔。醫院現有軟體結合斷層掃描的影像可判斷出該點頭骨的大約厚度,該厚度值的精確度與斷層掃描時,掃描兩張圖片的距離有關。

4.1 徒手持電鑽進給示意圖

本研究在研發腦部手術骨骼鑽孔平台的設計階段,為了檢驗鑽穿骨骼時鑽頭的過衝量,在判斷骨骼已鑽穿時,自動切斷電鑽電源使其停止轉動,並自動停止進給,量測鑽頭的過衝量,再按鍵進行自動提刀的動作。此外,本研究電鑽被挾持於機械手臂,機械手臂關節處是由球型接點組成,使醫生能靈活地將電鑽移到接近定位點的法線方向,透過機械手臂挾持電鑽以提供自動進給鑽孔時穩定的結構,型架上頂桿設計可以克服往下進給的慣性力,避免造成過衝量。在程式界面可以根據斷層掃描的圖片顯示的大約頭骨厚度,設定自動進給的最大位移,以確保手術骨骼鑽孔的安全性。

腦部手術骨骼鑽孔平台可搭配不同的電鑽進行實驗,一般手術醫療用的電鑽是插在其轉速控制箱,可設定電鑽轉速。本系統曾嘗試與兩台手術醫療用的電鑽結合,將其轉速控制箱的電源插入本系統的訊號擷取控制電路盒的插座上,由於手術醫療用電鑽各家廠商的設計及規格不同,有一台可以擷取到電鑽的電流訊號,另外一台就無法與本系統結合,因此本系統的實驗上是採用一般常用的小電鑽,功能上無轉速控制,實驗用的電鑽是由一個直流馬達及鑽頭組成,電鑽規格為轉速為11500rpm、直流110伏特、最大額定電流1A。本系統是採用一線性電位計量測鑽孔深度方面,其量測的長度與電壓成正比,經過電壓與實際長度的實驗校正之後,電壓每1伏特代表實際進給15.47mm

由於醫療手術用電鑽取得不易且價格昂貴,本研究的電鑽是採用直流馬達,其特性為電流與扭力成正比,最關鍵的子系統就是藉由感測電鑽的電流訊號變化來做為判斷鑽穿骨骼的依據,用電流訊號來判斷鑽穿骨骼的步驟如下:

(1) 記錄醫生在骨骼鑽孔時電鑽的電流訊號變化

由訊號擷取電路控制盒後方的同軸電纜線與示波器連接,此時根據醫生正常鑽孔方式根據醫生手感進行骨骼鑽孔,訊號擷取電路控制盒將電鑽電流訊號經過感測器轉換成電壓訊號變化,並透過示波器顯示鑽孔過程的訊號變化,將醫生進行骨骼鑽孔時的經驗量化。

(2)設定判斷骨骼鑽穿次數的訊號電壓差

電鑽電流經過感測器轉換成電壓經過示波器觀察的訊號變化如圖4.2所示,可看出電鑽鑽頭在硬骨質到軟骨質、及內層硬骨質的鑽孔過程,產生兩次訊號下降的訊號變化,就以第一次鑽穿(硬骨質到軟骨質)的電壓差,作為判斷鑽穿次數的依據。

4.2 示波器觀察鑽孔過程電鑽訊號變化圖

(3)實驗測試

完成上述步驟之後,即可操作腦部手術骨骼鑽孔平台進行鑽孔實驗,根據不同的切削參數,搭配本系統的鑽孔操作模式進行實際整合測試。

4.2 腦部手術骨骼鑽孔平台操作模式

腦部手術骨骼鑽孔平台的操作模式有三種:徒手持電鑽進給模式、型架手動進給模式、以及型架自動進給模式,可提供醫生在不同手術上的使用需求。三種進給模式的相同處是將電鑽的電源插在訊號擷取電路控制盒的插座上,同時由控制盒提供電源並擷取電鑽的電流訊號,再透過電腦內的類比數位轉換卡做訊號處理,當判斷到鑽穿骨骼的訊號時,透過電腦內的8255輸出界面卡輸出高電位的數位訊號驅動繼電器切斷電鑽電源。

(1)徒手持電鑽進給模式

徒手持電鑽進給模式需要的設備如圖4.3所示,包含電鑽、訊號擷取電路控制盒、及電腦。將電鑽的電源插在訊號擷取電路控制盒的插座上,同時由控制盒提供電源並擷取電鑽的電流訊號,醫生一手頂住病患頭部負責維持在鑽孔時的穩定,一手則緩慢地將電鑽推進鑽孔,判斷到鑽穿骨骼訊號時,電鑽電源被切斷而停止轉動。徒手持電鑽進給模式完全模擬醫生目前進行骨骼鑽孔的方式,但鑽穿與否是由電腦系統做輔助判斷。此模式中有一個影響過衝量的人為因素,就是當鑽穿骨骼的瞬間,若手往下施力過大,其慣性力可能造成過衝。

4.3 徒手持電鑽進給模式示意圖

(2)型架手動進給模式

型架手動進給模式需要的設備如圖4.4所示,包含電鑽、骨骼鑽孔平台、訊號擷取電路控制盒、及電腦。醫生用手每轉動手搖柄1圈,電鑽往下進給1.58mm,當判斷鑽穿訊號後,電鑽電源切斷停止轉動、紅色警示燈亮起、電腦發出警告聲音、及顯示鑽孔深度,步進馬達在鑽穿骨骼時定子全部激磁,而造成轉子被保持(hold)住,形成制動煞車的功能。以此種模式在鑽孔過程中醫生仍然可以視狀況主動控制進給速度與是否停止進給。手動進給速度因不同醫生轉動手搖柄的速度而異,注意在骨骼鑽孔過程,手必須持續進給,電腦才能做出正確的鑽穿骨骼判斷。

4.4 型架手動進給模式示意圖

(3)型架自動進給模式

型架自動進給模式需要的設備如圖4.5所示,包含電鑽、骨骼鑽孔平台、訊號擷取電路控制盒、及電腦。型架自動進給模式是完全自動化的骨骼鑽孔,以步進馬達輸出軸直接透過連軸器帶動牙條,再透過滑塊夾持電鑽做軸向的鑽孔。此外型架上設計有一根頂桿與病人頭部接觸,使電鑽有個頭部法線方向支撐點,可以抵消鑽穿骨骼時向下的軸向慣性力,以減少鑽穿時的過衝量。在此模式中,當感測到鑽穿骨骼的訊號時,電鑽停止轉動、軟體顯示鑽孔深度,之後醫生按鍵自動退刀提起電鑽。

4.5 型架自動進給模式示意圖

4.3 骨骼鑽孔平台整合測試實驗設計

1. 可靠度實驗

醫療器材的可靠度是十分重要的,因此也希望藉由多次鑽孔實驗檢驗本平台是否有不預期失效的狀況。腦部手術骨骼鑽孔平台最重要的規格是鑽穿頭骨後自動停止進給,鑽穿的過衝量要小於2mm,因此量測鑽頭鑽穿頭骨的過衝量是本研究實驗成功與否的重要量化指標。由於人的頭骨取得不易,在實驗初期以兩層壓克力模擬頭骨的硬骨質,內夾一層珍珠板模擬頭骨的軟骨質,兩層壓克力及珍珠板厚度約9.5mm,以建立完整正確的實驗流程。熟悉整個實驗流程之後,再以厚度1012mm的豬骨為實驗材料,進一步確認在動物骨骼鑽孔的特性,最後用骨骼鑽孔平台以厚度56mm的人骨為實驗材料,進行多次鑽孔並量測每次鑽孔之過衝量,求其平均值、標準差,以驗證過衝量符合設計需求。實驗流程如下:

(1)(1)利用程式之學習模式,記錄醫生在骨骼鑽孔時的電鑽電流訊號變化。

(2)設定判斷骨骼鑽穿次數的訊號電壓差。

(3)針對壓克力模擬物、豬骨、人骨進行多次鑽孔,量測其過衝量。

2. 修改模糊規則庫減少過衝量實驗

前述可靠度實驗在型架自動進給時仍設定為定速進給鑽孔,為驗證模糊控制之有效性,本實驗修改模糊規則庫,模擬醫師鑽孔方式,鑽穿第一層硬骨質時,減少進給速度的方式,測試此種方式是否能有效減少鑽穿時的鑽頭的過衝量。

3. 參數實驗

本平台依據操作模式可區分為徒手持電鑽進給、型架手動、及型架進給三種,探討不同鑽頭直徑、頂桿有無、進刀方向、及進給速度等四個實驗參數對過衝量的影響(如圖4.6所示),各進給模式所要驗證的重點如下:

q 在徒手持電鑽進給模式,用不同鑽頭直徑,都能在鑽穿第三層時,電鑽停止轉動。

q 在型架手動進給模式下,針對不同進給速度、鑽頭直徑,觀察其過衝量;固定鑽頭直徑對人骨進行多次鑽孔,驗證型架手動進給的過衝量在2mm內,並進一步探討手動進給速度與頭骨特性的關係。

q 在型架自動進給模式下,針對不同鑽頭直徑、豬骨及人骨進行多次鑽孔驗證其過衝量皆在2mm內。

4.6 實驗參數討論

4.4 實驗數據分析

4.4.1 可靠度實驗分析

骨骼鑽孔平台整合測試首先用型架手動進給、自動進給二種模式,對於不同的被鑽物進行多次鑽孔實驗,觀察每次鑽穿時的過衝量是否小於2mm的方式來驗證系統的可靠度,過衝量的是由精度0.05mm的游標尺進行量測。

q型架手動進給模式鑽壓克力模擬物

本實驗在學習模式下,實驗條件為鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm,對於壓克力板共進行10次的鑽孔。學習模式的實驗數據如表4.1所示,進給速度最快是1.62mm/s,相當於用手每1sec轉手搖柄1圈,進給速度最慢0.45mm/s,相當於用手每3.5sec轉手搖柄1圈,設定手動進給鑽壓克力模擬物的判斷壓差為0.072伏特。

4.1 型架手動進給鑽壓克力模擬物學習模式數據

鑽壓克力

1

2

3

4

5

進給速度

1.62mm/s

1.47mm/s

1.07mm/s

0.87mm/s

0.87mm/s

壓差volt

0.25

0.27

0.26

0.2

0.13

 

6

7

8

9

10

進給速度

0.7mm/s

0.64mm/s

0.63mm/s

0.58mm/s

0.45mm/s

壓差volt

0.08

0.07

0.1

0.08

0.05

接著我們用型架手動進給模式、鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm的實驗條件,對壓克力板進行14次的鑽孔實驗。14鑽孔過衝量的平均值為0.95mm、標準差為0.37mm、過衝量的範圍介於0.51.8mm之間。

由於型架手動進給模式下的進給速度受使用者轉動手搖柄的速度而定,本研究利用統計學上的皮爾森相關係數(Pearson’s correlation),來探討型架手動進給速度與過衝量的關係。皮爾森相關係數主要在探討兩變數間線性相關的程度,其值介於-1與+1之間;相關為+1表示變數間有完全的正線性關係、相關為-1表示變數間有完全的負線性關係、相關為0表示變數間無線性關係。皮爾森相關的公式如式(4-1)所示:

                                                        (4-1)

其中r為皮爾森相關係數、收集N對資料、XY為兩個變數、是平均數。

4.7所示為手動進給速度與過衝量關係,由皮爾森相關係數高達0.92,可以看出進給速度與過衝量成正相關,

4.7 型架手動進給鑽壓克力進給速度與過衝量關係圖

q自動進給模式鑽豬骨

本實驗在學習模式下,實驗條件為鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm,用自動進給模式對於兩塊豬骨共進行4次的鑽孔。學習模式的數據如表4.2所示,進給速度約為0.57mm/s,直徑1mm鑽頭設定判斷鑽穿的壓差為0.09volt

4.2 自動進給模式鑽豬骨學習模式數據

鑽豬骨

1

2

3

4

壓差volt

0.17

0.147

0.137

0.12

進給速度

0.56mm/s

0.59mm/s

0.6mm/s

0.57mm/s

我們用自動進給模式、鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm的實驗條件,對豬骨進行11次的鑽孔實驗,進給速度約0.57mm/s11次的過衝量平均數為0.76mm、標準差0.17mm,過衝量的範圍介於0.51mm之間。自動進給鑽豬骨時,電鑽的訊號變化如圖4.8所示,可以看出實際骨頭比壓克力模擬物在材質上較不均勻。

4.8 自動進給模式鑽豬骨訊號圖

q型架手動進給模式鑽人骨

本實驗在學習模式下,實驗條件為鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm,用自動進給模式對於兩塊人骨共進行6次的鑽孔。學習模式的數據如表4.3所示,進給速度最快是1.74mm/s相當於用手每1sec轉手搖柄1圈,進給速度最慢0.47mm/s相當於用手每3.5sec轉手搖柄1圈,根據學習模式設定手動進給鑽人骨的判斷壓差為0.13伏特。

4.3 型架手動進給學習模式鑽人骨數據

鑽人骨

1

2

3

4

5

6

進給速度

1.74mm/s

1.31mm/s

1.14mm/s

0.99mm/s

0.76mm/s

0.47mm/s

壓差volt

0.23

0.13

0.20

0.24

0.21

0.17

我們用型架手動進給模式、鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm的實驗條件,對人骨重複進行13次的鑽孔實驗。手動進給速度與過衝量關係如圖4.9所示,’O’為鑽頭骨1過衝量、為鑽頭骨2的過衝量,由兩個頭骨的過衝量比較,可以看出程式根據第一塊頭骨所設定鑽穿的壓差值可適用於第二個頭骨。13次鑽孔過衝量皆小於2mm、平均值為0.66mm、標準差為0.22mm、過衝量的範圍介於0.31.1mm之間。進給速度與過衝量之皮爾森相關係數為0.87,可以看出型架手動進給速度與過衝量成正相關,用直徑1mm的鑽頭鑽人骨時建議進給速度介於0.5mm/s2mm/s之間。

4.9 型架手動進給鑽人骨進給速度與過衝量關係圖

q自動進給鑽人骨

本實驗在學習模式下,實驗條件為鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm,用自動進給模式對於兩塊人骨重複進行鑽孔實驗。學習模式的數據如表4.4所示,自動進給速度約為0.57mm/s,直徑1mm鑽頭設定判斷鑽穿的壓差為0.13volt

4.4 鑽人骨學習模式壓差實驗數據

鑽人骨

型架手動模式

自動進給模式

鑽孔次數

1

2

3

4

5

6

1

2

進給速度mm/s

1.74

1.31

1.14

0.99

0.76

0.47

0.6

0.55

壓差volt

0.23

0.13

0.20

0.24

0.21

0.17

0.23

0.18

我們用自動進給模式、鑽頭直徑1mm(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm的實驗條件,對人骨進行12次的鑽孔實驗,進給速度約0.57mm/s12次實驗的過衝量皆小於2mm,過衝量平均數為0.68mm、標準差0.12mm,過衝量的範圍介於0.41.1mm之間,根據第一塊頭骨所設定鑽穿的壓差設定對第二個人骨進行骨骼鑽孔,其過衝量為0.5mm。自動進給模式鑽人骨的訊號變化如圖4.10所示,可以由訊號變化骨頭的非均質特性。

4.10 自動進給鑽人骨訊號圖

我們將自動進給與型架手動進給鑽人骨的數據整理如表4.5所示,在直徑1mm的鑽頭(鑽頭有效長度20mm)、電鑽轉速11,500rpm的實驗條件下,兩種模式鑽人骨的過衝量皆小於2mm而符合設計需求。

4.5 鑽人骨自動進給與型架手動進給數據比較表

鑽人骨

重複實驗次數

進給速度

最大過衝量

過衝平均值

標準差

自動進給

12

0.57mm/s

1.1mm

0.68mm

0.20mm

手動進給

13

0.5~2mm/s

1.1mm

0.66mm

0.22mm

4.4.2 修改模糊規則庫減少過衝量實驗分析

前述可靠度實驗在型架自動進給時仍設定為定速進給鑽孔,如圖4.11為原始的模糊控制庫,當鑽穿一次時(state_counterOne),進給速度(feed_rate)的術語仍是positive,並將進給速度的歸屬函數設定如圖4.12所示,設定最大進給速度為1mm/s。為驗證模糊控制之有效性,本實驗修改模糊規則庫,模擬醫師鑽孔方式,鑽穿第一層硬骨質時,減少進給速度的方式,來觀察對於過衝量的影響。

4.11 修改前的模糊控制規則庫

4.12 修改前的進給速度的歸屬函數

本實驗對於進給速度多增加一個術語“positive small”,如圖4.13所示。並對於模糊控制規則庫修改為:鑽穿第一次之後(state_counterOne),進給速度更慢(feed_ratepositive small)如圖4.14所示。

4.13 修改後的進給速度歸屬函數

4.14 修改後的模糊規則庫

本實驗利用自動進給模式、鑽頭直徑2.5mm(鑽頭有效長度30mm)、電鑽轉速11,500rpm的實驗條件,對豬骨進行12次的鑽孔實驗,將修改後的電鑽的訊號變化及進給速度的變化於圖4.15做比較,圖形x軸為鑽孔時間、左邊y軸刻度為電鑽電流透過感測器轉換成電壓訊號(圖中實線)、右邊y軸刻度為進給速度(圖中虛線),可以發現在鑽孔時間8秒時,鑽頭頂端從硬骨質鑽到軟骨質(即感測到鑽穿第一次),此時模糊控制器輸出的進給速度約由0.8mm/s減少為0.5mm/s,於20秒鑽穿豬骨時系統自動切斷電鑽電源使得電鑽訊號為零。

4.15 鑽穿第一次減速時電鑽訊號與進給速度關係圖

比較修改模糊控制規則庫前後的過衝量數據(如表4.6)可知,修改模糊規則庫為鑽穿第一次降低進給速度的方式,的確可以有效減少過衝量。

4.6 鑽穿第一次是否減速對於過衝量影響的實驗數據

鑽豬骨各6

過衝量平均

過衝量標準差

過衝量最大值

過衝量最小值

鑽穿第一次不減速

1.03 mm

0.14 mm

1.2 mm

0.9 mm

鑽穿第一次減速

0.73 mm

0.08 mm

0.8 mm

0.6 mm

4.4.3 實驗參數分析

q 不同鑽頭直徑徒手鑽孔

徒手持電鑽鑽壓克力模擬物,經過10次的鑽孔實驗均無不預期失效狀況,不同的鑽頭直徑在感測到鑽穿訊號後,電鑽都能停止轉動,徒手持電鑽進給的主要受人為因素影響較大,因此過衝量的大小在此處不討論。

q 不同進刀角度

醫生通常會將鑽頭移到定位點的接近法線方向進行鑽孔,但有時空間受限狀況下,也可能以不同進刀角度鑽孔。因此我們也探討直徑1mm的鑽頭與水平夾90度、60度不同進刀方向鑽壓克力模擬物的過衝量,由表4.7的過衝量比較觀察,進刀角度對於過衝量的影響不大。

4.7 不同進刀角度實驗數據

 

1

2

3

60度的過衝量

0.6mm

0.6mm

0.6mm

90度的過衝量

0.4mm

0.6mm

0.7mm

q不同鑽頭直徑

本實驗在自動進給模式分別選用1mm2.5mm直徑鑽頭鑽人骨,訊號變化如圖4.16所示,由圖形可知:

(1)   在鑽孔的過程,直徑2.5mm的鑽頭需要較大的扭力

(2)   我們用2.5mm的鑽頭鑽人骨,實際進給速度為0.41mm/s,比鑽頭直徑1mm的進給速度0.6mm/s慢,原因可能有二點:首先是兩次鑽的頭骨厚度不同,直徑2.5mm鑽的頭骨處可能較厚,在不同的進給速度下,若厚度差1mm須多花5.3秒;第二個可能的原因是由於直徑2.5mm的鑽頭切削面積比較大亦即負載較大,而影響實際的進給速度。

4.16 不同鑽頭直徑鑽人骨的訊號圖

由表4.8的數據可以看出,在自動進給模式下,鑽頭直徑1mm的過衝量比直徑2.5mm小,造成過衝量的原因是鑽頭本身的直徑大小。如圖4.17所示,在鑽孔時是由鑽頭尖端120度兩邊的刀刃做實際切削的工作,鑽穿時表示尖端突出電鑽的扭力才會減小,所以鑽頭尖端的垂直分量距離就會造成過衝量,故直徑1mm鑽頭的垂直分量為0.29mm小於直徑2.5mm的垂直分量0.72mm,當然直徑2.5mm鑽頭造成的過衝量就會比較大,故可以推論目前醫療用的鑽頭頂端為橢圓形,其垂直分量比120度鑽頭小,可以減少因為鑽頭硬體本身造成的過衝量。

4.8 自動進給模式改變鑽頭直徑對於過衝量的數據

 

鑽人骨

鑽壓克力

鑽頭直徑1mm的過衝量

0.5~1.1mm

0.40.6mm

鑽頭直徑2.5mm的過衝量

0.91.3mm

0.9mm

4.17 不同鑽頭直徑示意圖

q有無頂桿輔助

頂桿設計可以抵消在鑽穿第三層硬骨質後,往下進給的慣性力,避免造成過衝量,如圖4.18所示,本實驗探討在相同進刀角度將頂桿支撐住或是懸空對過衝量之影響。頂桿懸空表示整個型架的重量及鑽孔時的反力,皆由機械手臂支撐並供結構穩定的剛性。由表4.19的實驗數據顯示,有頂桿輔助鑽孔可避免鑽穿時之慣性力,過衝量較小。

4.18 無頂桿輔助示意圖

4.9 有無頂桿輔助實驗數據

 

有頂桿輔助

無頂桿輔助

進給深度

10.34mm

11.07mm

進給深度

10.05mm

11.08mm

q不同被鑽物

我們用直徑1mm的鑽頭、自動進給模式鑽頭骨、豬骨、及壓克力模擬物,由圖4.19可觀察出頭骨最硬,所以鑽頭骨需要的扭力最大,其次為豬骨及壓克力模擬物,所以必須根據被鑽物不同設定適當壓差。

4.19 自動進給模式鑽不同物體電鑽訊號圖

4.4.4 鑽穿壓差的討論

系統判斷鑽穿一次的方式是根據所設定的電壓差,若設定鑽穿壓差大於實際鑽孔時的壓差,則程式無法判斷鑽穿一次,會造成誤判;若設定鑽穿壓差過小,也可能受訊號雜訊或是骨質硬度不均勻影響,而造成錯誤判斷。從本研究的實驗過程中,在型架手動進給模式主要影響壓差的參數為鑽頭直徑、被鑽物、進給速度;在自動進給模式下主要影響壓差的參數為鑽頭直徑、被鑽物。表4.10是比較自動進給與型架手動進給鑽人骨的壓差實驗數據,由鑽人骨數十次的數據顯示,自動進給與手動進給鑽穿第一次的實際壓差平均值分別為0.21、及0.22伏特,而程式所設定的壓差要以最小值0.13伏特,才能避免因為人骨各點硬度不一致而造成鑽穿訊號誤判。

4.10 自動進給與手動進給鑽人骨34次的壓差統計資料表

 

壓差平均值volt

標準差volt

最大值 volt

最小值volt

自動進給13

0.21

0.03

0.26

0.16

手動進給19

0.20

0.04

0.3

0.13

我們之前將模糊規則庫修改為鑽穿第一次時,進給速度減小可以減少過衝量,如圖4.20所示,實線為鑽穿第一次減速的電鑽訊號圖,與鑽穿第一次的虛線互相比較,可以觀察出減慢進給速度時,對於鑽穿第一次及鑽穿第二次的壓差無明顯影響。由於本實驗所設定的最大進給速度為1mm/s,所以進給速度從0.8mm/s減少到0.5mm/s的變化,對於壓差影響不大。

4.20 鑽穿第一次減速對於壓差的影響

我們用直徑2.5mm(有效長度30mm)的鑽頭,各進行6次鑽豬骨實驗以比較鑽穿第一次減速對於實際壓差的影響,實驗數據表4.11所示,鑽穿第一次減速與否,鑽穿第二次的壓差都比鑽穿第一次大,都能偵測出在鑽穿內層硬骨質與腦膜由硬到軟的組織。

此外,可明顯看出若設定的壓差皆為0.6伏特,鑽穿第一次減速6次實驗的平均過衝量0.73mm小於不減速時的1.03mm,若鑽穿第一次減速再加上設定壓差改為0.42伏特,則可將過衝量減為0.6mm

4.11 鑽穿第一次減速對於壓差變化實驗數據

模糊規則庫設定鑽穿第一次不減速

模糊規則庫設定鑽穿第一次減速

鑽豬骨

6次實驗平均

標準差

鑽豬骨

6次實驗平均

標準差

鑽穿第一次壓差

0.86

0.09

鑽穿第一次壓差

0.80

0.09

鑽穿第二次壓差

1.02

0.14

鑽穿第二次壓差

0.96

0.26

程式判斷鑽穿之壓差volt

0.6

程式判斷鑽穿之壓差volt

0.420.6

平均過衝量mm

1.03mm

平均過衝量mm

0.73mm

從使用者的觀點視之,本研究在鑽孔前只要輸入鑽頭直徑、電鑽號碼、被鑽物的選項號碼,程式即可根據輸入的選項號碼組合,設定判斷鑽穿的壓差,如表4.12所示,若用1號電鑽、鑽頭直徑1mm鑽人骨,則程式會根據以往的學習經驗設定壓差為0.13伏特。

4.12 壓差設定表

1號電鑽

鑽頭直徑1 mm

鑽頭直徑2.5 mm

人骨

0.13 volt

0.45 volt

豬骨

0.09 volt

0.6 volt

壓克力模擬物

0.08 volt

0.2 volt

4.5 實驗結論

本研究建立一套人骨鑽孔的完整實驗流程(學習模式、設定鑽穿壓差、實驗驗證),並從可靠度實驗、探討實驗參數的影響、模糊控制規則庫及壓差的討論驗證系統的可行性。在系統可靠度評估方面,利用直徑1mm鑽頭(有效長度20mm)型架手動進給、自動進給模式鑽人骨共25次,最大過衝量1.1mm、平均過衝量為0.67mm、標準差為0.21mm,過衝量皆在設計要求的2mm範圍來以驗證系統的可靠度。在實驗參數分析方面,鑽人骨型架手動進給速度與過衝量成正相關,用直徑1mm的鑽頭鑽人骨時建議進給速度介於0.5mm/s2mm/s之間;鑽頭直徑越大實際的過衝量越大;輔助頂桿可避免鑽穿之慣性力;進刀方向對於過衝量影響不大。修改模糊控制規則庫為鑽穿第一次減少進給速度,用鑽頭直徑2.5mm(有效長度30mm)鑽豬骨12次的實驗結果,鑽穿第一次減少進給速度對於鑽穿壓差判斷無明顯影響,但可以減少過衝量。