具体技术细节
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于骨水泥的遥控注入装置及其注入方法，采用精准遥控技术，操作者可远离X射线透视装置，一方面可监视注入情况，一方面可远距离控制骨水泥填充器在用户身体内的位置，也可控制助推机构的注入进程，通过本发明的注入装置实现骨水泥的远程精确操控注入。
[0005] 本发明提供了一种用于骨水泥的遥控注入装置，其包括基座、旋转机构、进给机构、快拆机构、助推机构和调速机构，所述基座和所述旋转机构的Z轴扭矩转盘连接，所述旋转机构的支架和所述进给机构的第二壳体连接，所述进给机构的保护套筒和所述快拆机构中填充器的外壳连接，所述快拆机构中填充器的安装端通过导管和所述助推机构的注射器针筒连接，所述助推机构的第二滚珠丝杆和所述调速机构的第二齿轮连接。所述进给机构，其包括第二壳体、保护套筒、导向杆、限位板、摩擦片、步进电机和第一滚珠丝杆，所述支架的第二端通过摩擦片和蝶形螺母与所述第二壳体的第一安装端固连，所述步进电机的外壳和所述第二壳体的第二安装端固连，所述步进电机的输出轴和所述第一滚珠丝杆的输入端连接，所述第一滚珠丝杆的输出端和丝杆螺帽的第一安装端连接，所述丝杆螺帽的第二安装端和所述保护套筒的第一安装端连接，所述导向杆对称分布在所述第一滚珠丝杆的两侧，所述导向杆的两端分别与所述第二壳体的第三安装端和所述限位板连接。所述助推机构，其包括注射器针筒、压紧板、注射器推杆、推板、导向管、第三壳体、第二滚珠丝杆和轴承座，所述注射器针筒的送料端和所述导管的第二端连接，所述注射器针筒的进料端和所述注射器推杆的第一端连接，所述注射器针筒的安装端通过压紧板和所述第三壳体的第一安装端连接，所述注射器推杆的第二端和所述推板的第一安装端固连，所述推板的第二安装端和所述第二滚珠丝杆的中部连接，所述导向管对称分布于所述第二滚珠丝杆的两侧。所述调速机构，其包括伺服电机、电机支架、第一齿轮和第二齿轮，所述电机支架第一安装端和所述第三壳体的第四安装端固连，所述伺服电机的外壳和所述电机支架第二安装端固连，所述伺服电机的输出轴和所述第一齿轮的中心连接，所述第一齿轮的齿端和所述第二齿轮的齿端啮合，所述第二齿轮的中心和所述第二滚珠丝杆的输入端连接。
[0006] 可优选的是，所述旋转机构，其包括Y向转轴、支架、Y向壳体、Y轴扭矩转盘、第一壳体和Z轴扭矩转盘，所述Z轴扭矩转盘的第一安装端和所述基座连接，所述Z轴扭矩转盘的第二安装端和所述第一壳体的第一端固连，所述第一壳体的第二端和所述Y向壳体的第一端连接，所述Y向壳体的第二端和所述Y轴扭矩转盘的第一安装端固连，所述Y轴扭矩转盘的第二安装端和所述Y向转轴的第一端连接，所述Y向转轴的第二端和所述支架的第一端固连。
[0007] 可优选的是，所述快拆机构，其包括填充器外壳、距离传感器和填充器，所述保护套筒的第二安装端位于所述填充器外壳的内部，所述保护套筒的第二安装端穿过所述限位板的第二安装端和所述填充器外壳的第一安装端连接，所述填充器外壳的第二安装端和所述填充器的第一安装端连接，所述填充器的第二安装端和第三安装端分别与所述距离传感器和所述导管的第一端连接。
[0008] 可优选的是，在所述助推机构中，所述导向管的两端分别与第一轴承座和第二轴承座上端的第一安装端连接，所述第二滚珠丝杆的两端分别与所述第一轴承座和所述第二轴承座上端的第二安装端连接，所述第一轴承座和所述第二轴承座的下端分别与所述第三壳体的第二安装端和第三安装端固连。
[0009] 可优选的是，在所述进给机构中，所述摩擦片对称布置于所述第二壳体的两侧；在所述快拆机构中，所述填充器外壳第二端的四个顶角设有磁性柱体，所述填充器第一端的四个顶角设有磁性凹槽。
[0010] 可优选的是，在所述进给机构中，所述保护套筒、所述限位板、所述步进电机的输出轴、所述丝杆螺帽和所述第一滚珠丝杆的轴线在同一条直线上；在所述助推机构中，所述注射器针筒、所述注射器推杆和所述推板的第一安装端的轴线在同一条直线上；所述第一轴承座、所述推板的第二安装端、所述第二滚珠丝杆、所述第二轴承座和所述第二齿轮的轴线在同一条直线上。
[0011] 本发明的第二方面，提供一种用于前述骨水泥的遥控注入装置的遥控注入方法，其包括以下步骤：
[0012] S1、将CT机就位拍摄X影像传输到遥控注入装置的微型计算机中；
[0013] S2、微型计算机利用预先训练好的UNet图像语义分割算法模型进行图像处理，计算出骨水泥的待填充区域体积和初注射量，其中UNet为含有编码器和解码器的U型网络架构；预先训练好的UNet图像语义分割算法模型通过获取骨水泥注入各阶段的骨水泥待填充区域X影像、待填充区域标签制作、图像预处理与数据集扩充和基于UNet图像语义分割算法训练获得；
[0014] S21、针对X影像，提取各切片，利用预先训练好的UNet图像语义分割算法模型进行图像处理，获取各切片的骨水泥待填充区域；
[0015] S22、基于图像比例，结合骨水泥待填充区域的像素点个数，推算出各切片的骨水泥待填充区域的面积si，其中i取1,2,…,n，n为X影像的切片总数；
[0016] S23、基于切片间的实际物理距离，借助微积分原理，估算骨水泥的待填充区域体积；
[0017] S24、取骨水泥的待填充区域体积的80％为初注射量；
[0018] S3、将步骤S2的信息反馈给伺服电机，伺服电机控制第二滚珠丝杆进行填充，设第二滚珠丝杆的导程为P，伺服电机的转速为Qr/min，则每秒骨水泥的注入量表达式为：
[0019]
[0020] 式中，V为骨水泥每秒的注入量，Q为伺服电机每分钟的转速，R为注射器针筒的半径，P为第二滚珠丝杆的导程；
[0021] 设骨水泥覆盖待填充区域体积为V0，在注入待填充区域面积80％的骨水泥后，停止伺服电机；
[0022] S4、在伺服电机停止后，将CT机拍摄X影像向微型计算机中传输图像，进行图像处理识别出骨水泥已填充区域和待填充区域；
[0023] S5、基于步骤S4的图像识别结果，当骨水泥覆盖待填充区域体积V0≥80％时，调节为手动遥控操作；当骨水泥覆盖待填充区域体积V0<80％时，调节为自动遥控注射；
[0024] S6、基于步骤S3注射过程中，通过压力传感器采集注射器推杆的压力判断骨水泥的状态，通过测得压力值判断注射是否继续进行，伺服电机推力计算表达式如下：
[0025]
[0026] 其中，F为伺服电机的推力；η为第二滚珠丝杆的传动效率，T为伺服电机的转矩，L为第二滚珠丝杆的导程；
[0027] 压力传感器的压力计算表达式如下：
[0028]
[0029] 其中，P为注射器推杆承受的压力，F为伺服电机的推力，S为注射器推杆的头面积；
[0030] S61、若压力传感器反馈的压力值小于xMPa时，此时停止注射；
[0031] S62、若压力传感器反馈的压力值大于yMPa时，此时停止注射；
[0032] S63、若压力传感器反馈的压力值介于xMPa和yMPa之间时，此时继续注射。
[0033] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0034] 1、本发明提供的旋转机构中，通过转动Z轴扭矩转盘和Y轴扭矩转盘可轻便调节骨水泥填充器位置，方便插入工作通道；设计过程中，考虑到进给机构的悬臂较长，产生力矩较大，通过计算选择一款能提供相适应的扭矩转盘，实现任意悬停，方便操作者使用。
[0035] 2、本发明提供的进给机构中，通过拍摄CT观察骨水泥填充器在用户体内位置，操作者根据经验远程控制进给机构，调节骨水泥填充器在用户体内位置，使骨水泥在用户体内分布更加均匀，用户恢复效果更好。
[0036] 3、本发明提供的助推机构和调速机构中，可通过远程控制伺服电机控制转速，实现0.1mm/s至0.5mm/s的注射速度，实现速度的可控可调，使骨水泥更均匀的注入用户体内。
[0037] 4、本发明提供的基于UNet图像语义分割的注入装置监测的控制方法，可通过图像处理识别出用户骨水泥待填充区域，并计算出所需注入骨水泥量，在注射过程中，会通过CT拍摄影像实时反馈到微型计算机进行图像处理，显式动态表现出已填充区域和未填充区域，使操作者更精准地控制骨水泥量的注入，使骨水泥分布更加均匀，有效防止渗漏。
[0038] 5、本发明提供的基于压力传感器的注入安全控制方法，搅拌完骨水泥存放到注射器针筒内，通过压力传感器反馈当前力信号，当压力小于xMPa时，操作界面上会提醒操作者禁止注入，并说明当前骨水泥状态为流体状态，不适宜注入；当压力大于yMPa时，操作界面上会提醒操作者禁止注入，并说明当前骨水泥状态为硬化状态，不适宜注入。通过此方法有效提高手术的安全可靠性、减少操作者的工作强度，并提高效率。
法律保护范围
涉及权利要求数量7：其中独权2项，从权-2项
1.一种用于骨水泥的遥控注入装置，其包括基座、旋转机构、进给机构、快拆机构、助推机构和调速机构，所述基座和所述旋转机构的Z轴扭矩转盘连接，所述旋转机构的支架和所述进给机构的第二壳体连接，所述进给机构的保护套筒和所述快拆机构中填充器的外壳连接，所述快拆机构中填充器的安装端通过导管和所述助推机构的注射器针筒连接，所述助推机构的第二滚珠丝杆和所述调速机构的第二齿轮连接，其特征在于，
所述进给机构，其包括第二壳体、保护套筒、导向杆、限位板、摩擦片、步进电机和第一滚珠丝杆，所述支架的第二端通过摩擦片和蝶形螺母与所述第二壳体的第一安装端固连，所述步进电机的外壳和所述第二壳体的第二安装端固连，所述步进电机的输出轴和所述第一滚珠丝杆的输入端连接，所述第一滚珠丝杆的输出端和丝杆螺帽的第一安装端连接，所述丝杆螺帽的第二安装端和所述保护套筒的第一安装端连接，所述导向杆对称分布在所述第一滚珠丝杆的两侧，所述导向杆的两端分别与所述第二壳体的第三安装端和所述限位板连接；
所述助推机构，其包括注射器针筒、压紧板、注射器推杆、推板、导向管、第三壳体、第二滚珠丝杆和轴承座，所述注射器针筒的送料端和所述导管的第二端连接，所述注射器针筒的进料端和所述注射器推杆的第一端连接，所述注射器针筒的安装端通过压紧板和所述第三壳体的第一安装端连接，所述注射器推杆的第二端和所述推板的第一安装端固连，所述推板的第二安装端和所述第二滚珠丝杆的中部连接，所述导向管对称分布于所述第二滚珠丝杆的两侧；
所述调速机构，其包括伺服电机、电机支架、第一齿轮和第二齿轮，所述电机支架第一安装端和所述第三壳体的第四安装端固连，所述伺服电机的外壳和所述电机支架第二安装端固连，所述伺服电机的输出轴和所述第一齿轮的中心连接，所述第一齿轮的齿端和所述第二齿轮的齿端啮合，所述第二齿轮的中心和所述第二滚珠丝杆的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的用于骨水泥的遥控注入装置，其特征在于，所述旋转机构，其包括Y向转轴、支架、Y向壳体、Y轴扭矩转盘、第一壳体和Z轴扭矩转盘，所述Z轴扭矩转盘的第一安装端和所述基座连接，所述Z轴扭矩转盘的第二安装端和所述第一壳体的第一端固连，所述第一壳体的第二端和所述Y向壳体的第一端连接，所述Y向壳体的第二端和所述Y轴扭矩转盘的第一安装端固连，所述Y轴扭矩转盘的第二安装端和所述Y向转轴的第一端连接，所述Y向转轴的第二端和所述支架的第一端固连。
3.根据权利要求1所述的用于骨水泥的遥控注入装置，其特征在于，所述快拆机构，其包括填充器外壳、距离传感器和填充器，所述保护套筒的第二安装端位于所述填充器外壳的内部，所述保护套筒的第二安装端穿过所述限位板的第二安装端和所述填充器外壳的第一安装端连接，所述填充器外壳的第二安装端和所述填充器的第一安装端连接，所述填充器的第二安装端和第三安装端分别与所述距离传感器和所述导管的第一端连接。
4.根据权利要求1所述的用于骨水泥的遥控注入装置，其特征在于，在所述助推机构中，所述导向管的两端分别与第一轴承座和第二轴承座上端的第一安装端连接，所述第二滚珠丝杆的两端分别与所述第一轴承座和所述第二轴承座上端的第二安装端连接，所述第一轴承座和所述第二轴承座的下端分别与所述第三壳体的第二安装端和第三安装端固连。
5.根据权利要求1或者3所述的用于骨水泥的遥控注入装置，其特征在于，在所述进给机构中，所述摩擦片对称布置于所述第二壳体的两侧；在所述快拆机构中，所述填充器外壳第二端的四个顶角设有磁性柱体，所述填充器第一端的四个顶角设有磁性凹槽。
6.根据权利要求1或者5所述的用于骨水泥的遥控注入装置，其特征在于，在所述进给机构中，所述保护套筒、所述限位板、所述步进电机的输出轴、所述丝杆螺帽和所述第一滚珠丝杆的轴线在同一条直线上；在所述助推机构中，所述注射器针筒、所述注射器推杆和所述推板的第一安装端的轴线在同一条直线上；所述第一轴承座、所述推板的第二安装端、所述第二滚珠丝杆、所述第二轴承座和所述第二齿轮的轴线在同一条直线上。
7.一种根据权利要求1‑6之一所述的用于骨水泥的遥控注入装置的遥控注入方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、将CT机就位拍摄X影像传输到遥控注入装置的微型计算机中；
S2、微型计算机利用预先训练好的UNet图像语义分割算法模型进行图像处理，计算出骨水泥的待填充区域体积和初注射量；预先训练好的UNet图像语义分割算法模型通过获取骨水泥注入各阶段的骨水泥待填充区域X影像、待填充区域标签制作、图像预处理与数据集扩充和基于UNet图像语义分割算法训练获得；
S21、针对X影像，提取各切片，利用预先训练好的UNet图像语义分割算法模型进行图像处理，获取各切片的骨水泥待填充区域；
S22、基于图像比例，结合骨水泥待填充区域的像素点个数，算出各切片的骨水泥待填充区域的面积si，其中i取1,2,…,n，n为X影像的切片总数；
S23、基于切片间的实际物理距离，获得骨水泥的待填充区域体积；
S24、取骨水泥的待填充区域体积的80％为初注射量；
S3、将步骤S2的信息反馈给伺服电机，伺服电机控制第二滚珠丝杆进行填充，设第二滚珠丝杆的导程为P，伺服电机的转速为Qr/min，则每秒骨水泥的注入量表达式为：
式中，V为骨水泥每秒的注入量，Q为伺服电机每分钟的转速，R为注射器针筒的半径，P为第二滚珠丝杆的导程；
设骨水泥覆盖待填充区域体积为V0，在注入待填充区域面积80％的骨水泥后，停止伺服电机；
S4、在伺服电机停止后，将CT机拍摄X影像向微型计算机中传输图像，进行图像处理识别出骨水泥已填充区域和待填充区域；
S5、基于步骤S4的图像识别结果，当骨水泥覆盖待填充区域体积V0大于80％时，调节为手动遥控操作；当骨水泥覆盖待填充区域体积V0小于80％时，调节为自动遥控注射；
S6、基于步骤S3注射过程中，通过压力传感器采集注射器推杆的压力判断骨水泥的状态，通过测得压力值判断注射是否继续进行，伺服电机推力计算表达式如下：
其中，F为伺服电机的推力；η为第二滚珠丝杆的传动效率，T为伺服电机的转矩，L为第二滚珠丝杆的导程；
压力传感器的压力计算表达式如下：
其中，P为注射器推杆承受的压力，F为伺服电机的推力，S为注射器推杆的头面积；
S61、若压力传感器反馈的压力值小于xMPa时，此时停止注射；
S62、若压力传感器反馈的压力值大于yMPa时，此时停止注射；
S63、若压力传感器反馈的压力值介于xMPa和yMPa之间时，此时继续注射。
