振動に基づく骨の掘削深さの推定

Vibration-based drilling depth estimation of bone.

• Dai Yu
• Mehran Armand

抄録

ドリリングは、組織除去手順の最も一般的な形態の一つであり、所望の深さにドリリングすることは、その先の軟部組織への傷害を回避し、インプラントの安定性を確保することに寄与する。ヒトの筋骨格系の変形は、多くのドリリングプロセスにおいて共通の問題であり、ドリリング深さの正確な推定を達成することを困難にしている。この問題を解決するために、ドリルの軸振動と送り速度の関係を記述するための動的モデルを提示した。穿孔中の加速度信号の高周波成分から主高調波の振幅を推定し，低周波成分の短時間積分を計算する．高調波振幅または短時間積分のいずれかを比較することにより、骨への穿孔工具の初期接触と破断の両方を特定する。高調波振幅は、ドリルの送り速度を追跡する非接触位置センサーからのデータにマッピングされます。ハンドヘルド装置とロボット切削システムの両方で複数の掘削実験を行った結果，深さを推定する際に本手法の有効性，安定性，精度が実証された．ドリルの深さを推定するための平均最大誤差は、ハンドヘルドデバイスを使用した場合、シミュレートされた骨の厚さの15%未満であり、一方、ロボット切削システムの場合、平均最大誤差は5%未満であった。この記事は著作権で保護されています。すべての権利を保有しています。

Drilling is one of the most common forms of tissue removal procedures, and drilling to a desired depth contributes to avoid injury to the soft tissue beyond and ensure implant stability. The deformation of the human musculoskeletal system has been a common problem in many drilling processes, making it difficult to achieve accurate estimation of the drilling depth. To remedy this problem, a dynamic model is presented to describe the relationship between the axial vibration of the drill and the feed rate. During drilling process, the amplitude of the main harmonic is estimated from the high-frequency component of the acceleration signal, while the short-time integral of the low-frequency part is calculated. Both the initial contact of the drilling tool to the bone and breakthrough are identified by comparing either the harmonic amplitude or the short-time integral. The harmonic amplitude is mapped to the data from a noncontact position sensor tracking the feed rate of the drill. Multiple drilling experiments on both a handheld device and a robotic cutting system demonstrated the effectiveness, stability, and accuracy of the method when estimating depth. The mean maximum error for drilling depth estimation is less than 15% of the simulated bone thickness when using the handheld device, while the mean maximum error is less than 5% for the robotic cutting system. This article is protected by copyright. All rights reserved.

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