一種磨削溫度在線檢測及納米流體相變換熱式磨削裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種醫療器械，具體涉及一種磨削溫度在線檢測及納米流體相變 換熱式磨削裝置。
【背景技術】
[0002] 骨磨削是神經和骨科手術的一個必不可少的程序，臨床上常用高速微型砂輪去除 骨病理。然而，高速磨削產生大量的熱，導致骨壞死和周圍組織的熱損傷，對組織的凝血功 能也有一定的影響，臨床上常用生理鹽水做冷卻液減少熱量的產生。磨削熱損傷已經得到 臨床上公認的關注，因為在磨削過程中不能確定溫度從而不能控制熱損傷的程度。Kondo等 人指出，在澆注式生理鹽水冷卻方式下，磨削熱產生的最高溫度仍會達到43°C，高于43°C 時，視神經就會受到損傷，嚴重時會導致失明。人體不同部位、不同組織所能承受的最高溫 度也不同，例如，當溫度高于臨界值50°C時，骨頭會出現不同程度的熱損傷，從43°C起神經 就開始出現熱損傷。涉及到骨磨削，面部癱瘓和股骨頭壞死也是骨科手術中普遍存在的一 個問題。因此，在磨骨手術中，對溫度的控制直接關系到手術的成敗。
[0003] 在腫瘤的治療中，熱療已成為繼手術、放療、化療之后的一種全新的治療腫瘤的 "綠色療法"。目前，熱遼中最迫切需要解決的是熱劑量問題，即如何對腫瘤組織實施準確的 加熱以使其達到臨界溫度而又保證正常組織不致收到損害。因此，精確地測量腫瘤部位的 溫度是熱療裝置的關鍵也是研宄的熱點。目前用于工業過程、實驗室或特殊的醫療用途的 溫度測量儀器種類繁多，其中基于熒光技術和傳感器技術相結合的光纖熒光溫度傳感器是 最為活躍的研宄和開發領域之一。光纖溫度傳感器靈敏度高、動態范圍大、撓性好、構形靈 活，克服了紅外測溫儀容易受背景光干擾的缺點，適合在各種特殊場合下應用。當熒光物 質受到外部的光刺激時就會發射熒光，熒光余輝的衰變時間常數是溫度的單值函數。因此， 可以利用熒光對溫度的依賴性得出待測溫度。劉蘭書等人對高精度熒光光纖溫度傳感器進 行了深入而系統的研宄，驗證了熒光光纖溫度傳感器應用于工程上具有較好的溫度傳感特 性。基于此，可把無毒無害且不含其它有害重金屬元素或化學物質的熒光粉涂覆在醫用磨 頭上，通過熒光壽命測量系統測得磨削區溫度。
[0004] 由于骨磨削過程中砂輪的高速轉動，氣流屏障阻礙了磨削液有效地進入磨削區。 目前，在臨床骨磨削手術中常采用生理鹽水滴灌冷卻，能進入磨削區的有效冷卻液少之又 少。相變換熱技術的出現為小型低溫醫療器械的發展帶來了希望。相變換熱式磨頭由一空 心軸組成，可劃分為蒸發段，絕熱段和冷凝段，其空腔內具有初始的真空度，并充有適量的 工作液。當轉速足夠高時，工作液隨磨頭旋轉并覆蓋在磨頭內空腔的內壁面上，形成一個環 形液膜。當磨頭工作時，磨削區受熱，該處的工作液將蒸發，液膜變薄，產生的蒸汽將流到磨 頭的另一端。蒸汽在冷凝端放出熱量凝結成液體，使液膜增厚。冷凝液在離心力分力的作 用下沿著內壁面返回到加熱端。這樣連續地蒸發、蒸汽流動、凝結與液體的回流，把熱量從 加熱端送到冷凝卻端。陳旭等人通過對相變換熱式磨頭的等溫性能、啟動性能以及自身的 傳熱能力的評價，驗證了相變換熱式磨頭設計的可行性和傳熱效果。
[0005] 在機械加工領域，基于生態及環保的要求，磨削加工中微量潤滑（Minimum QuantityLubrication，簡稱MQL)技術成為當前研宄的焦點。然而微量潤滑技術存在冷卻 性能不足的缺點，使得其應用具有較大的局限性。在微量潤滑基油中添加一定比例的納米 粒子，改善射流整體的換熱能力，同時提高油膜在磨削區的潤滑效果的納米粒子射流微量 潤滑（Nano-particlejetMinimumQuantityLubrication,簡稱Nano-MQL)進入了人們的 視線。所謂的納米粒子是指三維尺寸中至少有一維尺寸小于l〇〇nm的超細微小固體顆粒。 納米粒子射流微量潤滑，在微量潤滑的基礎上，向磨削液中添加納米級固體粒子，將納米粒 子、潤滑液與壓縮空氣混合經霧化后以射流的形式噴入磨削區進行冷卻潤滑。基于固體強 化換熱理論，利用固體粒子導熱系數遠大于液體和氣體的優勢，在相同粒子體積含量下，納 米粒子的表面積和熱容量遠大于毫米或微米級的固體粒子，將納米粒子與磨削液混合后形 成納米流體的導熱能力將大幅度增加。納米流體質量分數一般為2% -8%，將一定比例的 納米粒子添加到基液中，形成納米粒子懸浮液，然后根據基液的種類和理化屬性，添加相應 的表面分散劑并輔以超聲波振動，便可以獲得懸浮穩定的納米流體。將配置好的納米流體 放入相變換熱式磨頭的空腔中，便能實現手術過程中降低磨削溫度、減少對病人的二次傷 害的效果。
[0006] 磨頭磨粒的性能對磨削溫度也有很大影響。為了抑制磨削區產熱，Toshiyuki用 普通金剛石磨頭，附有Si02的金剛石磨頭和附有Ti02的金剛石磨頭，通過對牛股骨進行磨 削實驗發現，與普通金剛石磨頭相比，附有Si02的金剛石磨頭在磨削初始可以略微降低磨 削溫度和磨削扭矩，然后在一定時間后，磨削溫度超過了閾值，并出現和普通金剛石磨頭磨 削時一樣的表面負荷。然而由于微米級Ti02顆粒的親水性，附有Ti02的金剛石磨頭顯著降 低了磨削溫度。
[0007] 在骨磨削過程中，速度與扭矩也是需要實時監測的參數。與低速磨削相比，高速磨 削可以降低磨削力，提高砂輪壽命，提高磨削效率，從而減少手術時間，扭矩則反映了砂輪 所承受的載荷的大小。余以道等人對高速轉矩轉速傳感器進行了深入研宄。采用比相測量 原理，以激光頭和反光條為信號發生器，驗證了該傳感器結構簡單、性能穩定、測量誤差小 的特性。
[0008] 經檢索，已有專利號為ZL201310277636. 6的醫用外科手術六自由度自動調節機 械臂磨削夾持裝置，該裝置公開了一種控制精確度高，可有效避免對腦組織的機械損傷的 技術。該機械臂磨削夾持裝置具有3個旋轉、3個移動共計6個自由度，可實現任意位姿的 顱骨外科手術操作，解決了傳統的手持式手術裝置工作空間大、手術操作難度高、手術效率 低、會給患者帶來不必要的附加損傷的問題。該裝置主要借助先進的手術器械來操作，用六 自由度自動調節機械臂以及安裝在機械臂前端的夾持裝置，在治療效果、減輕痛苦、恢復周 期、醫療成本等方面具有明顯優勢。但是該裝置沒有磨削溫度的檢測裝置，從而不能控制磨 削過程中溫度的變化。
[0009] 專利號為ZL201310030327. 9的外科手術顱骨磨削溫度在線檢測及可控手持式磨 削裝置，公開了一種通過監測骨磨削的聲發射信號來調整砂輪轉速，降低磨削骨過程中的 磨削溫度，從而有效避免對腦組織的熱損傷的技術。在砂輪與殼體連接處設有聲發射傳感 器，通過信號分析處理模接收聲發射傳感器檢測的骨磨削時的聲發射信號，判斷是否出現 過熱情況，通過反饋裝置控制直流電機的轉速。然而聲波不能穿透骨組織，在穿過含氣組織 時也會有明顯損耗，從而影響療效。此外，該裝置沒有對砂輪的速度和扭矩進行實時監測， 對病理骨的有效去除情況和砂輪所受載荷不能反饋控制。
[0010] 專利號為ZL201420565334. 9的多自由度顱骨外科手術磨削實驗平臺，包括微量 潤滑系統，三自由度平臺，電主軸旋轉裝置，電主軸、磨削力測量裝置和磨削溫度測量裝置。 利用三根階梯狀分布的熱電偶對磨削溫度進行精確地測量，利用磨削測力儀對磨削力進行 測量，通過分析實驗數據給臨床實踐提供指導。然而，在臨床骨磨削手術中，手術區域的不 同，冷卻液和冷卻方式的不同，醫師操作經驗是否豐富都會造成實際與理論的差值。 【實用新型內容】
[0011] 本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供一種磨削溫度在線檢測及納米流體 相變換熱式磨削裝置，它的控制精確度高，可有效避免對人體組織的損傷。
[0012] 為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0013] 一種磨削溫度在線檢測及納米流體相變換熱式磨削裝置，包括殼體、磨削裝置、動 力裝置、傳動裝置、控制模塊、溫度測量模塊以及速度和扭矩測量模塊，其中，所述磨削裝置 安裝于殼體的前端，所述動力裝置、傳動裝置、控制模塊、溫度測量模塊以及速度和扭矩測 量模塊安裝于殼體的內部，磨削裝置通過傳動裝置與動力裝置連接，溫度測量模塊分別與 磨削裝置和控制模塊連接，速度和扭矩測量模塊設置于傳動裝置的一側，速度和扭矩測量 模塊與動力裝置均與控制模塊連接。
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