一種冷卻與靜電霧化成膜的骨外科手術磨削實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及醫療器械領域，具體涉及一種冷卻與靜電霧化成膜的骨外科手術 磨削實驗裝置。
【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，臨床中常用生理鹽水做冷卻液減少熱量的產生。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，磨削熱損傷已經得到臨床中公認的關注。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，在骨磨削手術中，對溫度的控制直接關系到手術的成敗。
[0003] 目前臨床中常用的冷卻方式為滴灌式冷卻，即在磨削過程中將生理鹽水滴向磨削 區。當需要磨除的骨病例較多且病變處于視野較寬闊的部位時可采用澆注式冷卻，即向磨 削區澆注大量的生理鹽水，以提高磨削區換熱能力。在機械加工領域，磨削加工中微量潤滑 (Minimum Quantity Lubrication，簡稱MQL)技術是當前研究的焦點。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-particle jet Minimum Quantity Lubrication，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。
[0004] 氣霧式冷卻和納米流體氣霧式冷卻都需要專門的噴嘴使冷卻液或納米流體霧化， 傳統的霧化噴嘴為氣動霧化噴嘴，即利用氣路和液路使壓縮空氣和冷卻液或納米流體充分 混合后以霧化液滴的形式經噴嘴出口噴射至磨削區。然而氣動霧化噴嘴的霧化效果還不夠 好，并且從噴嘴噴出的液滴隨意漂浮在周圍的空氣中。賈東洲等人分析了傳統氣動霧化噴 嘴的優缺點，實用新型了一種靜電霧化噴嘴，即利用靜電霧化原理在氣動霧化的基礎上對 壓縮空氣和冷卻液或納米流體進一步霧化，同時利用靜電荷電原理將噴出的液滴荷電，被 荷電的液滴在電場力的作用下定向的向工件移動，從而實現液滴分布的可控。
[0005] 由于骨磨削過程中磨具的高速轉動，氣流屏障阻礙了磨削液有效地進入磨削區。 滴灌式和澆注式冷卻中能進入磨削區的有效冷卻液少之又少，氣霧式和納米流體氣霧式冷 卻的有效流量率也不是非常理想。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段。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。
[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TiO 2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] 內冷方式在鉆削和機械磨削加工中也是一種常用的冷卻方式。它是將冷卻液通過 鉆頭或砂輪的內冷孔直接輸送至切削區，從而有效降低切削溫度。
[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。
[0011] 現有的發明或裝置都沒有考慮骨磨削后對創面的處理。當病變部位處于較寬闊的 部位時，可以采用人工包扎的方式以防止傷口感染。然而當病變部位處于人體內部結構較 復雜的部位時，比如在顱底腦瘤摘除手術中，由于顱底結構的復雜及手術空間的狹窄，手術 結束后還沒有有效的方式對傷口進行處理。 【實用新型內容】
[0012] 本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供一種冷卻與靜電霧化成膜的骨外科 手術磨削實驗裝置。
[0013] 為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0014] -種冷卻與靜電霧化成膜的骨外科手術磨削實驗裝置，包括可實現前后、左右以 及上下運動的線性三軸平臺、電主軸以及工件固定裝置，其中，所述線性三軸平臺包括可左 右運動的X軸結構、可前后運動的Y軸結構以及可上下運動的Z軸結構，工件固定裝置固定 在所述Y軸結構上，電主軸固定在所述Z軸結構上，且安裝于工件固定裝置的上端；電主軸 下端安裝磨頭，磨頭柄內部或磨頭四周設置有磨削冷卻裝置，磨頭周圍設置靜電霧化成膜 裝置。
[0015] 優選的，所述X軸結構安裝在底座上，包括X軸電機、X軸減速器、X軸絲杠和X軸 導桿，所述X軸絲杠通過X軸減速器與X軸電機連接，X軸導桿與X軸絲杠平行設置。
[0016] 優選的，所述Y軸結構包括Y軸電機、Y軸減速器、Y軸絲杠和Y軸導桿，所述Y軸 絲杠與X軸絲杠垂直設置，并且通過X軸減速器與X軸電機連接，Y軸導桿與Y軸絲杠平行 設置。
[0017] 進一步優選的，所述Z軸結構安裝在Y軸絲杠上，包括Z軸電機、Z軸減速器、Z軸 絲杠和Z軸導桿，Z軸絲杠通過Z軸減速器與Z軸電機連接，Z軸導桿與Z軸絲杠平行設置， 電主軸安裝在所述Z軸絲杠上。
[0018] 優選的，所述磨削實驗裝置包括工件磨削溫度監測系統，工件磨削溫度監測系統 包括相互連接的熱電偶和熱電偶數據采集器，熱電偶從下向上穿透工件，并且與工件的上 表面平齊，熱電偶數據采集器與控制系統連接，控制系統與所述磨削冷卻裝置連接。
[0019] 優選的，所述磨削實驗裝置包括測力系統，測力系統包括相互連接的測力裝置和 測力儀數據采集器，測力儀數據采集器與控制系統連接。
[0020] 進一步優選的，所述測力裝置包括工件固定裝置和分別安裝在工件固定裝置兩端 的兩個測力儀，測力儀與測力儀數據采集器連接。測力裝置可以檢測到磨削力的大小。
[0021] 優選的，所述工件固定裝置包括工件腔室、用于將工件從上面進行固定的若干個 上壓板和用于將工件從側面進行固定的側面擠壓裝置，上壓板和側面擠壓裝置均安裝在工 件腔室側壁上。
[0022] 優選的，所述磨削冷卻裝置為滴管式冷卻裝置、澆注式冷卻裝置、納米流體氣霧式 冷卻裝置、相變換熱式冷卻裝置或靜電霧化內冷裝置。
[0023] 進一步優選的，所述滴管式冷卻裝置和澆注式冷卻裝置的結構相同，均包括依次 連接的儲液罐、液壓栗、調壓閥、節流閥以及噴嘴，所述噴嘴安裝在磨頭的周圍。
[0024] 更進一步優選的，所述滴管式冷卻裝置和澆注式冷卻裝置還都包括相互連接的溢 流閥和回收箱，溢流閥與調壓閥和節流閥之間的管道連通。
[0025] 優選的，所述納米流體氣霧式冷卻裝置包括噴嘴、氣體流路和液體流路，氣體流路 包括依次連接的空氣壓縮機、儲氣罐、氣體調壓閥、氣體節流閥和氣體流量計，液體流路包 括依次連接的儲液罐、液壓栗、液體調壓閥、液體節流閥和液體流量計，液體流量計和氣體 流量計均與噴嘴連接。
[0026] 所用的冷卻液為生理鹽水與納米粒子制成的納米流體，除此之外其原理與設計均 與第三種實施例相同。納米粒子可采用羥基磷灰石，其是人及動物骨骼、牙齒的主要無機成 分，具有優良的生物相容性和生物活性，植入人體后能與人體的軟硬組織形成緊密結合，是 廣泛應用的植骨代用品。其植入人體骨內后，骨細胞和膠原纖維在其內部的孔隙中生長，它 的強度和剛度會逐漸增加，最終成為活體骨的一部分。研究表明，羥基磷灰石納米粒子對