[發明專利]一種磨削溫度在線檢測及納米流體相變換熱式磨削裝置

有效

• 申請號: 201510218166.5
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN104771202B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 楊敏;李長河;王要剛;李本凱;張彥彬
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: A61B17/16
• 分類號: A61B17/16;A61B5/01
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種醫療器械，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

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℃，高于43℃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℃時，骨頭會出現不同程度的熱損傷，從43℃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。

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究的熱點。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究和開發領域之一。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究，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。

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。

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 Quantity Lubrication，簡稱MQL)技術成為當前研究的焦點。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100nm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。