[實用新型]一種冷卻與靜電霧化成膜的骨外科手術磨削實驗裝置

有效

• 申請號: 201520732833.7
• 申請日: 2015-09-21
• 公開（公告）號: CN205006970U
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 楊敏;李長河;張彥彬;王要剛;李本凱;劉國濤
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: A61B17/16
• 分類號: A61B17/16
• 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

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℃，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，在骨磨削手術中，對溫度的控制直接關系到手術的成敗。

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(MinimumQuantityLubrication，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-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。

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。

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。

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SiO₂的金剛石磨頭和附有TiO₂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SiO₂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TiO₂顆粒的親水性，附有TiO₂的金剛石磨頭顯著降低了磨削溫度。