骨科医疗手术机构的研究与创新设计
【摘要】 本课题的研究目的是要设计一种新型的骨科医疗手术机构,即能代替目前骨科手术中常用的骨钻,又能弥补现有微气钻的不足,使其能满足各种骨科手术的要求。它以压缩空气为动力源,体积小、重量轻、使用灵巧,在骨科手术中有着重要的研究意义及应用价值。运用流体力学原理和力学原理设计了骨科医疗手术机构叶轮的叶片形状,利用流体力学中取控制体的研究方法,建立了叶轮腔的气动力学模型,并对其进行了气动力学分析,推导出气流对叶片的冲动力及驱动力矩的计算关系式,并确定了骨科医疗手术机构的部分结构参数。在尽可能增大叶轮输出功率的前提下,根据叶片腔进气口的大小确定出叶轮的最佳叶片数量。根据叶轮叶片受气流冲击面积的变化,将叶轮的运动过程分成了四个位置,分别得出了各个位置时驱动力矩的计算公式,并利用Matlab软件绘出了各个位置时驱动力矩的变化曲线。最后得到了叶轮驱动力矩在一个周期内的变化规律,为深入分析研究叶轮驱动力矩平稳性提供了理论依据。对骨科医疗手术机构进行了总体结构设计,设计了机体结构、水气连接头结构,利用AutoCAD、Pro/E等绘图软件绘制了各部分的结构图,并对本机构使用的压缩空气及冷却水提出了一定的要求。对机头结构进行了创新设计,在现有微气钻机构基础上增加了支撑结构、刀具更换装置和注水装置。特别是刀具更换装置采用了两边对称的三瓣簧结构,更便于刀具的装卸,从而方便、快捷、灵活地实现了钻、磨、切割多功能一体的操作。对叶轮轴的整体结构进行了设计,绘出了叶轮轴的整体结构图。
第 1 章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
常用的骨科手术器械有手摇钻及电动钻、气钻等，可用于骨钻孔、采取植骨片和截骨等操作。但是这些骨科手术器械的体积较大，在进行颈椎外科手术时，由于手术时可操作的空间狭小，使手术操作困难，疗效不理想，是骨科领域中急需解决的问题。 因此，在脊柱外科手术中，急需一种体积小、转速高的手术器械来解决目前的手术现状。
微气钻作为一种手术器械自 70 年代在日本问世以来，给脊柱外科带来一场革命。它体积小、重量轻、使用灵巧，解决了用其他器械难以很好解决的医疗难题。特别是在颈椎外科开拓了新的手术技术，开展了各种手术方法，手术治疗脊髓型颈椎综合症病人的疗效有了提高。我国自 80 年代在一些大医院开始应用该器械，对其在脊柱外科所起的作用给予了肯定，但至今仍未在基层普及应用，因为目前的微气钻还存在一定的问题：
(1)它没有自动注水装置。骨钻孔时会产生摩擦热，而热的产生会影响骨的愈合，因其没有自动注水装置，需要专人注水降温，给使用带来了不便，同时也增加了人员的消耗。
(2)转矩较小，钻轴磨损情况比较严重，使用周期短。
(3)钻头裸露太长，易缠绕软组织。 本课题的研究目的是要设计一种新型的骨科医疗手术机构，即能代替目前骨科手术中常用的骨钻，应用于手术操作空间较大的部位，又能弥补现有微气钻的不足，应用于颈椎综合症的治疗，以提高颈椎外科手术的治疗效果，使其能满足各种骨科手术的要求。
本课题的研究目的是要设计一种新型的骨科医疗手术机构，即能代替目前骨科手术中常用的骨钻，应用于手术操作空间较大的部位，又能弥补现有微气钻的不足，应用于颈椎综合症的治疗，以提高颈椎外科手术的治疗效果，使其能满足各种骨科手术的要求。
1.2 医疗器械发展概况
1.2.1 我国医疗器械发展概况
人类在生存过程与各种疾病作斗争中，是通过药物和医疗器械的不断发展、医学技术的不断总结经验而达到防病治病的目的。随着医学事业的发展，医疗器械已日益成为诊断和治疗疾病的重要工具。
1.2.1.1 历史发展概况
我国生产医疗器械的历史，起源甚早。相传万余年前伏羲制成九针，早在石器时代出现砭石，即针灸前身，为我国人类祖先治病的主要工具。青铜时代，由石针进展为金属针。公元 2 世纪后汉末医学家华陀，制成的麻醉药剂“麻沸散”，是世界上最早采用全身麻醉的方法，利用此法为病人麻醉后施行肠腹部手术。华陀还曾提出为曹操作开颅术治头风症，足以证明当时已有较为完整的医疗手术器械。北宋医学家王惟一是仁宗、英宗时御医，考定明堂图经络孔穴，铸成立体铜人孔穴模型。人工器官方面，我国早在公元前 2500 年就有假鼻、假耳和假牙制作。南北朝时有了镊子的使用，宋朝发明了医用镰，到元朝时手术刀、剪、钳、凿、烙等医疗器械与近代手术器械相似。明清两朝，已使用银篦、磁蜂、通脓管、喉针、舌压、钩、治管等医疗器械。
16 世纪后，西医开始传入我国。19 世纪 30 年代，西医院在我国建立，但当时政府没有重视发展医疗器械工业，一直依赖进口。解放前，全国生产医疗器械，仅有 70 多个器械小作坊，两个官僚企业办的医疗器械厂，全部人员仅有 3 千人。解放后，党和政府大力发展卫生事业，于 1950 年已能生产一些手术器械和理疗设备。1952 年试制成我国第一台200mAX 线诊断机，接着国产医用电子仪器一一问世，逐步逐项填补了国内的空白。
1.2.1.2 近代发展概况
到 1986 年底，医药行业拥有企业 480 多个，专业研究所 12 个，职工 12.6 万多人。1986 年工业总产值达 15.6 亿元，“六五”期间实现产值、利税同步增长，年平均增长速度超过 16%。大量新产品投入生产，使产品结构有了很大改观，精密医疗器械的比重逐年增加，1987年有 330 多种新产品投入生产。
“六五”期间，医疗器械工业加快了技术引进的步伐，引进工作的重点逐渐转向引进生产技术与关键设备，并大力加强引进技术的消化吸收和国产化工作，还通过技术改造项目，引进了重大产品的生产线和关键设备。北京、上海、天津、青岛的一些项目进展较快，如血球计数仪和 B 型超声波诊断仪国产化程度己达 70%以上。
我国现阶段生产的有 800mA 以下的 X 线诊断机、各种超声波诊断仪、心电监护仪、床边 X 线机、心电向量图机、体外反搏等千余种医疗器械。
第 2 章 骨科医疗手术机构工作原理及理论依据
本课题所研制的骨科医疗手术机构主要用于骨科手术中，可实现对骨质的钻削、磨削和切割多功能操作，且其结构简单，使用方便、灵活。本章主要介绍该机构的工作原理及与之相关的理论知识。
2.1 常用骨科手术器械
随着医学科学的发展，在骨科疾患的诊断和治疗方面均取得了长足进展，临床疗效也明显提高。骨科诸多治疗方法中，手术治疗占有极重要的地位。进行骨科手术必须要有专门的骨科手术器械，手术器械选择的恰当与否直接影响着手术的疗效。
为了使骨科手术得以顺利进行，必须备有骨科专用的手术器械。骨科医师必须熟悉这些器械的性能和掌握使用技术，才能减少组织创伤和缩短手术时间，圆满地完成治疗任务。此外，某些手术器械还需要不断改进和创新。目前常用的骨科手术器械有：
(1)止血带和驱血带 在四肢作手术时，若应用止血带，可使出血减至最低限度，从而使手术野清晰，易于辨认各种组织，便于手术操作，缩短手术时间。
(2)牵开器 为了充分显露手术野，使手术易于进行，并保护组织，避免意外损伤，骨科手术除了应用一般的牵开器外，还可根据手术部位的不同，选用一些具有特殊性能的牵开器，如胫骨牵开器和自动牵开器等。在作脊柱手术时。应用自动牵开器除可充分显露手术野，并有压迫软组织、协助止血的作用。在其他一些手术中，应用自动牵开器，可以减少助手人数。
(3)骨膜剥离器 应用骨膜剥离器(又称骨膜起子或骨衣起子)，可将附着于骨面上的骨膜及软组织自骨面上剥离下来
(4)持骨器 持骨器用以夹住骨折端，使之复位并保持复位后的位置，以便于进行内固定。有骨钳和骨夹两种形式。
(5)骨钻和钻头 有手摇钻及电动钻、气钻等。前者构造铰简单，只能用于在骨上钻洞。其优点为可用煮沸法灭菌，又因其转动速度较慢，不产生高热，故不致引起钻孔周围组织“灼伤”。后者构造复杂，只能用高压灭菌。电动钻、气钻除可用于钻洞外，还附有各种形状和大小不等的锯片。除去钻头，装上据片后，即成电动踞、气锯，可用于采取植骨片和截骨等。电动钻和气钻还附有修整骨面的附件，故使用范围较广，对缩短手术时间有一定帮助。
(6)骨锤 用金属制版的骨锤较木质者好。前者不仅坚固耐用，且其头部不易脱落或劈裂或落碎屑。骨锤一般按其重量分为轻、中、重三型。轻型主要用于指骨、趾骨及小关节的手术；中型主要用于尺、挠骨及脊柱手术；重型用于股骨、径骨、肱骨和大关节的手术。
(7)骨凿和骨刀 骨凿的头部仅有一个斜坡形的刃面。骨凿的刃面不宜短而粗，否则在操作时有凿裂骨片的危险。骨凿主要用于修理骨面和取骨。骨刀则由两个相等坡度的斜面相遇于一个刀口而构成，主要用于截骨和切骨。
(8)骨剪和咬骨钳 骨剪用于修剪骨片和骨端。咬骨钳用于咬除骨端的尖刺状或突出的骨缘。骨剪和咬骨钳除有各种不同的宽度和角度外，都有单关节和双关节之分。
(9)骨锉 骨锉用于锉平骨的断端，有扁平的和弯的等各种型式。
(10)刮匙 刮匙可用于刮除骨腔内的小死骨、肉芽组织和瘢痕组织等。在作脊椎结核病灶清除术时，须备有各种弯度和方向的长柄刮匙，以便从各种角度进入病灶，刮除死骨等坏死组织。
2.2 骨科医疗手术机构工作原理
上一节主要介绍了目前常用的一些骨科手术器械，但是对于手术操作空间狭小的部位进行手术，上述器械并不能满足手术的要求。例如在进行手术治疗颈椎椎管狭窄的病症时，由于手术可操作的空间很小，必须有特殊的手术器械来完成。
大约在上世纪 70 年代，微气钻在日本问世，专门用于脊柱外科的手术治疗，解决了当时颈椎手术中的难题。我国自上世纪 80 年代开始使用该器械，但是并未普及，因为此器械目前还存在着许多的问题，需要进一步的改进，以适应目前的手术需求。
本课题研制的骨科医疗手术机构，不仅适用于身体任何部位的骨科手术当中，而且解决了目前微气钻在使用中的不足，从而更好地满足了骨科手术的需求。下面以微气钻为例借以说明本课题所设计的骨科医疗手术机构的工作原理。
2.2.1 微气钻机构的主体结构
该部分主要对微气钻的结构及工作原理进行简要介绍，借以说明本课题所研制的骨科医疗手术器械的特点，关于详细的结构设计部分在后面的第 5 章将有详细的介绍。
我们从“微气钻”这个名字中不难看出该器械的特点：体积小、气体传动。它的体积仅相当于一支钢笔的大小，因此能在狭小的手术操作空间中工作，这是它最独特的优势。再者，它以压缩空气为动力源，即节能又不污染环境，机头操作部分通过软管与空压机相连，使用起来非常方便。
机头是微气钻最关键的部分，国内现有微气钻机头结构简图如图 2-1所示。
它主要由机头壳、叶轮和钻针组成。叶轮为注塑成型，与钻针注塑 在一起。实际上整个机头只有两部分组成：机头壳与叶轮(包括钻针)。该结构虽然简单，但是在使用过程中存在很多问题，主要如下：
(1)由于叶轮与机头壳之间为干摩擦，磨损情况非常严重，实际的输出力矩与理论值相差很大，经常出现钻不动的情况。
(2)因钻针直接注塑在叶轮内，当钻针磨损后或者需要钻不同尺寸的孔时，只能更换整个叶轮，使用起来很不方便。
(3)没有一定的减震措施，当叶轮转动不平稳时，直接影响到整个手机。
(4)没有注水装置，需要专人注水降温，给使用带来了不便，同时也增加了人员的消耗。
针对目前微气钻所存在的问题，本课题所研究设计的新型骨科医疗手术机构不仅解决了磨损、震动等问题，还增加了注水装置，并配有刀具更换装置，可以方便地更换刀具，从而实现多功能的操作。
第 3 章 骨科医疗手术机构气动力学分析...........19
3.1 叶轮叶片形状的设计............19
3.1.1 叶片形状选择的依据............19
3.1.2 气流对叶片的作用力.........21
3.1.3 叶片形状的设计..........23
3.2 骨科医疗手术机构气动力学分析............26
3.2.1 气动力学模型............26
3.2.2 气动力学分析............28
第 4 章 叶片数量与驱动力矩分析..................35
4.1 叶片数量分析.............35
4.1.1 叶片数量对功率的影响...............35
4.1.2 叶片数量与叶片腔进气口尺寸的关系.................36
4.1.3 叶片数量选择..........38
4.1.4进气口与排气口位置分析.............39
第 5 章 骨科医疗手术机构结构设计 ..................53
5.1 材料的选择...........53
5.2 总体结构设计..........55
5.2.1 结构组成............55
5.2.2 机体结构...........56
5.2.3 水气连接头结构..........57
5.2.4 压缩空气和冷却水的要求............58
第 5 章 骨科医疗手术机构结构设计
本章主要对骨科医疗手术机构进行结构设计，包括总体结构及其关键零部件(如：机体结构、水气连接头结构、机头结构和叶轮轴结构)的改进与创新设计，使本机构的设计更符合骨科手术的要求。
5.1 材料的选择
随着现代科学技术的不断发展，医疗器械作为疾病诊断和治疗的工具，在现代医疗服务中占有越来越重要的地位。在各种医疗趋势的推动下，动力医疗器械正变得越来越小型化。借助轻便耐用的材料，可以设计出更小型的医疗器械，从而便于移动使用或节省保管空间。从外壳和结构元素，一直到齿轮和锁闩等内部组件，几乎所有的设备组件都涉及到小型化和便携化问题。
为了继续遏制医院交叉传染，清洁、化学消毒和灭菌仍然是医疗行业的重点环节。所以目前传统医疗手术机构中风动涡轮转子，大都采用不锈钢或高级航空铝合金或含有铌、钛等贵重稀有合金材料制成，从而造成其成本高，价格比较昂贵。
综上所述，要适应现代医疗器械的发展趋势，避免交叉感染，降低骨科医疗手术机构的成本，必须选择适合的材料。
工程塑料能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，且价格低廉、加工成型方便等特点，因此在未来几年，工程塑料将大量取代传统材料(如较重的金属和热固性材料)，在医疗领域有更广泛的应用。
聚苯醚(聚 2，6 — 二甲基 — 1，4 苯醚，polyphenylene oxide)，简称 PPO，于 1959 年由美国 GE 公司 Allan S Hay 所发明。聚苯醚是一种优良的热塑性工程塑料(热塑料性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料)，是世界五大通用工程塑料之一。它具有一系列优异的物理与力学、耐热、电绝缘等性能，被广泛应用于汽车、电子、电器、IT 等行业和领域，属国家化工新材料重点发展项目和国家“十五”计划发展项目。其主要性能如下：
(1)物理机械性能 聚苯醚分子链中含有大量的苯环结构，分子链刚性较强，机械强度高，具有较高的硬度和韧性；蠕变小，尺寸稳定性优良。
(2)热性能 聚苯醚具有较高的耐热性，玻璃化温度达 211℃ ，熔点为268℃ ，热分解温度为 330 ℃ 。
(3)电性能 聚苯醚分子结构中无强极性基团，在很宽的温度及频率范围内，能保持良好的电性能，其介电常数和介电损耗角正切在工程塑料中最小，且不受温度、湿度及频率的影响。
(4)化学性能 聚苯醚为非结晶树脂，分子结构中无可水解的基团，耐水性好，制品在高压蒸汽中反复使用其性能变化不大，但能溶于卤代脂肪 烃和芳烃中。
结 论
本课题主要是在理论分析的基础上，对骨科医疗手术机构进行结构改进和创新设计。本文首次对骨科医疗手术机构的叶轮形状、驱动力矩等方面进行了深入的分析研究，对开发研制新型骨科手术机构有理论指导和实际意义。综合本文的研究成果，得到如下结论：
(1)根据流体力学知识与力学理论研究设计了一种新型的适用于骨科医疗手术机构的叶片形状，为微型骨科医疗手术机构的叶片研究奠定了理论基础。
(2)根据流体力学中取控制体的研究方法，建立了叶轮腔的气动力学模型，并对其进行了动力学分析，得出了冲动力及驱动力矩与气流速度及压强的计算关系式，并推出了驱动力矩与气流冲击面积的关系式。
(3)在尽可能增大叶轮输出功率的前提下，根据叶片腔进气口的大小确定出叶轮的最佳叶片数量，并以得到较大的驱动力矩为准则，来确定进气管与排气管的位置，为机构各参数的确定提供了理论依据。
(4)根据气流对叶片腔冲击面积的变化，将叶轮的运动过程分成了四个位置，得出了驱动力矩与气流速度和压强之间的关系式，绘出了驱动力矩在一个周期内的变化曲线，并分析总结了驱动力矩的变化特性，为深入分析研究叶轮驱动力矩的平稳性提供了理论依据。
(5)对骨科医疗手术机构进行了总体结构设计，并对机头结构进行了创新设计，改进了骨科医疗手术机构的性能，并提高了使用寿命。
本课题虽然取得了上述研究成果，但只是骨科医疗手术机构改进设计的开始，仍有以下工作需进一步研究完善：
(1)一个周期内叶轮驱动力矩的平稳性和各种手术切削力之间的关系等有待进一步研究。
(2)该骨科医疗手术机构的结构优化及振动、噪声等问题的研究。
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本文编号：9290
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