【摘要】 本課題的研究目的是要設計一種新型的骨科醫(yī)療手術機構,即能代替目前骨科手術中常用的骨鉆,又能彌補現有微氣鉆的不足,使其能滿足各種骨科手術的要求。它以壓縮空氣為動力源,體積小、重量輕、使用靈巧,在骨科手術中有著重要的研究意義及應用價值。運用流體力學原理和力學原理設計了骨科醫(yī)療手術機構葉輪的葉片形狀,利用流體力學中取控制體的研究方法,建立了葉輪腔的氣動力學模型,并對其進行了氣動力學分析,推導出氣流對葉片的沖動力及驅動力矩的計算關系式,并確定了骨科醫(yī)療手術機構的部分結構參數。在盡可能增大葉輪輸出功率的前提下,根據葉片腔進氣口的大小確定出葉輪的最佳葉片數量。根據葉輪葉片受氣流沖擊面積的變化,將葉輪的運動過程分成了四個位置,分別得出了各個位置時驅動力矩的計算公式,并利用Matlab軟件繪出了各個位置時驅動力矩的變化曲線。最后得到了葉輪驅動力矩在一個周期內的變化規(guī)律,為深入分析研究葉輪驅動力矩平穩(wěn)性提供了理論依據。對骨科醫(yī)療手術機構進行了總體結構設計,設計了機體結構、水氣連接頭結構,利用AutoCAD、Pro/E等繪圖軟件繪制了各部分的結構圖,并對本機構使用的壓縮空氣及冷卻水提出了一定的要求。對機頭結構進行了創(chuàng)新設計,在現有微氣鉆機構基礎上增加了支撐結構、刀具更換裝置和注水裝置。特別是刀具更換裝置采用了兩邊對稱的三瓣簧結構,更便于刀具的裝卸,從而方便、快捷、靈活地實現了鉆、磨、切割多功能一體的操作。對葉輪軸的整體結構進行了設計,繪出了葉輪軸的整體結構圖。 

第 1 章   緒論 

1.1   課題研究的目的及意義

常用的骨科手術器械有手搖鉆及電動鉆、氣鉆等，可用于骨鉆孔、采取植骨片和截骨等操作。但是這些骨科手術器械的體積較大，在進行頸椎外科手術時，由于手術時可操作的空間狹小，使手術操作困難，療效不理想，是骨科領域中急需解決的問題。 因此，在脊柱外科手術中，急需一種體積小、轉速高的手術器械來解決目前的手術現狀。 

微氣鉆作為一種手術器械自 70 年代在日本問世以來，給脊柱外科帶來一場革命。它體積小、重量輕、使用靈巧，解決了用其他器械難以很好解決的醫(yī)療難題。特別是在頸椎外科開拓了新的手術技術，開展了各種手術方法，手術治療脊髓型頸椎綜合癥病人的療效有了提高。我國自 80 年代在一些大醫(yī)院開始應用該器械，對其在脊柱外科所起的作用給予了肯定，但至今仍未在基層普及應用，因為目前的微氣鉆還存在一定的問題：

 (1)它沒有自動注水裝置。骨鉆孔時會產生摩擦熱，而熱的產生會影響骨的愈合，因其沒有自動注水裝置，需要專人注水降溫，給使用帶來了不便，同時也增加了人員的消耗。

 (2)轉矩較小，鉆軸磨損情況比較嚴重，使用周期短。

 (3)鉆頭裸露太長，易纏繞軟組織。 本課題的研究目的是要設計一種新型的骨科醫(yī)療手術機構，即能代替目前骨科手術中常用的骨鉆，應用于手術操作空間較大的部位，又能彌補現有微氣鉆的不足，應用于頸椎綜合癥的治療，以提高頸椎外科手術的治療效果，使其能滿足各種骨科手術的要求。 

本課題的研究目的是要設計一種新型的骨科醫(yī)療手術機構，即能代替目前骨科手術中常用的骨鉆，應用于手術操作空間較大的部位，又能彌補現有微氣鉆的不足，應用于頸椎綜合癥的治療，以提高頸椎外科手術的治療效果，使其能滿足各種骨科手術的要求。 

1.2   醫(yī)療器械發(fā)展概況 

1.2.1   我國醫(yī)療器械發(fā)展概況      

人類在生存過程與各種疾病作斗爭中，是通過藥物和醫(yī)療器械的不斷發(fā)展、醫(yī)學技術的不斷總結經驗而達到防病治病的目的。隨著醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展，醫(yī)療器械已日益成為診斷和治療疾病的重要工具。 

1.2.1.1   歷史發(fā)展概況   

我國生產醫(yī)療器械的歷史，起源甚早。相傳萬余年前伏羲制成九針，早在石器時代出現砭石，即針灸前身，為我國人類祖先治病的主要工具。青銅時代，由石針進展為金屬針。公元 2 世紀后漢末醫(yī)學家華陀，制成的麻醉藥劑“麻沸散”，是世界上最早采用全身麻醉的方法，利用此法為病人麻醉后施行腸腹部手術。華陀還曾提出為曹操作開顱術治頭風癥，足以證明當時已有較為完整的醫(yī)療手術器械。北宋醫(yī)學家王惟一是仁宗、英宗時御醫(yī)，考定明堂圖經絡孔穴，鑄成立體銅人孔穴模型。人工器官方面，我國早在公元前 2500 年就有假鼻、假耳和假牙制作。南北朝時有了鑷子的使用，宋朝發(fā)明了醫(yī)用鐮，到元朝時手術刀、剪、鉗、鑿、烙等醫(yī)療器械與近代手術器械相似。明清兩朝，已使用銀篦、磁蜂、通膿管、喉針、舌壓、鉤、治管等醫(yī)療器械。 

16 世紀后，西醫(yī)開始傳入我國。19 世紀 30 年代，西醫(yī)院在我國建立，但當時政府沒有重視發(fā)展醫(yī)療器械工業(yè)，一直依賴進口。解放前，全國生產醫(yī)療器械，僅有 70 多個器械小作坊，兩個官僚企業(yè)辦的醫(yī)療器械廠，全部人員僅有 3 千人。解放后，黨和政府大力發(fā)展衛(wèi)生事業(yè)，于 1950 年已能生產一些手術器械和理療設備。1952 年試制成我國第一臺200mAX 線診斷機，接著國產醫(yī)用電子儀器一一問世，逐步逐項填補了國內的空白。 

1.2.1.2   近代發(fā)展概況   

到 1986 年底，醫(yī)藥行業(yè)擁有企業(yè) 480 多個，專業(yè)研究所 12 個，職工 12.6 萬多人。1986 年工業(yè)總產值達 15.6 億元，“六五”期間實現產值、利稅同步增長，年平均增長速度超過 16%。大量新產品投入生產，使產品結構有了很大改觀，精密醫(yī)療器械的比重逐年增加，1987年有 330 多種新產品投入生產。      

“六五”期間，醫(yī)療器械工業(yè)加快了技術引進的步伐，引進工作的重點逐漸轉向引進生產技術與關鍵設備，并大力加強引進技術的消化吸收和國產化工作，還通過技術改造項目，引進了重大產品的生產線和關鍵設備。北京、上海、天津、青島的一些項目進展較快，如血球計數儀和 B 型超聲波診斷儀國產化程度己達 70%以上。 

  我國現階段生產的有 800mA 以下的 X 線診斷機、各種超聲波診斷儀、心電監(jiān)護儀、床邊 X 線機、心電向量圖機、體外反搏等千余種醫(yī)療器械。 

第 2 章   骨科醫(yī)療手術機構工作原理及理論依據 

本課題所研制的骨科醫(yī)療手術機構主要用于骨科手術中，可實現對骨質的鉆削、磨削和切割多功能操作，且其結構簡單，使用方便、靈活。本章主要介紹該機構的工作原理及與之相關的理論知識。 

2.1   常用骨科手術器械 

隨著醫(yī)學科學的發(fā)展，在骨科疾患的診斷和治療方面均取得了長足進展，臨床療效也明顯提高。骨科諸多治療方法中，手術治療占有極重要的地位。進行骨科手術必須要有專門的骨科手術器械，手術器械選擇的恰當與否直接影響著手術的療效。 

為了使骨科手術得以順利進行，必須備有骨科專用的手術器械。骨科醫(yī)師必須熟悉這些器械的性能和掌握使用技術，才能減少組織創(chuàng)傷和縮短手術時間，圓滿地完成治療任務。此外，某些手術器械還需要不斷改進和創(chuàng)新。目前常用的骨科手術器械有：

(1)止血帶和驅血帶   在四肢作手術時，若應用止血帶，可使出血減至最低限度，從而使手術野清晰，易于辨認各種組織，便于手術操作，縮短手術時間。 

(2)牽開器   為了充分顯露手術野，使手術易于進行，并保護組織，避免意外損傷，骨科手術除了應用一般的牽開器外，還可根據手術部位的不同，選用一些具有特殊性能的牽開器，如脛骨牽開器和自動牽開器等。在作脊柱手術時。應用自動牽開器除可充分顯露手術野，并有壓迫軟組織、協助止血的作用。在其他一些手術中，應用自動牽開器，可以減少助手人數。 

(3)骨膜剝離器   應用骨膜剝離器(又稱骨膜起子或骨衣起子)，可將附著于骨面上的骨膜及軟組織自骨面上剝離下來    

(4)持骨器   持骨器用以夾住骨折端，使之復位并保持復位后的位置，以便于進行內固定。有骨鉗和骨夾兩種形式。 

(5)骨鉆和鉆頭   有手搖鉆及電動鉆、氣鉆等。前者構造鉸簡單，只能用于在骨上鉆洞。其優(yōu)點為可用煮沸法滅菌，又因其轉動速度較慢，不產生高熱，故不致引起鉆孔周圍組織“灼傷”。后者構造復雜，只能用高壓滅菌。電動鉆、氣鉆除可用于鉆洞外，還附有各種形狀和大小不等的鋸片。除去鉆頭，裝上據片后，即成電動踞、氣鋸，可用于采取植骨片和截骨等。電動鉆和氣鉆還附有修整骨面的附件，故使用范圍較廣，對縮短手術時間有一定幫助。 

(6)骨錘   用金屬制版的骨錘較木質者好。前者不僅堅固耐用，且其頭部不易脫落或劈裂或落碎屑。骨錘一般按其重量分為輕、中、重三型。輕型主要用于指骨、趾骨及小關節(jié)的手術；中型主要用于尺、撓骨及脊柱手術；重型用于股骨、徑骨、肱骨和大關節(jié)的手術。

(7)骨鑿和骨刀   骨鑿的頭部僅有一個斜坡形的刃面。骨鑿的刃面不宜短而粗，否則在操作時有鑿裂骨片的危險。骨鑿主要用于修理骨面和取骨。骨刀則由兩個相等坡度的斜面相遇于一個刀口而構成，主要用于截骨和切骨。 

(8)骨剪和咬骨鉗   骨剪用于修剪骨片和骨端。咬骨鉗用于咬除骨端的尖刺狀或突出的骨緣。骨剪和咬骨鉗除有各種不同的寬度和角度外，都有單關節(jié)和雙關節(jié)之分。 

(9)骨銼   骨銼用于銼平骨的斷端，有扁平的和彎的等各種型式。 

(10)刮匙   刮匙可用于刮除骨腔內的小死骨、肉芽組織和瘢痕組織等。在作脊椎結核病灶清除術時，須備有各種彎度和方向的長柄刮匙，以便從各種角度進入病灶，刮除死骨等壞死組織。 

2.2   骨科醫(yī)療手術機構工作原理 

上一節(jié)主要介紹了目前常用的一些骨科手術器械，但是對于手術操作空間狹小的部位進行手術，上述器械并不能滿足手術的要求。例如在進行手術治療頸椎椎管狹窄的病癥時，由于手術可操作的空間很小，必須有特殊的手術器械來完成。 

大約在上世紀 70 年代，微氣鉆在日本問世，專門用于脊柱外科的手術治療，解決了當時頸椎手術中的難題。我國自上世紀 80 年代開始使用該器械，但是并未普及，因為此器械目前還存在著許多的問題，需要進一步的改進，以適應目前的手術需求。 

本課題研制的骨科醫(yī)療手術機構，不僅適用于身體任何部位的骨科手術當中，而且解決了目前微氣鉆在使用中的不足，從而更好地滿足了骨科手術的需求。下面以微氣鉆為例借以說明本課題所設計的骨科醫(yī)療手術機構的工作原理。 

2.2.1   微氣鉆機構的主體結構 

該部分主要對微氣鉆的結構及工作原理進行簡要介紹，借以說明本課題所研制的骨科醫(yī)療手術器械的特點，關于詳細的結構設計部分在后面的第 5 章將有詳細的介紹。 

我們從“微氣鉆”這個名字中不難看出該器械的特點：體積小、氣體傳動。它的體積僅相當于一支鋼筆的大小，因此能在狹小的手術操作空間中工作，這是它最獨特的優(yōu)勢。再者，它以壓縮空氣為動力源，即節(jié)能又不污染環(huán)境，機頭操作部分通過軟管與空壓機相連，使用起來非常方便。 

機頭是微氣鉆最關鍵的部分，國內現有微氣鉆機頭結構簡圖如圖 2-1所示。

它主要由機頭殼、葉輪和鉆針組成。葉輪為注塑成型，與鉆針注塑 在一起。實際上整個機頭只有兩部分組成：機頭殼與葉輪(包括鉆針)。該結構雖然簡單，但是在使用過程中存在很多問題，主要如下： 

(1)由于葉輪與機頭殼之間為干摩擦，磨損情況非常嚴重，實際的輸出力矩與理論值相差很大，經常出現鉆不動的情況。 

(2)因鉆針直接注塑在葉輪內，當鉆針磨損后或者需要鉆不同尺寸的孔時，只能更換整個葉輪，使用起來很不方便。

(3)沒有一定的減震措施，當葉輪轉動不平穩(wěn)時，直接影響到整個手機。 

(4)沒有注水裝置，需要專人注水降溫，給使用帶來了不便，同時也增加了人員的消耗。 

針對目前微氣鉆所存在的問題，本課題所研究設計的新型骨科醫(yī)療手術機構不僅解決了磨損、震動等問題，還增加了注水裝置，并配有刀具更換裝置，可以方便地更換刀具，從而實現多功能的操作。 

第 3 章  骨科醫(yī)療手術機構氣動力學分析...........19 

3.1   葉輪葉片形狀的設計............19 

3.1.1   葉片形狀選擇的依據............19 

3.1.2   氣流對葉片的作用力.........21 

3.1.3   葉片形狀的設計..........23

3.2   骨科醫(yī)療手術機構氣動力學分析............26 

3.2.1   氣動力學模型............26 

3.2.2   氣動力學分析............28 

第 4 章  葉片數量與驅動力矩分析..................35 

4.1   葉片數量分析.............35 

4.1.1   葉片數量對功率的影響...............35 

4.1.2   葉片數量與葉片腔進氣口尺寸的關系.................36 

4.1.3   葉片數量選擇..........38 

4.1.4進氣口與排氣口位置分析.............39 

第 5 章  骨科醫(yī)療手術機構結構設計 ..................53 

5.1   材料的選擇...........53 

5.2   總體結構設計..........55 

5.2.1   結構組成............55 

5.2.2   機體結構...........56 

5.2.3   水氣連接頭結構..........57 

5.2.4   壓縮空氣和冷卻水的要求............58

第 5 章   骨科醫(yī)療手術機構結構設計 

本章主要對骨科醫(yī)療手術機構進行結構設計，包括總體結構及其關鍵零部件(如：機體結構、水氣連接頭結構、機頭結構和葉輪軸結構)的改進與創(chuàng)新設計，使本機構的設計更符合骨科手術的要求。 

5.1   材料的選擇 

隨著現代科學技術的不斷發(fā)展，醫(yī)療器械作為疾病診斷和治療的工具，在現代醫(yī)療服務中占有越來越重要的地位。在各種醫(yī)療趨勢的推動下，動力醫(yī)療器械正變得越來越小型化。借助輕便耐用的材料，可以設計出更小型的醫(yī)療器械，從而便于移動使用或節(jié)省保管空間。從外殼和結構元素，一直到齒輪和鎖閂等內部組件，幾乎所有的設備組件都涉及到小型化和便攜化問題。 

為了繼續(xù)遏制醫(yī)院交叉?zhèn)魅�，清潔、化學消毒和滅菌仍然是醫(yī)療行業(yè)的重點環(huán)節(jié)。所以目前傳統醫(yī)療手術機構中風動渦輪轉子，大都采用不銹鋼或高級航空鋁合金或含有鈮、鈦等貴重稀有合金材料制成，從而造成其成本高，價格比較昂貴。 

綜上所述，要適應現代醫(yī)療器械的發(fā)展趨勢，避免交叉感染，降低骨科醫(yī)療手術機構的成本，必須選擇適合的材料。 

工程塑料能承受一定外力作用，具有良好的機械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好，且價格低廉、加工成型方便等特點，因此在未來幾年，工程塑料將大量取代傳統材料(如較重的金屬和熱固性材料)，在醫(yī)療領域有更廣泛的應用。 

聚苯醚(聚 2，6  —  二甲基  —  1，4 苯醚，polyphenylene  oxide)，簡稱 PPO，于 1959 年由美國 GE 公司 Allan S Hay 所發(fā)明。聚苯醚是一種優(yōu)良的熱塑性工程塑料(熱塑料性塑料是指在特定溫度范圍內能反復加熱軟化和冷卻硬化的塑料)，是世界五大通用工程塑料之一。它具有一系列優(yōu)異的物理與力學、耐熱、電絕緣等性能，被廣泛應用于汽車、電子、電器、IT 等行業(yè)和領域，屬國家化工新材料重點發(fā)展項目和國家“十五”計劃發(fā)展項目。其主要性能如下： 

(1)物理機械性能   聚苯醚分子鏈中含有大量的苯環(huán)結構，分子鏈剛性較強，機械強度高，具有較高的硬度和韌性；蠕變小，尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良。 

(2)熱性能   聚苯醚具有較高的耐熱性，玻璃化溫度達 211℃  ，熔點為268℃  ，熱分解溫度為 330  ℃  。

 (3)電性能   聚苯醚分子結構中無強極性基團，在很寬的溫度及頻率范圍內，能保持良好的電性能，其介電常數和介電損耗角正切在工程塑料中最小，且不受溫度、濕度及頻率的影響。 

(4)化學性能   聚苯醚為非結晶樹脂，分子結構中無可水解的基團，耐水性好，制品在高壓蒸汽中反復使用其性能變化不大，但能溶于鹵代脂肪 烴和芳烴中。 

結   論 

本課題主要是在理論分析的基礎上，對骨科醫(yī)療手術機構進行結構改進和創(chuàng)新設計。本文首次對骨科醫(yī)療手術機構的葉輪形狀、驅動力矩等方面進行了深入的分析研究，對開發(fā)研制新型骨科手術機構有理論指導和實際意義。綜合本文的研究成果，得到如下結論： 

(1)根據流體力學知識與力學理論研究設計了一種新型的適用于骨科醫(yī)療手術機構的葉片形狀，為微型骨科醫(yī)療手術機構的葉片研究奠定了理論基礎。 

(2)根據流體力學中取控制體的研究方法，建立了葉輪腔的氣動力學模型，并對其進行了動力學分析，得出了沖動力及驅動力矩與氣流速度及壓強的計算關系式，并推出了驅動力矩與氣流沖擊面積的關系式。 

(3)在盡可能增大葉輪輸出功率的前提下，根據葉片腔進氣口的大小確定出葉輪的最佳葉片數量，并以得到較大的驅動力矩為準則，來確定進氣管與排氣管的位置，為機構各參數的確定提供了理論依據。 

(4)根據氣流對葉片腔沖擊面積的變化，將葉輪的運動過程分成了四個位置，得出了驅動力矩與氣流速度和壓強之間的關系式，繪出了驅動力矩在一個周期內的變化曲線，并分析總結了驅動力矩的變化特性，為深入分析研究葉輪驅動力矩的平穩(wěn)性提供了理論依據。      

(5)對骨科醫(yī)療手術機構進行了總體結構設計，并對機頭結構進行了創(chuàng)新設計，改進了骨科醫(yī)療手術機構的性能，并提高了使用壽命。 

本課題雖然取得了上述研究成果，但只是骨科醫(yī)療手術機構改進設計的開始，仍有以下工作需進一步研究完善： 

(1)一個周期內葉輪驅動力矩的平穩(wěn)性和各種手術切削力之間的關系等有待進一步研究。      

(2)該骨科醫(yī)療手術機構的結構優(yōu)化及振動、噪聲等問題的研究。 
 

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