標(biāo)準(zhǔn)群鉆鉆骨過程中鉆削力的實(shí)驗(yàn)研究

杜興澤 杜茂華 王沛鑫

摘要： 鉆骨在骨外科手術(shù)中應(yīng)用十分廣泛，鉆頭鉆削力大小對于手術(shù)過程有較大影響。當(dāng)今臨床上外科醫(yī)生大多使用手持電鉆加持標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行骨鉆削，鉆削力的大小對于醫(yī)生的手術(shù)操作有較大的影響。本文對標(biāo)準(zhǔn)群鉆鉆骨過程中的切削力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究了鉆骨過程中鉆頭進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速對于切削力的不同影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用兩種不同型號標(biāo)準(zhǔn)群鉆鉆型對豬股骨進(jìn)行鉆削相較于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的鉆削力都有一定降低。

Abstract： The bone drill is widely used in orthopedic surgery. The drill bit's drilling force has a great influence on the surgical procedure. Most surgeons use hand-held drills to hold standard twist drills for bone drilling. The size of the drill force has a great influence on the doctor's surgical operation. In this paper， the cutting forces in the process of drilling with standard group drills are studied experimentally， and the different influences of bit feed speed and rotation speed on the cutting force during drilling are studied. The experimental results show that the drilling force of two different types of standard group drills has a certain reduction compared with the standard twist drill when drilling the pig femur.

關(guān)鍵詞： 骨鉆；鉆削力；群鉆；鉆型結(jié)構(gòu)

Key words： bone drill；drilling force；group drill；drilling structure

中圖分類號：TG52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0137-03

0 引言

鉆孔在骨外科手術(shù)中應(yīng)用非常廣泛，如果鉆頭或鉆削參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致各種并發(fā)癥不利于術(shù)后恢復(fù)，鉆孔的質(zhì)量會(huì)影響植入物的固定，導(dǎo)致固定不足或發(fā)生斷裂甚至導(dǎo)致畸形愈合。在骨外科領(lǐng)域，長骨骨折復(fù)位內(nèi)固定術(shù)是最常見、最基礎(chǔ)的手術(shù)，骨骼鉆孔是植入內(nèi)固定不可缺少的過程[1]。脛骨、股骨是人體長骨中骨折概率最高的部位，對于脛骨、股骨的外科手術(shù)中多使用直徑較大的鉆頭，鉆頭的鉆削力直接影響外科醫(yī)生的手術(shù)操作。在虛擬骨外科手術(shù)系統(tǒng)是一種有效的培訓(xùn)教學(xué)工具，它可以使年輕醫(yī)生能夠在最短的時(shí)間、以最低的成本和最小的風(fēng)險(xiǎn)，熟練準(zhǔn)確地掌握各種復(fù)雜外科手術(shù)的臨床操作[2-3]。虛擬手術(shù)系統(tǒng)中缺乏真實(shí)的力反饋信息，虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，同時(shí)也成為阻礙機(jī)器人、遠(yuǎn)程和太空手術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題[4]。當(dāng)今骨外科手術(shù)中多采用手持電鉆進(jìn)行骨鉆削，所以采集骨鉆削過程的鉆削力是十分必要的。群鉆是一種通過對普通標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行合理修磨而創(chuàng)制的新型鉆型[5]，手術(shù)中常用的鉆頭的刃型結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，本文對兩種標(biāo)準(zhǔn)群鉆和標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆在豬股骨的鉆削過程中的鉆削力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為今后骨鉆削的研究提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的制備

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制及倫理的約束，不能直接從臨床患者身上獲取切削參數(shù)[6]；所以本文選取與人體骨骼相似的新鮮豬骨骼進(jìn)行研究。選取肉眼觀察無損傷的發(fā)育成熟的新鮮豬骨，清除附著的軟組織，同時(shí)為了方便裝夾將股骨頭處的圓形突起鋸掉，進(jìn)行處理的標(biāo)本如圖1所示。

1.2 鉆頭及修磨

群鉆如圖2所示，主要應(yīng)用于機(jī)械加工過程中對于金屬材料的鉆削，群鉆是通過修磨標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的鉆尖形狀和刃形從而降低切削力、改變分屑、排屑、斷屑形式以提高鉆孔質(zhì)量[4]。目前還沒有專門針對骨骼材料的基本群鉆鉆型。本實(shí)驗(yàn)所用群鉆通過萬能工具磨床對臨床常用的Ф5高速鋼（GB/T6135.3）標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行修磨。因高速鋼材料洛氏硬度HRC>60[7]遠(yuǎn)高于生物骨骼硬度，因此不考慮鉆削過程中鉆頭的磨損。

1.2.1 萬能工具磨床

使用上海美山精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的萬能工具磨床（型號：MS-6025W，砂輪轉(zhuǎn)速：3600rpm砂輪內(nèi)孔：32mm），裝配萬向支座裝夾鉆頭進(jìn)行刃磨，如圖3所示。本文根據(jù)骨骼材料的特點(diǎn)對比不同基本群鉆鉆形所對應(yīng)的切削材料，以鉆薄板和有機(jī)玻璃基本型群鉆為研究對象進(jìn)行對骨骼進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。本文使用的群鉆根據(jù)相應(yīng)的基本型群鉆參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行刃磨，適用于鉆削有機(jī)玻璃群鉆，如圖4a，適用于鉆削薄板，如圖4b。

1.2.2 工業(yè)顯微鏡

使用深圳市中微科創(chuàng)品牌的500萬像素工業(yè)顯微鏡（型號：ZW-U500），測量修磨后的鉆頭刃型參數(shù)，如圖5所示。

1.3 骨骼鉆削力采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)顯示器以及與之相配合的工裝夾具構(gòu)成。

1.3.1 數(shù)控機(jī)床

大連機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的XD-40A型三坐標(biāo)數(shù)控銑床如圖6所示，數(shù)控系統(tǒng)為華中數(shù)控世紀(jì)星。編制鉆削程序運(yùn)行對骨骼進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)刀操作，從而避免人為因素導(dǎo)致的按壓力不穩(wěn)定的問題。

1.3.2 壓力傳感器

安徽金諾傳感器廠生產(chǎn)的JHBS-1型箔式荷重傳感器，量程0-1000N，綜合精度0.1%F·S，靈敏度2.0±0.1mv/V，如圖7所示。

1.3.3 數(shù)據(jù)顯示器

安徽金諾傳感器廠生產(chǎn)的MCK-Z-I型數(shù)據(jù)顯示器，采樣速度10次/秒，如圖8所示。

1.4 鉆削力的采集方法

將切割好的新鮮豬股骨標(biāo)本裝夾在測力傳感器上，傳感器與數(shù)據(jù)顯示器聯(lián)通，用虎鉗將傳感器固定于機(jī)床工作臺(tái)上，鉆頭安裝于主軸。目前，骨外科手術(shù)中常用的轉(zhuǎn)速為1000-2000rpm站之間[8]。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)常用轉(zhuǎn)速設(shè)置CNC程序中的轉(zhuǎn)速分別為300、700、1100、1500、1900、2300rpm，進(jìn)給速度為0.03、0.05、0.07、0.09、0.11、0.13、0.15mm/r，分別記錄各組參數(shù)下的鉆削力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鉆削參數(shù)對切削力的影響

骨骼由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩部分組成，當(dāng)鉆削外層皮質(zhì)骨時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的鉆削力，鉆通皮質(zhì)骨后切削力會(huì)急劇下降。因此選取皮質(zhì)骨鉆削穩(wěn)定階段的平均力。切削參數(shù)的設(shè)置對于鉆削力的影響作用如圖9所示。經(jīng)過比較可以看出相同進(jìn)給速度下，隨著切削速度的提高鉆削軸向力逐漸降低，與文獻(xiàn)[9]對豬肩胛骨進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)進(jìn)給速度越高切削力越大。

2.2 鉆頭刃型結(jié)構(gòu)對切削力的影響

由圖9可以看出兩種標(biāo)準(zhǔn)群鉆的切削力在相同的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度下切削力均比標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆低，其中適用于鉆薄板的群鉆在鉆骨過程中產(chǎn)生最低的鉆削力。群鉆是通過刃磨麻花鉆的切削刃，改變了前角的大小，修磨了橫刃，使橫刃長度變小。修磨產(chǎn)生兩個(gè)月牙槽，有利于排屑，從而使得群鉆在鉆削過程中產(chǎn)生較小的鉆削力。在骨科手術(shù)中能夠降低手術(shù)操作者的操作難度。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過修磨標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，對適用于薄板鉆削和有機(jī)玻璃鉆削的標(biāo)準(zhǔn)群鉆鉆型在新鮮豬骨鉆削過程中的鉆削力大小進(jìn)行了采集分析。經(jīng)過修磨的鉆頭在鉆削過程中產(chǎn)生的鉆削力均小于同樣切削參數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的鉆削力。實(shí)驗(yàn)表明通過改變鉆頭的刃型能夠降低骨骼鉆削過程的鉆削力，為醫(yī)用麻花鉆鉆型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供一定的參考，從而提高骨外科手術(shù)的質(zhì)量。

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