微创钻骨系统切削参数对切削力与温度的影响

微创钻骨系统切削参数对切削力与温度的影响 筱 克 谢 群 季林红 王子羲 （清华大学 精密仪器与机械学系，北京 100084） Influence of a minimally invasive bone drill cutting parameters on cutting forces and temperature XIAO Ke，XIE Qun，JI Lin-hong，WANG Zi-xi （Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China） 【摘 要】股骨头切削手术是一种常见的治疗股骨头坏死的手术方法，具有自动钻削，微创伤等特点 的先进手术器械解决越来越多的代替传统人工方式，其中，钻头的优化和骨骼材料的切削特性 的分析方法对该类器械具有理论和指导意义。研究了一种新型的用于切削手术的微创钻扩系 统，在相关实验平台上，研究了机构中钻头的设计参数、轴向力和转速之间的关系，在此基础上建立对钻 扩系统的机械设计中的参数设定和优化的实验与理论依据。 关键词：切削手术；股骨头；切削参数 【Abstract】Cutting surgery is a commonly used method to treat femoral necrosis，which includes ad－ vanced mechanical-assisted surgical methodologies such as drilling automation or minimally invasive pro－ cess，which tend to progressively replace the traditional，man-handed methods；drill bit design optimization and analysis of the cutting properties of bone are of great interest regarding the conception of such inno－ vative mechanism. A new system able to enlarge holes aimed at practice minimally invasive surgery has been analyzed，and an experiment platform has been used to reproduce design parameters of this machine， to achieve the relationship between rotation speed，feed rate and axial force，thus providing a base to opti－ mally design the machine. Key words：Cutting surgery；Femur；Cutting parameters ������������������������������������ � � � � � � � � � � � � � � � � ������������������������������������� � � � � � � � � � � � � � � � � � ＊来稿日期：2008-04-17 中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：１００１-3997（２００9）02-0264-02 1引言 骨头是一种特殊的材料，其结构主要由两层组织构成：外层 密度较大较硬的称为皮质骨，内层松质多孔的称作海绵骨。大多 数骨头的面覆盖一层致密的骨膜。部分骨头的内部是空的，含 有骨髓。骨头内部的小通道内分布有血管和神经纤维，从而给骨 头输送营养和氧气，促进它的生长并自恢复。由于生物材料的复 杂结构，一般很难通过理论建模对其进行准确分析。在对骨头实 施钻削手术，观察到因切削所引起的温度变化，会对骨骼术后康 复有较大影响。除了温度过高，骨组织坏死的另一个因素是在高 温下暴露的时间过长。Bonfield和 Li指出在 50°C下时加热活的 狗股骨头，骨组织结构会有所改变。Lundskog观察到骨头在 50°C 下保持 30s以上会出现细胞骨坏死。虽然这些研究结论存在分歧， 但这些研究均推荐手术时骨头的温度不宜超过 50°C。目前已有较 多关于骨头钻孔时轴向力对骨头温度影响的研究，在类似的实验条 件下，这些研究的结果和结论基本一致。研究发现骨头温度随着钻 孔时轴向力的提高而降低。Matthews和 Hirsch测试了 19.6N至 117.7N范围内不同的轴向力，他们发现随着钻孔轴向力的提高，皮 质骨的温度降低了，同时骨头温度在 50°C以上的时间也缩短了。研 究目的为研究在钻削骨头时钻头转速与进给速度对温度的影响。钻 削方法通常用以治疗常见的股骨头疾病，如骨头坏死、骨囊肿和骨 肿瘤等。在进行此治疗操作的同时要考虑不引起对患者的副作用。 对此，可采用一种扩孔技术，在骨头上钻小孔以达到病变区域，随后 扩大已钻的孔以治疗病变区域，孔的形状，如图 1所示。 图 1 扩骨头的孔 Fig.1 Enlargement of a drill hole in a bone 这种方法在治疗完整病变区域的同时，减少了患者股骨头未 病变区域的钻削区。采用此方法可完全治疗疾病并保持患者的健 康状态。另一方面，因为现在手术辅助机器人的发展迅速，所以必 综 述 ＊＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊＊＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊ Machinery Design ＆ Manufacture 机械设计与制造 第 2期 ２００9年 2月264 须考虑手术自动化的特点。通过本研究可以确定机器人可控制的 切削参数如钻头转速、进给速度和采用的钻头形状对钻削股骨头 时温度的影响。以达到此目的，采用了不同钻头形状，不同的转速 与进给速度钻了猪股骨头。测量了每个参数组合得到的轴向力， 最后推测计算了温度。 2设备和测量方法 2.1设备与测试装置 选用六组成年雄性猪的股骨头，长度在 190mm和 210mm之 间，经过处理去除软组织。实验环境温度在 21±1°C。此实验平台， 如图 2所示。实验平台分为一个钻床 1，可自动向下推进钻骨刀2。 图 2 试验台示意图 Fig.2 Scheme of the experiment platform 钻床可根据需要进行转速调整。使用的钻头分为两种：一根普 通的钻头，直径为 10mm，有效长度为 80mm，并旋角度为 30°并其 尖头角为 120°和一根专门设计的 V形双刃刀具，直径为 10mm，有 效长度为 9mm，并其尖头角为 90°。使用的刀具，如图 3所示。为验 证专门设计的钻头与常见钻头在切削效果的比较。分别设立两组参 照组，一组采用设计的钻头，另一组采用普通花钻对比实验。 （a）普通钻头 （b）V形刀具 图 3 刀具示意图 Fig.3 Tool diagram 使用的测力台为 SDC-C 4M型测力仪，它会测空间三个方向 的纯力量和垂直轴线的扭矩。本力台的测量范围为（0～3000±2）N 和测扭矩范围为（0～150000±2）N.mm。自来测力仪的电子信号被 扩大，通过十六位 A/D条集版输入计算机以便保存即使的轴向力 和切削扭矩数值。 2.2实验过程 实验开始解冻骨头，使用具装夹骨头。在钻床可提供的转速 之中，选择获取 480，1400和 2440rpm以便小于而大于文献对骨 头钻削推荐的转速。通过理论计算模拟医师操作手术刀具所能提 供的最大进给力为 500N，切削进给速度为 40mm/min 和扭矩 1000N.mm，在（0～20）mm/min范围内平均划分 10，15和 20mm/min。 3试验结果与讨论 3.1钻头类型，转速和进给速度对轴向和切削力影响 实验结果如图 4所示。在固定的钻头形状和进给速度的条件 下，转速对轴向力的影响如图 4a所示。观察到无论采用哪种钻头 类型，在提高转速时，轴向力降低。然而，在转速小于 1500rpm时， 专门设计的 V形钻头产生的轴向力大于采用普通钻头时的轴向 力。至于提高进给速度时，轴向力则会同时提高。虽然此趋势与钻 头类型无关，但是可指出在 480rpm的转速下，采用专门设计的 V 形钻头引起的轴向力比采用普通钻头引起的轴向力大。由于钻骨 头过程中轴向力的提高意味着骨头温度的降低，因此采用专门设 计钻骨刀较合适实际应用。其原因可能是因为采用 V形钻头时， 钻屑更容易排出，热量散发也较快。 （a）转速对轴向力的影响 （b）转速对切削扭矩的影响 图 4实验结果 Fig.4 Experimental results 在固定的钻头形状和进给速度的条件下，转速对切削扭矩的 影响如图 4b所示。不管采用哪种钻头类型，认为转速提高会使切 削扭矩降低。然而在转速大于 1000rpm时，两种钻头的切削扭矩 相差较大。采用设计的 V形刀时，切削扭矩小于采用普通钻头产 生的切削扭矩。不管采用什么钻头，进给速度提高时，切削扭矩 Mz随之提高。然而在转速 1400rpm和 2440rpm下，采用最优化 钻头得到的切削扭矩值仍旧小于采用普通钻头产生的扭矩。在股 骨头上钻孔时，采用 V形刀的手术手钻消耗的功率小于采用普 通钻头的手钻功率。 3.2钻头类型，转速和进给速度对温度的影响 通过计算，在固定进给速度和钻头形状时，转速对温度影响 的结果，如图 5所示。观察到当转速提高时，温度升高。采用优化 的钻头时，当转速过快时，温度升高比采用普通钻头时升温更快。 然而当转速小于 1500rpm时，采用此专门设计钻头时的温度低于 采用普通钻头的温度。且发现了当转速小于 1500rpm时，采用V形 刀引起的温度不大于 47.6°C，但采用传统钻头，转速等于 1400rpm 1 2 3 4 N/rpm V model Normal Vf =20mm/min Vf =15mm/min Vf =10mm/min 0 500 1000 1500 2000 2500 700 600 500 400 300 200 100 0 M z/N N/rpm V model Normal Vf =20mm/min Vf =15mm/min Vf =10mm/min 0 500 1000 1500 2000 2500 350 300 250 200 150 100 50 0 F z /N 第 2期 筱 克等：微创钻骨系统切削参数对切削力与温度的影响 265 特种加工在航天制造业中应用研究 宋红文 吴 伟 （西南科技大学 制造学院 中国空气动力研究与发展中心工厂，绵阳 621000） Application and search on manufacturing of spaceflight in aerospace SONG Hong-wen，WU Wei （Department of Manufacture Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology China Aerodynamics R. & D. Center Manufactory，Mianyang 621000，China） 【摘 要】航天制造技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，特种加工技术是航天制造技术 不可缺少的组成部分。介绍了特种加工概念、特点，分类论述了各特种加工技术在航天制造技术的应用。 关键词：航天；制造技术；特种加工 【Abstract】Aerospace manufacturing technology is scale on important sign of a country science and technology development level. Special machining is not missing the part of aerospace manufacturing tech－ nology. It introduce conception characteristic of special machining. Sort discuss application of each special machining technology in aerospace manufacturing technology. Key words：Aerospace；Manufacturing technology；Special machining ����������������������������������������������� � � � � � � � � � � � ������������������������������������������������ � � � � � � � � � � � � ＊来稿日期：2008-04-16 中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：１００１-3997（２００9）02-0266-03 航天技术作为武器装备技术的一个重要组成部分支撑着卫 星及导弹的研制生产任务，在国防建设和国民经济发展中具有影 响全局的重要作用。在航天技术体系中，制造技术又占有极大比 重，几乎涉及整个技术体系，具有无所不在的独特性质，航天工业 就其行业性质来说，是属于制造业范畴的，但航天制造技术远远 高于一般制造技术，日益从一般制造向高精尖先进制造技术方向 发展。 航天制造技术的发展水平，对航天制造业飞行器、火箭、导 弹和航天器的可靠性和使用寿命的提高，综合技术性能的改善， 研制和生产成本的降低，甚至总体设计思想能否得到具体实现 均起着决定作用。建国 50年来特别是改革开放以来，我国的制 造技术总体水平有了很大提高，但与发达国家相比仍然存在很 时，骨头温度在（49.0～55.5）°C之间。然而当转速为 2440rpm时，温 度超出了 50°C的极限，会引起股骨头坏死。在评估进给速度对温度 的影响时，有一定困难，但仍认为在进给速度等于 20mm/min时，骨 头温度低于在进给速度等于 10mm/min的情况下。根据 Bachus 等的结果，通过推论的曲线，如图 5所示。 图 5 转速对温度的影响 Fig.5 Influence of the rotation speed on temperature 4结论 实验结果，在钻股骨头的过程中，当转速提高时轴向力 降低；当进给速度提高时，轴向力反而提高。而切削扭矩则转速的 提高而降低，随着进给速度的提高而提高。当转速大于 1000rpm， 观察到采用优化钻头可降低切削过程消耗的功率。当提高转速或 减少进给速度时，骨头温度提高。不管采用何种钻头，当转速等于 2440rpm，骨头温度高于 50°C的极限，可能引起股骨头坏死。然而 当转速小于 1500rpm时，采用专门设计的 V形钻头可控制温度 低于 50°C，优于普通钻头。综上，我们推荐在骨头钻孔时避免采 用大于 1500rpm的转速，以防止引起患者的股骨头坏死。并推荐 采用专门设计的 V形钻头，以便给予手术辅助机器人更宽泛的 转速与进给速度的范围，同时降低患者股骨头坏死的风险。 参考文献 1 M.B. Abouzgia and D. F. James. Measurements of shaft speed while drilling through bone. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，1995，53（11）： 1308～1315 2 M.B. Abouzgia and J.M. Symington. Effect of drill speed on bone temperature. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，1996，25（5）：394～ 399 3 K.N. Bachus，M.T. Rondina and D.T. Hutchinson. The effect of drilling force on cortical temperatures and their duration：an in vitro study. Medical engineering & Physics，2000，22：685～691 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ N/rpm V model Normal Vf =20mm/min Vf =15mm/min Vf =10mm/min 0 500 1000 1500 2000 2500 150 125 100 75 50 25 0 T /℃ Machinery Design ＆ Manufacture 机械设计与制造 第 2期 ２００9年 2月266