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膝关节损伤是骨科最常见疾病之一,由于开放性手术创伤大,关节镜微创手术以其切口小、康复快和并发症少等优势,已逐渐成为骨关节外科常规的诊断和治疗手段。关节镜微创手术刀具市场需求量巨大,目前我国所用的微创刨削刀具等医疗器械大部分依赖进口,价格昂贵,微创刨刀的选择与应用,基本是依赖医生的临床经验,以及医疗器械公司的销售推荐,没有形成相对统一的评价指标。手术过程中软骨材料的刨削切除机理、微创刨刀与关节软骨接触界面的力学行为、刨刀的结构性能与切削安全及组织损伤的关系也尚未明确。明确微创刨刀对关节软骨的作用规律和损伤机制,不仅可为临床医生提供参数化的手术操作及器械选择标准,还可为设计制造高效低损伤微创刨削刀具提供理论依据。 本文以猪膝关节软骨作为研究对象,通过 HE染色和扫描电镜微观观察两种方法,研究了软骨组织的结构特征;在此基础上,结合刨削的加工方式和多种刨刀的结构特征,深入研究了刨刀刨削健康膝关节软骨的过程;对干、湿(生理盐水)条件下刨刀的切削性能进行了对比;系统地分析了刨刀结构参数及刨削工艺参数对切削力、切削后表面质量及形貌的影响,选出了较优的刀齿结构和刨削工艺参数水平;对刨削区域进行能谱分析,初步评估了刨刀的生物安全性。 本文主要研究结论如下: (1)关节软骨中各层软骨细胞的形态及胶原纤维的粗细和走向均不相同。随着分层的深入,软骨细胞的体积逐渐增大,胶原纤维的直径则明显加粗。各层在生物学上的作用也不同,浅表层主要对抗剪切力,中间层和深层则主要是承受压力载荷,潮线是关节软骨组织中抗剪切力强度最为薄弱的地方。 (2)从刨削过程来看,刀齿结构不同其刨削软骨的过程也不相同。三角形齿和圆弧形齿刨刀均是由刀管外圆刀尖完成初始切入,接着软骨材料被挤压进刀齿间隙,逐渐堆积并产生变形,最终被刀齿侧刃和齿根共同切。外凸圆弧形齿刨刀的齿顶为圆弧面,其切削过程主要是以挤压的形式进行的。斜齿刨刀各刀齿的切削不同步,自上而下依次参与切削。 (3)从刨削力来看,三角形齿和圆弧形齿刨刀的切削力要小于其他两种齿形刨刀;齿形角较小时,三角形齿刨刀的切削力较小,圆弧形齿半径增大时,切削变小;刨刀加工正前角可有效降低切削力,但前角小于30°时,切削力不减反增。切削力的方差和极差析结果表明,影响切削力的因素主次排序为:径向切深、轴向切深、刨刀转速和进给速度。切削力随径向切深Rd的增加,成线性增加;刨刀转速增加时,切削力先减小后增大,在刨刀转速为2000rpm和4000rpm时,切削力达到最低点。 (4)刨削同一层内的关节软骨时,切削力基本相同,随着软骨分层的深入,各向切削力均呈增加趋势,其中切深抗力Fx要明显大于进给抗力Fy和轴向力Fz,为切削合力F的主要组成部分。根据正交实验结果建立的切削力模型中Fx、Fy和F的显著性较好,可用于指导实际手术过程中刨削参数的选择。 (5)从刨削软骨表面质量来看,三角形齿刨刀刨削后的表面平整,粗糙度最小;其次为圆弧形齿刨刀,随着刀齿半径的增大,切槽深度和宽度均增加,但表面粗糙度变化不大;加工正前角刨刀刨削后的软骨表面切槽深度D和切槽宽度W均明显大于原始刨刀,切除效果和表面质量均变好。径向切深Rd增加,刨削软骨表面粗糙度Ra增大。轴向切深Ad增加使切削相同深度时的刨削次数减少,表面质量也变差。在刨刀转速为4000rpm,刨削软骨表面质量较好。进给速度对表面质量的影响不大。 (6)从刨削环境来看,低转速状态下,生理盐水环境与干式环境对切削力的影响相差不大;但高转速状态下,由于生理盐水更充分的的缓解了刀具与软骨接触表面之间的摩擦,其切削力要小于干式条件。 (7)从降低切削力和提高刨削表面质量来考虑,应选择较小齿形角的三角形齿刨刀或稍大刀齿半径的圆弧形齿刨刀,同时可对刨刀加工30°到45°的前角。在本文实验条件下,三角形齿(β=60°)刨刀对应的较优刨削工艺参数组合为:径向切深Rd=0.2mm,轴向切深Ad=0.5mm,刨刀转速n=4000rpm,进给速度f=400mm/min。但在实际手术过程中,软骨的切除位置一般由患者软骨损伤程度和损伤部位决定的,要根据实际情况对径向切深和轴向切深进行合理选择,如果从切削效率来考虑,增大进给量比增大径向切削深度有利。