膝关节镜手术中关节软骨微创刨刀研究

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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。

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作者
汤娜;
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作者单位

广东工业大学;

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授予单位广东工业大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名王成勇,陈灏;
年度 2017
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类基础外科手术器械;
关键词
膝关节手术; 微创刨刀; 切除机理; 切削力; 表面质量; 关节软骨;

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