標準群鉆鉆骨過程中鉆削力的實驗研究

杜興澤 杜茂華 王沛鑫

摘要： 鉆骨在骨外科手術中應用十分廣泛，鉆頭鉆削力大小對于手術過程有較大影響。當今臨床上外科醫生大多使用手持電鉆加持標準麻花鉆進行骨鉆削，鉆削力的大小對于醫生的手術操作有較大的影響。本文對標準群鉆鉆骨過程中的切削力進行實驗研究，研究了鉆骨過程中鉆頭進給速度和轉速對于切削力的不同影響。實驗結果表明，采用兩種不同型號標準群鉆鉆型對豬股骨進行鉆削相較于標準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.

關鍵詞： 骨鉆；鉆削力；群鉆；鉆型結構

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

中圖分類號：TG52 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0137-03

0 引言

鉆孔在骨外科手術中應用非常廣泛，如果鉆頭或鉆削參數選擇不當會導致各種并發癥不利于術后恢復，鉆孔的質量會影響植入物的固定，導致固定不足或發生斷裂甚至導致畸形愈合。在骨外科領域，長骨骨折復位內固定術是最常見、最基礎的手術，骨骼鉆孔是植入內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、股骨的外科手術中多使用直徑較大的鉆頭，鉆頭的鉆削力直接影響外科醫生的手術操作。在虛擬骨外科手術系統是一種有效的培訓教學工具，它可以使年輕醫生能夠在最短的時間、以最低的成本和最小的風險，熟練準確地掌握各種復雜外科手術的臨床操作[2-3]。虛擬手術系統中缺乏真實的力反饋信息，虛擬現實手術系統的發展進入瓶頸期，同時也成為阻礙機器人、遠程和太空手術發展的關鍵性問題[4]。當今骨外科手術中多采用手持電鉆進行骨鉆削，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準麻花鉆進行合理修磨而創制的新型鉆型[5]，手術中常用的鉆頭的刃型結構是標準麻花鉆，本文對兩種標準群鉆和標準麻花鉆在豬股骨的鉆削過程中的鉆削力進行實驗研究，為今后骨鉆削的研究提供一定的依據。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗標本的制備

由于實驗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[6]；所以本文選取與人體骨骼相似的新鮮豬骨骼進行研究。選取肉眼觀察無損傷的發育成熟的新鮮豬骨，清除附著的軟組織，同時為了方便裝夾將股骨頭處的圓形突起鋸掉，進行處理的標本如圖1所示。

1.2 鉆頭及修磨

群鉆如圖2所示，主要應用于機械加工過程中對于金屬材料的鉆削，群鉆是通過修磨標準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量[4]。目前還沒有專門針對骨骼材料的基本群鉆鉆型。本實驗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）標準麻花鉆進行修磨。因高速鋼材料洛氏硬度HRC>60[7]遠高于生物骨骼硬度，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械有限公司生產的萬能工具磨床（型號：MS-6025W，砂輪轉速：3600rpm砂輪內孔：32mm），裝配萬向支座裝夾鉆頭進行刃磨，如圖3所示。本文根據骨骼材料的特點對比不同基本群鉆鉆形所對應的切削材料，以鉆薄板和有機玻璃基本型群鉆為研究對象進行對骨骼進行切削實驗。本文使用的群鉆根據相應的基本型群鉆參數對標準麻花鉆進行刃磨，適用于鉆削有機玻璃群鉆，如圖4a，適用于鉆削薄板，如圖4b。

1.2.2 工業顯微鏡

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

1.3 骨骼鉆削力采集系統

該系統由數控機床、數據傳感器和數據顯示器以及與之相配合的工裝夾具構成。

1.3.1 數控機床

大連機床集團生產的XD-40A型三坐標數控銑床如圖6所示，數控系統為華中數控世紀星。編制鉆削程序運行對骨骼進行自動進刀操作，從而避免人為因素導致的按壓力不穩定的問題。

1.3.2 壓力傳感器

安徽金諾傳感器廠生產的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 數據顯示器

安徽金諾傳感器廠生產的MCK-Z-I型數據顯示器，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本裝夾在測力傳感器上，傳感器與數據顯示器聯通，用虎鉗將傳感器固定于機床工作臺上，鉆頭安裝于主軸。目前，骨外科手術中常用的轉速為1000-2000rpm站之間[8]。本實驗根據常用轉速設置CNC程序中的轉速分別為300、700、1100、1500、1900、2300rpm，進給速度為0.03、0.05、0.07、0.09、0.11、0.13、0.15mm/r，分別記錄各組參數下的鉆削力。

2 實驗結果與討論

2.1 鉆削參數對切削力的影響

骨骼由皮質骨和松質骨兩部分組成，當鉆削外層皮質骨時會產生較大的鉆削力，鉆通皮質骨后切削力會急劇下降。因此選取皮質骨鉆削穩定階段的平均力。切削參數的設置對于鉆削力的影響作用如圖9所示。經過比較可以看出相同進給速度下，隨著切削速度的提高鉆削軸向力逐漸降低，與文獻[9]對豬肩胛骨進行鉆削實驗結論一致，當轉速相同時進給速度越高切削力越大。

2.2 鉆頭刃型結構對切削力的影響

由圖9可以看出兩種標準群鉆的切削力在相同的轉速和進給速度下切削力均比標準麻花鉆低，其中適用于鉆薄板的群鉆在鉆骨過程中產生最低的鉆削力。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。修磨產生兩個月牙槽，有利于排屑，從而使得群鉆在鉆削過程中產生較小的鉆削力。在骨科手術中能夠降低手術操作者的操作難度。

3 結論

本實驗通過修磨標準麻花鉆，對適用于薄板鉆削和有機玻璃鉆削的標準群鉆鉆型在新鮮豬骨鉆削過程中的鉆削力大小進行了采集分析。經過修磨的鉆頭在鉆削過程中產生的鉆削力均小于同樣切削參數下標準麻花鉆的鉆削力。實驗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，為醫用麻花鉆鉆型結構的改進提供一定的參考，從而提高骨外科手術的質量。

參考文獻：

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