DK-2000A手术动力装置机械传动部分的关键技术研究

论文摘要

手术动力装置是开展神经外科手术的必备医疗器械之一,其功能主要是用于开颅、颅底及脊柱手术中对骨组织的处理如钻、铣、磨、锯。近年来,我国临床医学发展迅速,作为医学前沿领域的神经外科发展尤为突出,一是神经外科手术开展的普及程度提高（目前大部分县级医院都已能开展神经外科手术）,二是神经外科手术的精细复杂程度大大提高,充分的安全性是应该考虑的首要问题之一。这样一方面形成了手术动力装置的更大市场需求,另一方面对手术动力装置的技术及质量提出了更多更高要求。手术动力装置在神经外科中的应用一般有两种情况,开颅及颅底打磨,这两类手术实施过程中都有极大的风险性,如颅骨钻钻穿颅骨板后必须及时停止,否则会钻入脑组织造成伤害,而颅底或脊柱手术中磨钻摆动过大或操作不当,会伤及神经及血管,易致残致瘫,甚至导致死亡。手术对产品的安全要求极高,所以产品关键技术需认真加以研究。从市场实际情况来看,国内市场高端手术动力装置主要依赖进口,绝大部分用户还在使用木工钻、手摇钻等原始工具进行手术,手术效率很低,医生劳动强度很大,并且手术风险较高,同时每年还要消耗大量外汇,因此这一状态急需改变。在此背景下,作者提出了DK手术动力装置的研究开发,并将其中部分关键技术研究作为本人博士论文课题。手术动力装置是一个较为复杂的系统,广泛涉及精密机械传动、材料、计算机软硬件、电气控制、生物医学等学科技术,但由于篇幅限制,本人重点选择了对产品功能实现及手术安全影响度较大的软轴、钻手机以及主机热可靠性作为主要研究内容。手术动力装置在神经外科中的应用之一开颅（颅骨钻孔及切割）,对动力要求大,而对速度要求不高;之二颅底骨组织或脊柱打磨,对动力要求不高,但对速度要求很高,并要求操作手机小尺寸,径向跳动量极小。手术动力装置分为软轴驱动和微电机驱动两类,两类工作方式各有其优缺点,软轴驱动采用大功率交流电机,动力较大,可很好满足开颅手术,其不足是系统可达到的终端输出速度较低（一般小于2万r/min）,并且手机部件等尺寸较大,无法满足有高速（如4～8万r/min）、小尺寸要求的颅底与脊柱手术;而微电机方式正好相反,具备高速、小尺寸的技术特点,满足颅底与脊柱手术高速、小尺寸要求,但其功率小（一般只有几十瓦）,进行开颅手术就较难。传统手术动力装置产品都仅有一种工作模式,这样临床应用很难同时满足开颅、颅底及脊柱打磨的需要。开发一种同时可满足开颅、颅底及脊柱打磨需要的手术动力装置的需求就这样形成了。本人创新性地将软轴及微电机方式融合于一台设备,很好地解决了这一问题,二种方式的融合使主机控制更加复杂,形成了一个新主机热可靠性问题,通过研究,这一问题得到了很好的解决。而软轴、钻手机及钻头作为手术动力装置非常关键的部件,其性能如振动、发热、柔软性、噪声、重量与尺寸等因素直接影响着手术动力装置功能的效用及安全性。本论文在深入研究神经外科手术动力装置的相关技术和产品现状的基础上,综合生物医学工程、机械学、材料学、力学、现代控制理论和计算机科学,提出了基于大功率电机驱动、大扭矩传递的软轴,并结合高速微电机驱动。采用软轴驱动与微电机驱动两种动力传输方式,使其功能与功能实现的途径达到了最佳的匹配。在这种设计方案中有关软轴的驱动设计是重点也是难点,有关软轴及其相关部件的设计涉及以下四个方面的内容:（1）据装置中软轴传动的性能要求,对其组件进行了详细的力学和性能分析,建立了力学模,提出了软轴的抗弯、抗扭强度和刚度,提出了软轴的抗弯、抗扭强度和刚度计算理论,并最终试制出了合乎要求的软轴。（2）采用有限元分析方法,分析了软轴连接结构件（如连接轴）部的动力学和静力学指标,实现了传动连接件的优化设计。（3）为实现颅骨钻手术中大动力输出的要求,本论文设计和优化了行星齿轮传动系统的技术方案。采用非均匀有理B样条曲线逼近技术对齿形轮廓进行构造,利用构造实体几何方法构造了行星齿轮系统及部件的参数化特征模,应用有限元技术对这些重要动力传输构件的受力和运动进行仿真分析优化,设计和开发了具有足够的强度和动力学传递性能,实现噪音小、平稳、1:6减速比的增力机构。（4）主机内部电气元器件的功率和热耗散功率较大,论论文采用有限差分法,研究了基于有限差分控制体积计算,对主机箱三维结构导热和流体流动进行数值模拟分析,获得了主机的结构布局设计对温度分布和三维冷却流体流动的影响,优化了部件布局和风扇通风窗的参数。本论文研究的技术创新点和主要研究成果:（1）创新点1:微动力与大动力结合。DK-2000A手术动力系统同时采用软轴驱动与微电机驱动两种动力传输方式,使其功能与功能实现的途径达到了最佳的匹配,可应用于神经外科手术中常用的钻、铣等功率要求较大的功能和高速打磨及钻微孔功能。（2）创新点2:研制成功了传递动力过程中平稳、噪音小、温升低、可高温高压消毒软轴;（3）创新点3:发明了颅骨钻手机内置行星齿轮传动机构和实现了颅骨钻头的钻穿即停功能,使得颅骨钻孔手术的有效和安全得到了保障。（4）DK-2000A手术动力系统操作简便,高效快速。所有连接均采用快速手工装卸,减小手术中繁琐的操作,对颅脑外科手术的急救、减小医生疲劳度和降低手术风险具有重大意义。本论文研究开发的手术动力装置技术已经过大量临床实践,证明设计成品的有效性及可靠性能够满足临床手术要求,得到了市场的验证与肯定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 导论
• 1.1 研究的背景
• 1.1.1 颅骨钻的发展
• 1.1.2 手术动力装置的出现
• 1.2 手术动力系统的分类及其特点
• 1.2.1 气动手术动力系统
• 1.2.2 电动手术动力系统
• 1.3 手术动力系统的发展方向
• 1.3.1 技术发展
• 1.3.2 使用与维护
• 1.4 DK-2000A 手术动力系统
• 1.5 研究意义
• 1.6 本论文研究的主要内容
• 1.7 本论文研究的主要创新点和技术成果
• 2 DK-2000A 手术动力装置
• 2.1 DK-2000A 手术动力装置的工作原理
• 2.1.1 系统结构
• 2.1.2 控制原理
• 2.2 主要功能组件及其构成
• 2.2.1 主机
• 2.2.2 软轴
• 2.2.3 钻手机及颅骨钻
• 2.2.4 铣手机及铣刀
• 2.2.5 磨手机及磨钻头
• 2.2.6 机身
• 2.2.7 脚踏开关控制器
• 2.2.8 工具箱
• 2.3 DK-2000A 手术动力装置的主要特点及参数
• 2.4 性能比较
• 2.5 手术动力装置的发展趋势
• 2.6 DK-2000A 手术动力装置的优点
• 2.6.1 多功能集成
• 2.6.2 快速装卸
• 2.6.3 操作方便
• 2.6.4 安全性高
• 2.7 DK-2000A 手术动力装置的经济价值
• 2.7.1 产品市场容量
• 2.7.2 国内市场需求
• 2.7.3 国际市场需求
• 3 软轴传动理论分析、优化设计及实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 软轴基本结构及其性能要求
• 3.3 钢丝软轴芯传动理论
• 3.3.1 软轴芯传动力学模型
• 3.3.2 抗扭强度及刚度计算
• 3.3.3 抗弯强度及刚度计算
• 3.4 软轴芯抗扭强度和刚度的实验研究
• 3.4.1 实验目的
• 3.4.2 抗扭强度、刚度计算
• 3.4.3 实验设备、仪器及材料
• 3.4.4 实验方法与步骤
• 3.4.5 实验结果
• 3.4.6 讨论分析
• 3.4.7 结论
• 3.5 软轴芯抗弯刚度的测量
• 3.6 功能辅件设计及实验研究
• 3.6.1 外层支撑和防护设计
• 3.6.2 减振、减噪、减磨设计
• 3.6.3 功能辅件的实验验证
• 3.7 软轴轴承润滑设计及实验研究
• 3.7.1 实验目的
• 3.7.2 实验设备、仪器及材料
• 3.7.3 实验方法与步骤
• 3.7.4 实验结果
• 3.7.5 讨论分析
• 3.7.6 结论
• 3.8 小结
• 4 软轴连接结构件优化设计
• 4.1 主要连接结构件及其作用
• 4.2 有限元CAD/CAE 软件MSC.PATRAN/NASTRAN 简介
• 4.3 结构有限元静力学分析
• 4.3.1 弹性力学基本方程
• 4.3.2 有限单元法
• 4.3.3 连接结构件有限元实体建模及网格划分
• 4.3.4 连接轴强度分析
• 4.4 模态分析与优化设计
• 4.4.1 模态分析的意义
• 4.4.2 模态分析算法
• 4.4.3 模态分析的有限单元法
• 4.4.4 连接轴动态分析优化设计
• 4.5 连接轴转速实验
• 4.5.1 试验材料和试样制备
• 4.5.2 试验方法及试验台
• 5 行星齿轮传动研究及设计
• 5.1 行星齿轮设计研究现状
• 5.1.1 行星减速器设计理论与方法应用现状
• 5.1.2 行星减速器CAD 技术及其应用现状
• 5.2 运动学和受力分析
• 5.2.1 系统组成
• 5.2.2 运动学分析
• 5.2.3 受力分析
• 5.3 设计计算
• 5.3.1 行星齿轮计算机辅助设计系统
• 5.3.2 行星齿轮齿形轮廓
• 5.4 齿轮的实体模型
• 6 主机箱热可靠性研究
• 6.1 主机设计约束条件
• 6.2 主机内零部件布局
• 6.3 结构传热/流体流动分析
• 6.3.1 传热/流体流动的理论基础
• 6.3.2 传热数值分析
• 6.3.3 对流换热数值分析
• 6.3.4 模型网格剖分及相互耦合
• 6.4 分析结果
• 6.5 热测量
• 致谢
• 参考文献
• 附录