膝關節(jié)鏡手術(shù)中關節(jié)軟骨微創(chuàng)刨刀研究.pdf

1、膝關節(jié)損傷是骨科最常見疾病之一，由于開放性手術(shù)創(chuàng)傷大，關節(jié)鏡微創(chuàng)手術(shù)以其切口小、康復快和并發(fā)癥少等優(yōu)勢，已逐漸成為骨關節(jié)外科常規(guī)的診斷和治療手段。關節(jié)鏡微創(chuàng)手術(shù)刀具市場需求量巨大，目前我國所用的微創(chuàng)刨削刀具等醫(yī)療器械大部分依賴進口，價格昂貴，微創(chuàng)刨刀的選擇與應用，基本是依賴醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，以及醫(yī)療器械公司的銷售推薦，沒有形成相對統(tǒng)一的評價指標。手術(shù)過程中軟骨材料的刨削切除機理、微創(chuàng)刨刀與關節(jié)軟骨接觸界面的力學行為、刨刀的結(jié)構(gòu)性能與切削安

2、全及組織損傷的關系也尚未明確。明確微創(chuàng)刨刀對關節(jié)軟骨的作用規(guī)律和損傷機制，不僅可為臨床醫(yī)生提供參數(shù)化的手術(shù)操作及器械選擇標準，還可為設計制造高效低損傷微創(chuàng)刨削刀具提供理論依據(jù)。
　　本文以豬膝關節(jié)軟骨作為研究對象，通過 HE染色和掃描電鏡微觀觀察兩種方法，研究了軟骨組織的結(jié)構(gòu)特征；在此基礎上，結(jié)合刨削的加工方式和多種刨刀的結(jié)構(gòu)特征，深入研究了刨刀刨削健康膝關節(jié)軟骨的過程；對干、濕（生理鹽水）條件下刨刀的切削性能進行了對比；系統(tǒng)地分

3、析了刨刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及刨削工藝參數(shù)對切削力、切削后表面質(zhì)量及形貌的影響，選出了較優(yōu)的刀齒結(jié)構(gòu)和刨削工藝參數(shù)水平；對刨削區(qū)域進行能譜分析，初步評估了刨刀的生物安全性。
　　本文主要研究結(jié)論如下：
　?。?）關節(jié)軟骨中各層軟骨細胞的形態(tài)及膠原纖維的粗細和走向均不相同。隨著分層的深入，軟骨細胞的體積逐漸增大，膠原纖維的直徑則明顯加粗。各層在生物學上的作用也不同，淺表層主要對抗剪切力，中間層和深層則主要是承受壓力載荷，潮線是關節(jié)軟骨組織

4、中抗剪切力強度最為薄弱的地方。
　?。?）從刨削過程來看，刀齒結(jié)構(gòu)不同其刨削軟骨的過程也不相同。三角形齒和圓弧形齒刨刀均是由刀管外圓刀尖完成初始切入，接著軟骨材料被擠壓進刀齒間隙，逐漸堆積并產(chǎn)生變形，最終被刀齒側(cè)刃和齒根共同切。外凸圓弧形齒刨刀的齒頂為圓弧面，其切削過程主要是以擠壓的形式進行的。斜齒刨刀各刀齒的切削不同步，自上而下依次參與切削。
　?。?）從刨削力來看，三角形齒和圓弧形齒刨刀的切削力要小于其他兩種齒形刨刀；齒

5、形角較小時，三角形齒刨刀的切削力較小，圓弧形齒半徑增大時，切削變小；刨刀加工正前角可有效降低切削力，但前角小于30°時，切削力不減反增。切削力的方差和極差析結(jié)果表明，影響切削力的因素主次排序為：徑向切深、軸向切深、刨刀轉(zhuǎn)速和進給速度。切削力隨徑向切深Rd的增加，成線性增加；刨刀轉(zhuǎn)速增加時，切削力先減小后增大，在刨刀轉(zhuǎn)速為2000rpm和4000rpm時，切削力達到最低點。
　?。?）刨削同一層內(nèi)的關節(jié)軟骨時，切削力基本相同，隨著軟

6、骨分層的深入，各向切削力均呈增加趨勢，其中切深抗力Fx要明顯大于進給抗力Fy和軸向力Fz，為切削合力F的主要組成部分。根據(jù)正交實驗結(jié)果建立的切削力模型中Fx、Fy和F的顯著性較好，可用于指導實際手術(shù)過程中刨削參數(shù)的選擇。
　?。?）從刨削軟骨表面質(zhì)量來看，三角形齒刨刀刨削后的表面平整，粗糙度最??；其次為圓弧形齒刨刀，隨著刀齒半徑的增大，切槽深度和寬度均增加，但表面粗糙度變化不大；加工正前角刨刀刨削后的軟骨表面切槽深度D和切槽寬度W

7、均明顯大于原始刨刀，切除效果和表面質(zhì)量均變好。徑向切深Rd增加，刨削軟骨表面粗糙度Ra增大。軸向切深Ad增加使切削相同深度時的刨削次數(shù)減少，表面質(zhì)量也變差。在刨刀轉(zhuǎn)速為4000rpm，刨削軟骨表面質(zhì)量較好。進給速度對表面質(zhì)量的影響不大。
　?。?）從刨削環(huán)境來看，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，生理鹽水環(huán)境與干式環(huán)境對切削力的影響相差不大；但高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，由于生理鹽水更充分的的緩解了刀具與軟骨接觸表面之間的摩擦，其切削力要小于干式條件。
　　

8、（7）從降低切削力和提高刨削表面質(zhì)量來考慮，應選擇較小齒形角的三角形齒刨刀或稍大刀齒半徑的圓弧形齒刨刀，同時可對刨刀加工30°到45°的前角。在本文實驗條件下，三角形齒（β=60°）刨刀對應的較優(yōu)刨削工藝參數(shù)組合為：徑向切深Rd=0.2mm，軸向切深Ad=0.5mm，刨刀轉(zhuǎn)速n=4000rpm，進給速度f=400mm/min。但在實際手術(shù)過程中，軟骨的切除位置一般由患者軟骨損傷程度和損傷部位決定的，要根據(jù)實際情況對徑向切深和軸向切深進行