劉希寬,陳義保,李 巖,趙文韜,劉宇航,柴永生

(煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

隨著人們生活水平的提高及醫(yī)保范圍的擴大,人們越來越重視臨床手術(shù)的康復(fù)問題,開始由減輕疾病癥狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧膊〉目祻?fù)．目前,腦內(nèi)部疾病患者(如帕金森病)的數(shù)量逐年上升,且嚴重影響患者的工作和正常生活．治療帕金森病的主要方法有藥物和手術(shù)治療．其中,治療帕金森病的最有效方式為腦深部刺激手術(shù)[1-2]．該手術(shù)過程是將微創(chuàng)電極植入丘腦底核,通過脈沖發(fā)生器高頻放電,對病變的丘腦底核進行長期的有效刺激,進而改善帕金森病的主要臨床癥狀[3-6]．

然而,進行腦深部刺激手術(shù)的前提是在患者的前額部位進行顱骨鉆孔．鉆孔過程中較大的鉆削力容易導(dǎo)致應(yīng)力性骨裂、鉆頭斷裂及顱孔破壞,進而加重患者的生理疼痛[7-8],影響康復(fù)速度及效果．因此,鉆削力是評價顱孔損傷的重要指標,降低顱孔鉆削力的研究具有重要醫(yī)療價值．

在臨床骨孔鉆削手術(shù)中,醫(yī)療麻花鉆每個切削刃都產(chǎn)生鉆削力．其中,軸向力作用于鉆頭,可能造成鉆頭的彎曲及破壞[9];同時,軸向力作用于骨組織,若軸向力大于骨組織的層間結(jié)合力,將導(dǎo)致骨組織斷裂和機體破壞,影響手術(shù)的后續(xù)操作和患者康復(fù)時間[10]．

骨孔鉆削手術(shù)過程中,較小的鉆削力可有效降低骨的損傷及患者的疼痛．目前減小骨孔鉆削力的方法主要有:合理結(jié)構(gòu)的醫(yī)療鉆頭,如群鉆、三槽麻花鉆、新型醫(yī)療鉆頭等[8,11-15];合理的鉆削工藝參數(shù),如鉆削進給速度、主軸轉(zhuǎn)速等[16-18]．

然而,以上研究尚不成熟．目前,新型醫(yī)療鉆頭尚未普及,且鉆頭最小直徑為4 mm．臨床上進行腦深部刺激手術(shù)的套管電極直徑為1.5 mm[2],為了盡量減小顱骨創(chuàng)傷并為套管電極留有合適的穿刺空間,最小直徑為4 mm的新型醫(yī)療鉆頭不是最佳選擇,因此大多數(shù)骨孔鉆削手術(shù)依然使用標準醫(yī)療麻花鉆頭．同時,大多數(shù)骨孔鉆削研究是以脛骨和腿骨為實驗對象,針對顱骨的鉆削試驗孔報道并不常見．關(guān)于鉆削工藝參數(shù),迄今為止沒有得出鉆削骨頭的優(yōu)化參數(shù)[19],也很少考慮鉆削角度對鉆削力的影響．

本文使用直徑為3 mm的標準醫(yī)療麻花鉆,對顱骨微創(chuàng)小孔的鉆削工藝參數(shù)進行研究．受醫(yī)學(xué)倫理約束,使用材料屬性及力學(xué)屬性等與人顱骨相近的豬顱骨進行實驗[20]．為了避免人為因素的影響,本文在自行搭建的實驗平臺下對豬顱骨相關(guān)部位進行鉆削,研究了進給速度f、主軸轉(zhuǎn)速n、鉆削角度β的3種工藝參數(shù)對鉆削力的影響規(guī)律并進行了工藝參數(shù)的優(yōu)化．

1 實驗材料和方法

1.1 顱骨制備

本實驗鉆削材料選用新鮮豬顱骨．從屠宰廠購買新鮮豬頭,手工去除顱骨處豬皮,保證豬顱骨表面處不受損傷,并用電鋸將顱骨加工成方便裝夾的長方形塊狀結(jié)構(gòu),如圖1所示．在鉆削實驗之前,為了保證顱骨原本的材料屬性,將其置入保溫箱中用碎冰包埋．實驗前將其置于室溫升溫,實驗環(huán)境溫度為室溫(約22 ℃)．

圖1 豬顱骨實驗試樣

1.2 鉆頭的選用

本文以治療帕金森病為研究背景,隨著穿刺理論的完善和硬件設(shè)備精度的提高,顱骨微創(chuàng)手術(shù)的鉆孔直徑只需滿足單根電極穿刺直徑即可，即1.5 mm．為了微創(chuàng)且為套管電極留有活動空間,本試驗使用直徑3 mm的高速鋼醫(yī)療麻花鉆進行顱孔鉆削實驗．

1.3 實驗平臺

鉆削實驗平臺由數(shù)控系統(tǒng)、三坐標雕刻機、T3B170三分量力傳感器、帶刻度的角度調(diào)整平臺、顱骨夾具等組成(圖2)．雕刻機的主軸轉(zhuǎn)速范圍0～10 000 r/min;T3B170三分量力傳感器的量程范圍為±500 N,單向精度≤0.2%FS;角度調(diào)整平臺的調(diào)整范圍為0～50°,精度≤0.1°．顱骨鉆削實驗參數(shù)通過數(shù)控系統(tǒng)編程控制,鉆削力使用傳感器外接信號放大器和采集卡進行測量及采集．

圖2 顱骨鉆孔試驗裝置

1.4 顱孔鉆削工藝參數(shù)的正交實驗優(yōu)化方案

在三坐標雕刻機上,使用標準醫(yī)療麻花鉆對顱骨進行鉆削實驗,以采集顱骨鉆削力．本實驗的可調(diào)工藝參數(shù)包括以下3種:主軸轉(zhuǎn)速(0～10 000 r/min)、進給速度(0～600 mm/min)及鉆削角度(0 ～50°)．如表1所示,試驗因素設(shè)為以上3種鉆削工藝參數(shù),試驗的研究指標為鉆削力,為提高實驗的準確性與可信度,3因素均采用4個水平進行試驗．如表2所示,按照L16(43)的正交實驗表依次進行醫(yī)療麻花鉆對豬顱骨鉆削的正交實驗過程,實驗結(jié)束后,整理數(shù)據(jù)繪制曲線圖,并將每次試驗結(jié)果中最大鉆削力填入表2所示的L16(43)正交表中．

表1 正交實驗的因素和水平

1.5 顱骨鉆孔的正交實驗過程

圖2為顱骨鉆削實驗平臺．首先,在數(shù)控雕刻機旁固定測力、調(diào)角和裝夾平臺,完成豬顱骨裝夾并調(diào)好鉆削角度,調(diào)整力采集系統(tǒng)和數(shù)控編程系統(tǒng)．其次,調(diào)整三坐標雕刻機移動到豬顱骨鉆削區(qū)域上方,使標準醫(yī)療麻花鉆鉆頭置于豬顱骨表面上方2～3 mm．

檢查確認各系統(tǒng)正常,然后按照正交實驗表1的方案設(shè)計順序依次在豬顱骨上鉆孔．為保證鉆穿顱骨,加工厚度超過鉆削區(qū)域厚度3 mm．完成一次鉆削鉆頭回到初始位置后,在程序控制界面進行手動調(diào)節(jié),使鉆頭沿鉆削區(qū)域的任一方向移動(約8 mm),進行下組實驗方案的鉆削加工．重復(fù)上述過程,完成所有預(yù)設(shè)實驗方案．

表2 鉆削力為指標的正交實驗結(jié)果

正交實驗結(jié)束后,將加工完成后的豬顱骨置于生理鹽水中進行清洗,保證骨孔可以清晰可見．清洗完成后用吸水棉吸干水分,然后用電鋸從左腦和右腦的中間部位鋸開,以觀察骨孔鉆削情況．

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 顱孔鉆削結(jié)果

對顱骨鉆削并觀察鉆削形貌,發(fā)現(xiàn)顱骨分為3層,分別為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨,如圖3(a)所示．使用標準醫(yī)療麻花鉆對顱骨鉆削后發(fā)現(xiàn),骨屑成條塊狀,螺旋槽填滿骨屑,如圖3(b)所示．通過對顱骨孔進行穿刺,顱骨孔能滿足單根電極的穿刺要求,對顱骨剖切面觀察發(fā)現(xiàn),垂直鉆削下顱骨孔骨刺更少一些．

圖3 顱孔鉆削結(jié)果

2.2 鉆削力變化趨勢

對豬顱骨鉆削過程中發(fā)現(xiàn),軸向力呈“凹”型變化,以主軸鉆速1000 r/min,主軸進給速度30 mm/min,鉆削角度0°為例,鉆削力變化趨勢如圖4(a)所示．從圖4可以看出,鉆削力的變化過程主要分為3個階段:鉆削前期,鉆頭鉆削皮質(zhì)骨時,鉆削力穩(wěn)步上升;接著鉆頭開始鉆削松質(zhì)骨時,鉆削力下降并相對穩(wěn)定在較低的數(shù)值區(qū)域;最后鉆頭鉆削皮質(zhì)骨并鉆穿時,鉆削力快速上升到峰值并急速下降到0 N,這3個階段分別對應(yīng)3個不同的鉆削區(qū)域．

顱骨的構(gòu)造不是均勻的,如圖4(b)所示．如果用硬度分類可以分為2類,皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,皮質(zhì)骨密度約為1.8 g/cm3,中間松質(zhì)骨密度約為1.3 g/cm3[21]．由分析可知,豬顱骨的結(jié)構(gòu)變化可造成鉆削力出現(xiàn)圖4(a)中所示的“凹”型變化情況;豬顱骨各處的厚度不同,造成了顱骨鉆穿時間不同,厚度小的區(qū)域鉆削時間短,造成了圖4(a)中所示的2種鉆削變化曲線．

圖4 顱骨結(jié)構(gòu)與鉆削力關(guān)系

2.3 鉆削力結(jié)果及分析

由于在顱骨鉆削過程中,鉆削力的大小會影響手術(shù)對人體損傷程度和術(shù)后康復(fù)時間,因此,期望鉆削過程中鉆削力越小越好,所以依據(jù)正交實驗結(jié)果表對鉆削力進行均值、方差和望小特性分析,試驗結(jié)果如表2所示．

本次實驗的目的是找出最小鉆削力下的鉆削工藝參數(shù).由鉆削力的均值和方差容易得出,主軸轉(zhuǎn)速n為1600 r/min、進給速度f為10 mm/min和鉆削角度β為0°時為最優(yōu)鉆削工藝參數(shù),且影響鉆削力大小因素順序:n>f>β．

通過Minitab軟件對表2鉆削力試驗結(jié)果進行分析,得到各個試驗因素的鉆削力主效應(yīng)曲線和信噪比,如圖5、6.

圖5 鉆削力主效應(yīng)曲線

圖5、6中,橫軸表示每個實驗因素的3個水平,縱軸分別表示對應(yīng)的鉆削力和信噪比值,在田口分析中,鉆削力越小、信噪比越大水平因素越優(yōu),由此可知,在所選的因素水平中,當主軸轉(zhuǎn)速n為1600 r/min、進給速度f為10 mm/min和鉆削角度β為0°時所得軸向力最低．信噪比的響應(yīng)如表3.

圖6 各因素信噪比

在信噪比響應(yīng)表中,秩表示水平因素對響應(yīng)結(jié)果的影響程度,由表3可知,在3種工藝參數(shù)下,對鉆削力影響由高到低的順序為:主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、鉆削角度．

表3 信噪比響應(yīng)表(望小)

綜上所述,主軸轉(zhuǎn)速為影響鉆削力大小的最主要因素,且對鉆削力大小影響程度順序為:n>f>β．忽略鉆削時間,滿足最小鉆削力的最優(yōu)鉆削參數(shù)組合為n(1600 r/min)f(10 mm/min)β(0°).

3 結(jié) 論

根據(jù)骨鉆研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)合理的骨鉆削工藝參數(shù)可以大幅度減小鉆削力值,臨床手術(shù)過程中鉆削力過大容易產(chǎn)生應(yīng)力性骨裂、導(dǎo)致鉆頭斷裂和鉆孔破壞,進且影響著患者損傷程度和術(shù)后康復(fù)時間,所以優(yōu)化鉆削工藝參數(shù)是至關(guān)重要的．本文對醫(yī)療麻花鉆在顱骨微創(chuàng)小孔鉆削過程中鉆削工藝參數(shù)進行研究,研究采用正交實驗法制定鉆削試驗表并對正交實驗結(jié)果優(yōu)化分析,得出了如下結(jié)論:

(1)在鉆削顱骨過程中,鉆削力成“凹”型變化,鉆削力的變化過程主要分為3個階段,鉆削力穩(wěn)步上升,下降并相對穩(wěn)定在較低的數(shù)值區(qū)域,快速上升并急速下降到0 N．

(2)在鉆削過程中,鉆削力的大小與鉆削參數(shù)有關(guān),使用合理的鉆削參數(shù)可以大幅度減小鉆削力．用均值、極差、鉆削力主效應(yīng)曲線和信噪比對正交試驗結(jié)果優(yōu)化分析,發(fā)現(xiàn)鉆削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速1600 r/min、進給速度10 mm/min、鉆削角度0°時鉆削力為全局最優(yōu),且對鉆削力影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速,其次是主軸進給速度,最后是鉆削角度．