一种静电雾化内冷磨头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及医疗器械领域，具体涉及一种静电雾化内冷磨头。
【背景技术】
[0002] 骨磨削是神经和骨科手术的一个必不可少的程序，临床上常用高速微型砂轮去除 骨病理。然而，高速磨削产生大量的热，导致骨坏死和周围组织的热损伤，对组织的凝血功 能也有一定的影响，临床中常用生理盐水做冷却液减少热量的产生。因为在磨削过程中不 能确定温度从而不能控制热损伤的程度，磨削热损伤已经得到临床中公认的关注。Kondo等 人指出，在浇注式生理盐水冷却方式下，磨削热产生的最高温度仍会达到43°C，高于43°C 时，视神经就会受到损伤，严重时会导致失明。人体不同部位、不同组织所能承受的最高温 度也不同，例如，当温度高于临界值50°C时，骨头会出现不同程度的热损伤，从43°C起神经 就开始出现热损伤。涉及到骨磨削，面部瘫痪和股骨头坏死也是骨科手术中普遍存在的一 个问题。因此，在骨磨削手术中，对温度的控制直接关系到手术的成败。
[0003] 目前临床中常用的冷却方式为滴灌式冷却，即在磨削过程中将生理盐水滴向磨削 区。当需要磨除的骨病例较多且病变处于视野较宽阔的部位时可采用浇注式冷却，即向磨 削区浇注大量的生理盐水，以提高磨削区换热能力。在机械加工领域，磨削加工中微量润滑 (Minimum Quantity Lubrication，简称MQL)技术是当前研究的焦点。然而微量润滑技术 存在冷却性能不足的缺点，使得其应用具有较大的局限性。在微量润滑基油中添加一定比 例的纳米粒子，改善射流整体的换热能力，同时提高油膜在磨削区的润滑效果的纳米粒子 射流微量润滑（Nano-particle jet Minimum Quantity Lubrication，简称Nano-MQL)进入 了人们的视线。所谓的纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维尺寸小于l〇〇nm的超细微小固 体颗粒。纳米粒子射流微量润滑，在微量润滑的基础上，向磨削液中添加纳米级固体粒子， 将纳米粒子、润滑液与压缩空气混合经雾化后以射流的形式喷入磨削区进行冷却润滑。基 于固体强化换热理论，利用固体粒子导热系数远大于液体和气体的优势，在相同粒子体积 含量下，纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的固体粒子，将纳米粒子与磨削 液混合后形成纳米流体的导热能力将大幅度增加。
[0004] 气雾式冷却和纳米流体气雾式冷却都需要专门的喷嘴使冷却液或纳米流体雾化， 传统的雾化喷嘴为气动雾化喷嘴，即利用气路和液路使压缩空气和冷却液或纳米流体充分 混合后以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。然而气动雾化喷嘴的雾化效果还不够 好，并且从喷嘴喷出的液滴随意漂浮在周围的空气中。贾东洲等人分析了传统气动雾化喷 嘴的优缺点，实用新型了一种静电雾化喷嘴，即利用静电雾化原理在气动雾化的基础上对 压缩空气和冷却液或纳米流体进一步雾化，同时利用静电荷电原理将喷出的液滴荷电，被 荷电的液滴在电场力的作用下定向的向工件移动，从而实现液滴分布的可控。
[0005] 由于骨磨削过程中磨具的高速转动，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区。 滴灌式和浇注式冷却中能进入磨削区的有效冷却液少之又少，气雾式和纳米流体气雾式冷 却的有效流量率也不是非常理想。相变换热技术的出现为小型低温医疗器械的发展带来了 希望。相变换热式磨头由一空心轴组成，可划分为蒸发段，绝热段和冷凝段，其空腔内具有 初始的真空度，并充有适量的工作液。当转速足够高时，工作液随磨头旋转并覆盖在磨头内 空腔的内壁面上，形成一个环形液膜。当磨头工作时，磨削区受热，该处的工作液将蒸发，液 膜变薄，产生的蒸汽将流到磨头的另一端。蒸汽在冷凝端放出热量凝结成液体，使液膜增 厚。冷凝液在离心力分力的作用下沿着内壁面返回到加热端。这样连续地蒸发、蒸汽流动、 凝结与液体的回流，把热量从加热端送到冷凝段。陈旭等人通过对相变换热式磨头的等温 性能、启动性能以及自身的传热能力的评价，验证了相变换热式磨头设计的可行性和传热 效果。
[0006] 磨头磨粒的性能对磨削温度也有很大影响。为了抑制磨削区产热，Toshiyuki用 普通金刚石磨头，附有Si02的金刚石磨头和附有TiO2的金刚石磨头，通过对牛股骨进行磨 削实验发现，与普通金刚石磨头相比，附有Si02的金刚石磨头在磨削初始可以略微降低磨 削温度和磨削扭矩，然后在一定时间后，磨削温度超过了阈值，并出现和普通金刚石磨头磨 削时一样的表面负荷。然而由于微米级Ti02颗粒的亲水性，附有Ti02的金刚石磨头显著降 低了磨削温度。
[0007]内冷方式在钻削和机械磨削加工中也是一种常用的冷却方式。它是将冷却液通过 钻头或砂轮的内冷孔直接输送至切削区，从而有效降低切削温度。
[0008] 经检索，已有专利号为ZL201310277636. 6的医用外科手术六自由度自动调节机 械臂磨削夹持装置，该装置公开了一种控制精确度高，可有效避免对脑组织的机械损伤的 技术。该机械臂磨削夹持装置具有3个旋转、3个移动共计6个自由度，可实现任意位姿的 颅骨外科手术操作，解决了传统的手持式手术装置工作空间大、手术操作难度高、手术效率 低、会给患者带来不必要的附加损伤的问题。该装置主要借助先进的手术器械来操作，用六 自由度自动调节机械臂以及安装在机械臂前端的夹持装置，在治疗效果、减轻痛苦、恢复周 期、医疗成本等方面具有明显优势。但是该装置没有磨削温度的检测装置，从而不能控制磨 削过程中温度的变化。
[0009] 专利号为ZL201310030327. 9的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨 削装置，公开了一种通过监测骨磨削的声发射信号来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的 磨削温度，从而有效避免对脑组织的热损伤的技术。在砂轮与壳体连接处设有声发射传感 器，通过信号分析处理模接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现 过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速。然而声波不能穿透骨组织，在穿过含气组织 时也会有明显损耗，从而影响疗效。此外，该装置没有对砂轮的速度和扭矩进行实时监测， 对病理骨的有效去除情况和砂轮所受载荷不能反馈控制。
[0010] 专利号为ZL201420565334. 9的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，包括微量 润滑系统，三自由度平台，电主轴旋转装置，电主轴、磨削力测量装置和磨削温度测量装置。 利用三根阶梯状分布的热电偶对磨削温度进行精确地测量，利用磨削测力仪对磨削力进行 测量，通过分析实验数据给临床实践提供指导。然而，在临床骨磨削手术中，手术区域的不 同，冷却液和冷却方式的不同，医师操作经验是否丰富都会造成实际与理论的差值。
[0011] 现有的装置都没有考虑骨磨削后对创面的处理。当病变部位处于较宽阔的部位 时，可以采用人工包扎的方式以防止伤口感染。然而当病变部位处于人体内部结构较复杂 的部位时，比如在颅底脑瘤摘除手术中，由于颅底结构的复杂及手术空间的狭窄，手术结束 后还没有有效的方式对伤口进行处理。 【实用新型内容】
[0012] 本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供一种静电雾化内冷磨头。
[0013] 为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0014] -种静电雾化内冷磨头，包括主轴、静电雾化成膜结构和内冷磨削结构，静电雾化 成膜结构安装在主轴上，静电雾化成膜结构套合在内冷磨削结构的外侧，且静电雾化成膜 结构的喷射口朝向磨头设置。
[0015] 优选的，所述主轴上套合有固定设置的固定外套。所述主轴为莫氏主轴。
[0016] 进一步优选的，所述主轴和固定外套之间通过圆锥滚子轴承组件连接。
[0017] 由于在实际操作时该磨削装置与水平面要成一定的角度，内冷磨头柄要承受轴向 和径向两个方向的力，由此莫氏主轴也要承受轴向和径向两个方向的力，因此本装置采用 圆锥滚子轴承，两个圆锥滚子轴承分别由端盖和套筒、固定外套和套筒定位。轴承两端采用 密封圈密封以防止润滑油漏油。端盖由螺钉和垫片固定在固定外套上，垫片可以调整轴承 间隙、游隙以及轴的轴向位置。
[0018] 优选的，所述内冷磨削结构为静电雾化内冷磨削结构，包括磨头、导线连接块、高 压电转换装置以及电源，所述磨头的磨头柄固定在主轴内，导线连接块固定在主轴上，所述 高压电转换装置套合在磨头柄的外侧，且固定设置，导线连接块与高压电转换装置活动连 接，高压电转换装置与电源连接，磨头柄内设置内冷孔，内冷孔贯穿磨头和磨头柄，导线连 接块通过导线与内冷孔连接。
[0019] 优选的，所述内冷孔为双螺旋孔道。在磨削过程中压缩空气、冷却液或纳米流体经 两个螺旋孔中加速后直接喷射到磨削区，从而能有效降低磨削区温度，并冲走磨肩，延长刀 具寿命。
[0020] 优选的，主轴上设置有磨头柄夹紧体，磨头柄安装在磨头柄夹紧体内部。
[0021] 主轴是旋转的，并带动磨头柄夹紧体旋转，高压电转换装置固定在固定外套上，也 是固定不动的。滚轮与导线连接块是一体的，并在高压电转换装置的内凹槽内旋转，由此实 现高压电由固定的高压电外导线向旋转的高压电内导线的传送。由于在电晕放电时负电晕 放电的起晕电压低，而击穿电压高，高压电转换装置与可调高压直流电源的负极相连，使液 体带电。
[0022] 优选的，所述内冷磨削结构为相变换热式磨削结构，包括磨头和磨头柄，磨头柄内 设置相变换热式冷却装置，相变换热式冷却装置包括蒸发段、绝热端和冷凝段，蒸发段靠近 磨头安装，冷凝段远离磨头安装。
[0023]进一步优选的，所述蒸发段的内锥角小于90°，冷凝段设置散热片。
[0024] 当转速足够高时，纳米流体随磨头旋转并覆盖在磨头内空腔的内壁面上，形成一 个环形液膜。磨头工作时，磨削区受热，该处的纳米流体基液将蒸发，液膜变薄，产生的蒸汽 将流到磨头内空腔的另一段。蒸汽在冷凝段放出热量凝结成液体，使液膜增厚。冷凝液在 离心力分力的作用下沿着内壁面返回到加热段。这样连续地蒸发、蒸汽流动、凝结与液体的 回流，把热量从加热段送到冷凝段。纳米流体相变换热式磨头内空腔的内锥角a-方面对 纳米流体起到扰流作用以破坏边界层的形成或充分发展，从而强化换热，另一方面实现纳 米流体基液的回流。
[0025] 优选的，所述静电雾化成膜结构包括注射栗、安装在注射栗内部的电极以及设置 在注射栗出口端的喷射口，所述电极和工件加电装置分别与静电发生器负极和正极连接， 注射栗的柱塞与电机连接，喷射口垂直设置或朝向磨头倾斜设置。电极可以为一个或多个。
[0026] 优选的，注射栗的柱塞密封设置。
[0027]静电雾化成膜结构是将纺丝介质雾化成液滴最后固化成纤维并成膜的装置。
[0028] 在静电雾化成膜结构的注射栗与柱塞组成的压力腔内装有医用敷料，柱塞通过导 线放置槽与电机连接，柱塞外圈有密封圈。注射栗的底端有电极圆盘，电极圆盘通过四个螺 钉固定在注射栗上。电极圆盘由两个电极，通过导线放置槽与高压静电发生器的负极相连， 使液体带电。将静电纺丝结构调整到合适高度，控制系统发出运动指令后柱塞往下移动，给 压力腔连续恒定的推力，医用敷料以固定速率被挤出到喷射口上，在其重力、自身粘度和表 面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口。调节外加电压使其达到适当电压，液滴便会以 射流的形式从喷射口喷出。当射流被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉 伸现象，此时由于射流的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并 固化形成非织造布状的纤