醫(yī)用水刀的設計與應用

醫(yī)用水刀的設計與應用

15和33.3刀是一種利用高壓水透射流切割材料的設備。工業(yè)水刀利用超高壓技術把普通的自來水加壓到(250～400)MPa,然后再通過內(nèi)徑約(0.15～0.25)mm的寶石噴嘴形成速度極高的高速射流,從而切割材料。醫(yī)用水刀則是利用高壓水射流技術對無菌生理鹽水進行加壓,然后通過水刀刀頭上細小的噴嘴噴出,從而切割人體組織。相比于工業(yè)水刀,醫(yī)用水刀的壓力較低,例如切割肝臟時需要(3～3.5)MPa,切割腎臟時需要(2～3)MPa。1982年兩位德國醫(yī)學教授Papachristou和Barters首先將水刀切割技術引入醫(yī)學領域,他們在進行肝臟外科手術時使用了水刀設備,成功的實施了肝葉切除手術。1990年德國的Rau將專業(yè)設計的醫(yī)用水刀應用于臨床,從此水刀在臨床外科手術獲得了廣泛的應用。之后,德國的某公司相繼研制出了系列化的ERBEJET螺旋水刀產(chǎn)品。在國內(nèi),某研究員于2009年率先研制出醫(yī)用水刀樣機,并實現(xiàn)了選擇性切割肝臟和人體組織的功能,有效避免了普通手術刀、高頻電刀、激光刀及超聲刀等“一刀切”的情況。但此樣機在結構上仍存在一些問題,例如設備的體積較大,質(zhì)量大,不能實現(xiàn)無菌化。針對這些問題,在已有樣機的基礎上,改進了水刀結構,研制了一種新型醫(yī)用水刀,實現(xiàn)了壓力準確控制,具有結構簡單,便于操作,安全可靠,器械、管路能快速更換與使用,無菌化等優(yōu)點。2結構框圖設計醫(yī)用水刀結構的合理性直接決定其能否實現(xiàn)高度的組織選擇性和保護性,有效地縮短手術時間。設計的醫(yī)用水刀的結構框圖,如圖1所示。電機控制器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,電機通過傳動裝置驅(qū)動醫(yī)用泵將無菌生理鹽水以一定的壓力泵出,經(jīng)過高壓軟管到達水刀刀頭,通過水刀刀頭上的細小噴嘴噴出,在局部產(chǎn)生足夠的壓強,從而達到切割組織的目的,傳感器可以實時檢測噴嘴出口壓力從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,蓄能器則起到平衡系統(tǒng)壓力的作用。2.1傳動機的結構傳動系統(tǒng)的設計包括電機的選取和傳動方式的選擇。傳動系統(tǒng)選擇直流無刷電機作為原動機,根據(jù)功率計算公式選擇電機功率。經(jīng)過計算選取了某限公司的直流無刷電機,其主要特性,如表1所示。電機除電機的功率、轉(zhuǎn)速達到要求外,還具有體積小,噪音低等優(yōu)點,而且轉(zhuǎn)速便于控制。傳動方式采用帶傳動和螺旋傳動相結合的方法。傳動系統(tǒng)示意圖,如圖2所示。其中帶傳動選用同步帶傳動,基本組成部件包括同步帶輪8,同步帶9和同步帶輪10;螺旋傳動選用滑動螺旋,其中帶輪8上開有螺紋孔,與螺桿2螺旋配合。帶傳動在電機驅(qū)動下做回轉(zhuǎn)運動,螺旋傳動將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動,螺桿2與滑塊一端聯(lián)接,滑塊另一端通過卡簧與醫(yī)用泵柱塞桿聯(lián)接,滑塊在導軌上運動,滑塊在到達極限位置時與限位裝置接觸,從而能及時地改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,實現(xiàn)醫(yī)用泵柱塞桿的往復運動,使傳動系統(tǒng)安全的運行。2.2次性醫(yī)用泵與傳動快速脫合的方案設計醫(yī)用水刀通過醫(yī)用泵將生理鹽水或其它醫(yī)用液體加壓到合適的壓力,從而完成對肝組織或其它人體組織的切割。醫(yī)用水刀液壓回路原理圖,如圖3所示。兩個單柱塞泵3和6交替運行,從而實現(xiàn)系統(tǒng)壓力的恒定,保證醫(yī)用水刀平穩(wěn)運行。虛線框中為一次性醫(yī)用泵,如圖3所示。包括低壓路單向閥,低壓管路,單柱塞泵,高壓路單向閥和高壓管路,其中在高壓管路上連接有蓄能器和壓力檢測柱塞。在醫(yī)用水刀工作過程中,高壓管路上的壓力檢測柱塞與壓力傳感器接觸產(chǎn)生一個反饋信號,這個反饋信號把當前管道壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號送到微處理器,微處理器通過自動跟蹤來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。另外通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到顯示器顯示,就可以實時監(jiān)測當前工作壓力以及精確地控制壓力變化。聯(lián)接在高壓管路上的蓄能器,用來儲存和釋放液體的壓力能,蓄能器可以在短時間內(nèi)向系統(tǒng)提供壓力液體,也可吸收系統(tǒng)的壓力脈動和減小壓力沖擊等。蓄能器采用彈簧式蓄能器,主要有殼體,活塞,彈簧等組成。上述虛線框中的一次性醫(yī)用泵裝置一端連接生理鹽水水箱,一端連接水刀刀頭,而醫(yī)用泵柱塞桿與滑塊聯(lián)接實現(xiàn)與傳動系統(tǒng)的快速對接。對接完成后,設定好切割壓力,電機開始轉(zhuǎn)動,醫(yī)用泵柱塞桿開始做往復運動,兩個單缸泵交替運行,從而能提供穩(wěn)定的壓力。這種設計方案通過簡單的操作即可實現(xiàn)對整個裝置消毒滅菌,這套一次性裝置裝置在使用之后即被整個丟棄。為了保證手術時的無菌化,上述一次性裝置組裝完成后整體消毒密閉存放于無菌帶中,使用時從無菌袋中取出與傳動系統(tǒng)快速對接,使用完成后脫合取出。為了醫(yī)用泵與傳動系統(tǒng)快速脫合,設計了醫(yī)用泵的脫合系統(tǒng)。脫合系統(tǒng)的框圖,如圖4所示。主要有脫合擺塊,脫合推桿,脫合上下蓋和限位裝置組成?；瑝K與醫(yī)用泵的活塞桿通過固定在滑塊上的卡簧快速聯(lián)接,在手術完成后,兩個滑塊同步向前,卡簧首先與脫合下擺塊接觸,卡簧張開,活塞桿與滑塊分離;滑塊繼續(xù)向前運動,滑塊與脫合上擺塊接觸,推動脫合推桿向前運動,脫合推桿與脫合上下蓋上的突起接觸將脫合上下蓋頂開,一次性裝置可以整體脫離;限位裝置在滑塊到達極限位置時,可以使電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向發(fā)生變化,從而使滑塊轉(zhuǎn)向發(fā)生變化,避免對脫合推桿造成損壞,起到安全保護作用。2.3架體和固定底板架體和固定底板主要起支撐作用,其中架體支承著醫(yī)用水刀主要零部件,包括軸承座,導軌,醫(yī)用泵,滑塊,脫合系統(tǒng),傳感器及其固定件,并直接或間接地承受著醫(yī)用水刀工作過程中的各種載荷。架體還起著基準的作用,以保證各零部件間正確的相對位置。架體和固定底板的的設計應保證足夠的強度和剛度,并且應力求結構簡單,有良好的工藝性,便于制造安裝。本設計中架體用3mm厚不銹鋼板彎曲成“U”形,固定底板的整體尺寸是(390×200×20)mm,材料是鋁合金,其中架體和電機固定在固定底板上,從而保證醫(yī)用水刀系統(tǒng)平穩(wěn)運行。架體和固定底板的軸測圖,如圖5所示。2.4醫(yī)學刀的樣品研制的醫(yī)用水刀的樣機,如圖6所示。樣機能實現(xiàn)良好的選擇性切割組織,其主要性能參數(shù),如表2所示。3醫(yī)用水刀樣機的設計介紹了一種新型醫(yī)用水刀的結構設計,詳細介紹各個部分的設計過程。設計的醫(yī)用水刀有利于醫(yī)務人員的操作,在設計時充分考慮了快速更換手術所用器材,醫(yī)用泵的整體消毒,醫(yī)用水刀的整體攜帶與轉(zhuǎn)移。研制的醫(yī)用水刀樣機能實現(xiàn)選擇性地切割人體組織,精確保護血管和神經(jīng),有效縮短手術時間。最初,醫(yī)用水刀技術在肝膽外科領域醫(yī)用水刀技術應用廣泛,如今,醫(yī)用水刀在骨科、耳鼻喉科、泌尿外科、眼科、頜面外科、整形外科、創(chuàng)傷外科等外科領域都有應用。