标准群钻钻骨过程中钻削力的实验研究

杜兴泽 杜茂华 王沛鑫

摘要： 钻骨在骨外科手术中应用十分广泛，钻头钻削力大小对于手术过程有较大影响。当今临床上外科医生大多使用手持电钻加持标准麻花钻进行骨钻削，钻削力的大小对于医生的手术操作有较大的影响。本文对标准群钻钻骨过程中的切削力进行实验研究，研究了钻骨过程中钻头进给速度和转速对于切削力的不同影响。实验结果表明，采用两种不同型号标准群钻钻型对猪股骨进行钻削相较于标准麻花钻的钻削力都有一定降低。

Abstract： The bone drill is widely used in orthopedic surgery. The drill bit's drilling force has a great influence on the surgical procedure. Most surgeons use hand-held drills to hold standard twist drills for bone drilling. The size of the drill force has a great influence on the doctor's surgical operation. In this paper， the cutting forces in the process of drilling with standard group drills are studied experimentally， and the different influences of bit feed speed and rotation speed on the cutting force during drilling are studied. The experimental results show that the drilling force of two different types of standard group drills has a certain reduction compared with the standard twist drill when drilling the pig femur.

關键词： 骨钻；钻削力；群钻；钻型结构

Key words： bone drill；drilling force；group drill；drilling structure

中图分类号：TG52 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0137-03

0 引言

钻孔在骨外科手术中应用非常广泛，如果钻头或钻削参数选择不当会导致各种并发症不利于术后恢复，钻孔的质量会影响植入物的固定，导致固定不足或发生断裂甚至导致畸形愈合。在骨外科领域，长骨骨折复位内固定术是最常见、最基础的手术，骨骼钻孔是植入内固定不可缺少的过程[1]。胫骨、股骨是人体长骨中骨折概率最高的部位，对于胫骨、股骨的外科手术中多使用直径较大的钻头，钻头的钻削力直接影响外科医生的手术操作。在虚拟骨外科手术系统是一种有效的培训教学工具，它可以使年轻医生能够在最短的时间、以最低的成本和最小的风险，熟练准确地掌握各种复杂外科手术的临床操作[2-3]。虚拟手术系统中缺乏真实的力反馈信息，虚拟现实手术系统的发展进入瓶颈期，同时也成为阻碍机器人、远程和太空手术发展的关键性问题[4]。当今骨外科手术中多采用手持电钻进行骨钻削，所以采集骨钻削过程的钻削力是十分必要的。群钻是一种通过对普通标准麻花钻进行合理修磨而创制的新型钻型[5]，手术中常用的钻头的刃型结构是标准麻花钻，本文对两种标准群钻和标准麻花钻在猪股骨的钻削过程中的钻削力进行实验研究，为今后骨钻削的研究提供一定的依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验标本的制备

由于实验条件的限制及伦理的约束，不能直接从临床患者身上获取切削参数[6]；所以本文选取与人体骨骼相似的新鲜猪骨骼进行研究。选取肉眼观察无损伤的发育成熟的新鲜猪骨，清除附着的软组织，同时为了方便装夹将股骨头处的圆形突起锯掉，进行处理的标本如图1所示。

1.2 钻头及修磨

群钻如图2所示，主要应用于机械加工过程中对于金属材料的钻削，群钻是通过修磨标准麻花钻的钻尖形状和刃形从而降低切削力、改变分屑、排屑、断屑形式以提高钻孔质量[4]。目前还没有专门针对骨骼材料的基本群钻钻型。本实验所用群钻通过万能工具磨床对临床常用的Ф5高速钢（GB/T6135.3）标准麻花钻进行修磨。因高速钢材料洛氏硬度HRC>60[7]远高于生物骨骼硬度，因此不考虑钻削过程中钻头的磨损。

1.2.1 万能工具磨床

使用上海美山精密机械有限公司生产的万能工具磨床（型号：MS-6025W，砂轮转速：3600rpm砂轮内孔：32mm），装配万向支座装夹钻头进行刃磨，如图3所示。本文根据骨骼材料的特点对比不同基本群钻钻形所对应的切削材料，以钻薄板和有机玻璃基本型群钻为研究对象进行对骨骼进行切削实验。本文使用的群钻根据相应的基本型群钻参数对标准麻花钻进行刃磨，适用于钻削有机玻璃群钻，如图4a，适用于钻削薄板，如图4b。

1.2.2 工业显微镜

使用深圳市中微科创品牌的500万像素工业显微镜（型号：ZW-U500），测量修磨后的钻头刃型参数，如图5所示。

1.3 骨骼钻削力采集系统

该系统由数控机床、数据传感器和数据显示器以及与之相配合的工装夹具构成。

1.3.1 数控机床

大连机床集团生產的XD-40A型三坐标数控铣床如图6所示，数控系统为华中数控世纪星。编制钻削程序运行对骨骼进行自动进刀操作，从而避免人为因素导致的按压力不稳定的问题。

1.3.2 压力传感器

安徽金诺传感器厂生产的JHBS-1型箔式荷重传感器，量程0-1000N，综合精度0.1%F·S，灵敏度2.0±0.1mv/V，如图7所示。

1.3.3 数据显示器

安徽金诺传感器厂生产的MCK-Z-I型数据显示器，采样速度10次/秒，如图8所示。

1.4 钻削力的采集方法

将切割好的新鲜猪股骨标本装夹在测力传感器上，传感器与数据显示器联通，用虎钳将传感器固定于机床工作台上，钻头安装于主轴。目前，骨外科手术中常用的转速为1000-2000rpm站之间[8]。本实验根据常用转速设置CNC程序中的转速分别为300、700、1100、1500、1900、2300rpm，进给速度为0.03、0.05、0.07、0.09、0.11、0.13、0.15mm/r，分别记录各组参数下的钻削力。

2 实验结果与讨论

2.1 钻削参数对切削力的影响

骨骼由皮质骨和松质骨两部分组成，当钻削外层皮质骨时会产生较大的钻削力，钻通皮质骨后切削力会急剧下降。因此选取皮质骨钻削稳定阶段的平均力。切削参数的设置对于钻削力的影响作用如图9所示。经过比较可以看出相同进给速度下，随着切削速度的提高钻削轴向力逐渐降低，与文献[9]对猪肩胛骨进行钻削实验结论一致，当转速相同时进给速度越高切削力越大。

2.2 钻头刃型结构对切削力的影响

由图9可以看出两种标准群钻的切削力在相同的转速和进给速度下切削力均比标准麻花钻低，其中适用于钻薄板的群钻在钻骨过程中产生最低的钻削力。群钻是通过刃磨麻花钻的切削刃，改变了前角的大小，修磨了横刃，使横刃长度变小。修磨产生两个月牙槽，有利于排屑，从而使得群钻在钻削过程中产生较小的钻削力。在骨科手术中能够降低手术操作者的操作难度。

3 结论

本实验通过修磨标准麻花钻，对适用于薄板钻削和有机玻璃钻削的标准群钻钻型在新鲜猪骨钻削过程中的钻削力大小进行了采集分析。经过修磨的钻头在钻削过程中产生的钻削力均小于同样切削参数下标准麻花钻的钻削力。实验表明通过改变钻头的刃型能够降低骨骼钻削过程的钻削力，为医用麻花钻钻型结构的改进提供一定的参考，从而提高骨外科手术的质量。

参考文献：

[1]李长树，白宇哲，孔祥雪，等.测试新鲜猪股骨干钻削进给力[J].医用生物力学，2014，29（6）：560-566.

[2]Roberts K E， Bell R L， Duffy A J. Evolution of surgical skills training[J]. World Journal of Gastroenterology， 2006， 12（20）：3219-3224.

[3]李长树，唐雷.虚拟现实技术在骨外科领域的应用与展望[J].中国数字医学，2013，8（1）.

[4]Xie L， Zhang Y， Zhang T Y， et al. Tissue deformation and haptic feedback in virtual operation[J]. Journal of Medical Biomechanics， 2006， 21（3）：241-245.

[5]北京永定机械厂. 群钻[M].人民出版社，1982.

[6]Shi C H， Zhang K L， Chai H， et al. Liver tissue separation by medical water-jet scalpel and its mechanical property[J]. Journal of Medical Biomechanics， 2013， 28（1）：85-90.

[7]《机械工程师手册》第二版委员会. 机械工程师手册-2版[M].机械工业出版社，2000.

[8]杨毅欣，王成勇，秦哲，等.医疗钻头钻削力和钻削温度的试验研究[J].机械设计与制造，2010（11）：118-120.

[9]宋金榜，陈明，赵梓涵，等.高速微细骨钻过程中切削力与切削温度试验研究[J].机械设计与制造，2015（4）：137-139.