[发明专利]一种磨削温度在线检测及纳米流体相变换热式磨削装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种磨削温度在线检测及纳米流体相变换热式磨削装置。

背景技术

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，临床上常用生理盐水做冷却液减少热量的产生。磨削热损伤已经得到临床上公认的关注，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。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℃，高于43℃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℃时，骨头会出现不同程度的热损伤，从43℃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，在磨骨手术中，对温度的控制直接关系到手术的成败。

在肿瘤的治疗中，热疗已成为继手术、放疗、化疗之后的一种全新的治疗肿瘤的“绿色疗法”。目前，热辽中最迫切需要解决的是热剂量问题，即如何对肿瘤组织实施准确的加热以使其达到临界温度而又保证正常组织不致收到损害。因此，精确地测量肿瘤部位的温度是热疗装置的关键也是研究的热点。目前用于工业过程、实验室或特殊的医疗用途的温度测量仪器种类繁多，其中基于荧光技术和传感器技术相结合的光纤荧光温度传感器是最为活跃的研究和开发领域之一。光纤温度传感器灵敏度高、动态范围大、挠性好、构形灵活，克服了红外测温仪容易受背景光干扰的缺点，适合在各种特殊场合下应用。当荧光物质受到外部的光刺激时就会发射荧光，荧光余辉的衰变时间常数是温度的单值函数。因此，可以利用荧光对温度的依赖性得出待测温度。刘兰书等人对高精度荧光光纤温度传感器进行了深入而系统的研究，验证了荧光光纤温度传感器应用于工程上具有较好的温度传感特性。基于此，可把无毒无害且不含其它有害重金属元素或化学物质的荧光粉涂覆在医用磨头上，通过荧光寿命测量系统测得磨削区温度。

由于骨磨削过程中砂轮的高速转动，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区。目前，在临床骨磨削手术中常采用生理盐水滴灌冷却，能进入磨削区的有效冷却液少之又少。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却端。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。

在机械加工领域，基于生态及环保的要求，磨削加工中微量润滑(Minimum Quantity Lubrication，简称MQL)技术成为当前研究的焦点。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100nm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。纳米流体质量分数一般为2％-8％，将一定比例的纳米粒子添加到基液中，形成纳米粒子悬浮液，然后根据基液的种类和理化属性，添加相应的表面分散剂并辅以超声波振动，便可以获得悬浮稳定的纳米流体。将配置好的纳米流体放入相变换热式磨头的空腔中，便能实现手术过程中降低磨削温度、减少对病人的二次伤害的效果。