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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 微型振動(dòng)醫(yī)用刀的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本發(fā)明是從蚊子口針的微觀結(jié)構(gòu)及其吸血過(guò)程的研究中受到啟發(fā)，依據(jù)仿生學(xué)原理和力學(xué)機(jī)理設(shè)計(jì)制作而成，然后通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該醫(yī)用刀的優(yōu)越性，并對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)。為其在醫(yī)學(xué)器械等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 本發(fā)明已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，受理號(hào)為：2009103017431。
- 詳細(xì)介紹：
- 本發(fā)明依據(jù)蚊子口針下顎鋸齒結(jié)構(gòu)及振動(dòng)刺入皮膚的特點(diǎn)，對(duì)目前傳統(tǒng)手術(shù)刀進(jìn)行了兩大改進(jìn)，一是刀頭的刀刃具有微鋸齒，二是引入振動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)情況下有鋸齒刀刃的刀頭比無(wú)鋸齒刀刃的刀頭相比可省力40%，有振動(dòng)情況與無(wú)振動(dòng)情況相比可省力高達(dá)90%，極大地改善了切削效果，解決了手術(shù)時(shí)用力過(guò)小，手術(shù)點(diǎn)切不開(kāi)，用力過(guò)大，手術(shù)目標(biāo)容易發(fā)生移動(dòng)或不必要損傷的矛盾。 本項(xiàng)目還通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明所涉及的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果為：在振動(dòng)切割的條件下，振動(dòng)幅值以2mm、3mm等為宜，振動(dòng)頻率宜控制在15Hz-30Hz之間切削效果較好，刀具向下的切削速度在50mm/min-80mm/min之間為理想值。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所采用的鋸齒刀，鋸齒的高度與鋸齒的寬度對(duì)實(shí)驗(yàn)切削效果的影響較小，但寬度不宜過(guò)大。 本發(fā)明不僅具有省力、可控性強(qiáng)、與手術(shù)目標(biāo)間連帶作用小等優(yōu)點(diǎn)，而且能在很大程度上減小人工操作的誤差，甚至可以降低對(duì)切割刀具材料強(qiáng)度的要求。而這一思想理論也可望在除細(xì)胞手術(shù)、鼻內(nèi)手術(shù)等微創(chuàng)手術(shù)外的微納制造、原子切割等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的：通過(guò)對(duì)蚊子口針結(jié)構(gòu)及吸血過(guò)程的透徹研究，發(fā)現(xiàn)了蚊子口針的“微納米鋸齒”結(jié)合“振動(dòng)刺入”使其在刺入皮膚時(shí)超級(jí)省力，比普通微針刺入力小三個(gè)數(shù)量級(jí)。若將蚊子口針的“微納米鋸齒”結(jié)構(gòu)和“振動(dòng)刺入”機(jī)理應(yīng)用到微型手術(shù)刀上，不但可以使手術(shù)用力減小而且能將手術(shù)目標(biāo)在準(zhǔn)確位置精準(zhǔn)切開(kāi)。 基本思路：利用仿生學(xué)及蚊子口針刺入皮膚的力學(xué)原理制作一款微型振動(dòng)醫(yī)用刀，該醫(yī)用刀具有微鋸齒并具備振動(dòng)控制功能，目前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)切削力可以減少90%，若進(jìn)行進(jìn)一步的仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)，將鋸齒結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)，可望在細(xì)胞間手術(shù)等更精致的手術(shù)上獲得應(yīng)用，并且本設(shè)計(jì)思想可應(yīng)用到微納加工等其它領(lǐng)域。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、該醫(yī)用刀具有微鋸齒，可減小與手術(shù)目標(biāo)間的接觸面積，減小連帶作用； 2、該醫(yī)用刀具備振動(dòng)控制功能，能減小切削阻力，使手術(shù)用力小，避免用力過(guò)大導(dǎo)致被切割目標(biāo)移動(dòng)或發(fā)生不必要的損傷； 3、該醫(yī)用刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可有效降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，減小人工操作誤差； 關(guān)鍵技術(shù)和主要性能指標(biāo)：該醫(yī)用刀與普通的醫(yī)用刀相比，具有微米級(jí)鋸齒結(jié)構(gòu)，并且具備振動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。其中鋸齒的相關(guān)參數(shù)范圍為：鋸齒寬度w范圍:25nm～500μm；鋸齒高度h范圍:100nm～100μm；鋸齒前角角度α范圍：25°～155°；鋸齒后角角度β范圍：25°～155°。振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率可選范圍為：1Hz～50Hz。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 經(jīng)過(guò)大自然的優(yōu)勝劣汰，昆蟲(chóng)的許多組織和器官都進(jìn)行了不斷的進(jìn)化和優(yōu)化，本作品就是從蚊子的口針結(jié)構(gòu)及其刺入皮膚過(guò)程中受到的啟發(fā)，該作品的先進(jìn)性在于提出了新的思想及實(shí)例，設(shè)計(jì)制作的微鋸齒振動(dòng)醫(yī)用刀，雖然只是增加了微鋸齒結(jié)構(gòu)和振動(dòng)機(jī)構(gòu)，但卻使得刺入力減小了90%，對(duì)于神經(jīng)、血管或者眼科手術(shù)，解決了將手術(shù)點(diǎn)精準(zhǔn)切開(kāi)需要對(duì)微型刀加力，用力太小手術(shù)點(diǎn)切不開(kāi)，用力過(guò)大使被切割目標(biāo)移動(dòng)或發(fā)生不必要損傷的矛盾。同時(shí)，若應(yīng)用于微針等尺寸較小的器具，將有效地降低對(duì)刀具材料強(qiáng)度的要求。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本項(xiàng)目研究成果微納米鋸齒振動(dòng)手術(shù)刀已通過(guò)大連理工大學(xué)專利中心申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，參賽者邵祝濤為第一發(fā)明人，目前該專利尚在審理中，由于發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查時(shí)間比較長(zhǎng)，為防止在專利審批過(guò)程中這一思想理念的泄露，尚未投稿發(fā)表論文。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 1、模型 2、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：手術(shù)前選用合適參數(shù)的微鋸齒振動(dòng)醫(yī)用刀刀頭，安裝12V干電池按下開(kāi)關(guān)便可工作，其它使用方法與普通的醫(yī)用刀基本相同。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：該醫(yī)用刀具有微鋸齒結(jié)構(gòu)，并具備振動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，能夠使手術(shù)時(shí)的刺入力減小近90%，增強(qiáng)了手術(shù)的可控性和安全性，使醫(yī)生在微創(chuàng)外科手術(shù)中更加得心應(yīng)手。 適應(yīng)范圍及推廣前景：該微型手術(shù)刀可望直接應(yīng)用于神經(jīng)、血管或者鼻內(nèi)、眼科手術(shù)，研究成果及其相關(guān)科學(xué)原理有望應(yīng)用于外科醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥傳輸、微納制造和MEMS等高科技技術(shù)領(lǐng)域，為仿生制造揭示了一個(gè)全新的生物微納鋸齒結(jié)構(gòu)和振動(dòng)刺切原理。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：由于該種醫(yī)用手術(shù)刀可以節(jié)省切削力90%，將在很大程度上降低刀具材料強(qiáng)度的要求，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時(shí)，使用很小的力就可以將手術(shù)點(diǎn)精確切開(kāi)，提高了手術(shù)的安全性，甚至可以減輕病人的痛苦。
同類課題研究水平概述
- 關(guān)于蚊子口針的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)有很長(zhǎng)的研究歷史。主要是生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家在此領(lǐng)域做了大量的觀察，生物學(xué)家主要研究蚊子的生存和繁殖規(guī)律，醫(yī)學(xué)家主要研究蚊子叮人給人類帶來(lái)的痛苦和疾病傳播以及預(yù)防措施。進(jìn)年來(lái)才有些國(guó)外學(xué)者進(jìn)行蚊子口針結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)等相關(guān)研究,但這些研究?jī)H停留在表面觀察的形態(tài)學(xué)研究上，關(guān)于蚊子刺入皮膚吸血過(guò)程的生物力學(xué)問(wèn)題研究，尤其是微納鋸齒針的作用機(jī)理及特殊效用研究幾乎是空白。 現(xiàn)代手術(shù)刀包括高頻電刀、激光手術(shù)刀、超聲手術(shù)刀等，針對(duì)不同類型的手術(shù)，它們都有各自的優(yōu)點(diǎn)，比如激光對(duì)生物組織有熱凝固效應(yīng)，可減小切口出血，對(duì)于切骨手術(shù)使用激光刀，就可以減輕醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度和病人的痛苦。超聲手術(shù)刀具有出血少、對(duì)周?chē)M織傷害少、術(shù)后恢復(fù)快等特點(diǎn)。目前主要應(yīng)用于切割與凝血、切骨等方面。其它手術(shù)刀在此不一一列舉。然而，在應(yīng)用過(guò)程中，現(xiàn)代手術(shù)刀都存在著一定的弊端，如有些會(huì)灼傷組織，有些存在加工工藝和造價(jià)的問(wèn)題等。 目前很多外科醫(yī)生過(guò)多地依賴于先進(jìn)的電子器械,卻忽略了傳統(tǒng)手術(shù)刀在外科手術(shù)中的重要作用,而只有在“劃皮”時(shí)才想到它。其實(shí)傳統(tǒng)手術(shù)刀已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一段歷史演變,大圓刀、小圓刀、尖頭刀、銳性手術(shù)刀、鈍性手術(shù)刀等每種手術(shù)刀依據(jù)形狀、大小的不同,都有不同的使用范圍。普通手術(shù)刀始終是外科手術(shù)過(guò)程中不可或缺的重要工具,能否熟練使用這些手術(shù)刀,反映了一名外科醫(yī)生的基本技能,也直接影響著手術(shù)的效果。例如在惡性腫瘤清掃根治手術(shù)中,熟練使用小圓刀可以明顯提高淋巴結(jié)和脂肪組織的清掃速度和效果,而且可以避免電刀引起組織損傷、脂肪液化等問(wèn)題。所以我們絕對(duì)不能忽視普通手術(shù)刀在外科手術(shù)中的重要作用。 對(duì)于醫(yī)用刀的刀片，目前臨床應(yīng)用的傳統(tǒng)手術(shù)刀，只是在刀片形狀上作改變，而沒(méi)有對(duì)刀片刀刃做出實(shí)質(zhì)性的改變，若增加微納米鋸齒與振動(dòng)機(jī)構(gòu)，將減小手術(shù)刀或微針刺入皮膚的刺入力，從而可以降低對(duì)材料強(qiáng)度的苛刻要求。對(duì)于一些用于微觀切割的探頭，若作上述改進(jìn)，可以達(dá)到可觀的效果。
