CN110368100B - 一种脑立体定向仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脑立体定向仪，包括探针组件、弧形拱架组件及调整环组件；调整环组件具有圆形的外轮廓和内轮廓；外轮廓侧壁对称开设有弧形的侧滑动槽，外轮廓上下表面开设有锁紧滑槽；锁紧滑槽与侧滑动槽位置相互对应，锁紧滑槽内装配有锁紧旋钮；弧形拱架组件通过两端头设置的连接件设置侧滑动槽内，弧形拱架组件可同步滑动并绕着连接件所在外轮廓圆的直径转动；连接件通过锁紧旋钮锁紧在锁紧滑槽内；在两个侧滑动槽之间均匀对称设置有颅板夹紧组件；探针组件安装在弧形拱架组件上，能沿着弧形拱架组件滑动，并能绕着弧形拱架组件转动。本发明改善操作便捷性和患者舒适感；提供临床医师更多操作选项并有望提高靶点定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及医学技术领域，具体地说是一种脑立体定向仪。
背景技术
随着神经外科、放疗外科、功能神经外科技术的不断发展，脑部微创治疗、精确治疗等应运而生。脑立体定向仪为满足这些需要提供了一种有效手段。目前，国内外较多使用的是医科达（Elekta）公司的Leksell脑立体定向仪（G型）。它主要由靶点定位框架[八边长方形基环（base ring）+基准系统（fiducial system）]、颅板固定组件（含四根金属柱）、三组靶点“调节标尺”（前后、左右及上下三个空间方向）、半圆形弓架（半径190 mm）和探针系统组成。其中“左右”调节标尺与“上下”调节标尺借助轴环（axis ring）连接，而前者与弓架接合，后者与基环接合。仪器经模型测试结果显示：探针到达靶点的整体精度误差为± 0.7mm。
据报道，该仪器现已在50多个国家、1300多家神经外科中心使用。由于Leksell脑立体定向仪最初设计于上世纪40年代末，当时靶点定位只能借助常规X线摄影，因而需要特制定位框架。随着X线计算机断层摄影术（computed tomography, CT）、磁共振（magneticresonance imaging, MRI）在70~80年代的问世，Leksell脑立体定向仪也在不断改进以适应影像技术的变化，但仍保留了定位框架。国内也有多家类似仿Leksell或自制类似仪器在使用。
该仪器对颅内靶点的空间定位是辅以定位框架后借助X线、CT或MR扫描，测得靶点与定位框X、Y、Z 三个坐标轴的垂直距离，然后利用三组可调节标尺将靶点置于半圆弓架中心，因而任何垂直于弓架的探针角将始终对准靶点/弓架中心，即所谓“弓架中心原理”。当探针系统在弓架上滑动结合弓架绕轴环中心转动，则探针路径的空间轨迹呈“球面”轨迹。鉴于半圆弓架半径为定值，该仪器设置的探针起始点至靶点距离d（亦称工作长度，workinglength）与半径对应，即始终为定值（190 mm）。
近年来，无框架脑立体定位仪也投入使用。较为主流的是美登利（Medtronic）公司的Nexframe无框架脑立体定位仪。在神经外科靶点精度上，尽管Nexframe改善了操作便捷性和患者舒适度，但在三维空间前后方向（Y轴）精度要略逊于Leksell。由于Leksell脑立体定向仪需定位框架且有较大的半圆弓架，整套仪器体积、自重相对较大。另一方面，无论有框Leksell或无框Nexframe，靶点定位空间调整目前主要依靠机械刻度调节（“调节标尺”、角度刻度环等），难免造成人为累积误差，影响靶点定位精度。
发明内容
为实现本发明所采取的如下技术方案：所述脑立体定向仪，包括探针组件、弧形拱架组件及调整环组件；
调整环组件具有圆形的外轮廓和内轮廓；
所述外轮廓侧壁对称开设有弧形的侧滑动槽，外轮廓上下表面开设有锁紧滑槽；所述锁紧滑槽与侧滑动槽位置相互对应，所述锁紧滑槽内装配有第一锁紧旋钮；
弧形拱架组件通过两端头设置的连接件设置在侧滑动槽内，所述弧形拱架组件可同步滑动并绕着连接件所在外轮廓圆的直径转动；所述连接件可通过第一锁紧旋钮锁紧在锁紧滑槽内；
在两个侧滑动槽之间均匀对称设置有颅板夹紧组件；
所述探针组件安装在弧形拱架组件上，能沿着弧形拱架组件滑动，并能绕着弧形拱架组件转动。
进一步地，所述颅板夹紧组件包括调节件、调节件锁紧件、多个转动上槽和侧槽；
多个侧槽均匀对称分布于两个侧滑动槽之间的外轮廓侧面上；多个转动上槽设置在调整环组件的上下表面且与各侧槽的位置对应；
侧槽可滑动地设置有调节件，转动上槽内竖直装配有调节件锁紧件；
所述每个侧槽和对应的转动上槽的槽体相交处设置有两个半球槽，所述半球槽内可转动设置有半球形凸起，两个半球形凸起的相对面设置有螺纹槽，所述调节件外设置有外螺纹与螺纹槽配合装配，实现调节件的上下和前后运动，并通过调节件锁紧件锁紧。
进一步地，所述连接件包括轴向滑动块、轴向转动环和锁紧机构；
所述轴向转动环套设在轴向滑动块上，并可绕着轴向滑动块上的相应结构旋转，两者之间通过锁紧机构锁紧；
所述锁紧机构包括第二锁紧旋钮、锁紧卡块；
所述轴向转动环包括中空圆形转动部、锁紧部及衔接部；
所述轴向滑动块包括从里向外一体成型的滑动部、转动轴和阻挡部；
所述滑动部呈滑板结构可滑动的插入式设置在侧滑动槽内，所述阻挡部呈中空环体结构，所述环体中心设置一转动轴；滑动部上设置螺纹孔，螺纹孔与第一锁紧旋钮配合拧紧；
所述锁紧部与中空圆形转动部的衔接处开设有锁紧卡槽，所述锁紧卡槽内装配有锁紧卡块，所述锁紧卡块上设置第二锁紧旋钮；
所述衔接部连接拱架本体的端头，轴向转动环的转动带动拱架本体实现转动，轴向滑动块在侧滑动槽内滑动时带动实现拱架本体整体滑动。
进一步地，所述中空圆形转动部套在转动轴外，锁紧卡块为斜楔机构，第二锁紧旋钮旋拧驱动该斜楔结构在锁紧卡槽内的移动而卡住转动轴，从而锁止中空圆形转动部的转动。
进一步地，弧形拱架组件为大半圆弧形杆状结构；
所述探针组件与弧形拱架组件通过柱形滑块连接；所述探针组件可滑动并可通过柱形滑块360°旋转的设置在弧形拱架组件上；
柱形滑块内部为与拱架本体配合的弧形结构，外部为圆柱形结构。
进一步地，所述探针组件包括探针基座、探针基座下部固定设置有转动环，转动环套设在柱形滑块上；
所述探针基座包括正面板和背面板，
所述正面板上设置有装配块，所述装配块上开设有装设探针的上下移动槽，上下移动槽两侧对称设置有持针器卡槽，持针器卡槽内装配有持针器结构；
持针器卡槽一侧设置有持针器锁紧件；
所述基座上贯穿正、背面板上设置有转动盘，所述转动盘一面与装配块所述转动盘另一面设置转动数显仪；
进一步地，所述转动盘上设置有用于锁止转动盘转动的探针锁止机构；
在所述转动环与探针基座衔接处分别设置有柱形滑块锁紧装置和探针基座锁紧装置。
进一步地，所述探针锁止机构为斜楔，所述柱形滑块锁紧装置和探针基座锁紧装置为螺丝，通过螺丝拧紧实现锁止。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1．采用调整环上三个测距参考基点，利用CT、MRI成像技术可测得靶点与三个参考点空间距离，无需靶点空间定位测距框架组件；
2. 调整环直接借助螺钉与颅板固定，无需基环与颅板之间的四根连接柱组件（post）；
3. 利用大半圆拱架设计与调整环接合，无需“调节标尺或导向臂组件”，在既可确保靶点至拱架之间工作空间的同时，又可有效缩小拱架外径；
4.拱架不仅可绕调整环水平轴（X轴）方向转动，而且可绕调整环中心上下轴（Z轴）方向转动，后者可以实现两个探针空间角一起变动；
5. 角度调节采用数显仪（后续可采用光栅），可降低因机械刻度读出之人工误差，有望进一步提高靶点空间定位精度；
6. 仪器整体结构更简洁、紧凑、无磁性，主体采用采用钛合金材料，可有效减轻仪器自重并改善操作时患者舒适度；
7. 本产品与目前有框脑立体定位仪相比靶点空间定位运动同样实现“球面”轨迹，不仅满足临床颅内病灶活检、治疗，而且可以为放疗提供立体路径。但其可调节参数更多，有利于临床医师根据实际病情做出更多操作选择（如优点4）。
总之，由于本产品在靶点空间定位原理上与Leksell有别，故无需定位框架、无需调节标尺及连接金属柱等构件，同时弓架尺寸相对缩小，因而整体结构更简洁、紧凑，可有效减轻仪器自重，并改善操作时患者舒适度。
附图说明
图1 是本发明的原理图。
图2 是本发明的整体装配图。
图3 是本发明调整环组件的示意图。
图4 是本发明调整环组件的俯视图。
图5 是图4的A-A向视图。
图6是本发明探针组件和弧形拱架组件的装配的正面视图。
图7本发明探针组件和弧形拱架组件的装配的背面视图。
图8 是连接件的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1-8所示，所述脑立体定向仪，包括探针组件3、弧形拱架组件2及调整环组件1；
调整环组件1具有圆形的外轮廓10和内轮廓11；
所述外轮廓10侧壁对称开设有弧形的侧滑动槽107，外轮廓上下表面开设有锁紧滑槽106；所述锁紧滑槽106与侧滑动槽107位置相互对应，所述锁紧滑槽106内装配有第一锁紧旋钮103；
弧形拱架组件2通过两端头设置的连接件设置侧滑动槽107内，所述弧形拱架组件2可同步滑动并绕着连接件所在外轮廓圆的直径转动；所述连接件通过第一锁紧旋钮103锁紧在锁紧滑槽106内；
在两个侧滑动槽107之间均匀对称设置有颅板夹紧组件；
所述探针组件3安装在弧形拱架组件2上，能沿着弧形拱架组件2滑动，并能绕着弧形拱架组件2转动。
进一步地，所述颅板夹紧组件包括调节件104、调节件锁紧件109、多个转动上槽105和侧槽108；
多个侧槽108均匀对称分布于两个侧滑动槽107之间的外轮廓10侧面上；多个转动上槽105设置在调整环组件1的上下表面且与各侧槽108的位置对应；
侧槽108可滑动地设置有调节件104，转动上槽105内竖直装配有调节件锁紧件109；
所述每个侧槽和对应的转动上槽的槽体相交处设置有两个半球槽111，所述半球槽111内可转动设置有半球形凸起112，两个半球形凸起112的相对面设置有螺纹槽，所述调节件104外设置有外螺纹与螺纹槽配合装配，实现调节件的上下和前后运动，并通过调节件锁紧件109锁紧。
位于颅板夹紧组件之间的调整环组件上开设有两个盲孔110，所述盲孔110用于将此定向仪与外部设备连接固定。
其中如图1所示，调整环组件1的外轮廓10上三个测距参考基点为A、B、C，靶点为M，其在外轮廓10平面垂直投影点为H，与外轮廓10外圆直径（AB）垂直相交于E点，AB中点为G，亦为外轮廓10圆心；探针两个空间进针角分别为Ψ、ω；进针距离为NM，N点为进针起始点。
其中外轮廓10上下面有刻度角。外轮廓10侧槽0°位置各有两个可拆卸定位块102，该块侧面中心各有两个空间靶点测距参考点（即外圆直径A、B两点）1011。
同时，该定位块有与外轮廓10锁紧螺钉1010。外轮廓10中心面上距A、B两点中心G点相交成某一定角处另有四个测距参考基点1012，即C点（实际操作时，该参考基点依据空间靶点在圆环面的垂直投影区选取其中之一。由此，参考基点A、B、C在外轮廓10外圆中心层面构成一个直角三角形）。
外轮廓10还设有四个中心调节件104，它们起到与颅板固定作用。所述调节件104为螺钉或可旋转式螺旋杆。
外轮廓10上设有转动上槽105及侧槽108，当调节件为螺钉时，可使螺钉在水平和上下方向作一定角度调节，确保螺钉与颅板最佳固定。四个螺钉附有滑块与调节件锁紧件109。当四个螺钉与颅板固定并锁紧外轮廓10与螺钉，该外轮廓10与颅板便呈相对固定状态。
进一步地，所述连接件包括轴向滑动块207、轴向转动环206、锁紧机构；
所述轴向转动环206套设在轴向滑动块207上，并可绕着轴向滑动块上的相应结构旋转，两者之间通过锁紧机构锁紧；
所述锁紧机构包括第二锁紧旋钮205、锁紧卡块204；
所述轴向转动环206包括中空圆形转动部206A、锁紧部206B及衔接部206C；
所述轴向滑动块207包括从里向外一体成型的滑动部207A、转动轴207B、阻挡部207C；
所述滑动部207A呈滑板结构可滑动的插入式设置在侧滑动槽107内，所述阻挡部207C呈中空环体结构，所述环体中心设置一转动轴207B；滑动部207A上设置螺纹孔207D，螺纹孔207D与第一锁紧旋钮103配合拧紧；
所述锁紧部206B与中空圆形转动部206A的衔接处开设有锁紧卡槽206D，所述锁紧卡槽内装配有锁紧卡块204，所述锁紧卡块上设置第二锁紧旋钮205；
所述衔接部206C连接拱架本体201的端头，轴向转动环的转动带动拱架本体201实现转动，轴向滑动块207在侧滑动槽内滑动时带动实现拱架本体201整体滑动。
进一步地，所述中空圆形转动部206A套在转动轴207B外，锁紧卡块204为斜楔机构，第二锁紧旋钮205旋拧驱动该斜楔结构在锁紧卡槽206D内的移动而卡住转动轴207B，从而锁止中空圆形转动部206A的转动。
一侧的阻挡部207C外贴合设置有数显仪210。
进一步地，弧形拱架组件2为大半圆弧形杆状结构；
所述探针组件3与弧形拱架组件2通过柱形滑块308连接；所述探针组件3可滑动并可通过柱形滑块360°旋转的设置在弧形拱架组件2上；
所述柱形滑块308内部为与拱架本体201配合的弧形结构，外部为圆柱形结构。
进一步地，所述探针组件包括探针基座3010、探针基座3010下部固定设置有转动环307，转动环307套设在柱形滑块308上；
所述探针基座3010包括正面板和背面板，
所述正面板上设置有装配块306，所述装配块上开设有装设探针301的上下移动槽303，上下移动槽303两侧对称设置有持针器卡槽305，持针器卡槽内装配有持针器结构302；
持针器卡槽一侧设置有持针器锁紧件310；
所述基座上贯穿正、背面板上设置有转动盘304，所述转动盘一面与装配块306连接；
所述转动盘304另一面设置转动数显仪3014（显示探针组件3的转动）；
进一步地， 所述转动盘304上设置有用于锁止转动盘304转动的探针锁止机构309；
在所述转动环307与探针基座3010衔接处分别设置有柱形滑块锁紧装置3011和探针基座锁紧装置3013。
进一步地，所述转动环307上开设有滑动刻度窗3012。
进一步地，所述探针锁止机构309为斜楔，所述柱形滑块锁紧装置3011和探针基座锁紧装置3013为螺丝，通过螺丝拧紧实现锁止。
进一步地，所述调节件104为可旋转式螺杆结构。
工作原理：
1、靶点空间定位原理：本产品主要有调整环组件1、弧形拱架组件2（简称弓架）及探针系统构件组成。
调整环组件包括圆形的外轮廓和椭圆的内轮廓，因此将外轮廓统称为圆环；
取圆环外圆中心层面之直径分别作为A、B 两个靶点空间测距参考“基点”，该直径中点设为G点；在外圆中心层面另取一“C基点”，三个基点构成直角三角形。其中，圆环外圆直径为定值；弓架过A、B相交点大半圆环直径亦为定值。而当C点确定后，直角三角形三边也为定值。
首先，利用CT/MRI各向等性体素成像技术分别测得靶点（M）与三个参考基点之间距离：AM（x）、BM（y）与CM（z）。然后，借助平面几何、立体几何及三角函数等相关公式以及定边直角三角形，可求得MG距离及三角形AMB平面与圆环平面夹角（设为Ψ）及与AB连线之间的夹角（设为ω），此为两个空间进针角。由于靶点M位于颅内，故将三角形AMB平面中MG连线向外延长至探针系统某一定点（设为N点），N点即为探针距靶点的起点，同时针具可以绕该点转动。由此，A、G、B、M及N点位于同一平面内，NG连线则必经过靶点M，而弓架设计为与该平面平行。最后，同样借助上述公式，可求得NG距离，则NM距离（d）= NG - MG，d即为探针系统上N点与靶点之间的进针距离。故本仪器在靶点空间定位原理上与Leksell不同。
2、靶点空间定位运动轨迹（角度、探针距离等）采用微变程自动计算：
首次探针路径（两个空间进针角+进针距离）仅需输入x、y、z数值。当首次路径为非最佳/安全路径时，则可借助以下方式调整：
2. 1、当弓架平面与圆环平面固定（Ψ角不变）需要改变探针角ω时，仅需输入变动角度（设为Є）数值，微变程会通过上述计算公式自动给出探针调整角度（设为δ）及再次探针距离d'。
2. 2、当需要改变弓架平面与圆环平面Ψ角时，通过输入探针系统绕弓架转动某一角度（设为Ω）数值，微变程会通过上述计算公式自动给出另一探针调整角度（设为ρ）及再次探针距离d''。
2. 3、而当需要同时改变ω角及弓架平面与圆环平面Ψ角时，借助弓架绕圆环圆心转动某一角度（设为Φ）并输入该值，微变程自动给出Ψ角改变数值，并同时给出新的ω、δ值及探针距离d'''。
通过颅板夹紧组件包括调节件104与两个半球凸起在半球槽111的运动，从而实现调节件的上下、左右和前后调节固定颅板，借助CT/MR扫描，测得靶点与A、B、C三点参考基点直线距离（x、y、z）。然后借助轴向滑动块207将弓架联结于圆环0°位置。将x、y、z三线距离输入微编程电脑，便可获得首次探针到达靶点的路径，包括两个空间进针角及探针调节角及进针距离。而当需要改变首次探针路径的某一空间角度时，则需在电脑中输入该调节角度，微编程会自动给出再次进针角度与进针距离；而当需要同时改变两个空间角度时，把弓架绕圆环转动一定角度（定角），将定角输入电脑，便可自动获得新的进针路径与进针距离。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种脑立体定向仪，其特征在于，
包括探针组件（3）、弧形拱架组件（2）及调整环组件（1）；
调整环组件（1）具有圆形的外轮廓（10）和内轮廓（11）；
所述外轮廓（10）侧壁对称开设有弧形的侧滑动槽（107），外轮廓上下表面开设有锁紧滑槽（106）；所述锁紧滑槽（106）与侧滑动槽（107）位置相互对应，所述锁紧滑槽（106）内装配有第一锁紧旋钮（103）；
弧形拱架组件（2）通过两端头设置的连接件设置在侧滑动槽（107）内，所述弧形拱架组件（2）可同步滑动并绕着连接件所在外轮廓圆的直径转动；所述连接件可通过第一锁紧旋钮（103）锁紧在锁紧滑槽（106）内；
在两个侧滑动槽（107）之间均匀对称设置有颅板夹紧组件；
所述探针组件（3）安装在弧形拱架组件（2）上，能沿着弧形拱架组件（2）滑动，并能绕着弧形拱架组件（2）转动。
2.如权利要求1所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
所述颅板夹紧组件包括调节件（104）、调节件锁紧件（109）、多个转动上槽（105）和侧槽（108）；
多个侧槽（108）均匀对称分布于两个侧滑动槽（107）之间的外轮廓（10）侧面上；多个转动上槽（105）设置在调整环组件（1）的上下表面且与各侧槽（108）的位置对应；
侧槽（108）可滑动地设置有调节件（104），转动上槽（105）内竖直装配有调节件锁紧件（109）；
所述每个侧槽（108）和对应的转动上槽（105）的槽体相交处设置有两个半球槽（111），所述半球槽（111）内可转动设置有半球形凸起（112），两个半球形凸起（112）的相对面设置有螺纹槽，所述调节件（104）外设置有外螺纹与螺纹槽配合装配，实现调节件的上下和前后运动，并通过调节件锁紧件（109）锁紧。
3.如权利要求1所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
所述连接件包括轴向滑动块（207）、轴向转动环（206）和锁紧机构；
所述轴向转动环（206）套设在轴向滑动块（207）上，并可绕着轴向滑动块上的相应结构旋转，两者之间通过锁紧机构锁紧；
所述锁紧机构包括第二锁紧旋钮（205）、锁紧卡块（204）；
所述轴向转动环（206）包括中空圆形转动部（206A）、锁紧部（206B）及衔接部（206C）；
所述轴向滑动块（207）包括从里向外一体成型的滑动部（207A）、转动轴（207B）和阻挡部（207C）；
所述滑动部（207A）呈滑板结构可滑动的插入式设置在侧滑动槽（107）内，所述阻挡部（207C）呈中空环体结构，所述环体结构的中心设置一转动轴（207B）；滑动部（207A）上设置螺纹孔（207D），螺纹孔（207D）与第一锁紧旋钮（103）配合拧紧；
所述锁紧部（206B）与中空圆形转动部（206A）的衔接处开设有锁紧卡槽（206D），所述锁紧卡槽内装配有锁紧卡块（204），所述锁紧卡块上设置第二锁紧旋钮（205）；
所述衔接部（206C）连接拱架本体（201）的端头，轴向转动环的转动带动拱架本体（201）实现转动，轴向滑动块（207）在侧滑动槽内滑动时带动实现拱架本体（201）整体滑动。
4.如权利要求3所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
所述中空圆形转动部（206A）套在转动轴（207B）外，锁紧卡块（204）为斜楔机构，第二锁紧旋钮（205）旋拧驱动该斜楔结构在锁紧卡槽（206D）内的移动而卡住转动轴（207B），从而锁止中空圆形转动部（206A）的转动。
5.如权利要求1所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
弧形拱架组件（2）为大半圆弧形杆状结构；
所述探针组件（3）与弧形拱架组件（2）通过柱形滑块（308）连接；所述探针组件（3）可滑动并可通过柱形滑块360°旋转的设置在弧形拱架组件（2）上；
所述柱形滑块（308）内部为与拱架本体（201）配合的弧形结构，外部为圆柱形结构。
6.如权利要求5所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
所述探针组件包括探针基座（3010）、探针基座（3010）下部固定设置有转动环（307），转动环（307）套设在柱形滑块（308）上；
所述探针基座（3010）包括正面板和背面板，
所述正面板上设置有装配块（306），所述装配块上开设有装设探针（301）的上下移动槽（303），上下移动槽（303）两侧对称设置有持针器卡槽（305），持针器卡槽内装配有持针器结构（302）；
持针器卡槽一侧设置有持针器锁紧件（310）；
所述基座上贯穿正、背面板上设置有转动盘（304），所述转动盘一面与装配块（306）连接；
所述转动盘（304）另一面设置转动数显仪（3014）。
7.如权利要求6所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
所述转动盘（304）上设置有用于锁止转动盘（304）转动的探针锁止机构（309）；
在所述转动环（307）与探针基座（3010）衔接处分别设置有柱形滑块锁紧装置（3011）和探针基座锁紧装置（3013）。
8.如权利要求7所述一种脑立体定向仪，其特征在于：
所述探针锁止机构（309）为斜楔，所述柱形滑块锁紧装置（3011）和探针基座锁紧装置（3013）为螺丝，通过螺丝拧紧实现锁止。
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