CN208808570U - 一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，它解决了现有技术中骨屑堵塞严重的问题，具有冷却效果好、手术效率高的有益效果，其方案如下：一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，包括主轴，可旋转设置；用于磨削生物骨的捕水磨具，主轴通过超声振动机构与捕水磨具连接，在主轴及超声振动机构带动下，捕水磨具实现纵向运动及旋转运动；冷却及成膜机构，设于捕水磨具的一侧与超声振动机构中超声波发生器连接，底部设置与医用纳米储液杯连接的喷嘴，喷嘴内还可通入压缩气体，以对医用纳米流体进行气动‑超声雾化，以液滴形式冲入磨削区进行有效冷却及润滑；内窥镜，设于捕水磨具的另一侧。

Description

一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置

技术领域

本实用新型涉及一种神经外科颅骨磨削、术中冷却、术后创口成膜柔性集成装置，特别是涉及一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置。

背景技术

在颅底肿瘤摘除手术过程中，以垂体肿瘤为例，外科医生首先利用高速磨具去除鼻中隔、蝶窦前侧骨及蝶窦后侧的蝶鞍等骨结构；由于颅底区结构复杂且分布着重要神经(如视神经、三叉神经、颈动脉)，因此外科医生还需磨除包围着这些神经的骨结构，以识别这些神经的位置并保护它们。金刚石磨具因其对软组织创伤小而受到了神经外科医生的青睐，但金刚石磨具在磨削过程的产热量明显高于其它切削方式的产热量，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。骨磨削是颅底肿瘤摘除手术过程中一种常见的操作，由于各向异性硬脆材料磨削温度场精准控制的关键技术尚未突破，高温热损伤是当前神经外科颅骨磨削的技术瓶颈，然而目前对于骨磨削热的基础性研究非常有限。Yang等研究了干式、滴灌式、喷雾式及气雾式纳米流体冷却条件下骨微磨削表面温度，得出气雾式纳米流体冷却具有理想的冷却效果；将羟基磷灰石、SiO₂、Fe₂O₃纳米粒子及碳纳米管添加到生理盐水中，研究了在气雾式纳米流体冷却条件下不同纳米粒子对骨磨削温度的影响规律。结果表明，纳米粒子热物理性质不同，对骨表面温度的影响也不同[M.Yang,C.H.Li,Y.B.Zhang,et al.Research on microscale skull grinding temperaturefield under different cooling conditions. Applied Thermal Engineering,2017,Vol 126pp.525-537]。

针对目前临床颅骨磨削高温热损伤的瓶颈问题，青岛理工大学李长河教授团队对骨磨削设备展开了研究。经检索，张东坤等实用新型了一种的医用外科手术六自由度自动调节机械臂磨削夹持装置(专利号：ZL 201310277636.6)，该机械臂磨削夹持装置具有3个旋转、 3个移动共计6个自由度，可实现任意位姿的颅骨外科手术操作。该装置主要借助先进的手术器械来操作，用六自由度自动调节机械臂以及安装在机械臂前端的夹持装置，在治疗效果、减轻痛苦、恢复周期、医疗成本等方面具有明显优势；

张东坤等实用新型了一种外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置(专利号：ZL 201310030327.9)，通过监测骨磨削的声发射信号来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的磨削温度，从而有效避免对脑组织的热损伤的技术。在砂轮与壳体连接处有声发射传感器，通过信号分析处理模接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速；

杨敏等实用新型了一种多自由度颅骨外科手术磨削实验平台(专利号：ZL201410510448.8)，包括微量润滑系统，三自由度平台，电主轴旋转装置，电主轴、磨削力测量装置和磨削温度测量装置。利用三根阶梯状分布的热电偶对磨削温度进行精确地测量，利用磨削测力仪对磨削力进行测量，通过分析实验数据给临床实践提供指导；

杨敏等实用新型了一种手持式外科手术磨削温度在线检测及纳米流体相变换热式磨削装置(专利号：ZL 201510218166.5)，磨头采用纳米流体相变换热式磨头，通过纳米流体的不断蒸发、冷凝、回流，将磨削区产生的热量带走，降低温度，减少对病人的二次伤害；磨粒周围涂覆对人体安全的荧光粉，通过光纤传感器检测荧光余辉衰变时间常数，利用荧光对温度的依赖性检测待测温度，实现磨削过程中对温度的闭环控制；从动轴上贴有反光条，通过光纤传感器采用比相测量的原理，采用比相测量原理，以激光头和反光条为信号发生器，在线检测磨头的转速和扭矩，实现对病理骨去除情况和磨头寿命的闭环控制；

杨敏等实用新型了一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置(专利号：ZL 201510604889.9)，静电雾化内冷磨具与静电雾化成膜装置成套筒式结构，不仅能使冷却液充分雾化并使冷却液液滴分布可控，从而有效降低磨削区温度，还能在骨磨削的同时将医用辅料通过静电雾化成膜装置及时喷向磨削后的创面；通过对可伸缩套筒结构的调节，来调节静电雾化成膜喷嘴的位置，实现对磨削创伤面的雾化成膜保护处理；

杨敏等实用新型了一种静电雾化内冷磨头(专利号：ZL 201510604803.2)，高压电转换装置套合在磨头柄的外侧且固定设置，导线连接块与高压电转换装置活动连接，高压电转换装置与电源连接。磨头柄内设置内冷孔，内冷孔贯穿磨头和磨头柄，导线连接块通过导线与内冷孔连接。内冷孔为双螺旋孔道，在磨削过程中压缩空气、冷却液或纳米流体经两个螺旋孔中加速后直接喷射到磨削区，从而能有效降低磨削区温度，并冲走磨屑，延长刀具寿命。

上海交通大学栾楠等实用新型了一种医疗器械技术领域的骨科手术辅助机器人系统(专利号：ZL 201010299237.6)，包括机器人本体、控制器和操纵杆，操纵杆位于机器人本体的手腕处并与机器人控制器相连以传输传递操纵者的手动操作信号，用于主刀医师操纵调整机器人的工作位置；控制器位于机器人本体的底座内并与机器人本体以及操纵杆相连接，可实现对机器人本体的自主控制；机器人本体安放于手术台边辅助主刀医师完成截骨、磨削、固定等操作。

哈尔滨工业大学杜志江等实用新型了一种六自由度颈椎骨磨削并联机器人(专利号： ZL 201010557067.7)，磨钻电机穿设在动平台内，磨钻电机与磨钻电机连接体固定连接，磨钻电机连接体与动平台固定连接，磨钻体固装在磨钻电机连接体上，磨钻体上设有磨钻顶丝孔，磨钻顶丝孔盖安装在磨钻体的磨钻顶丝孔上，磨钻轴通过联轴器与磨钻电机连接，切削头通过收紧螺母与磨钻轴连接，可解决现有人工颈椎间盘置换手术精度不足、辐射过多、医生工作强度大的问题。

重庆迈德菲快科技有限公司谭亚飞等公开了一种用于骨磨削的磨钻(申请号：201610407670.4)，包括磨头以及与磨头连接的磨柄，磨头通过磨柄穿设在支撑杆内，支撑杆的中心轴线和刀柄的轴线平行，在支撑杆上设有限位装置，限位装置在支撑杆上的位置在力的作用下轴向移动并锁定。通过移动支撑杆即可控制切除的范围，使用方便且切除效率高，提高了手术的精准度和进度，可控性高，从而提高了使用安全性。

浙江工业大学张丽慧等公开了一种骨磨削装置(申请号：201710436744.1)，设计了一种气液比可控的低温生理盐水喷雾产生装置，生理盐水喷雾温度为0-5℃，实现了一种冷却液用量少、换热效率高的骨磨削冷却方法；同时，喷嘴一端与磨头贴近，借助磨削切向力将生理盐水带入骨磨削区域，保证磨头沿不同方向运动时都能获得有效冷却。

经检索，现有的骨磨削装置均没有考虑骨屑排出问题，磨具堵塞严重；磨具亲水性弱，生理盐水不能有效注入磨削区进行冷却；没有考虑冷却液雾化性，冷却液液滴粒径较大，不利于液滴在磨削区的铺展；术后成膜装置纤维射流较粗，透气性差，不利于过滤空气中的细菌和微尘；需配合其他设备使用，会给患者带来不必要的附加损伤，且均有体积庞大、手术装置工作空间大的特点，手术操作难度高、手术效率低。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，该装置实现磨具的纵-扭及旋转运动，有利于骨屑及时排出，从而提高磨削效率，促使热量随骨屑排出，可实现对磨削创伤面的雾化成膜保护处理。

一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置的具体方案如下：

一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，包括：

主轴，可旋转设置；

用于磨削生物骨的捕水磨具，主轴通过超声振动机构与捕水磨具连接，在主轴及超声振动机构带动下，捕水磨具实现纵向运动及旋转运动；

冷却及成膜机构，设于捕水磨具的一侧与超声振动机构中超声波发生器连接，底部设置与医用纳米流体(生理盐水与固体纳米粒子的混合)储液杯连接的喷嘴，喷嘴内还可通入压缩气体，以对医用纳米流体进行气动-超声雾化后，以液滴形式冲入磨削区进行有效冷却及润滑；同时，对术后创口进行包覆；

内窥镜，设于捕水磨具的另一侧。

上述装置可以实现内窥镜下通过捕水磨具对颅底肿瘤的摘除、通过冷却及成膜机构术中喷射医用纳米进行冷却，整个装置集成度高，磨除效率高，实现骨屑的及时排除，保证内窥镜镜头的清晰，缩短手术时间，且磨削温度低，即用一种装置就可实现生物骨的低损伤可控磨削。

进一步地，所述冷却及成膜机构包括换能器外壳，换能器外壳内设置变幅杆Ⅱ，变幅杆Ⅱ顶部设置四层压电陶瓷片Ⅱ，相邻两层压电陶瓷片Ⅱ之间设置与所述超声波发生器连接的电极片，其中两个电极片共用同一根电激励信号线，另一个从另一侧与超声波发生器通过电激励信号线进行连接，这样将高频电振荡信号转换成轴向高频振动，变幅杆Ⅱ与压电陶瓷片Ⅱ紧密连接，实现振幅的放大。

进一步地，所述变幅杆Ⅱ内部设置进液通道与进气通道，进液通道与所述喷嘴的纳米流体入口相通，进气通道与喷嘴的压缩气体入口相通；在换能器外壳设置开口，进液管穿过开口与进液通道相连，进气管同样穿过开口与压缩气体入口相连，变幅杆Ⅱ相对于捕水磨具倾斜设置，内窥镜相对于捕水磨具同样倾斜设置。

或者，喷嘴内设置纳米流体通道(与纳米流体入口相通)与压缩气体通道(与压缩气体入口相通)，在喷嘴内还设置与纳米流体通道相通的内置压缩气体通道，纳米流体通道底部设置加速室，压缩气体通道与加速室连通，内置压缩气体通道通过旋向压缩气体通道进入纳米流体通道；

或者，加速室包括两个相通的缩径段，第一缩径段与第二缩径段均呈倒圆台状，第二缩径段通过圆筒段与第三段连接，第三段为涡流室，涡流室包括一扩径段和缩径段。

进一步地，所述喷嘴内侧设置由电极托盘支撑的电极，电极与外置高压静电发生器连接以将喷嘴处的医用纳米流体液滴进行荷电，进一步细化纳米流体，得到超细纤维对术后创口进行包覆，以防止创口感染，高压电线通过换能器外壳开口与电极连接，这样压缩气体通过旋向压缩气体通道以设定速度进入纳米流体通道后与纳米流体混合，形成高压气体、生理盐水、固体纳米粒子三相流，进而在加速室内第一段与第二段加速，加速后进入涡流室在此与压缩空气形成涡流，使三相流进一步混合，然后经喷嘴体出口喷出形成雾滴。雾滴喷出后经过针状电极电晕放电的漂移区与漂移的电子碰撞从而荷电，液滴荷电后在电场力、气动力和重力作用下可控的喷向作用区域表面。

进一步地，所述换能器外壳底部呈半球面结构，变幅杆Ⅱ底部突出换能器半球面结构设置；在该球面结构内侧设置多个与所述超声波发生器连接的圆片压电元件，在圆片压电元件表面设置铜网公共电极，电激励信号线与圆片压电元件连接；

或者，圆片压电元件以多个同心圆的方式布置在同心圆圆周，这样形成了焦点可调作用，保证了纳米流体液滴有效注入磨削区。

进一步地，所述捕水磨具包括磨具柄，在磨具柄底部设置球形磨头基体，磨头基体表面设置多个方柱状微凸体，在磨头基体表面的微凸体之间粘附有纳米分离体膜，微凸体的设置可使纳米流体液滴更加亲水，微凸体特征尺寸在微米级，对纳米流体液滴进行黏附的同时，还起到磨粒对骨材料进行切削的作用，方柱的棱为切削刃。

进一步地，所述储液杯内设置超声振动棒，超声振动棒与所述的超声发生器连接，通过超声振动棒的设置对储液体杯内的医用纳米流体进行超声波振荡，其中，超声波振动棒顶部设置变幅杆Ⅲ，变幅杆Ⅲ顶部设置四层压电陶瓷片Ⅲ，相邻两层压电陶瓷片Ⅲ之间设置与所述超声波发生器连接的电极片，通过螺钉连接顶盖Ⅱ、压电陶瓷片Ⅲ和变幅杆Ⅲ。

进一步地，所述主轴设于电主轴外壳内，主轴外表圆周设置转子绕组，电主轴外壳内设置与转子绕组对应的定子绕组；换能器外壳顶部设置顶盖Ⅰ，螺栓穿过顶盖Ⅰ、压电陶瓷片Ⅱ与主轴连接，顶盖Ⅰ通过连接杆、连接板与电主轴外壳连接；而且内窥镜镜体弯折设置，内窥镜镜体与电主轴外壳固连。

或者，所述超声振动机构包括四层压电陶瓷片Ⅰ，相邻两层压电陶瓷片Ⅰ之间设置与所述超声波发生器连接的电极片，底层压电陶瓷片Ⅰ通过变幅杆Ⅰ与所述的捕水磨具顶部连接。

所述电主轴外壳顶部与底部各设置端盖，所述的捕水磨具穿过底部的端盖设置，而且变幅杆Ⅰ表面设置螺旋槽，以实现磨具纵扭共振。

或者，电主轴外壳内设置内部有光纤通道Ⅱ，内窥镜镜体内部有与光纤通道Ⅱ相通的光纤通道Ⅰ。

进一步地，所述主轴通过联轴器与连接筒连接，连接筒底部设置所述的压电陶瓷片Ⅰ，在电主轴外壳内侧设置套筒，套筒内设置与各个电极片分别连接的电刷。

为了克服现有技术的不足，本实用新型还提拱了一种辅助生物骨低损伤可控磨削工艺，采用所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)通过超声振动棒的设置，可实现对储液杯内液体进行超声振动，不仅能够有效降低静电纺丝溶液和熔体的粘度，扩大装置的静电可纺浓度范围，而且还可有效减小纤维的直径，降低纤维的结构缺陷，从而提高纺丝纤维的机械性能，保证用于创伤敷料的纺丝体系三级雾化后以纺丝纤维的形式喷在术后创伤面，实现对磨削创伤面的雾化成膜保护处理。

2)通过喷嘴与纳米流体、压缩气体的连接，可实现对医用纳米流体冷却液的气动，通过电极的设置，可实现对雾滴的静电处理，再配合变幅杆对液滴的空化作用，这样对工作面处的医用纳米流体经过气动-超声-静电三级雾化后得到超细液滴，利用超声聚焦作用将纳米流体液滴注入磨具/骨楔形约束空间，有效对磨削区进行冷却润滑。

3)通过主轴的设置，实现捕水磨具的纵-扭及旋转运动，有利于骨屑及时排出且磨削效率高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削工艺与装置总装图；

图2为纵扭共振旋转超声电主轴剖视图；

图3为部分超声机构示意图；

图4为变幅杆指数段函数；

图5(a)、5(b)为矩形螺旋槽变幅杆受力分析图；

图6(a)、6(b)为三角形栅栏组通槽变幅杆；

图7为一种神经外科颅骨磨削捕水磨具；

图8为磨具柄上部放大图；

图9为液滴Young氏润湿模型；

图10为液滴Wenzel润湿模型；

图11为液滴Cassie润湿模型；

图12为液滴钉扎效应示意图；

图13为Wenzel润湿模型三相接触边界；

图14为Cassie润湿模型三相接触边界；

图15为方柱凸体微结构表面尺寸图；

图16为捕水磨具磨头基体及剖视图；

图17为磨头主视图剖视图；

图18为三级雾化焦距可调的超声聚焦喷嘴剖视图；

图19为喷嘴体与变幅杆连接图；

图20为气动-静电雾化喷嘴剖视图；

图21为球冠状换能器外壳球冠状部分组装图及其仰视图；

图22为焦距可调换能器原理图；

图23为静电纺丝原理图；

图24为冷却与成膜机构液路及气路系统图；

图25为冷却与成膜机构与电主轴连接图；

图26为超声振动棒半剖图；

图27为内窥镜在电主轴外壳中的安装图；

图28为镜体内部剖视图。

其中，1-纵扭共振旋转超声电主轴，2-捕水磨具，3-内窥镜，4-冷却与成膜机构，5-超声波发生器，6-储液杯，7-超声波振动棒；

101-端盖Ⅰ，102-垫片Ⅰ，103-电主轴外壳，104-主轴，105-电源接口Ⅰ，106-电源线Ⅰ，107-定子绕组，108-转子绕组，109-联轴器，1010-螺纹孔Ⅰ，1011-连接筒，1012-短电刷，1013-电源接口Ⅱ，1014-电源线Ⅱ，1015-电极片Ⅰ，1016-套筒，1017-变幅杆Ⅰ，1018- 圆锥滚子轴承Ⅰ，1019-螺纹孔Ⅱ，1020-螺纹孔Ⅲ，1021-垫片Ⅱ，1022-端盖Ⅱ，1023-密封圈，1024-弹簧垫圈Ⅰ，1025-螺钉Ⅰ，1026-螺纹孔Ⅳ，1027-螺纹孔Ⅴ，1028-压电陶瓷片Ⅰ， 1029-电极片Ⅱ，1030-长电刷，1031-电极片Ⅲ，1032-弹簧垫圈Ⅱ，1033-中心螺钉Ⅰ，1034- 圆锥滚子轴承Ⅱ，1035-螺钉Ⅱ，1036-弹簧垫圈Ⅲ；

201-磨具柄，202-磨头基体；

202-1-部分球体，202-2-八边形柱体，202-3-方柱状微凸体，202-4-纳米分离体膜；

301-螺钉Ⅲ，302-弹簧垫圈Ⅳ，303-镜体，304-螺钉Ⅳ，305-弹簧垫圈Ⅴ，306-光纤通道， 307-光纤通道Ⅱ，308-冷光照明光源传输光纤，309-内窥光纤，3010-荧光激发光传输光纤， 3011-图像传输光纤；

401-中心螺钉Ⅱ，402-弹簧垫圈Ⅵ，403-顶盖Ⅰ，404-球冠状换能器外壳，405-电激励信号线Ⅰ，406-电极片Ⅳ，407-进液管，408-进气管，409-高压电线，4010-电激励信号线Ⅱ，4011-平面圆片压电元件，4012-铜网公共电极，4013-静电雾化喷嘴，4014-变幅杆Ⅱ，4015- 压电陶瓷片Ⅱ，4016-电极片Ⅴ，4017-电激励信号线Ⅲ，4018-电极片Ⅵ，4019-螺钉Ⅴ，4020- 弹簧垫圈Ⅶ，4021-连接板Ⅰ，4022-螺钉Ⅵ，4023-弹簧垫圈Ⅷ，4024-螺钉Ⅶ，4025-弹簧垫圈Ⅸ，4026-连接板Ⅱ，4027-高压静电发生器，4028-注射泵，4029-纺丝介质，4030-金属电极，4031-纤维射流，4032-接收板；4033-螺钉Ⅷ，4034-弹簧垫圈Ⅹ，4035-螺钉Ⅸ，4036- 弹簧垫圈Ⅺ，4037-连接板Ⅲ，4038-连接杆；

4013-1-螺纹孔Ⅵ，4013-2-喷嘴体，4013-3-内置压缩气体通道，4013-4-压缩气体通道， 4013-5-三相流加速室，4013-6-涡流室，4013-7-高压电进线孔，4013-8-电极托盘，4013-9- 针状电极，4013-10-定位螺纹环，4013-11-旋向压缩气体通道，4013-12-螺纹孔Ⅶ，4013-13- 纳米流体入口，4013-14-压缩气体入口；

4014-1-进液通道，4014-2-进气通道；

601-空气压缩机，602-过滤器，603-储气罐，604-压力表，605-调压阀Ⅰ，606-节流阀Ⅰ， 607-涡轮流量计Ⅰ，608-储液杯Ⅰ，609-液压泵Ⅰ，6010-换向阀Ⅰ，6011-调压阀Ⅱ，6012-储液杯Ⅱ，6013-液压泵Ⅱ，6014-换向阀Ⅱ，6015-调压阀Ⅲ，6016-节流阀Ⅱ，6017-涡轮流量计Ⅱ，6018-回收箱，6019-溢流阀；

701-螺钉Ⅹ，702-弹簧垫圈Ⅻ，703-顶盖Ⅱ，704-换能器外壳，705-电激励信号线Ⅳ， 706-电极片Ⅶ，707-变幅杆Ⅲ，708-振动棒，709-压电陶瓷片Ⅲ，7010-电极片Ⅷ，7011-电激励信号线Ⅴ，7012-电极片Ⅸ，7013-弹簧垫圈ⅩⅢ，7014-中心螺钉Ⅲ。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置。

本申请的一种典型的实施方式中，图1所示为一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置总装图，包含纵扭共振旋转超声电主轴1，捕水磨具2，内窥镜3，焦距可调的超声聚焦辅助三级雾化冷却与成膜机构4，超声波发生器5，储液杯6，超声波振动棒7。纵扭共振旋转超声电主轴1可实现变幅杆的纵-扭及旋转运动，装夹捕水磨具2后在内窥镜3辅助下可安全高效对病理骨组织进行去除；冷却与成膜机构4对医用纳米流体进行气动- 超声-静电三级雾化，最终在超声聚焦作用下以液滴形式冲入磨削区进行有效冷却及润滑；同时对术后创口进行包覆，以防止创口感染；超声波振动棒7可对储液杯6中的医用纳米流体(或医用纺丝介质)进行超声波振荡，以防止纳米粒子的团聚(降低纺丝介质粘度)。其中，纵扭共振旋转超声电主轴1、冷却与成膜机构4及超声波振动棒7共用一个超声波发生器5。

如图2所示为纵扭共振旋转超声电主轴。端盖Ⅰ101和端盖Ⅱ1022起对轴承轴向定位、防尘和密封的作用，分别用螺钉Ⅱ1035、弹簧垫圈Ⅲ1036及螺钉Ⅰ1025、弹簧垫圈Ⅰ1024固定在电主轴外壳103上。由于在实际操作时磨削装置与水平方向要成一定角度，因此主轴104及变幅杆Ⅰ1017都要承受轴向和径向两个方向的力，因此装置采用圆锥滚子轴承Ⅱ1034和圆锥滚子轴承Ⅰ1018。圆锥滚子轴承Ⅱ1034由端盖Ⅰ101和主轴104轴肩定位，圆锥滚子轴承Ⅰ1018由变幅杆Ⅰ1017轴肩和端盖Ⅱ1022定位。端盖Ⅱ1022采用密封圈1023密封以防止润滑油外泄，同时还能防止外界灰尘进入电主轴中，此外密封圈1023还可以减少摩擦。垫片Ⅰ102及垫片Ⅱ1021可以调整轴承间隙、游隙，主轴104在转动过程中生热膨胀，通过垫片调整主轴的热伸长。定子绕组107与电主轴外壳103是一体的，电源接口Ⅰ105接通电源时，在电源线Ⅰ106的传导作用下定子绕组107通电产生旋转磁场，转子绕组108中有电流通过并受磁场的作用而旋转，由于主轴104与转子绕组108是一体的，从而主轴104旋转。主轴104通过联轴器109及螺纹孔Ⅰ1010与连接筒1011连接而旋转，而连接筒1011通过中心螺钉Ⅰ1033及弹簧垫圈Ⅱ1032带动电极片Ⅰ1015、电极片Ⅱ1029、电极片Ⅲ1031、压电陶瓷片Ⅰ1028、变幅杆Ⅰ1017旋转。

图3为部分超声机构示意图。电极片Ⅲ1031及电极片Ⅱ1029从连接筒1011引出后连接。工作时，超声波发生器5将交流电转换成高频电振荡信号，由电源接口Ⅱ1013及电源线Ⅱ1014通过固定在套筒1016上的短电刷1012、长电刷1030分别传递给电极片Ⅰ1015、电极片Ⅲ1031及电极片Ⅱ1029，通过压电陶瓷片Ⅰ1028将高频电振荡信号转换成轴向高频振动，但该振动振幅较小，不能满足颅骨磨削所需的振幅要求。因此，压电陶瓷片Ⅰ1028 的下端与变幅杆Ⅰ1017紧密连接，从而实现振幅的放大。最后，将经过放大的振幅传递给磨具，使磨具产生能够满足加工要求的振动。

图4为变幅杆指数段函数，简谐振动的情况下，纵向振动在变截面变幅杆中传播的波动方程：

式中：ξ为纵向振动的位移函数；k为圆波数，k＝ω/c，ω为角频率，为纵波在变幅杆中的传播速度；E为材料杨氏模量。

如图4所示，变幅杆在坐标原点(x＝0处)的横截面积为S₁，x＝l处的横截面积为S₂；而作用在变幅杆输入端(x＝0处)以及输出端(x＝l处)的力和纵波振动速度分别为F₁，ξ₁′和F₂，ξ₂′。指数形变幅杆圆截面半径的函数为：

R＝R₁e^-βx (2)

式中：N为面积函数，可求得式(1)的解为：

式中：

为了方便计算，省略去时间因子e^jωt，则应变分布的表达式：

变幅杆的边界条件为两端自由：

根据边界条件(5)以及式(3)、式(4)，可得a₁＝ξ₁，代入式(3)中，可得到质点沿轴向的位移分布方程：

根据式(6)可以得出：

把频率方程K′l＝nπ代入到式(7)中，可得到指数型变幅杆的放大系数M_P：

M_P＝e^βl＝N (8)

图5(a)、图5(b)为变幅杆Ⅰ1017矩形螺旋槽受力分析图。由图可知，通过螺旋槽可把力分解为轴向力F_L及切向力F_T，它们之间的关系：

式中：θ为螺旋槽倾斜角。

由机械振动理论可知，F_T产生扭转振动，F_L产生纵向振动。在螺旋槽处的扭矩M可表示为：

M＝∫rfdS (10)

式中：r为螺旋面上任意一点到中心轴线的距离；f为螺旋面上任意一点的切向应力；dS为 r处的微分，且：

S＝πr²-π(r-r₁)²，r₁<r<r₂ (11)

式中：r₁为螺旋槽底部到中心轴线的距离；r₂为螺旋槽顶部到中心轴线的距离。对式(11) 进行求导得：

dS＝2πr₁dr (12)

将式(12)代入式(10)得：

式(13)积分后可得：

由式(14)可知，利用螺旋槽不仅可以产生纵向振动，还可以产生扭转振动，从而实现变幅杆的纵-扭复合振动。螺旋槽可为矩形螺旋槽或圆弧形螺旋槽，也可为三角形、矩形或梯形栅栏组通槽，都可对纵波进行分解，从而激励出扭转振动。图6(a)、图6(b)为三角形栅栏组通槽变幅杆剖视图，变幅杆Ⅰ1017上端的螺纹孔与中心螺钉Ⅰ1033紧固连接，下端的螺纹孔与磨具柄201紧固连接，两螺纹连接的螺纹方向均与旋转方向相反。

如图7所示，捕水磨具2包括磨具柄201及磨头202基体。图8为磨具柄201上部，磨具柄201上端加工有螺纹，与变幅杆Ⅰ1017下端螺纹孔紧固连接。

图9为液滴在光滑平坦表面的润湿性态，β_e为液滴在光滑平坦表面的本征接触角(Young 模型)，图10及图11为液滴在粗糙表面的润湿状态，分别为Wenzel及Cassie模型。

Wenzel模型认为粗糙表面的存在使得实际固-液接触面积大于表观几何接触面积，在几何上增强了亲水性(或疏水性)。如图10所示，假设液滴始终填满表面上的凹槽结构，粗糙表面的表观接触角β*与β_e的关系：

cosβ*＝r(γ_SG-γ_SL)/γ_LG＝r cosβ_e (15)

式中：γ_SG、γ_SL、γ_LG分别为固-气、固-液、液-气接触面间表面张力；r是材料表面额粗糙度因子，为实际接触面积与表观接触面积之比，r≥1。因此，通过改变固体表面粗糙度，可以调控表观接触角，从而改变固体表面的润湿性能。

如图11，在Cassie模型中，认为液滴在粗糙表面上的接触是一种复合接触，液滴不能填满粗糙表面上的凹槽，凹中液滴下存有截留空气，从而表观上的液-固接触实际是由液-固和气-固接触共同组成，从热力学角度：

dG＝f_s(γ_SL-γ_SG)dx+(1-f_s)γ_LG dx+γ_LG dxcosβ* (16)

液滴平衡时，粗糙表面的表观接触角β*是光滑平坦表面本征接触角β_e和180°的平均值：

cosβ*＝f_s(1+cosβ_e)-1 (17)

式中：f_s为复合接触面中突起固体所占的面积分数(f_s<1)。

影响表面液滴动态行为最重要的因素是三相接触边界。如图12所示，液滴平衡时，接触角为β(状态d)；加入少量液体，固-液-气三相接触边界保持不动，接触角必然增大到β₂(状态e)；反之，如果抽取少量液体，同时保持固-液-气三相接触边界不动，接触角必然减少到β₁(状态c)。假设固-液-气三相接触边界只有3个界面张力，平衡时，状态d、e、 c均有：

处于平衡铺展位置下的液滴若想继续沿固体壁面铺展，需要克服固体对接触边界的钉扎作用。在神经外科颅骨磨削冷却过程中，不断的有冷却液进入磨削区。前一滴冷却液液滴以一定速度和角度撞击在骨表面后铺展成液膜，对冷却及润滑性效果最有利的状态是后来的液滴撞击在前一滴液滴所处位置时继续铺展，即冷却液液滴能克服粗糙骨表面对其接触边界的钉扎作用。图13、14中的虚线分别为处于Wenzel及Cassie润湿状态液滴的固-液-气三相接触边界。由图可知，Wenzel模型的液滴三相接触边界较长且连续，而Cassie模型的液滴三相接触边界较短且不连续。当三相接触边界较长且连续时，液滴沿固体壁面继续铺展需要跨越的能量势垒低，三相接触边界容易发生钉扎-去钉扎转变，因而铺展特性好；当三相接触边界较短且不连续时，液滴滞后效应明显，铺展特性差。

由于人体颅骨表面对冷却液液滴的亲/疏水性不可知且不能控制，可通过设计磨具表面微织构使磨具具有捕水性，从而提高医用纳米流体液滴的冷却及润滑性能。综合对冷却液液滴的润湿状态及固-液-气三相接触边界的分析，可知液滴撞击在磨具微织构表面后，能发生较小接触角的铺展，且能克服磨具对其接触边界的钉扎效应，即液滴润湿状态更接近Wenzel 模型，是对颅骨磨削冷却及润滑最有利的表面。而微凸体结构比微凹坑结构更有利于防止 Wenzel/Cassie润湿状态转换，更适合制备捕水磨具。

如图15所示的方柱凸体微结构表面尺寸图，微凸体尺寸为a×a，高为h，微凸体间距为b，粗糙度因子r和接触面中突起固体所占的面积分数f_s为：

引入两个三维表面特征值：σ＝b/a，τ＝h/a，将式(19)代入(15)、(17)可得到：

由式(20)可知，对于Wenzel模型，σ不变时，提高τ可以使疏水材料更疏水，亲水材料更亲水；τ不变时，降低σ可以使疏水材料更疏水，亲水材料更亲水。

由式(21)可知，对于Cassie模型，某种疏水材料一定的β_e(＞90°)，如果要提高材料的疏水性能(即更大的β*)，需要σ越大；而对于亲水材料一定的β_e(＜90°)，如果要提高材料的亲水性能(即更小的β*)，需要σ越小。

基于以上分析，设计神经外科颅骨磨削捕水磨具。磨具材料采用420b或630不锈钢，其是目前临床颅骨手术应用最广泛的材料，且其与水基液体的Young氏接触角为85°，即材料本身就有弱亲水性，对制备超亲水表面更有利。图16为捕水磨具磨头基体及剖视图，如图16所示，磨头基体202由11个八边形柱体202-2及部分球体202-1组成，八边形柱体202-2依次上下拼接，部分球体202-1设于八边形柱体的顶部，部分球体202-1与磨具柄201连接，且八边形柱体边缘与部分球体分布在在半径为R₁的圆上。

由式(20)可知，微凸体边长及间距不变时，提高微凸体高度可使纳米流体液滴更亲水，设计磨头基体微观结构如图17所示，磨具旋转速度为ω，各八边形柱体上均布方柱状微凸体202-3，凸体202-3的边缘分布在半径为R₂的圆上。微凸体202-3特征尺寸在微米级，对纳米流体液滴进行黏附的同时，还起到磨粒对骨材料进行切削的作用，方柱的棱为切削刃。微凸体通过焊接方式排布在基体表面。

通过滴铸法将水溶性聚合物和非水溶性聚合物的水性分散体施加于420b(或630)不锈钢表面并放置干燥。在干燥过程中，水溶性聚合物和非水溶性聚合物经历相分离，在420b 不锈钢形成纳米分离体并在纳米分离体上面形成非纳米分离体膜。通过用去离子水清洗去除非纳米分离体膜，可得到纳米分离体膜202-4。由于分子间重排，纳米分离体膜202-4紧紧粘附在磨头基体202表面的微凸体202-3之间。由于纳米分离体膜202-4具有超亲水性特性并具有强的捕水能力。因此，纳米厚度的纳米分离体膜202-4可将420b不锈钢表面转化为超亲水表面，同时具有捕获医用纳米流体冷却液水膜的特性。

如图18所示，顶盖Ⅰ403、压电陶瓷片Ⅱ4015、电极片Ⅳ406、电极片Ⅴ4016及电极片Ⅵ4018通过中心螺钉Ⅱ401及弹簧垫圈Ⅵ402与变幅杆Ⅱ4014紧密连接，球冠状换能器外壳404、电极片Ⅴ4016、压电陶瓷片Ⅱ4015、电极片Ⅵ4018及电极片Ⅳ406组成换能器，工作时，超声波发生器5将交流电转换成高频电振荡信号通过电激励信号线Ⅰ405、电激励信号线Ⅲ4017分别传递给电极片Ⅳ406、电极片Ⅴ4016及电极片Ⅵ4018，将高频电振荡信号转换成轴向高频振动，变幅杆Ⅱ4014与压电陶瓷片Ⅱ4015紧密连接，实现振幅的放大，以对纳米流体进行超声空化作用。球冠状换能器外壳404由螺钉Ⅴ4019及弹簧垫圈Ⅶ4020与顶盖Ⅰ403 紧密连接。

如图19及图20所示，静电雾化喷嘴4013上端加工有螺纹孔Ⅵ4013-1、螺纹孔Ⅶ4013-12，静电雾化喷嘴4013由连接板Ⅰ4021及连接板Ⅱ4026通过螺钉Ⅵ4022、螺钉Ⅶ4024及弹簧垫圈Ⅷ4023、弹簧垫圈Ⅸ4025固定在变幅杆Ⅱ4014下端。图21所示为静电雾化喷嘴剖视图，喷嘴体结构复杂不易加工制造，且要求具有一定的绝缘性能，故使用陶瓷材料通过快速成型工艺加工制造。由压缩气体入口4013-14进入的压缩气体经由内置压缩气体通道4013-3，通过旋向压缩气体通道4013-11以设定切向速度进入混合室，与由纳米流体入口4013-13进入的纳米流体混合形成高压气体、生理盐水、固体纳米粒子三相流，通过加速室4013-5加速，加速后进入涡流室4013-6在此与通过涡流室压缩气体通道4013-4进入的压缩空气形成涡流，使三相流进一步混合，然后经喷嘴体4013-2出口喷出形成雾滴。雾滴喷出后经过针状电极4013-9电晕放电的漂移区与漂移的电子碰撞从而荷电，液滴荷电后在电场力、气动力和重力作用下可控的喷向工件表面。

电极托盘4013-8由绝缘材料制成，在电极托盘4013-8上开有一个高压电进线孔4013-7。如图20所示，电极托盘4013-8沿圆周阵列8个电极插槽，将针状电极4013-9(与电极插槽过盈配合，通过绝缘材料的弹性变形力夹紧)安装在电极插槽内，用高压电线409将各针状电极4013-9串联起来，并从高压电线托盘接出通孔接出。定位螺纹环4013-10主要起到定位电极托盘4013-8的作用。

静电雾化机理：

当液滴与周围的气体之间有较高的相对速度时，液滴的分裂是由气动压力、表面张力和粘性力控制的。对于粘度较低的液体，液滴的破碎主要由气动压力和表面张力决定。大液滴所受的气动压力为0.5ρ_gΔV²，其中ρ_g是气体密度，ΔV是气液相对速度。然而，表面张力产生的内聚力将阻碍液滴发生变形破碎，内聚力可以表示为4σ/D，σ是液体固有的表面张力， D为初始液滴直径。液滴直径减小时，内聚力加大，当内聚力和气动压力造成的拉应力两者平衡时，液滴保持稳定，若两者不能互相抵消，液滴就会变形甚至破碎。根据作用在液滴上的气动力产生的拉应力和表面张力产生的内聚力两者平衡的原则，可得出无量纲数：

可知当We大于8时，液滴受力不平衡，发生变形。另外根据(22)可以求出与ΔV相对应的最大稳态液滴直径：

荷电液滴在库仑斥力的作用下，表面张力变弱，变弱后的表面张力值为：

式中：r为液滴半径；q为液滴的荷电量；ε为周围空气介电常数。从式(24)中可看出当带电量q增加时，表面张力下降，由此可知液滴表面荷电有助于雾化。此时荷电液滴的We可以表示为：

由式(25)可见，高速气流中荷电液滴的破碎与气液相对速度、气液物性参数以及充电场有密切的关系。此外，若液滴在气流中达到稳定状态，荷上静电以后，We数增大，液体表面张力减小，不足以抵抗气动压力，液滴将进一步发生变形、破碎，所以在气液参数相同的情况下，荷上静电后雾滴粒径更小，从而达到细化雾滴颗粒的目的；同时液滴表面相同的电荷，可保证液滴的分布更加均匀。因此，该装置可实现气动及超声雾化后再由静电雾化，共经三级雾化，最终得到分布均匀的超细液滴。

如图21所示，围绕中心的同心圆r₁、r₂、r₃、r₄、r₅上分别分布8、16、24、32、40个圆形小孔，圆形小孔内嵌套粘结平面圆片压电元件4011，所有平面圆片压电元件4011直径、厚度都相同。在平面圆片压电元件4011下端覆盖有铜网公共电极4012，用胶黏剂将铜网公共电极4012与所有平面圆片压电元件4011粘结，并采用压力台压紧球冠状部分的底面，使得铜网公共电极4012与平面圆片压电元件4011的粘接端平整。半径分别为r₁、r₂、r₃、r₄、 r₅的圆上的所有平面圆片压电元件4011上表面用电激励信号线Ⅱ4010接为一路，并由一路电源单独激励，形成一条支路。

Westervelt声波传播方程式为：

式中：为拉普拉斯算子；p为声压；c₀和ρ₀分别为介质的声速和密度；β＝1+B/(2A)为声波非线性系数，B/A为流体介质的非线性系数；δ＝2c₀ ³α/ω²为声波扩散系数；α为吸收系数；ω＝2πf 为角频率；f为频率。

采用时域有限差分法对式(26)进行中心差分，差分方程式为：

其中，

i，j，k分别为直角坐标系下x、y、z三个坐标轴方向的坐标；dx、dy、dz分别表示x、y、z三个坐标轴方向的空间步长；dt为时间步长；n为计算时刻。

如图22所示，在目标焦点S处设置正弦函数点生源S₀(t)，数值仿真得到传到相控阵编号为m阵元中心点的声压信号S_0m(t)，将该信号按时间序列进行反转后，得到对应阵元m的信号 S_0m(T-t)。利用最小二乘函数拟合计算一段时间内S_0m(T-t)的相对初始相位延迟Δt_m，然后以同一输入声强对正弦信号幅值进行调制，阵元m的激励信号为：

S_0m(t)＝P₀sin(ω(t+Δt_m)) (28)

通过对阵元激励信号进行调控实现各阵元相位的调控，使得各阵元到达空间某点(设定焦点)的声束具有相同的相位，通过控制声束形状、声压分布、声束角度，最终实现焦点尺寸及位置的连续、动态可调。

图18所示为三级雾化焦距可调的超声聚焦喷嘴剖视图，图23是纺丝原理图，如图所示，纺丝介质4029为聚合物溶液或熔体，其装在注射泵4028中，并插入一个金属电极4030。该电极与高压静电发生器4027相连，使液体带电。接地的接收板4032作为阴极。电场未启动时，由注射泵4028给活塞一个连续恒定的推力，注射泵4028中的纺丝介质4029以固定速率被挤出到针头上。当高压电场未开启时，纺丝液在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口。电场开启时，聚合物溶液表面会产生电荷，电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会产生一种与表面张力相反的力。电压不够大时，液滴表面的表面张力将阻止液滴喷出而保持在喷嘴处。当外加的电压增大时，即将滴下的液滴半球型表面就会扭曲成一个锥体，继续加大外加电压，当电压超过某一临界值时，溶液中带电部分克服溶液的表面张力形成一股带电的喷射流从喷嘴处喷出。在电场的作用下，当纤维射流 4031被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流4031的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。高压静电发生器4027通常情况下选用5～20kV的高压，此外，正电压场有利于纤维表面电荷的释放，而负电压场能提供较为稳定的电场力，两者对不同的聚合物静电雾化成膜有着不同影响。

静电纺丝基本理论：

当带电液滴被引入电场后，电荷聚集在液滴表面，从而产生一个驱使液滴向外分裂的电荷斥力(表示为带电液滴表面的静电压力P_E＝σ²/2ε₀，与液滴表面电荷密度σ和真空中介电常数ε₀有关)，它与液滴表面的倾向于使液滴收缩的表面张力(表示为喷头末端液体表面张力γ，和液滴半径R有关的压力P_C＝2γ/R)形成一种非稳态的平衡，这个平衡可以用下式表示：

ΔP＝2γ/R-e²/(32ε₀π²R⁴) (29)

式中，e-液滴所带的总电荷；R-液滴半径。

可以看出，当液滴半径减小(电荷密度增加)时，由静电产生的压力就会增加。当液滴表面产生的张力与静电斥力相等时，处于电场中的带电液滴达到平衡，假设此时带电液滴的直径为D，换算成液滴表面的电荷密度，可以得到下式：

式中，M-液滴的质量。

当电荷斥力超过这个极限时，喷头末端的液滴就会分裂成多个小液滴，形成静电雾化现象。这个液滴稳定的极限称之为“瑞利稳定极限”。假设液体射流为圆柱形，那么“瑞利稳定极限”的条件可以用下式表示：

ΔP＝γ/R-τ²/(8ε₀π²R⁴) (31)

式中，τ-液体射流长度单位所带的电荷，换算成射流表面的电荷密度为：

从上式可以看出，达到“瑞利稳定极限”的条件时，在泰勒锥表面形成圆柱形射流所需的电荷比静电雾化要小，这种特例就是静电纺丝。

从泰勒锥顶端喷射出射流的临界电压的计算公式为：

V²c＝(4H²/L²)·[ln(2L/R)-1.5]·(0.117πγR₀) (33)

式中：H-两电极之间的距离；L-喷头伸出极板的距离；R-悬滴的半径；R₀-喷头半径。

悬垂液滴表面受到的力主要有电场力、黏应力、流体静压力差以及表面张力引起的压力差。当悬垂液滴表面的切向电场力大于切向黏应力时，形成单射流或多射流；反之，形成液滴。

如图19所示，当储液杯6中储有医用纳米流体时，可实现对纳米流体气动及超声雾化后再进行静电雾化，得到分布均匀的超细液滴，对磨削区进行有效冷却及润滑；当储液杯6中储有应用于创伤敷料的静电纺丝体系时，同理可得到超细纤维，对术后创口进行包覆。图24 所示为该装置的液路及气路系统图，冷却与成膜机构的液路(纳米流体)由储液杯Ⅰ608、液压泵Ⅰ609、调压阀Ⅱ6011、节流阀Ⅱ6016、涡轮流量计Ⅱ6017依次连接组成；成膜装置的液路(纺丝介质)由储液杯Ⅱ6012、液压泵Ⅱ6013、调压阀Ⅲ6015、节流阀Ⅱ6016、涡轮流量计Ⅱ6017依次连接组成；气路由空气压缩机601、过滤器602、储气罐603、调压阀Ⅰ605、节流阀Ⅰ606、涡轮流量计Ⅰ607依次连接组成。工作时，启动液压泵，储存在储液罐中的流体经流体调压阀、流体节流阀和涡轮流量计进入到喷嘴体4013-2的纳米流体入口4013-13。溢流阀6019起到安全阀的作用，当液路中的压力超过调定压力时，溢流阀6019打开，使冷却剂经溢流阀6019流回到回收箱6018中。纳米流体(或纺丝介质)从涡轮流量计Ⅱ6017流出后进入进液管407(图18)，通过变幅杆Ⅱ4014内置进液通道4014-1(图19)进入喷嘴体内置纳米流体入口4013-13(图20)，经三级雾化后从喷嘴体4013-2喷出。

启动液压泵的同时，启动空气压缩机601，高压气体经过滤器602、储气罐603、气体调压阀Ⅰ605、气体节流阀Ⅰ606和气体涡轮流量计Ⅰ607进入到喷嘴体4013-2的压缩气体入口4013-14，压力表604监测气路中的压力值。压缩气体从涡轮流量计Ⅰ607流出后进入进气管408(图18)，通过变幅杆Ⅱ4014内置进气通道4014-2(图19)进入喷嘴体内置压缩气体入口4013-14(图20)，与纳米流体混合后从喷嘴体4013-2喷出。

手术过程中，换向阀Ⅱ6014处于常态位，储液杯Ⅱ6012液路不通；换向阀Ⅰ6010处于工作位，储液杯Ⅰ608液路正常工作；手术结束后，关闭换向阀Ⅰ6010，打开换向阀Ⅱ6014，储液杯Ⅱ6012液路工作。通过调节气路和液路中的调压阀、节流阀和流量计，纳米流体(或纺丝介质)和高压气体的压力、流量可根据需要达到最优的微量润滑效果。

如图25所示，连接杆4038一端焊接在顶盖Ⅰ403上，一端焊接在连接板Ⅲ4037上。电主轴外壳103上加工有螺纹孔Ⅳ1026、螺纹孔Ⅴ1027，冷却与成膜机构由螺钉Ⅷ4033、弹簧垫圈Ⅹ4034、螺钉Ⅸ4035、弹簧垫圈Ⅺ4036、连接板Ⅲ4037、连接杆4038固定在电主轴外壳103 上。

图26为超声振动棒半剖图，中心螺钉Ⅲ7014及弹簧垫圈ⅩⅢ7013将顶盖Ⅱ703、压电陶瓷片Ⅲ709、电极片Ⅶ706、电极片Ⅷ7010、电极片Ⅸ7012紧固连接，换能器外壳704通过螺钉Ⅹ701及弹簧垫圈Ⅻ702固定在顶盖Ⅱ703上。工作时，超声波发生器5将交流电转换成高频电振荡信号通过电激励信号线Ⅳ705、电激励信号线Ⅴ7011分别传递给电极片Ⅶ706、电极片Ⅷ7010及电极片Ⅸ7012，将高频电振荡信号转换成轴向高频振动，并由变幅杆Ⅲ707实现振幅的放大。变幅杆Ⅲ707与振动棒708通过螺纹紧固连接，将放大后的振动传递给振动棒708，对储液杯6中的医用纳米流体(或医用纺丝介质)进行超声波振荡。

超声波振动棒7对储液杯6中的纺丝体系进行超声波振荡，不仅能够有效降低静电纺丝溶液和熔体的粘度，扩大装置的静电可纺浓度范围，而且还可有效减小纤维的直径，降低纤维的结构缺陷，从而提高纺丝纤维的机械性能。如图21所示，在纤维成型时施加一定功率的超声波，可以使纤维在喷射流的作用下被拉伸达到进一步细化的目的，同时超声波作用可以改善聚合物溶液的流动性，提高可纺性，加快纤维的凝固成型过程。

利用纵扭共振旋转超声电主轴1实现变幅杆的纵-扭及旋转运动，装夹捕水磨具2后在内窥镜3辅助下可安全高效对病理骨组织进行去除；冷却及成膜4对纳米流体进行气动-超声-静电三级雾化，最终在超声聚焦作用下以液滴形式冲入磨削区进行有效冷却及润滑；术后对创口进行包覆，以防止创伤面感染。

图27所示为内窥镜在电主轴外壳中的安装图。电主轴外壳103上加工有螺纹孔Ⅱ1019、螺纹孔Ⅲ1020，镜体303由螺钉Ⅲ301、弹簧垫圈Ⅳ302、螺钉Ⅳ304、弹簧垫圈Ⅴ305固定在电主轴外壳103上，电主轴外壳103内部有光纤通道Ⅱ307，镜体303内部有光纤通道Ⅰ306。图28所示为镜体内部剖视图，镜体内设有各自独立的冷光照明光源传输光纤308、内窥光纤 309、荧光激发光传输光纤3010、图像传输光纤3011，荧光激发光可激发肿瘤组织发射出相应波长的荧光，该荧光发射光经内窥光纤309、图像传输光纤3011，通过目镜可以看到荧光发射光，从而准确识别出肿瘤组织。图像传输光纤3011接到监视器上，便于运用操作手术器械在光纤照明下对可识别的组织进行切除达到治疗目的。由于内窥镜3是与纵扭共振旋转超声电主轴1是紧密连接的，外科医生在内窥镜3辅助下可实时方便灵活实现任意位姿的操作，实现颅底肿瘤的柔性去除。

本方案具体工作过程如下：

一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，纵扭共振旋转超声电主轴1可实现磨具的纵-扭及旋转运动，有利于骨屑及时排出且磨削效率高；磨具为捕水磨具2，磨头磨粒采用方柱状微凸体规则排布，且磨头基体表面经处理得到具有强捕水能力的纳米分离体膜，同时具有超亲水及捕水性能，从而增强磨削区对流换热；冷却与成膜机构4将医用纳米流体冷却液气动-超声-静电三级雾化后得到超细液滴，利用超声聚焦作用将纳米流体液滴注入磨具/骨楔形约束空间，有效对磨削区进行冷却润滑；手术结束后将应用于创伤敷料的纺丝体系三级雾化后以纺丝纤维的形式喷在术后创伤面，实现对磨削创伤面的雾化成膜保护处理。用一种装置就可以实现内窥镜下对颅底肿瘤的磨除、术中冷却及术后创口成膜，集成度高，磨除效率高，且磨削温度低，即用一种装置就可实现生物骨的低损伤可控磨削。

使用该装置时，圆锥滚子轴承Ⅱ1034由端盖Ⅰ101和主轴104轴肩定位，按定位位置将圆锥滚子轴承Ⅱ1034安装在104主轴一端。通过1033中心螺钉Ⅰ、1032弹簧垫圈Ⅱ将各电极片、压电陶瓷片安装在1011连接筒内，再通过联轴器109、螺纹孔Ⅰ1010将连接筒1011与主轴104连接。端盖起对轴承轴向定位、防尘和密封的作用，通过弹簧垫圈Ⅲ1036、-螺钉Ⅱ1035 将端盖Ⅰ101安装在电主轴外壳103顶端，按定位位置将组装好的主轴104与连接筒1011安装在电主轴外壳103内，并按定位位置将套筒1016安装在电主轴外壳103内。圆锥滚子轴承Ⅰ1018由变幅杆Ⅰ1017轴肩和端盖Ⅱ1022定位，按定位位置将圆锥滚子轴承Ⅰ1018安装在变幅杆Ⅰ1017一端，并通过螺纹连接将制备好的捕水磨具2安装在变幅杆Ⅰ1017末端。通过变幅杆Ⅰ1017顶端的螺纹孔将变幅杆Ⅰ1017与电主轴外壳103内中心螺钉Ⅰ1033末端连接。涂覆润滑脂后通过螺钉Ⅰ1025、弹簧垫圈Ⅰ1024将端盖Ⅱ1022安装在电主轴外壳103末端。变幅杆Ⅰ1017上端的螺纹孔与中心螺钉Ⅰ1033紧固连接，下端的螺纹孔与磨具柄201紧固连接，两螺纹连接的螺纹方向均与旋转方向相反，可保证连接紧固性。

围绕球冠状换能器外壳404中心的同心圆r₁、r₂、r₃、r₄、r₅上分别加工均布的8、16、24、 32、40个圆形小孔，圆形小孔内嵌套粘结平面圆片压电元件4011，所有平面圆片压电元件4011 直径、厚度都相同。用胶黏剂将铜网公共电极4012与所有平面圆片压电元件4011下端粘结，并采用压力台压紧球冠状部分的底面，使得铜网公共电极4012与平面圆片压电元件4011的粘接端平整。利用螺钉Ⅵ4022、弹簧垫圈Ⅷ4023、螺钉Ⅶ4024、弹簧垫圈Ⅸ4025及连接板Ⅰ4021 将静电雾化喷嘴4013安装在变幅杆Ⅱ4014末端。球冠状换能器外壳404、电极片Ⅴ4016、压电陶瓷片Ⅱ4015、电极片Ⅵ4018及电极片Ⅳ406组成换能器，将顶盖Ⅰ403、各电极片、压电陶瓷片依次叠装好后与变幅杆Ⅱ4014一起通过中心螺钉Ⅱ401、弹簧垫圈Ⅵ402安装在换能器上，并通过弹簧垫圈Ⅶ4020及螺钉Ⅴ4019进行紧固。分别将各电激励信号线Ⅱ4010及进液管 407、进气管408、高压电线409连接到相应位置，最后利用连接杆4038将组装好的冷却与成膜机构焊接在电主轴外壳103上。

手术开始前，同时启动电源接口Ⅰ105、电源接口Ⅱ1013及超声波发生器5，待捕水磨具2稳定旋转、纵扭振动时，打开换向阀Ⅰ6010，冷却与成膜机构工作，医用纳米流体以液滴射流的形式从喷嘴体4013-2喷出进入磨削区进行高效冷却润滑，打开内窥镜系统3，在内窥镜辅助下开始手术。磨削结束后，关闭换向阀Ⅰ6010，打开换向阀Ⅱ6014，成膜装置工作，利用纺丝纤维对术后创口进行包覆。手术结束后，关闭所有电源，将捕水磨具2卸下，对设备进行消毒并妥善保管。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，包括：

主轴，可旋转设置；

用于磨削生物骨的捕水磨具，主轴通过超声振动机构与捕水磨具连接，在主轴及超声振动机构带动下，捕水磨具实现纵向运动及旋转运动；

冷却及成膜机构，设于捕水磨具的一侧与超声振动机构中超声波发生器连接，底部设置与医用纳米流体储液杯连接的喷嘴，喷嘴内还可通入压缩气体，以对医用纳米流体进行气动-超声雾化后，以液滴形式冲入磨削区进行有效冷却及润滑；

内窥镜，设于捕水磨具的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述冷却及成膜机构包括换能器外壳，换能器外壳内设置变幅杆Ⅱ，变幅杆Ⅱ顶部设置四层压电陶瓷片Ⅱ，相邻两层压电陶瓷片Ⅱ之间设置与所述超声波发生器连接的电极片。

3.根据权利要求2所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述变幅杆Ⅱ内部设置进液通道与进气通道，进液通道与所述喷嘴的纳米流体入口相通，进气通道与喷嘴的压缩气体入口相通；

或者，喷嘴内设置纳米流体通道与压缩气体通道，在喷嘴内还设置与纳米流体通道相通的内置压缩气体通道，纳米流体通道底部设置加速室，压缩气体通道与加速室连通；

或者，加速室包括两个相通的缩径段，第一缩径段与第二缩径段均呈倒圆台状，第二缩径段通过圆筒段与第三段连接，第三段为涡流室。

4.根据权利要求1所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述喷嘴内侧设置由电极托盘支撑的电极，电极与高压静电发生器连接以将喷嘴处的医用纳米流体液滴荷电，进一步细化纳米流体。

5.根据权利要求2所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述换能器外壳底部呈半球面结构，在该球面结构内侧设置多个与所述超声波发生器连接的圆片压电元件，在圆片压电元件表面设置铜网公共电极；

或者，圆片压电元件以多个同心圆的方式布置在同心圆圆周。

6.根据权利要求1所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述捕水磨具包括磨具柄，在磨具柄底部设置球形磨头基体，磨头基体表面设置多个方柱状微凸体，在磨头基体表面的微凸体之间粘附有纳米分离体膜。

7.根据权利要求1所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述储液杯内设置超声振动棒，超声振动棒与所述的超声波发生器连接。

8.根据权利要求4所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述主轴设于电主轴外壳内，主轴外表圆周设置转子绕组，电主轴外壳内设置与转子绕组对应的定子绕组；

或者，电主轴外壳内设置内部有光纤通道Ⅱ，内窥镜镜体内部有与光纤通道Ⅱ相通的光纤通道Ⅰ。

9.根据权利要求8所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述主轴通过联轴器与连接筒连接，连接筒底部设置压电陶瓷片Ⅰ，在电主轴外壳内侧设置套筒，套筒内设置与各个电极片分别连接的电刷。

10.根据权利要求1所述的一种静电雾化超声波辅助生物骨低损伤可控磨削装置，其特征在于，所述超声振动机构包括四层压电陶瓷片Ⅰ，相邻两层压电陶瓷片Ⅰ之间设置与所述超声波发生器连接的电极片，底层压电陶瓷片Ⅰ通过变幅杆Ⅰ与所述的捕水磨具顶部连接；变幅杆Ⅰ表面设置螺旋槽。