基本信息
- 項目名稱：
- 微型振動醫(yī)用刀的設計與優(yōu)化
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本發(fā)明是從蚊子口針的微觀結構及其吸血過程的研究中受到啟發(fā)，依據(jù)仿生學原理和力學機理設計制作而成，然后通過大量的實驗，驗證了該醫(yī)用刀的優(yōu)越性，并對其進行了進一步的仿生優(yōu)化設計。為其在醫(yī)學器械等領域的應用奠定了基礎。 本發(fā)明已申請國家發(fā)明專利，受理號為：2009103017431。
- 詳細介紹：
- 本發(fā)明依據(jù)蚊子口針下顎鋸齒結構及振動刺入皮膚的特點，對目前傳統(tǒng)手術刀進行了兩大改進，一是刀頭的刀刃具有微鋸齒，二是引入振動機構。通過實驗，發(fā)現(xiàn)振動情況下有鋸齒刀刃的刀頭比無鋸齒刀刃的刀頭相比可省力40%，有振動情況與無振動情況相比可省力高達90%，極大地改善了切削效果，解決了手術時用力過小，手術點切不開，用力過大，手術目標容易發(fā)生移動或不必要損傷的矛盾。 本項目還通過實驗對本發(fā)明所涉及的參數(shù)進行了優(yōu)化，結果為：在振動切割的條件下，振動幅值以2mm、3mm等為宜，振動頻率宜控制在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。對于本實驗所采用的鋸齒刀，鋸齒的高度與鋸齒的寬度對實驗切削效果的影響較小，但寬度不宜過大。 本發(fā)明不僅具有省力、可控性強、與手術目標間連帶作用小等優(yōu)點，而且能在很大程度上減小人工操作的誤差，甚至可以降低對切割刀具材料強度的要求。而這一思想理論也可望在除細胞手術、鼻內手術等微創(chuàng)手術外的微納制造、原子切割等領域中獲得應用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的：通過對蚊子口針結構及吸血過程的透徹研究，發(fā)現(xiàn)了蚊子口針的“微納米鋸齒”結合“振動刺入”使其在刺入皮膚時超級省力，比普通微針刺入力小三個數(shù)量級。若將蚊子口針的“微納米鋸齒”結構和“振動刺入”機理應用到微型手術刀上，不但可以使手術用力減小而且能將手術目標在準確位置精準切開。 基本思路：利用仿生學及蚊子口針刺入皮膚的力學原理制作一款微型振動醫(yī)用刀，該醫(yī)用刀具有微鋸齒并具備振動控制功能，目前的實驗發(fā)現(xiàn)切削力可以減少90%，若進行進一步的仿生優(yōu)化設計，將鋸齒結構尺寸實現(xiàn)納米量級，可望在細胞間手術等更精致的手術上獲得應用，并且本設計思想可應用到微納加工等其它領域。 創(chuàng)新點： 1、該醫(yī)用刀具有微鋸齒，可減小與手術目標間的接觸面積，減小連帶作用； 2、該醫(yī)用刀具備振動控制功能，能減小切削阻力，使手術用力小，避免用力過大導致被切割目標移動或發(fā)生不必要的損傷； 3、該醫(yī)用刀結構簡單，操作方便，可有效降低手術風險系數(shù)，減小人工操作誤差； 關鍵技術和主要性能指標：該醫(yī)用刀與普通的醫(yī)用刀相比，具有微米級鋸齒結構，并且具備振動控制機構。其中鋸齒的相關參數(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°。振動機構的振動頻率可選范圍為：1Hz～50Hz。
科學性、先進性
- 經(jīng)過大自然的優(yōu)勝劣汰，昆蟲的許多組織和器官都進行了不斷的進化和優(yōu)化，本作品就是從蚊子的口針結構及其刺入皮膚過程中受到的啟發(fā)，該作品的先進性在于提出了新的思想及實例，設計制作的微鋸齒振動醫(yī)用刀，雖然只是增加了微鋸齒結構和振動機構，但卻使得刺入力減小了90%，對于神經(jīng)、血管或者眼科手術，解決了將手術點精準切開需要對微型刀加力，用力太小手術點切不開，用力過大使被切割目標移動或發(fā)生不必要損傷的矛盾。同時，若應用于微針等尺寸較小的器具，將有效地降低對刀具材料強度的要求。
獲獎情況及鑒定結果
- 本項目研究成果微納米鋸齒振動手術刀已通過大連理工大學專利中心申請國家發(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)明專利實質審查時間比較長，為防止在專利審批過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
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 1、模型 2、圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：手術前選用合適參數(shù)的微鋸齒振動醫(yī)用刀刀頭，安裝12V干電池按下開關便可工作，其它使用方法與普通的醫(yī)用刀基本相同。 技術特點和優(yōu)勢：該醫(yī)用刀具有微鋸齒結構，并具備振動控制機構，能夠使手術時的刺入力減小近90%，增強了手術的可控性和安全性，使醫(yī)生在微創(chuàng)外科手術中更加得心應手。 適應范圍及推廣前景：該微型手術刀可望直接應用于神經(jīng)、血管或者鼻內、眼科手術，研究成果及其相關科學原理有望應用于外科醫(yī)學、醫(yī)藥傳輸、微納制造和MEMS等高科技技術領域，為仿生制造揭示了一個全新的生物微納鋸齒結構和振動刺切原理。 市場分析和經(jīng)濟效益預測：由于該種醫(yī)用手術刀可以節(jié)省切削力90%，將在很大程度上降低刀具材料強度的要求，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時，使用很小的力就可以將手術點精確切開，提高了手術的安全性，甚至可以減輕病人的痛苦。
同類課題研究水平概述
- 關于蚊子口針的微觀結構已經(jīng)有很長的研究歷史。主要是生物學家和醫(yī)學家在此領域做了大量的觀察，生物學家主要研究蚊子的生存和繁殖規(guī)律，醫(yī)學家主要研究蚊子叮人給人類帶來的痛苦和疾病傳播以及預防措施。進年來才有些國外學者進行蚊子口針結構、失穩(wěn)等相關研究,但這些研究僅停留在表面觀察的形態(tài)學研究上，關于蚊子刺入皮膚吸血過程的生物力學問題研究，尤其是微納鋸齒針的作用機理及特殊效用研究幾乎是空白。 現(xiàn)代手術刀包括高頻電刀、激光手術刀、超聲手術刀等，針對不同類型的手術，它們都有各自的優(yōu)點，比如激光對生物組織有熱凝固效應，可減小切口出血，對于切骨手術使用激光刀，就可以減輕醫(yī)生的勞動強度和病人的痛苦。超聲手術刀具有出血少、對周圍組織傷害少、術后恢復快等特點。目前主要應用于切割與凝血、切骨等方面。其它手術刀在此不一一列舉。然而，在應用過程中，現(xiàn)代手術刀都存在著一定的弊端，如有些會灼傷組織，有些存在加工工藝和造價的問題等。 目前很多外科醫(yī)生過多地依賴于先進的電子器械,卻忽略了傳統(tǒng)手術刀在外科手術中的重要作用,而只有在“劃皮”時才想到它。其實傳統(tǒng)手術刀已經(jīng)經(jīng)過了一段歷史演變,大圓刀、小圓刀、尖頭刀、銳性手術刀、鈍性手術刀等每種手術刀依據(jù)形狀、大小的不同,都有不同的使用范圍。普通手術刀始終是外科手術過程中不可或缺的重要工具,能否熟練使用這些手術刀,反映了一名外科醫(yī)生的基本技能,也直接影響著手術的效果。例如在惡性腫瘤清掃根治手術中,熟練使用小圓刀可以明顯提高淋巴結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、脂肪液化等問題。所以我們絕對不能忽視普通手術刀在外科手術中的重要作用。 對于醫(yī)用刀的刀片，目前臨床應用的傳統(tǒng)手術刀，只是在刀片形狀上作改變，而沒有對刀片刀刃做出實質性的改變，若增加微納米鋸齒與振動機構，將減小手術刀或微針刺入皮膚的刺入力，從而可以降低對材料強度的苛刻要求。對于一些用于微觀切割的探頭，若作上述改進，可以達到可觀的效果。
