基本信息
- 项目名称：
- 微型振动医用刀的设计与优化
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本发明是从蚊子口针的微观结构及其吸血过程的研究中受到启发，依据仿生学原理和力学机理设计制作而成，然后通过大量的实验，验证了该医用刀的优越性，并对其进行了进一步的仿生优化设计。为其在医学器械等领域的应用奠定了基础。 本发明已申请国家发明专利，受理号为：2009103017431。
- 详细介绍：
- 本发明依据蚊子口针下颚锯齿结构及振动刺入皮肤的特点，对目前传统手术刀进行了两大改进，一是刀头的刀刃具有微锯齿，二是引入振动机构。通过实验，发现振动情况下有锯齿刀刃的刀头比无锯齿刀刃的刀头相比可省力40%，有振动情况与无振动情况相比可省力高达90%，极大地改善了切削效果，解决了手术时用力过小，手术点切不开，用力过大，手术目标容易发生移动或不必要损伤的矛盾。 本项目还通过实验对本发明所涉及的参数进行了优化，结果为：在振动切割的条件下，振动幅值以2mm、3mm等为宜，振动频率宜控制在15Hz-30Hz之间切削效果较好，刀具向下的切削速度在50mm/min-80mm/min之间为理想值。对于本实验所采用的锯齿刀，锯齿的高度与锯齿的宽度对实验切削效果的影响较小，但宽度不宜过大。 本发明不仅具有省力、可控性强、与手术目标间连带作用小等优点，而且能在很大程度上减小人工操作的误差，甚至可以降低对切割刀具材料强度的要求。而这一思想理论也可望在除细胞手术、鼻内手术等微创手术外的微纳制造、原子切割等领域中获得应用。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的：通过对蚊子口针结构及吸血过程的透彻研究，发现了蚊子口针的“微纳米锯齿”结合“振动刺入”使其在刺入皮肤时超级省力，比普通微针刺入力小三个数量级。若将蚊子口针的“微纳米锯齿”结构和“振动刺入”机理应用到微型手术刀上，不但可以使手术用力减小而且能将手术目标在准确位置精准切开。 基本思路：利用仿生学及蚊子口针刺入皮肤的力学原理制作一款微型振动医用刀，该医用刀具有微锯齿并具备振动控制功能，目前的实验发现切削力可以减少90%，若进行进一步的仿生优化设计，将锯齿结构尺寸实现纳米量级，可望在细胞间手术等更精致的手术上获得应用，并且本设计思想可应用到微纳加工等其它领域。 创新点： 1、该医用刀具有微锯齿，可减小与手术目标间的接触面积，减小连带作用； 2、该医用刀具备振动控制功能，能减小切削阻力，使手术用力小，避免用力过大导致被切割目标移动或发生不必要的损伤； 3、该医用刀结构简单，操作方便，可有效降低手术风险系数，减小人工操作误差； 关键技术和主要性能指标：该医用刀与普通的医用刀相比，具有微米级锯齿结构，并且具备振动控制机构。其中锯齿的相关参数范围为：锯齿宽度w范围:25nm～500μm；锯齿高度h范围:100nm～100μm；锯齿前角角度α范围：25°～155°；锯齿后角角度β范围：25°～155°。振动机构的振动频率可选范围为：1Hz～50Hz。
科学性、先进性
- 经过大自然的优胜劣汰，昆虫的许多组织和器官都进行了不断的进化和优化，本作品就是从蚊子的口针结构及其刺入皮肤过程中受到的启发，该作品的先进性在于提出了新的思想及实例，设计制作的微锯齿振动医用刀，虽然只是增加了微锯齿结构和振动机构，但却使得刺入力减小了90%，对于神经、血管或者眼科手术，解决了将手术点精准切开需要对微型刀加力，用力太小手术点切不开，用力过大使被切割目标移动或发生不必要损伤的矛盾。同时，若应用于微针等尺寸较小的器具，将有效地降低对刀具材料强度的要求。
获奖情况及鉴定结果
- 本项目研究成果微纳米锯齿振动手术刀已通过大连理工大学专利中心申请国家发明专利，参赛者邵祝涛为第一发明人，目前该专利尚在审理中，由于发明专利实质审查时间比较长，为防止在专利审批过程中这一思想理念的泄露，尚未投稿发表论文。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1、模型 2、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：手术前选用合适参数的微锯齿振动医用刀刀头，安装12V干电池按下开关便可工作，其它使用方法与普通的医用刀基本相同。 技术特点和优势：该医用刀具有微锯齿结构，并具备振动控制机构，能够使手术时的刺入力减小近90%，增强了手术的可控性和安全性，使医生在微创外科手术中更加得心应手。 适应范围及推广前景：该微型手术刀可望直接应用于神经、血管或者鼻内、眼科手术，研究成果及其相关科学原理有望应用于外科医学、医药传输、微纳制造和MEMS等高科技技术领域，为仿生制造揭示了一个全新的生物微纳锯齿结构和振动刺切原理。 市场分析和经济效益预测：由于该种医用手术刀可以节省切削力90%，将在很大程度上降低刀具材料强度的要求，节约生产成本，同时，使用很小的力就可以将手术点精确切开，提高了手术的安全性，甚至可以减轻病人的痛苦。
同类课题研究水平概述
- 关于蚊子口针的微观结构已经有很长的研究历史。主要是生物学家和医学家在此领域做了大量的观察，生物学家主要研究蚊子的生存和繁殖规律，医学家主要研究蚊子叮人给人类带来的痛苦和疾病传播以及预防措施。进年来才有些国外学者进行蚊子口针结构、失稳等相关研究,但这些研究仅停留在表面观察的形态学研究上，关于蚊子刺入皮肤吸血过程的生物力学问题研究，尤其是微纳锯齿针的作用机理及特殊效用研究几乎是空白。 现代手术刀包括高频电刀、激光手术刀、超声手术刀等，针对不同类型的手术，它们都有各自的优点，比如激光对生物组织有热凝固效应，可减小切口出血，对于切骨手术使用激光刀，就可以减轻医生的劳动强度和病人的痛苦。超声手术刀具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点。目前主要应用于切割与凝血、切骨等方面。其它手术刀在此不一一列举。然而，在应用过程中，现代手术刀都存在着一定的弊端，如有些会灼伤组织，有些存在加工工艺和造价的问题等。 目前很多外科医生过多地依赖于先进的电子器械,却忽略了传统手术刀在外科手术中的重要作用,而只有在“划皮”时才想到它。其实传统手术刀已经经过了一段历史演变,大圆刀、小圆刀、尖头刀、锐性手术刀、钝性手术刀等每种手术刀依据形状、大小的不同,都有不同的使用范围。普通手术刀始终是外科手术过程中不可或缺的重要工具,能否熟练使用这些手术刀,反映了一名外科医生的基本技能,也直接影响着手术的效果。例如在恶性肿瘤清扫根治手术中,熟练使用小圆刀可以明显提高淋巴结和脂肪组织的清扫速度和效果,而且可以避免电刀引起组织损伤、脂肪液化等问题。所以我们绝对不能忽视普通手术刀在外科手术中的重要作用。 对于医用刀的刀片，目前临床应用的传统手术刀，只是在刀片形状上作改变，而没有对刀片刀刃做出实质性的改变，若增加微纳米锯齿与振动机构，将减小手术刀或微针刺入皮肤的刺入力，从而可以降低对材料强度的苛刻要求。对于一些用于微观切割的探头，若作上述改进，可以达到可观的效果。
