王震等：临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 ·713· 60~800r·min1B刚.大多数研究者给出的结论是 ni等B阅、Li等提出钻削温度随着进给速度的增 转速增大将会导致钻削温度升高0,9-列，不过只 加而降低.而Lee等P四和Alam等B对牛股骨的钻 有在转速低于4000r·min-1时的低速钻孔时适用. 削中发现较高的进给速度会导致温度升高23，.甚 当转速较高时不具备普适性.只有Udiljak等的研 至Lee等Ps,刘在前后研究中得出了相反的结论.钻 究发现转速对钻削力影响不大0.进给速度是影 孔深度的增加意味着钻头和骨组织接触的时间增 响钻削热的另一个重要参数.进给速度增大时，钻 加，因此摩擦生热增多，温度升高.Lee等在对牛 削相同厚度的骨所用时间更短，传递给骨组织的热 股骨皮质骨钻孔时，将钻孔深度由6提高到7mm, 量减少；另一方面，进给速度增大使得钻削施加的轴 检测到最高温度升高了将近48.5%，由此可见钻孔 向力增大，钻头和骨组织间摩擦增大，温度升高和钻 深度对钻削温度的影响很明显 头磨损加剧。因此，确定最优进给速度使钻削力不 鉴于降低力热损伤在保证临床钻骨手术方面的 至太大，钻削时间尽可能缩短就显得尤为重要.以 重要性，人们对面向康复医疗手术的骨钻削机理开 上由于实验条件差异，研究者没有得出一致性结论. 展了广泛深入的研究，表1给出了近年来骨钻削的 Karaca等、Augustin等o、Udiljak等Bo、Lughma- 研究概述.由表可知相关研究大多集中在骨钻削的 表1近年来钻削研究概述 Table 1 Overview of recent bonedrilling research 时间 研究者 材料 研究内容 结论 钻头直径、顶角、转速、进给速度、钻头直径和转速的增加会导致钻削温度升高：顶角的改变对 2007 Augustin等B 猪股骨 外部冷却对骨热坏死的影响 温度影响不大：进给率增加，温度降低 转速、进给、顶角及钻头几何形状转速对钻削力影响不大，和最高温度成正比：进给速率和钻 2007 Udiljak等0 未提及 (常规钻头和两相钻)对钻削力和 削力成正比，和钻削温度成反比：顶角对钻削力影响显著，对 温度的影响 温度几乎没有影响. 热传递模型：主轴转速、进给速度、提出一种新的应用于骨科手术钻削的热模型：最高温度随若 2011 Lce等图 牛股骨 顶角、钻头直径、螺旋角等对钻削 主轴转速、进给率、顶角的增大而增大，随钻头直径、螺旋角 最高温度的影响 的增大而降低 相同条件下，雌性牛骨的温度明显高于雄性：最高温度随骨 2011 Karaca等P] 骨密度、性别、顶角、转速、进给率、 牛胫骨 密度、主轴转速、顶角增加而增加，随进给速度和施加钻削力 钻削力对钻削温度的影响. 的增大而降低. 转速、进给、钻头直径、骨密度和性钻削力、温度随着骨密度增加而增加：得到了最佳参数：转速 2012 Serk等P☒ 牛皮质骨 别、钻削力对钻削温度的影响. 370r*minl、进给量70 mm'min"、钻削力140N 主轴转速、进给速度、钻孔深度对 最高温度随主轴转速增大而升高，随进给率增加而降低.同 2012 Lce等2网 牛股骨 钻削温度分布的影响 种动物的不同骨样钻削最高温度差别为±5.6℃ Lughmani等E☒ 人皮质骨 仿真和实验法研究转速和进给速提出的用于预测钻削力和转矩的有限元钻削模型具有一定预 2013 度对钻削力和扭矩的影响. 测精度：钻削力和转矩随若进给速度和转速的增加而增大. 皮质骨和骨钻削三维有限元仿真以获得钻 Tu等划 在恒定的进给率下，钻头转速的升高会导致骨钻削过程中的 2013 松质骨 削区温度分布. 温度明显升高 2014 Alam等B网 进给率和转速，冷却条件（盐溶液、 较高的转速和进给速度会导致钻削温度升高：在使用盐溶液 牛股骨 空气)对钻削温度的影响 冷却的条件下，可以使用较高的转速和进给而不导致骨坏死 Sui等B7- 骨钻削温度、力、扭矩的预测和实 预测结果和实验取得了很好的吻合，只是横刃扭矩的预测值 2014 牛皮质骨 验验证. 低于实验值. 生理条件（盐溶液冷却）和没有外， 钻削力和温度变化趋势相似，在钻头钻孔至密质骨和松质骨 2014 Xu等B 猪肱骨 部冷却条件下医用麻花钻钻孔温之间时达到最大，随后减小：生理条件下钻削温度较低，钻削 度分布及钻孔质量观察. 力却大于干钻削：钻削速度增加钻孔质量得到改善 反向热传递发和有限元仿真结合 Tai等网 对顺序钻孔路径进行了优化：建议在条件允许的情况下，应 2015 人皮质骨 研究骨顺序钻孔的温度分布和热 尽量采用麻花钻而不是克式钢针以减小热损伤和骨坏死 损伤 进给速度、转速、钻头直径中任意参数增大会使钻削温度升 Li等B 有限元方法研究进给率、转速和钻 2016 未提及 高：参数对温升的影响具有协同效应：提出了钻削温度经验 头直径对钻孔的最高温度的影响 公式.王 震等: 临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 60 ～ 800 r·min － 1［31］． 大多数研究者给出的结论是 转速增大将会导致钻削温度升高［20--23，29--37］，不过只 有在转速低于 4000 r·min － 1时的低速钻孔时适用． 当转速较高时不具备普适性． 只有 Udiljak 等的研 究发现转速对钻削力影响不大［30］． 进给速度是影 响钻削热的另一个重要参数． 进给速度增大时，钻 削相同厚度的骨所用时间更短，传递给骨组织的热 量减少; 另一方面，进给速度增大使得钻削施加的轴 向力增大，钻头和骨组织间摩擦增大，温度升高和钻 头磨损加剧． 因此，确定最优进给速度使钻削力不 至太大，钻削时间尽可能缩短就显得尤为重要． 以 上由于实验条件差异，研究者没有得出一致性结论． Karaca 等［21］、Augustin 等［20］、Udiljak 等［30］、Lughma￾ni 等［32］、Li［36］等提出钻削温度随着进给速度的增 加而降低． 而 Lee 等［23］和 Alam 等［34］对牛股骨的钻 削中发现较高的进给速度会导致温度升高［23，33］． 甚 至 Lee 等［23，29］在前后研究中得出了相反的结论． 钻 孔深度的增加意味着钻头和骨组织接触的时间增 加，因此摩擦生热增多，温度升高． Lee 等［29］在对牛 股骨皮质骨钻孔时，将钻孔深度由 6 提高到 7 mm， 检测到最高温度升高了将近 48. 5% ，由此可见钻孔 深度对钻削温度的影响很明显． 鉴于降低力热损伤在保证临床钻骨手术方面的 重要性，人们对面向康复医疗手术的骨钻削机理开 展了广泛深入的研究，表 1 给出了近年来骨钻削的 研究概述． 由表可知相关研究大多集中在骨钻削的 表 1 近年来钻削研究概述 Table 1 Overview of recent bone-drilling research 时间 研究者 材料 研究内容 结论 2007 Augustin 等［20］ 猪股骨 钻头直径、顶角、转速、进给速度、 外部冷却对骨热坏死的影响． 钻头直径和转速的增加会导致钻削温度升高; 顶角的改变对 温度影响不大; 进给率增加，温度降低． 2007 Udiljak 等［30］ 未提及 转速、进给、顶角及钻头几何形状 ( 常规钻头和两相钻) 对钻削力和 温度的影响． 转速对钻削力影响不大，和最高温度成正比; 进给速率和钻 削力成正比，和钻削温度成反比; 顶角对钻削力影响显著，对 温度几乎没有影响． 2011 Lee 等［23］ 牛股骨 热传递模型; 主轴转速、进给速度、 顶角、钻头直径、螺旋角等对钻削 最高温度的影响． 提出一种新的应用于骨科手术钻削的热模型; 最高温度随着 主轴转速、进给率、顶角的增大而增大，随钻头直径、螺旋角 的增大而降低． 2011 Karaca 等［21］ 牛胫骨 骨密度、性别、顶角、转速、进给率、 钻削力对钻削温度的影响． 相同条件下，雌性牛骨的温度明显高于雄性; 最高温度随骨 密度、主轴转速、顶角增加而增加，随进给速度和施加钻削力 的增大而降低． 2012 Sezek 等［22］ 牛皮质骨 转速、进给、钻头直径、骨密度和性 别、钻削力对钻削温度的影响． 钻削力、温度随着骨密度增加而增加; 得到了最佳参数: 转速 370 r·min － 1、进给量 70 mm·min － 1、钻削力 140 N． 2012 Lee 等［29］ 牛股骨 主轴转速、进给速度、钻孔深度对 钻削温度分布的影响． 最高温度随主轴转速增大而升高，随进给率增加而降低． 同 种动物的不同骨样钻削最高温度差别为 ± 5. 6 ℃ ． 2013 Lughmani 等［32］ 人皮质骨 仿真和实验法研究转速和进给速 度对钻削力和扭矩的影响． 提出的用于预测钻削力和转矩的有限元钻削模型具有一定预 测精度; 钻削力和转矩随着进给速度和转速的增加而增大． 2013 Tu 等［33］ 皮 质 骨 和 松质骨 骨钻削三维有限元仿真以获得钻 削区温度分布． 在恒定的进给率下，钻头转速的升高会导致骨钻削过程中的 温度明显升高． 2014 Alam 等［34］ 牛股骨 进给率和转速，冷却条件( 盐溶液、 空气) 对钻削温度的影响． 较高的转速和进给速度会导致钻削温度升高; 在使用盐溶液 冷却的条件下，可以使用较高的转速和进给而不导致骨坏死． 2014 Sui 等［37--38］ 牛皮质骨 骨钻削温度、力、扭矩的预测和实 验验证． 预测结果和实验取得了很好的吻合，只是横刃扭矩的预测值 低于实验值． 2014 Xu 等［35］ 猪肱骨 生理条件( 盐溶液冷却) 和没有外 部冷却条件下医用麻花钻钻孔温 度分布及钻孔质量观察． 钻削力和温度变化趋势相似，在钻头钻孔至密质骨和松质骨 之间时达到最大，随后减小; 生理条件下钻削温度较低，钻削 力却大于干钻削; 钻削速度增加钻孔质量得到改善． 2015 Tai 等［39］ 人皮质骨 反向热传递发和有限元仿真结合 研究骨顺序钻孔的温度分布和热 损伤． 对顺序钻孔路径进行了优化; 建议在条件允许的情况下，应 尽量采用麻花钻而不是克式钢针以减小热损伤和骨坏死． 2016 Li 等［36］ 未提及 有限元方法研究进给率、转速和钻 头直径对钻孔的最高温度的影响． 进给速度、转速、钻头直径中任意参数增大会使钻削温度升 高; 参数对温升的影响具有协同效应; 提出了钻削温度经验 公式． · 317 ·