CN116407229B - 一种省力减阻仿生手术刀 - Google Patents
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Abstract
一种省力减阻仿生手术刀，涉及医疗器械领域与仿生学领域。本发明是为了解决现有的手术刀存在刀刃切削效率低，刀面容易产生切削组织粘连的问题。本发明包括刀片和刀柄，所述刀片的一端连接在刀柄上；所述刀片的刃部包括由前至后依次过渡的曲线刃与直线刃；所述的曲线刃与直线刃均为锯齿状结构，锯齿两侧均为切削刃，直线刃上的锯齿设有两级锯齿，分别为主锯齿和次级锯齿，所述的主锯齿为依次排列的大锯齿，所述的次级锯齿为主锯齿上依次排列的小锯齿，主锯齿左边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凹状轮廓曲线；主锯齿右边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凸状轮廓曲线。本发明主要用于医用外科手术。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域与仿生学领域，尤其涉及一种省力减阻仿生手术刀。
背景技术
手术刀为医院外科医生用于外科手术的刀具；其中手术刀包括刀片和刀柄，目前手术刀刀片的刃部为平滑的刃或者为单一锯齿状的刃，组织切削效率低；刀片的刀面一般为光滑的，但是在组织切削时，容易产生切削组织粘连等问题；例如中国专利“CN209529279U”公开的一种用于肝胆外科用手术刀，即存在上述问题。
随着仿生学的出现，学者们发现在自然界中生物的牙齿或爪趾具有优良的生物学形态，它们具有锋利的外部结构，能够切割硬度较大的物体，一些海洋生物的皮肤具有良好的减阻效果，生物牙齿的外部形态为手术刀刃的设计提供了参考结构，生物皮肤减阻结构为手术刀身的减阻提供了参考结构。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：现有的手术刀存在刀刃切削效率低，刀面容易产生切削组织粘连的问题；进而提供一种省力减阻仿生手术刀。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种省力减阻仿生手术刀，它包括刀片和刀柄，所述刀片的一端连接在刀柄上；所述刀片的刃部包括由前至后依次过渡的曲线刃与直线刃；所述的曲线刃与直线刃均为锯齿状结构，锯齿两侧均为切削刃，直线刃上的锯齿设有两级锯齿，分别为主锯齿和次级锯齿，所述的主锯齿为依次排列的大锯齿，所述的次级锯齿为主锯齿上依次排列的小锯齿，主锯齿左边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凹状轮廓曲线；主锯齿右边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凸状轮廓曲线。
进一步的，每个主锯齿左边凹状轮廓曲线的拟合曲线方程为：y＝-8.2072x2-1.4131x+3052.4；其中，x是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值；每个主锯齿右边凸状轮廓曲线是将左边凹状轮廓曲线以主锯齿顶点为原点进行顺时针旋转获得。
进一步的，曲线刃上的锯齿由前至后逐渐变大，且曲线刃相邻两个锯齿之间的凹槽由前至后也逐渐变大。
进一步的，所述刀片的两侧刀面为对称的沟槽状结构。
进一步的，所述的刀片和刀柄一体制成。
进一步的，所述的刀柄为防滑手柄。
本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
1、本申请刀具前端曲线刃部分，采用切削刃锯齿逐渐变大，锯齿之间凹槽逐渐变大的结构，在手术刀切削过程中，锯齿越密集切削的应力集中的点越多，所需的切削力越小，并且随着切削深度加深，锯齿之间的凹槽可以减少刀具与组织之间的摩擦，需要的该结构采取锯齿之间距离逐渐变大的结构，在保证刀具降低切削力的同时减少摩擦。
2、本申请刀具直线刃部分，采用主锯齿上套有次级锯齿的结构，用于切割坚硬、切割困难的组织。锯齿结构的尺寸会对切削去除的材料多少有影响，小锯齿每次去除的材料更少，但更容易从切除要切割的材料。在主锯齿上套有次级锯齿的结构能有效减少手术刀具切割时的切削力。刀具次级锯齿之间的缺口会起到局部应力集中点的作用，并降低主锯齿的磨损率，以最大限度地发挥刀具锯齿切削刃的功能。通常情况下，所创建的次级锯齿可以有效地减小切削力和实际切削深度。次级锯齿的切削原理可以描述为:在切削过程中，接触微锯齿尖端的组织首先被破坏。然后，裂纹在微锯齿的拉力下被迫扩展，形成最终的切削效果。对于标准的商用手术刀，切削刃上的应力分布是相对均匀的，组织必须承受更大的压力才能达到临界损伤阈值。当使用多级锯齿手术刀时，由于微锯齿尖端的应力集中，在切割过程中会产生更多的损伤起点，导致手术刀与组织之间的挤压和阻力较小。
3、本申请刀具表面部分，采用仿鲨鱼皮沟槽减阻结构，该结构可以提高刀具的抗粘附性。刀具在切割过程中血液与刀具间的流动粘附状态为层流状态，该结构可以在切割组织时减小摩阻系数，表面纹理的存在，使得沟槽底面产生小涡流，小涡流相互作用限制大涡流的产生，因此减少阻力系数，达到减阻效果。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为图1中A处的局部放大图。
图3为图1中B处的局部放大图。
图4为刀片的仰视图。
图5为刀片的俯面图。
图6为图5中C处的局部放大图。
图7为大锯齿上小锯齿排列的轮廓线图。
图8为鲨鱼牙齿实物图，其中a为鲨鱼牙齿中主锯齿顶点轮廓拟合曲线图；b为鲨鱼牙齿的放大图。
图9为次级锯齿轮廓切削力受力图。
附图标记说明：1-刀片；1-1-曲线刃；1-2-直线刃；1-2-1-主锯齿；1-2-2-次级锯齿；2-刀柄。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图9，本申请实施例提供一种省力减阻仿生手术刀，其包括一体设置的刀片1和刀柄2，所述刀片1的一端连接在刀柄2上；所述刀片1的刃部包括由前至后依次过渡的曲线刃1-1与直线刃1-2。
参见图2，所述的曲线刃1-1为锯齿状结构，曲线刃1-1上的锯齿由前至后逐渐变大，且曲线刃1-1相邻两个锯齿之间的凹槽由前至后也逐渐变大。在手术刀切削过程中，锯齿越密集切削的应力集中的点越多，所需的切削力越小，并且随着切削深度加深，锯齿之间的凹槽可以减少刀具与组织之间的摩擦，需要的该结构采取锯齿之间距离逐渐变大的结构，在保证刀具降低切削力的同时减少摩擦。
参见图3，所述的直线刃1-2为锯齿状结构，直线刃1-2上的锯齿设有两级锯齿，分别为主锯齿1-2-1和次级锯齿1-2-2，所述的主锯齿1-2-1为依次排列的大锯齿，所述的次级锯齿1-2-2为主锯齿1-2-1上依次排列的小锯齿。刀具直线刃1-2部分，采用主锯齿1-2-1上套有次级锯齿1-2-2的结构，用于切割坚硬、切割困难的组织。锯齿结构的尺寸会对切削去除的材料多少有影响，小锯齿每次去除的材料更少，但更容易切除要切割的材料。在主锯齿上套有次级锯齿的结构能有效减少手术刀具切割时的切削力。刀具次级锯齿1-2-2之间的缺口会起到局部应力集中点的作用，并降低主锯齿1-2-1的磨损率，以最大限度地发挥刀具锯齿切削刃的功能。通常情况下，所创建的次级锯齿1-2-2可以有效地减小切削力和实际切削深度。次级锯齿1-2-2的切削原理可以描述为:在切削过程中，接触微锯齿尖端的组织首先被破坏。然后，裂纹在微锯齿的拉力下被迫扩展，形成最终的切削效果。对于标准的商用手术刀，切削刃上的应力分布是相对均匀的，组织必须承受更大的压力才能达到临界损伤阈值。当使用多级锯齿手术刀时，由于微锯齿尖端的应力集中，在切割过程中会产生更多的损伤起点，导致手术刀与组织之间的挤压和阻力较小。
在本实施例中，从侧面看，仿生手术刀刃的单个锯齿都大致呈三角形，三角形锯齿的左右两条边是锯齿的切割边。
参见图9，主锯齿1-2-1左边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凹状轮廓曲线，其受切削力方向如图9中Fa所示，主受左下方向力；主锯齿1-2-1右边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凸状轮廓曲线，其切削力方向如图9中Fb所示，主受右上方向力。仿鲨鱼牙齿的次级锯齿轮廓曲线可以使仿生手术刀切削刃在切割过程中更好的与被切削组织贴合，相较于直线的次级锯齿轮廓结构，可以使更多的次级锯齿参与切割，明显减少切割的切削力。
在本实施例中，所述主锯齿1-2-1上的次级锯齿1-2-2排列的轮廓曲线是提取鲨鱼牙齿中每个主锯齿顶点坐标，再把坐标拟合出曲线方程获得的；其中，每个主锯齿1-2-1左边凹状轮廓曲线的拟合曲线方程为：y＝-8.2072x2-1.4131x+3052.4；其中，x是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。每个主锯齿1-2-1右边凸状轮廓曲线是将左边凹状轮廓曲线以主锯齿1-2-1顶点为原点进行顺时针旋转获得。
本实施例通过图像处理技术从鲨鱼牙齿图像中提取出鲨鱼牙齿锯齿顶端轮廓数据，对轮廓点数据进行拟合，得到鲨鱼牙齿锯齿顶端轮廓拟合曲线方程。根据锯齿轮廓拟合曲线对手术刀锯齿进行设计，使设计后的手术刀锯齿顶端结构轮廓曲线具有鲨鱼牙齿锯齿顶端轮廓结构曲线特征。鲨鱼牙齿锯齿顶端轮廓拟合曲线方程：y＝-8.2072x2-1.4131x+3052.4；
其中，x是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
参见图1、图4、图5和图6，所述刀片1的两侧刀面为对称的沟槽状结构，其采用的是仿鲨鱼皮沟槽减阻结构，该结构可以提高刀具的抗粘附性。刀具在切割过程中血液与刀具间的流动粘附状态为层流状态，该结构可以在切割组织时减小摩阻系数，表面纹理的存在，使得沟槽底面产生小涡流，小涡流相互作用限制大涡流的产生，因此减少阻力系数，达到减阻效果。
参见图1，所述的刀柄2为防滑手柄。
本发明从仿生学角度出发，发现鲨鱼牙齿具有很好的切削性能，并发现鲨鱼牙齿的锯齿呈由小到大梯度排列，主锯齿上套有次级锯齿的结构，并发现鲨鱼皮的波纹形状具有良好减阻性能。通过模仿鲨鱼牙齿与鲨鱼皮的结构，设计一种省力减阻仿生手术刀结构。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.一种省力减阻仿生手术刀，它包括刀片(1)和刀柄(2)，所述刀片(1)的一端连接在刀柄(2)上；所述刀片(1)的刃部包括由前至后依次过渡的曲线刃(1-1)与直线刃(1-2)；其特征在于：所述的曲线刃(1-1)与直线刃(1-2)均为锯齿状结构，锯齿两侧均为切削刃，直线刃(1-2)上的锯齿设有两级锯齿，分别为主锯齿(1-2-1)和次级锯齿(1-2-2)，所述的主锯齿(1-2-1)为依次排列的大锯齿，所述的次级锯齿(1-2-2)为主锯齿(1-2-1)上依次排列的小锯齿，主锯齿(1-2-1)左边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凹状轮廓曲线；主锯齿(1-2-1)右边刃的轮廓线为仿鲨鱼牙齿凸状轮廓曲线；
曲线刃(1-1)上的锯齿由前至后逐渐变大，且曲线刃(1-1)相邻两个锯齿之间的凹槽由前至后也逐渐变大。
2.根据权利要求1所述的一种省力减阻仿生手术刀，其特征在于：每个主锯齿(1-2-1)左边凹状轮廓曲线的拟合曲线方程为：y＝-8.2072x2-1.4131x+3052.4；其中，x是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y是鲨鱼牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值；每个主锯齿(1-2-1)右边凸状轮廓曲线是将左边凹状轮廓曲线以主锯齿(1-2-1)顶点为原点进行顺时针旋转获得。
3.根据权利要求1所述的一种省力减阻仿生手术刀，其特征在于：所述刀片(1)的两侧刀面为对称的沟槽状结构。
4.根据权利要求1所述的一种省力减阻仿生手术刀，其特征在于：所述的刀片(1)和刀柄(2)一体制成。
5.根据权利要求1所述的一种省力减阻仿生手术刀，其特征在于：所述的刀柄(2)为防滑手柄。
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