引用論文

Gao, C., Zhu, Z., Cui, Z. et al. Design and Performance Verification of a Novel Eccentric Rotational Cutting Tool for Removal of Vascular Calcification Tissue. Chin. J. Mech. Eng. 38, 110 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01254-2

(戳鏈接，下載全文)

關于文章

01

研究背景及目的

心血管疾病是人類致死疾病之首，全球心血管疾病年致死人數已突破1860萬，其中冠狀動脈鈣化病變占比達68.9%且呈年輕化趨勢。血管內斑塊沉積及鈣化組織硬化是導致血管狹窄、血流受限的關鍵因素，極易誘發心絞痛、急性冠脈綜合征甚至心肌梗死等惡性心血管事件。因此，如何高效、安全地清除血管鈣化組織，恢復血流暢通，一直是心血管介入治療領域的重大挑戰。冠狀動脈旋磨術（Rotational Atherectomy，RA）是一種基于導管的微創治療方式，廣泛應用于重度鈣化病變（如鈣化環、嚴重內膜鈣化等）的臨床治療，其依托微型刀具高速磨削（轉速最高達210000 rpm）達到去除鈣化組織的作用，是治療重度血管鈣化阻塞的有效手段。然而刀具在人體內產生的力、熱以及碎屑極易造成機體損傷并引發惡性手術并發癥。為優化旋磨術手術效果以及旋磨效率，本研究提出一種適用于旋磨術的新型刀具，圍繞刀具運動學、旋磨力、溫度、磨屑及試樣表面磨損形貌五個維度對刀具性能進行了系統的實驗與分析。本研究旨在為冠狀動脈旋磨術器械優化提供理論支撐，為提升旋磨術治療效果提供新的思路。

Figure 1 Schematic of RA

02

試驗方法

本文聚焦適用于旋磨術的刀具創新改進，提出了一種適用于血管鈣化組織去除的新型偏心刀具。文章首先介紹了刀具的結構特點以及具體參數，其次研發了高性能旋磨主機并搭建了刀具性能驗證實驗平臺，以刀具運動學分析為切入點，圍繞術中的刀具運動規律、力、溫度、磨屑及鈣化組織術后內表面形貌展開討論，闡明工藝參數對旋磨結果的影響機制，驗證新型刀具的可行性，為旋磨器械的迭代升級提供了理論依據和技術支撐。

Figure 2 Schematic diagram of the novel tool

Figure 3 The composition of the experimental platform

03

結果

（1）切削過程中，工具繞自身軸線高速自轉的同時沿血管壁進行軌道式公轉運動。在旋轉過程中，工具以"彈跳-碰撞-彈跳"的間歇接觸模式作用于鈣化組織實現材料去除。自轉與公轉頻率呈顯著正相關：當自轉速度從60,000轉/分提升至120,000轉/分時，工具公轉頻率相應從248Hz增加至430Hz。工具特有的偏心結構在切削過程中引發明顯的拋擺現象，該現象不僅部分提升了鈣化組織材料的去除效率，還使工具能夠適應更大管徑血管而無需更換。

（2）本研究系統檢測了新型工具在不同工況下的切削力與溫升特性，揭示了工藝參數變化對力學-熱力耦合作用的影響規律。在四種制備工具中，最高實驗速度下測得的最大切削力達1.59N，最大溫升為2.76℃。實驗證實：增加工具尺寸與切削轉速均會放大作用力與溫升效應，使組織損傷風險系數提升達47%-63%。

（3）新型旋轉切削工具展現出優異的碎屑粒徑控制能力，在最高實驗速度下四種工具產生的碎屑平均粒徑分別為9.12μm、10.3μm、12.36μm和15.03μm，均顯著低于臨床碎屑安全閾值（25μm）。研究還發現：切削力的增強會導致鈣化組織表面材料發生碎裂效應，使切削深度增加并產生更大碎屑。當轉速從60,000轉/分提升至120,000轉/分時，四種工具的切削深度分別增加39.58%、51.04%、43.76%和63.37%。

04

結論

本研究通過優化刀具結構設計并提升其材料去除性能，為改善RA臨床治療效果提供了創新解決方案。新型刀具在切削力、溫升抑制及碎屑尺寸調控等方面均實現顯著優化。此外，建立了工藝參數與旋切結果間的映射關系，闡明了關鍵參數的影響機制。后續研究將推進至動物實驗及人體臨床試驗階段，這些工作將為該技術的臨床應用轉化奠定重要基礎。工程學知識與臨床醫學需求的深度融合，將在推動醫工交叉領域發展的同時，為疾病治療效果的提升帶來突破性進展。

05

前景與應用

本研究所提出的新型偏心刀具系統在冠狀動脈旋磨術（RA）中的應用具有廣闊的臨床轉化前景。首先，該刀具通過優化切削力學特性與熱管理機制，可顯著降低手術并發癥發生率，使RA技術更適用于高風險鈣化病變患者，如彌漫性鈣化、嚴重血管迂曲等復雜病例。其次，結合機器人輔助介入系統，該刀具可進一步實現精準力-熱-運動協同控制，推動智能化旋磨手術的發展，減少術者操作依賴性。此外，該技術還可拓展至外周動脈鈣化（如股動脈、膝下動脈）的治療，為下肢缺血性疾病提供更優的微創解決方案。在產業化應用方面，未來可通過3D打印技術實現刀具的個性化定制，結合生物可降解涂層進一步降低血管損傷風險。

關于作者

01

作者介紹

何炳蔚，博士，教授，博士生導師，2007年入選“福建省高等學校新世紀優秀人才支持計劃”，2013年入選福建省杰出青年計劃，2018年入選福建省百千萬人才工程。主持3項國家自然科學基金、中國移動5G+醫療創新項目1項、福建省衛健委重大專項、省部級項目30余項。以第一作者發表SCI、EI收錄論文120余篇，專著2部，獲得發明專利45項，實用新型5項，軟件著作權5項。擔任《計算機集成制造系統》雜志編委、IEEE計算智能雜志編委、湖南大學機器人視覺感知與控制技術國家工程實驗室員。機械工程學會成組與智能集成技術分會委員、中國自動化學會智能制造系統專業委員會委員、福建省中小學人工智能教學指導委員會委員、中華醫藥學會精準醫療分會常務委員、福建省康復醫學學會副會長。榮獲首屆福建省高校青年教師教學競賽二等獎、福建省教學成果一等獎、福建省科技進步三等獎、福州大學教學優秀獎一等獎、福建醫科大學教學成果獎一等獎、福建省教學成果特等獎及“創青春”福建省大學生創業大賽金獎等榮譽。

朱兆聚，副教授，碩士生導師，山東大學博士，美國密西根大學安娜堡分校博士聯合培養，中國科學院自動化研究所博士后，福州大學旗山學者（海外），福建省引進高層次C類人才。主要從事高性能手術裝置開發及智能制造等方面研究，主持國家自然科學基金青年項目、福建省科技創新聯合基金、福建省衛健委科技項目及福建省自然科學基金面上項目等各類科研項目10余項、教育部產學合作協同育人項目2項，發表國內外高水平論文20余篇，授權專利10余項，兼任福建省中醫藥學會精準醫學分會委員、福建省康復技術工程學會會員、美國機械工程師協會會員等，榮獲福建省教學成果一等獎、福建省科技進步三等獎、福建省研究生優秀學位論文指導老師、福州大學廈航獎教金、福州大學機械工程及自動化學院優秀教師獎、同觀獎教金及江蘇省句容市“福地英才”人才等榮譽。

02

近年團隊代表性文章

[1] Zhu Z#, Zhu W, Huang J, He B. An intelligent monitoring system for robotic milling process based on transfer learning and digital twin, Journal of Manufacturing Systems, 2025, 78: 433-443

[2] Gao, C. and Z. Zhu#, et al. (2025). Simulation and experimental study on processing behavior of coronary artery calcified tissue removal. Scientific Reports , 2025, 15 (1): 16116.

[3] Zhu, Z. and A. J. Shih, et al. .Investigation of the drill temperature distributions in high-throughput dry drilling of compacted graphite iron. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 150: 74-87.

[4] Cui Z, Zhu Z#, Huang P, Gao C, He B. An automatic segmentation of calcified tissue in Forward-Looking intravascular ultrasound images,Biomedical Signal Processing and Control. Biomedical Signal Processing and Control 2025, 100(107095).

[5] Sun X, Ren W, Xie L, Ren Q, Zhu Z#, Jia Q, et al. Recent advances in 3D bioprinting of tissues and organs for transplantation and drug screening. Virtual and physical prototyping 2024, 19(1).

作 者：朱兆聚

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

JME學院簡介

JME學院是由《機械工程學報》編輯部2018年創建，以關注、陪伴青年學者成長為宗旨，努力探索學術傳播服務新模式。

歡迎各位老師掃碼添加小助理-暖暖為好友，由小助理拉入JME學院官方群！

歡迎關注JME學院視頻號~

尋覓合作伙伴

有一種合作叫做真誠，有一種發展可以無限，有一種伙伴可以互利共贏，愿我們合作起來流連忘返，發展起來前景可觀。關于論文推薦、團隊介紹、圖書出版、學術直播、招聘信息、會議推廣等，請與我們聯系。

感謝關注我們！《機械工程學報》編輯部將努力為您打造一個有態度、有深度、有溫度的學術媒體！

版權聲明：

本文為《機械工程學報》編輯部原創內容，歡迎轉載！

在公眾號后臺留言需要轉載的文章題目及要轉載的公眾號ID以獲取授權!

聯系人：暖暖

電話：010-88379909

E-mail：jme@cmes.org

網 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信號：jmewechat