福州大学朱兆聚副教授团队：一种适用于血管钙化组织去除的微型偏心刀具设计及性能验证|CJME专栏论文推荐|刀具|朱兆聚|材料|福州大学|血管钙化组织

引用论文

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

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关于文章

研究背景及目的

心血管疾病是人类致死疾病之首，全球心血管疾病年致死人数已突破1860万，其中冠状动脉钙化病变占比达68.9%且呈年轻化趋势。血管内斑块沉积及钙化组织硬化是导致血管狭窄、血流受限的关键因素，极易诱发心绞痛、急性冠脉综合征甚至心肌梗死等恶性心血管事件。因此，如何高效、安全地清除血管钙化组织，恢复血流畅通，一直是心血管介入治疗领域的重大挑战。冠状动脉旋磨术（Rotational Atherectomy，RA）是一种基于导管的微创治疗方式，广泛应用于重度钙化病变（如钙化环、严重内膜钙化等）的临床治疗，其依托微型刀具高速磨削（转速最高达210000 rpm）达到去除钙化组织的作用，是治疗重度血管钙化阻塞的有效手段。然而刀具在人体内产生的力、热以及碎屑极易造成机体损伤并引发恶性手术并发症。为优化旋磨术手术效果以及旋磨效率，本研究提出一种适用于旋磨术的新型刀具，围绕刀具运动学、旋磨力、温度、磨屑及试样表面磨损形貌五个维度对刀具性能进行了系统的实验与分析。本研究旨在为冠状动脉旋磨术器械优化提供理论支撑，为提升旋磨术治疗效果提供新的思路。

Figure 1 Schematic of RA

试验方法

本文聚焦适用于旋磨术的刀具创新改进，提出了一种适用于血管钙化组织去除的新型偏心刀具。文章首先介绍了刀具的结构特点以及具体参数，其次研发了高性能旋磨主机并搭建了刀具性能验证实验平台，以刀具运动学分析为切入点，围绕术中的刀具运动规律、力、温度、磨屑及钙化组织术后内表面形貌展开讨论，阐明工艺参数对旋磨结果的影响机制，验证新型刀具的可行性，为旋磨器械的迭代升级提供了理论依据和技术支撑。

Figure 2 Schematic diagram of the novel tool

Figure 3 The composition of the experimental platform

结果

（1）切削过程中，工具绕自身轴线高速自转的同时沿血管壁进行轨道式公转运动。在旋转过程中，工具以"弹跳-碰撞-弹跳"的间歇接触模式作用于钙化组织实现材料去除。自转与公转频率呈显著正相关：当自转速度从60,000转/分提升至120,000转/分时，工具公转频率相应从248Hz增加至430Hz。工具特有的偏心结构在切削过程中引发明显的抛摆现象，该现象不仅部分提升了钙化组织材料的去除效率，还使工具能够适应更大管径血管而无需更换。

（2）本研究系统检测了新型工具在不同工况下的切削力与温升特性，揭示了工艺参数变化对力学-热力耦合作用的影响规律。在四种制备工具中，最高实验速度下测得的最大切削力达1.59N，最大温升为2.76℃。实验证实：增加工具尺寸与切削转速均会放大作用力与温升效应，使组织损伤风险系数提升达47%-63%。

（3）新型旋转切削工具展现出优异的碎屑粒径控制能力，在最高实验速度下四种工具产生的碎屑平均粒径分别为9.12μm、10.3μm、12.36μm和15.03μm，均显著低于临床碎屑安全阈值（25μm）。研究还发现：切削力的增强会导致钙化组织表面材料发生碎裂效应，使切削深度增加并产生更大碎屑。当转速从60,000转/分提升至120,000转/分时，四种工具的切削深度分别增加39.58%、51.04%、43.76%和63.37%。

结论

本研究通过优化刀具结构设计并提升其材料去除性能，为改善RA临床治疗效果提供了创新解决方案。新型刀具在切削力、温升抑制及碎屑尺寸调控等方面均实现显著优化。此外，建立了工艺参数与旋切结果间的映射关系，阐明了关键参数的影响机制。后续研究将推进至动物实验及人体临床试验阶段，这些工作将为该技术的临床应用转化奠定重要基础。工程学知识与临床医学需求的深度融合，将在推动医工交叉领域发展的同时，为疾病治疗效果的提升带来突破性进展。

前景与应用

本研究所提出的新型偏心刀具系统在冠状动脉旋磨术（RA）中的应用具有广阔的临床转化前景。首先，该刀具通过优化切削力学特性与热管理机制，可显著降低手术并发症发生率，使RA技术更适用于高风险钙化病变患者，如弥漫性钙化、严重血管迂曲等复杂病例。其次，结合机器人辅助介入系统，该刀具可进一步实现精准力-热-运动协同控制，推动智能化旋磨手术的发展，减少术者操作依赖性。此外，该技术还可拓展至外周动脉钙化（如股动脉、膝下动脉）的治疗，为下肢缺血性疾病提供更优的微创解决方案。在产业化应用方面，未来可通过3D打印技术实现刀具的个性化定制，结合生物可降解涂层进一步降低血管损伤风险。

关于作者

作者介绍

何炳蔚，博士，教授，博士生导师，2007年入选“福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划”，2013年入选福建省杰出青年计划，2018年入选福建省百千万人才工程。主持3项国家自然科学基金、中国移动5G+医疗创新项目1项、福建省卫健委重大专项、省部级项目30余项。以第一作者发表SCI、EI收录论文120余篇，专著2部，获得发明专利45项，实用新型5项，软件著作权5项。担任《计算机集成制造系统》杂志编委、IEEE计算智能杂志编委、湖南大学机器人视觉感知与控制技术国家工程实验室员。机械工程学会成组与智能集成技术分会委员、中国自动化学会智能制造系统专业委员会委员、福建省中小学人工智能教学指导委员会委员、中华医药学会精准医疗分会常务委员、福建省康复医学学会副会长。荣获首届福建省高校青年教师教学竞赛二等奖、福建省教学成果一等奖、福建省科技进步三等奖、福州大学教学优秀奖一等奖、福建医科大学教学成果奖一等奖、福建省教学成果特等奖及“创青春”福建省大学生创业大赛金奖等荣誉。

朱兆聚，副教授，硕士生导师，山东大学博士，美国密西根大学安娜堡分校博士联合培养，中国科学院自动化研究所博士后，福州大学旗山学者（海外），福建省引进高层次C类人才。主要从事高性能手术装置开发及智能制造等方面研究，主持国家自然科学基金青年项目、福建省科技创新联合基金、福建省卫健委科技项目及福建省自然科学基金面上项目等各类科研项目10余项、教育部产学合作协同育人项目2项，发表国内外高水平论文20余篇，授权专利10余项，兼任福建省中医药学会精准医学分会委员、福建省康复技术工程学会会员、美国机械工程师协会会员等，荣获福建省教学成果一等奖、福建省科技进步三等奖、福建省研究生优秀学位论文指导老师、福州大学厦航奖教金、福州大学机械工程及自动化学院优秀教师奖、同观奖教金及江苏省句容市“福地英才”人才等荣誉。

近年团队代表性文章

[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

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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