液压技术最先被应用于制造业，可利用液压油作为工作介质传递能量和动力。液压系统首先通过动力元件将机械能转化为液体的压力能，然后通过管道和控制元件将液体的压力能传输到执行元件驱动负载运动。近年来，随着液压技术智能化和数字化转型的实现 ^[1]，以及紧凑型液压元件、稳定的液压控制单元和精准长度控制软管等液压技术的发展，液压技术的应用范围进一步扩展到医疗领域。液压系统的执行元件具有易于布置、承载能力大等特性，使液压技术更好地应用于牙科治疗椅、牵引床、外骨骼等医疗器械，有助于保障大体重患者使用医疗器械时的安全 ^[2]；而液压系统的集成化和模块化特性使地面锁定系统能够轻易地集成到救援担架等医疗设备上，使移动医疗成为可能，也有利于设备后续的维护保养和成本控制。

目前，医疗器械行业正处于快速变革之中，越来越多的液压企业开始涉足医疗器械领域。同时，监管机构对医疗器械的安全性和有效性提出了更高要求，推动行业标准的升级，促进了医疗器械市场的繁荣。基于上述背景，本研究主要对液压技术在医疗器械领域的应用情况进行综述，期望为国产医疗器械的研发创新及产品产业化升级提供参考。

1  液压技术的概述

1.1  液压技术的发展现状

20 世纪 70 年代以后，随着工业 4.0 时代的到来和电子技术、材料科学和流体动力学等学科飞速发展，液压系统实现了数字化、模块化、轻量化和智能化转型。21 世纪以来，得益于液压技术的不断发展，液压行业已形成涵盖上游核心零部件研发制造、中游系统集成和组装和下游终端应用及服务的完整产业生态链 ^[3-4]。其中，上游主要包括液压元件的制造和供应，如液压泵、液压阀、液压缸、液压马达、液压管路、液压油箱等；中游通过机械设备的运动控制、力矩传递、能量转换等实现设备的自动化和工作效率的提高；下游为液压系统的应用行业，如工程机械、工业机械、航空航天、汽车制造、船舶制造、医疗设备等各个领域。

近年来，我国液压行业在产品性能提升和国产化替代等方面均取得显著进展，但是上游关键部件仍然依赖进口。例如，高性能的液压泵、马达、阀门等核心组件，与国际顶尖水平仍有差距，尤其在精密加工制造、材料处理工艺等方面，仍需不断进行技术研发，突破技术壁垒 ^[4-5]。

1.2  液压技术的优势

液压技术在医疗器械领域应用具有以下优势。（1）功率重量比大：能够负担大体重患者或大负载物体，具有可靠的安全保障。（2）集成性：液压元件易于布置，可将液压系统集成到一个模块，减小安装空间，系统封闭易于维护。（3）稳定可靠：液压系统具备过载保护机制，使用安全可靠；液压系统可设置液压缓冲装置，使系统控制更稳定、精确。（4）智能化：液压系统可采用电液联合控制，实现自动控制和远程控制。（5）成本低：液压系统使用的液压油能实现自润滑，增加使用寿命，降低维护成本；液压元件易于实现标准化和通用化，可降低组件采购成本；负载敏感技术在液压泵上的应用，降低了系统运行功率，减少了设备运行成本；有助于医疗设备实现可移动化，提高使用效率，降低使用成本。

2  液压技术在医疗器械领域的应用

2.1  牙科治疗椅

牙科治疗椅是口腔手术的核心设备 [6]，其整体结构按照人体工程学设计，并能够根据操作需求调整高度和角度，简化口腔医师的操作流程。牙科治疗椅的液压系统包括液压泵站、液压电磁阀和液压缸。小型液压泵站和液压电磁阀内置于牙科治疗椅的底座内。液压泵站为系统提供工作压力，通过带液压电磁阀的控制块分配油量至各执行部分的液压缸中以控制不同动作。牙科治疗椅的电气控制系统将操作员的输入转换为液压控制系统的电信号，进而驱动升降装置内的液压缸进行高度调节，驱动俯仰装置中的液压缸调节靠背倾斜角度，驱动腿托内的双作用液压缸调节腿托的倾斜角度实现腿部休息，也可调节头枕和脚垫的角度，并可通过控制程序实现数个功能的联动及位置记忆功能。

牙科治疗椅的液压技术优势在于封闭式免维护系统、使用寿命长、安装空间小、智能无级调节及高功率密度。柔性软管连接液压装置与控制块和液压缸，使系统完全关闭，实现无泄漏、免维护；小型液压泵站和控制阀内置于底座内，由于液压传递动力的原因，液压缸可以直接布置到椅背和腿托内，占用的安装空间更小，设备也更加美观；液压缸内可以集成位置传感器监测缸内油量的位置，从而快速、精确地控制座椅到达设置位置，而无级调节的优势 ^[7] 可使整个调节过程实现平稳、无颠簸的启动和停止，安全保持座椅位置；牙科治疗椅通常需要移动的患者体重为 10 ~ 200 kg，液压系统仅通过增加系统压力就可以实现承载大重量患者的功能 ^[8]。

在牙科诊疗设备中，治疗椅的精准定位对液压系统提出了严苛要求。为实现治疗椅的精确位置调节，液压系统搭载的液压电磁阀需具备极高的控制精度，以满足临床操作对设备稳定性与精准度的双重需求。然而，当前我国在液压电磁阀等核心元件的研发制造领域仍面临技术瓶颈，市场供应仍高度依赖进口，成为制约国内牙科诊疗设备行业自主发展的关键因素 ^[9]。

2.2  牵引床

牵引床主要用于对腰椎间盘突出症患者进行腰部牵引治疗，能够发挥较好的康复效果。由图 1 可知，牵引床由两个浮动床板和液压系统组成，液压系统包括液压缸、液压泵站、电磁阀、溢流阀、液压锁、蓄能器、压力继电器和液压管线 ^[10]，一个液压缸驱动一个浮动床的动作。治疗时患者仰卧于浮动床上，通过控制液压缸的伸缩精确控制浮动床的动作 ^[11]，进而对颈椎和腰椎施加拉力，增大椎间隙，降低椎间压力，以达到治疗的目的 ^[12-13]。牵引床可根据患者自身感受设置不同牵引模式、牵引力和牵引时间 ^[14]。

牵引床的优势在于安全可靠、驱动平稳、低功率损耗和智能控制。其液压系统的液压缸进油口和出油口均设计有溢流阀，用于限制牵引床施加的最大拉力，避免韧带和肌肉损伤，保障使用安全 ^[15]。系统使用蓄能器吸收液压脉动和冲击，提高液压缸动作的平稳性。同时，蓄能器能够储存液体压力能，当液压缸动作所需压力低于蓄能器内油压时，液压泵无须工作，此时由蓄能器持续提供压力油直至蓄能器内油压降低至液压缸动作所需的最低油压时，液压泵重新恢复工作，这一过程避免了液压泵持续处于工作状态，降低了系统的功率损耗。系统的压力继电器能够实时监测系统压力，实现智能化控制：当蓄能器提供的油压降低至继电器设定的最低值时，控制系统控制液压泵重新工作，直至系统油压达到继电器设定的最高值时停止工作，当控制系统监测到系统压力异常时，控制液压泵紧急停机。

图 1 液压牵引床结构图

在医用牵引床的功能实现中，医用液压泵作为顶升系统的核心动力源，通过为液压缸体提供稳定动力输出，对牵引床的整体性能和可靠性起着决定性作用。由于其封闭式结构设计特点，常规外部观测手段难以有效捕捉潜在故障隐患，导致其故障具有较强的隐蔽性。一旦临床使用过程中出现液压系统泄漏、保压失效、运动部件爬行、安全制动失灵或动作行程异常等问题，不仅影响设备正常运行，更可能引发不可预估的医疗风险与经济损失。因此，确保医用液压泵的安全可靠运行具有重大现实意义。鉴于医用液压泵在医疗器械领域的广泛应用，推进其国产化进程成为行业发展的重要方向 ^[16]。

2.3  外骨骼

外骨骼主要用于医疗康复训练、减轻工业环境中重体力劳动造成的损伤 ^[17-19]、健身及日常活动领域，能够提高因受伤、疾病或年龄限制而依赖支撑设备人们的生活质量，同时有助于在各种环境中扩大人的能力，提高工作效率。随着工业化进程的加快和人口老龄化加剧，导致的医疗需求日益增加，外骨骼的发展前景十分广阔 ^[20]。21 世纪后，以美国和日本为代表的国家较早开始外骨骼的研制。美国研制的外骨骼通过在外骨骼设备的大腿和小腿位置安装传感器，进行生物电位信号和对应力矩值的采集运算，进而预测下一步运动，并给出运动指令 ^[21]；而日本研发的外骨骼具备控制器和传感器，并在髋、膝、踝 3 个位置设置驱动，依靠生物意识控制系统预测穿戴者的运动意图，并完成相应的动作控制 ^[22]。随着可穿戴设备的发展热潮，辅助型机器人的研究也取得了一定成就 ^[23-24]，国内虽然起步较晚，但在“中国制造 2025”[25]和“新一代人工智能发展规划”^[26]等政策指导下，外骨骼机器人产业得到快速发展，尤其是在人工智能、传感器技术、驱动技术等方面取得了突破，使外骨骼机器人的性能和智能化水平不断提升 ^[27]。

目前，考虑到制造成本，典型的外骨骼驱动方式为液压驱动。相较于其他驱动方式，液压驱动兼具外骨骼高效工作需要的高功率输入 ^[28]，以及小型轻量化的穿戴需求。液压系统的弹性特性能够实现无级调速，使执行液压缸无阻力地调整到所需的终端位置，使运动模式更加自然；液压执行元件易于布置的特性可将液压缸布置于外骨骼的关节处，使系统能力集中用于外骨骼关节的活动；使用负载敏感液压泵直接控制关节处液压缸动作的控制方式，可降低系统功率损耗，减少液压系统控制阀件，实现集成化和封闭化设计，以及外骨骼的长寿命和低维护性。

外骨骼机器人的动力系统需精准输出驱动力矩，驱动各关节实现流畅运动，并在运行全程保持高度平稳性。其高效运行往往依赖于高功率输入，同时对小型轻量化设计提出严苛要求，即穿戴式设备自重越轻，不仅能提升穿戴者的舒适度，更能有效降低运行能耗。为了应对这些挑战，企业与科研机构亟需聚焦创新，研发具备无节流损失特性与高功率容积比的泵控液压系统。这一技术突破不仅能够优化外骨骼机器人的动力传输效率，还能显著降低系统复杂度与生产制造成本，从而推动外骨骼机器人技术向更经济、实用的方向迈进 ^[29]。

2.4  地面锁定机构

地面锁定系统是使设备在静止时稳定的液压系统，其工作方式与驻车制动器相似，可集成于移动设备上确保静止时的锁定就位。如图 2 所示，地面锁定机构结构由液压站、电液控制阀和液压缸组成。如果液压系统的压力通过电液控制阀释放降低，千斤顶液压缸缩回，设备可移动。目前，应用地面锁定机构的移动医疗设备主要包括医学成像设备和救援担架等。CT、闪烁扫描、单光子发射计算机断层成像术（single-photon emission computed tomography，SPECT）和正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography，PET） 等成像方式无需侵入性措施即可识别细微病理变化，这对设备的成像质量提出了很高要求 ^[30]，即成像设备必须保持完全、稳定，不能产生任何振动。随着混合手术室的出现，有必要在短时间内协调各类医疗设备，使手术医师能够使用所有可用的治疗方法和跨学科知识诊断和治疗患者，而无需实际移动患者，降低转移患者过程中的风险。混合手术室中，患者可以当场接受手术，并用适当的设备进行监测和检查，扩展了移动医疗设备的应用范围。另外，从医疗设备发展的角度来看，建筑师在设计医院的房间布局时，也应考虑到医疗设备的可移动性和潜在的门诊需求，使设备可根据要求定位，以及应对未来移动医疗设备的普遍使用，确保不同学科的高效工作。

图 2 地面锁定结构图

地面锁定系统具有功率密度高、减震稳定性高、易集成组装、安装调试方便、封闭式免维护系统和易操作的优势。具有高功率密度的液压装置不需要太多空间，但可提供巨大的支撑力，保持患者或设备的完全稳定和安全。地面锁定系统具有减震和自我补偿两种支撑模式。减震模式下，4 个液压缸伸出直至接触地面，医疗设备（例如手术机器人）会被抬升，因为 4 个角落均有支撑力施加至地面，设备不会发生摇晃，实现减震功能。自我补偿模式下，2 个液压缸完全伸出，将医疗设备抬高，另外 2 个液压缸伸出直至接触地面，内置压力开关将该信号传递至控制单元，经过短暂延时后液压缸停止动作，该模式适用于不平整路面的锁定就位。

地面锁定机构的产业化可通过上下游企业协同合作的模式实现，各环节抱团发展，形成资源共享、优势互补的产业链。下游的设备生产厂家可定制地面锁定机构并改装至现有设备上。而处于上游的地面锁定系统是以集成为中心的设计，所使用的组件非常紧凑，用于支撑的 4 个液压缸连接尺寸与脚轮连接螺栓的尺寸相对应，可轻松改装带中央锁定机构的脚轮系统，且其液压系统自带电控阀，能够连接到更高级别的控制系统，轻松实现医疗设备的移动化和现代化 ^[31]。地面锁定系统因其模块化设计，能够在工厂组装完成后，实现产品的即插即用，因此其安装和调试操作均较简单，生产厂家在交付前对组装完成的地面锁定系统进行测试，其下游的医疗设备制造商只需将地面锁定系统和医疗设备装配在一起并提供电源就完成了移动式医疗设备的制造。

然而，当前国内市场上，地面锁定系统的设计尚未形成统一的行业标准。各厂家在产品规格、接口参数及技术规范等方面存在显著差异，导致不同品牌或型号的模块之间难以实现互换兼容。一旦原生产厂家停止该类产品的生产，当地面锁定系统出现故障时，由于缺乏标准化的替换模块，维修过程将面临巨大阻碍，模块化更换的便捷性优势也将不复存在，进而对医疗设备的正常使用与维护造成严重影响 ^[32]。

3  讨论

我国医用液压设备的发展目前还面临很多困难，生产经营企业数量虽然多，但是大部分企业的生产规模较小，而且产品同质化严重，研发创新能力和抗风险能力低；国内医疗器械公司生产的同类高端产品所占份额很小，且多数医疗器械公司创新意识不强，研发资金投入不足，缺少高水平创新研发人才，研发能力较弱。

从液压设备关键部件的制造角度分析，液压系统生产厂家处于液压行业产业链的中游位置，上游的合金材料、密封材料、轴承、传感器等产品的品质对保障关键部件的可靠性具有重要意义。但目前上游产品的核心技术还未攻破，国家应从学科建设到人才培养着手，再到科技人才服务产业关键技术的攻克，实现创新发展新机制。同时，这些关键部件在设计端应从标准化和批量化生产考虑，制定满足医疗器械要求的通用液压元件设计标准，使液压产业链中游的制造商制造的液压元件的互换性与通用性更高，也有助于建立规范化的维护检修体系，减少设备维修的技术壁垒与配件适配难度。

从液压设备成本控制的角度分析，目前不仅需要研发具备高功率密度特性及低功耗的液压元件，还需通过大力培养液压行业产业链的中游和上游企业，进一步推动液压元件国产化的实现。为了保障国产化产品的质量与性能，需构建全流程质量管控体系，从产品研发设计阶段的性能优化、原材料采购环节的严格筛选，到热处理工艺的精准控制及机械加工装配过程的精细化管理，严格把控各环节，从而实现产品质量的全面提升，推动国产液压技术迈向新台阶。

从液压设备的智能化发展的角度分析，人工智能与物联网技术的飞速发展为医用液压行业提供新的发展机遇。医用液压设备在其智能化的发展方向上，可以通过实时监测系统运行状态，完成执行元件的精准控制及系统的智能化诊断和系统维护信息提醒等功能。

综上所述，对于医用液压设备的发展有以下几点建议。一是加大自主创新和技术研发投入，采用科学研究与企业需求相结合的方式攻克核心技术难题。二是形成医用液压设备的通用设计标准，提高系统可靠性与实现产品互换性。三是推动关键部件的国产化，严格按照质量管理体系做好产品的品质控制，增加国产产品的稳定性和控制的精确性。四是布局医用液压设备的智能化研发。五是通过上下游企业合作，形成产业链式的发展模式。

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