基于智能材料及連續(xù)體機(jī)構(gòu)的微創(chuàng)外科手術(shù)器械設(shè)計(jì)研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)器械的安全性在很大程度上依賴于手術(shù)器械在主動或被動結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)。本文根據(jù)微創(chuàng)外科手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)組成，分別對末端執(zhí)行器及器械中間段與操作端的安全性設(shè)計(jì)問題開展了研究。首先，微創(chuàng)外科手術(shù)器械的末端執(zhí)行器的安全性問題來源于對組織進(jìn)行直接操作時(shí)造成的過壓夾持和牽拉損傷，本文以被動保護(hù)型內(nèi)鏡手術(shù)鉗為例展開研究；其次，微創(chuàng)外科手術(shù)器械的中間段及操作端的安全性問題來源于進(jìn)出人體腔道及執(zhí)行手術(shù)操作過程中對人體組織造成的擠壓和牽拉等損傷，

2、本文以經(jīng)自然腔道的變剛度內(nèi)鏡器械外護(hù)套為例展開研究。
　　本文對前述問題的解決思路是采用智能材料與連續(xù)體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，提出以恒力與剛度可變兩大概念來實(shí)現(xiàn)對人體組織的安全保護(hù)，研究其實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)恒力與剛度可變的結(jié)構(gòu)單元，并將其集成應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)器械，提高微創(chuàng)外科手術(shù)的安全性。
　　首先，在第一章中對國內(nèi)外微創(chuàng)手術(shù)器械的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，分析了微創(chuàng)手術(shù)器械末端執(zhí)行器及微創(chuàng)內(nèi)鏡器械外護(hù)套設(shè)計(jì)中存在的安全性問題，歸納總

3、結(jié)了目前該領(lǐng)域已有的解決方法及存在的瓶頸問題。
　　在第二章中，以被動保護(hù)型內(nèi)鏡手術(shù)鉗為例，對微創(chuàng)手術(shù)器械末端執(zhí)行器在組織操作過程中由于手術(shù)環(huán)境的限制易導(dǎo)致組織夾持損傷的問題開展了研究。采用鎳鈦形狀記憶合金構(gòu)建了具有特殊應(yīng)力應(yīng)變曲線的恒力控制單元，提出了具有正比例力學(xué)特性的漸開線槽型及齒輪齒條傳動型兩種新型手術(shù)鉗結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)鏡手術(shù)鉗的被動保護(hù)功能，通過模型制備及力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了手術(shù)鉗的被動保護(hù)特性。該研究成果在手術(shù)器械末端執(zhí)行器

4、上的應(yīng)用可大幅度提高手術(shù)器械的生物力學(xué)相容性，從而提高微創(chuàng)外科手術(shù)的安全性。
　　微創(chuàng)外科手術(shù)器械的中間段及操作端的安全性問題，需要從兩方面解決，一方面是器械中間段要具有一定的柔性及形變可控特性，從而在進(jìn)出人體腔道時(shí)不產(chǎn)生過度擠壓。另一方面是對于承受較大末端外力的器械而言，要求器械中間段具有剛度可變特性，從而維持器械中間段在受力過程中的形態(tài)，提高手術(shù)操作的安全性和有效性。
　　在第三章中，圍繞承受較小外力場合下器械中間段柔性

5、及形變可控性的要求，以基于并聯(lián)柔性氣囊的連續(xù)體變剛度單元為例展開了研究。采用高伸縮率柔性氣囊并聯(lián)形成連續(xù)體變剛度單元，提出了通過氣壓控制實(shí)現(xiàn)連續(xù)體單元形變及剛度一體化控制的方法。該研究成果在手術(shù)器械中間段的應(yīng)用可顯著提高內(nèi)鏡手術(shù)器械的靈活性及安全性。
　　在第四章中，針對要求器械中間段具有形變可控性且承受較大末端外力場合的安全性問題，以基于低熔點(diǎn)合金的連續(xù)體變剛度外護(hù)套單元為例展開了研究。采用低熔點(diǎn)合金構(gòu)建了具有剛度可變特性的連續(xù)

6、體單元。通過模型制備及力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了變剛度外護(hù)套單元的剛度可變特性。
　　在第五章中，為提高變剛度外護(hù)套單元在臨床應(yīng)用中的可行性，對單元在結(jié)構(gòu)尺寸、形變可控性、剛度及熱安全性等方面做了進(jìn)一步優(yōu)化。通過線驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)了單元在柔性狀態(tài)下的形變控制。利用氣凝膠氈材料構(gòu)建的隔溫層有效保證了外護(hù)套單元的熱安全性。力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到，剛性狀態(tài)下的變剛度外護(hù)套單元可在維持自身狀態(tài)穩(wěn)定的前提下，為內(nèi)部器械提供足夠的力學(xué)支撐。該研究成果在器械中間