腹腔镜器械与生物组织的接触力学分析

目的建立生物组织与腹腔镜器械的接触变形模型,进行接触应力应变分析。方法利用Kelvin-Voigt模型及Hertz接触理论,建立楔形、圆形齿结构的器械与生物组织接触变形模型,分析接触应力及应变随时间变化的情况;并运用有限元分析及生物阻抗测量方法,比较不同器械结构与组织接触后的变形及应力变化情况。结果不同结构的齿在抓取组织时对组织造成不同的应力应变。楔形齿结构对组织造成的应力最大,圆形齿最小,楔形与圆形混合齿介于两者之间。结论楔形与圆形混合齿可以有效减少抓钳与组织接触时产生的过载压力,从而能够减小楔形齿对组织造成的伤害,增强圆形齿抓取组织的能力。在临床上,该方法可为腹腔镜器械的安全使用和设计提供重要建议。

靶向药物洗脱支架扩张过程力学性能研究

目的:药物洗脱支架(DES)的出现,在心血管狭窄治疗领域具有里程碑意义。DES扩张过程的力学性能对冠状动脉支架植入术的成功有着重要影响。球囊扩张冠脉支架的完整变形过程包括支架装配时往球囊上的压握过程、支架在球囊作用下的扩张过程、以及球囊撤出后支架受血管壁的周期性压缩过程3个阶段。研究两种不同结构的药物洗脱支架(DES)扩张过程的力学性能,以期对DES结构设计提供科学的指导。方法:采用Solidworks软件建立2种不同结构的支架模型(根据外表面刻槽与否分别称为II型支架和I型支架);使用Hypermesh软件对建立的几何模型进行六面体网格划分,并对网格进行优化;使用Abaqus有限元分析软件,对两种支架扩张过程中重要的力学性能指标进行了分析。结果:相对于I型支架,II型支架在减少载药量的同时,其径向回弹率、轴向回弹率、扩张不均匀性等力学性能并未降低。与II型支架相比,I型支架不仅在支撑体上存在面积更大的高应力区域,而且其最大应力值(585.5 Mpa)也要高于II型支架(446.2 Mpa)。结论:相对于传统药物洗脱支架,靶向药物洗脱支架在减少载药量的同时,力学性能并未降低,对心血管狭窄等疾病的治疗具有较好的临床应用前景。

冠状动脉开口病变治疗中支架精确定位技术研究进展

对于冠状动脉开口病变,支架的精确定位可有效提高介入治疗的效果。本文重点介绍了现有的几种支架精确定位的技术和相关的辅助器械,其中包括支架draw-back技术,Szabo或"尾丝"技术,使用镍钛记忆合金的Ostial Pro支架定位系统。本文阐明了支架植入时精确定位的关键技术要求,介绍了上述3种支架定位技术在国内外的临床使用情况。本文最后介绍了建立在Ostial Pro支架定位系统基础上,作者设计的一种镍钛合金丝一体成型的支架精确定位系统,希望提高支架定位装置的安全性和可操控性。

新型混联腹腔镜手术机器人的运动学建模与优化

提出一种专为腹腔镜手术设计的新型混联手术机器人。该机器人由两个解耦并联机构混联而成,机器人可为手术器械提供多自由度操作空间。先用叠加法对混联机器人进行整体运动学建模,提出了基于腹腔镜手术特征的机器人术中运动规划并简化了机构输入量,利用手术器械的"杠杆"映射原理求得其末端操作点的速度雅克比矩阵,又根据雅克比条件数给出了机器人在术前定位时的最佳初始位形,建立并使用"灵巧度-体积"综合因素指标对器械操作点的工作空间进行优化。结果表明:在优化后工作空间中机器人不但具有良好的运动灵巧度,同时工作空间大小也能满足微创手术操作的要求。

多用途腹腔镜手术训练器的设计

目的设计一种帮助医生掌握腹腔镜手术技能的训练器。方法以人因工程原则为基础,测量30个成年人腹部表面的尺寸,并结合气腹条件下人体腹壁的扩张程度,确定训练器的尺寸和轮廓。依照手术中最佳的操作角、方位角和仰角的度数确定穿刺孔的位置。采用小型摄像头和LED灯带模拟腹腔镜摄像头和光源。依照McGill腹腔镜技能训练的标准和腹腔镜手术基本技能设计训练模块。最后,应用Autodesk Inventor软件完成三维设计与装配,应用数控技术和快速成型技术完成样机的加工制造。结果设计了一种多用途腹腔镜手术训练器,其尺寸为300mm×350mm×150mm,主要由箱体、底板、摄像系统、抽屉系统、灯带以及7个任务模块组成。结论本研究设计的训练器符合人因工程学的设计,使用方便;既能提供传统腹腔镜手术训练,也适用于单孔手术练习。

钴铬合金靶向药物洗脱支架疲劳强度的有限元分析

药物洗脱支架(drug eluting stent,DES)植入血管后的疲劳性能,对冠状动脉支架植入术的成功有着重要影响。利用有限元方法分析支架在使用过程中的应力分布,通过绘制Goodman曲线图分析支架的疲劳强度,并通过计算支架的安全系数来反应支架的安全性。分析发现,支架变形过程中的大应力分布区始终位于支撑体的圆弧部位。Ⅰ型支架和Ⅱ型支架的所有特征点在Goodman曲线图中均位于疲劳极限以下,不会造成支架在使用过程中的疲劳失效。此外,支架的安全系数与支架槽的长、宽、高均成负相关。该分析可为支架的设计提供参考依据。

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的:利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法:采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果:骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论:成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。

靶向药物洗脱支架压握过程的力学性能

目的 研究两种不同结构的药物洗脱支架（drug eluting stent,DES）压握过程的力学性能,以期对DES结构设计提供科学的指导.方法 采用Solidworks软件分别建立支架外表面没有刻槽的传统DES（Ⅰ型支架）以及支架外表面有刻槽的靶向DES（Ⅱ型支架）;通过ABAQUS有限元分析软件,对两种支架压握过程中的径向紧缩反弹比、轴向紧缩反弹比、压握不均匀性、残余应力分布等重要的力学性能指标进行分析.结果 同一紧缩外径条件下,两种支架径向紧缩反弹比、轴向紧缩反弹比以及压握不均匀性指数的差值分别在0.07％ ～0.12％ 、0.016％～0.033％ 、0.013％ ～0.048％之间,Ⅱ型支架支撑体上存在面积更大的低应力区域.结论 相比传统DES支架,靶向DES支架在减少载药量的同时,力学性能并未降低,对心血管狭窄等疾病的治疗具有较好的临床应用前景.

三螺旋人工腱索结构的力学性能仿真验证

基于真实心脏二尖瓣腱索结构,利用仿生学类比方法提出整体三螺旋人工腱索等效替代模型,应用ABAQUS对其进行模拟拉伸测试,并与真实拉伸试验下猪心二尖瓣腱索(边缘腱索、基底腱索与支撑腱索)的力学性能进行对比分析,从而验证此等效模型的可行性与有效性。结果表明:三螺旋人工腱索结构所能承受的最大应力与实际试验中的平均最大应力一致,且相应腱索种类的拉力位移曲线与试验曲线基本相符。本研究提出的三螺旋人工腱索结构接近于真实腱索特性,可缓解二尖瓣膜上应力集中现象,为人工腱索材料的结构改进指明了新方向,同时,仿真过程对有限元模拟生物软组织拉伸性能模块提供了参考价值。

深静脉取栓器流体动力碎栓数值模拟

目的采用数值模拟方法分析叶轮结构参数和使用参数对流场的影响,并藉此优化取栓器的设计及使用。方法首先利用血液静置冷藏获取血栓;然后通过水击实验获取不同冲击角度下血栓破碎的临界速度及速度梯度;最后采用计算流体力学方法对旋切式取栓器流场进行数值模拟,分析叶轮转速及叶片升角对流场的影响。结果不同水击角度下血栓破碎的临界速度均在5 m/s左右,临界速度梯度均为1 m/s;流场中有效速度(大于临界速度)所占比重与叶轮转速成正相关,与叶片升角成负相关,且速度梯度与叶轮转速成正相关。结论为了优化取栓器的设计,可在保证安全的前提下采用较大的叶轮转速及较小的叶片升角。

腹腔镜手术模拟训练系统的研究现状与分析

技术的革新推动了21世纪手术的发展，微创外科技术和机器人技术的发展改变了传统外科手术的方式。其中腹腔镜手术因具备手术创伤小、术后疼痛轻、住院时间短、美容效果好等特点，已在临床广泛应用。然而，由于操作者技术水平参差不齐以及学习曲线的存在，导致腹腔镜手术在开展的初期并发症发生率较高。因此，需要建立一种安全、有效、可行的腹腔镜手术培训方法。本文对近年来腹腔镜手术模拟训练系统的研究进行总结和分析，以便为腹腔镜手术培训提供选择依据。

新型心脏外科手术模拟训练系统的设计与评估

手术训练系统可以模拟手术环境,提高受训人员的操作技能。本文设计了一种新型的心脏外科手术模拟训练系统,并选择离体猪心脏作为心脏外科手术模拟训练系统的心脏模型,通过设计机械运动装置来实现心脏模型的跳动,同时可调整机械结构运动的频率来改变心脏模型的跳动频率。为验证该系统的合理性,将12名非医学专业学生与12名医学专业学生分为两组,使用心脏外科手术模拟训练系统进行为期7 d的不停跳冠脉搭桥手术训练,记录受训人员训练前后完成搭桥的时间,并由3名外科医生采用对象结构评价技能(OSATS)评估标准对每名学员的冠脉搭桥手术训练结果进行评分。通过训练,两组受训人员完成搭桥缝合的时间均显著缩短,训练前后的OSATS评分均得到提高。结果表明,心脏外科手术模拟训练系统在提高受训人员手术技巧、操作技能、掌握手术器械的使用等方面具有较好的训练效果。