内镜柔性器械腱鞘传动模型及实验研究

目的建立内镜柔性器械腱鞘系统的推力传动模型,研究影响传动效率的关键因素。方法建立腱鞘系统在器械推送作用下力和位移的传动模型并进行仿真计算;搭建腱鞘系统传动测试的实验平台以验证模型的准确性,研究传动速度、腱鞘直径比、弯曲半径等对传动效率的影响。结果腱鞘传动过程中存在显著的非线性传递现象,传动模型仿真与实验结果基本符合;传动速度、腱鞘直径比、弯曲半径均对内镜柔性器械的推力传动有较大影响,对位移传动的影响相对小一些。结论该模型可用于内镜柔性器械中腱鞘系统推力传动的计算,提供给医生器械工作末端的力反馈,以保证器械的安全操作和提高手术效果;在内镜柔性器械的精准控制中需要综合考虑传动速度、腱鞘传动比、弯曲半径等对运动传递的影响。

新型内镜连续缝合器械的结构改进及分析

目的设计一种新型内镜连续缝合器械,用以克服现有内镜缝合器不能一次性连续释放金属夹的不足,并对内镜缝合器的抓钳提出两种改进方案,通过有限元分析方法,验证其改进后的组织抓持效果。方法比较分析对齿(原有,抓钳A)、交错齿(抓钳B)、折角交错齿(抓钳C)3种结构抓钳在抓取胃壁组织时,组织受到的压力大小及其分布;然后对组织施加7.5 mm拉伸位移,模拟闭合时器械运动以及组织回弹过程的影响。结果抓钳A、B闭合组织时,最大应力发生在距离转轴最近的第1对齿上,分别为10.39、10.11 kPa。抓钳C闭合组织时,最大应力发生在第2对齿上,为11.35 kPa。抓钳A、B作用的组织,距离转轴越远,其受到抓钳齿的压力越小。而在抓钳C作用下,器械-组织接触面的压力峰值几乎没有变化。在拉伸位移的作用下,抓钳C没有滑脱;而抓钳A、B拉伸位移分别达到5.0、6.5 mm时从组织上滑脱。结论折角交错齿结构的抓钳闭合时对组织的压力峰值较为稳定,在远离转轴的组织上也能提供充分接触,增大了器械-组织界面的摩擦力,使得抓钳具有更好的抗滑脱能力,提高连续缝合器械的闭合效果。

新型可降解肠道吻合支架的建模仿真与实验研究

目的设计一款新型可降解肠道吻合支架,探究肠道组织在加压吻合时施压距离与吻合口生物力学性能之间的关系,为肠道组织的加压吻合提供新思路与方法。方法设计一款用于肠道组织的加压吻合支架,建立肠道组织加压吻合的有限元模型,并探究支架施压面距离(2、1.6、1.2、0.8 mm)与组织应力之间的关系;通过撕脱力与爆破压测试,分析肠道组织在不同施压距离下的吻合效果。结果当施压距离为1.2 mm时,肠道吻合口的生物力学性能最佳,其最大抗拉强度达到0.77 MPa;组织的撕脱力和爆破压分别为(25.80±1.82)N和(12.30±0.26)kPa;当组织被压缩至原有厚度的60%时,肠道吻合效果最好。结论本文设计的可降解肠道支架可成功实现对肠道组织的加压吻合,为新型可降解加压吻合器械的开发和应用提供理论参考。

电动吻合器柔性转弯结构的设计与实验研究

目的设计一种应用于电动吻合器的切口式柔性转弯结构,并研究其转弯性能。方法对切口式柔性转弯结构进行设计与建模;建立转弯结构的运动学和静力学模型,并进行仿真计算;采用有限元仿真方法研究3组结构在对称切口等刚度和变刚度下的应力、偏转角度、顶部位移及驱动力;搭建转弯结构性能测试实验平台,对仿真结果和模型进行验证。结果弯曲过程中,转弯结构理论模型与实验结果基本吻合;随着对称切口刚度的优化,变刚度转弯结构的最大应力分别下降20.64%和39.20%;变刚度结构弯曲时所需拉力最小,相较于等刚度结构下降33.41%,且顶端沿弯曲平面的位移(30.8 mm)最小;3组转弯结构最大偏转角度均可达到90°。结论转弯结构运动学和静力学模型可用于其拉力和位置变化的计算;采用对称切口变刚度的结构转弯性能优于等刚度结构;切口式柔性转弯结构符合设计要求,满足电动吻合器的转弯需求。

大肠组织端端吻合的有限元建模与分析

目的分析吻合钉成钉高度与组织损伤和吻合压力之间的关系,为医生选择合适的吻合钉钉匣及成钉高度提供理论依据和指导,提高手术的安全性。方法分析吻合钉与大肠组织交互作用,并建立大肠端端吻合的有限元模型,比较壁厚为1.0~1.5 mm的大肠组织在4种不同成钉高度时的应力分布以及径向平均应力变化。结果壁厚为1.2、1.3、1.4、1.5 mm的大肠组织,在对应成钉高度为1.0、1.1、1.2、1.5 mm时,吻合面径向平均应力分别为56.0、58.6、59.7、57.3 k Pa,与最佳吻合压力58.8 k Pa接近;最大应力出现在吻合钉与组织接触位置,其值分别为2 783、1 750、1 940、2 030 k Pa。结论吻合手术不能完全避免组织损伤,应力集中一般存在于组织与吻合钉接触的区域;将组织压缩50%~60%时成钉,吻合效果最优。

室间隔缺损封堵器的有限元建模及分析

目的分析编织角度与材料对室间隔缺损（ventricular septal defect,VSD）封堵器使用效果的影响,为器械设计提供理论依据与指导。方法建立3种编织角度（30°、45°、60°）封堵器的有限元模型,分析比较两种编织材料镍钛合金（nickel titanium,Ni Ti）、聚对二氧环已酮（poly-p-dioxanone,PPDO）封堵器在腰部分别受径向和轴向载荷下的支撑效果。结果5 k Pa径向载荷下,30°、45°、60°Ni Ti封堵器的腰部径向刚度分别为8.60、1.51、0.99 m N/mm^3,45°PPDO封堵器腰部径向刚度为7.35 m N/mm^3。0.5 rad轴向弯曲下：30°、45°、60°Ni Ti封堵器腰部最大径向形变分别为1.17、1.24、0.22 mm,45°PPDO封堵器腰部最大径向形变为0.54 mm。结论同种材料情况下,编织角度为60°的封堵器腰部径向刚度最小,径向支撑性能最佳;60°封堵器腰部最大径向形变最小,轴向弯曲性能最佳,顺应性最好。同种编织角度情况下,Ni Ti封堵器腰部径向刚度较小,径向支撑性能较佳;PPDO封堵器腰部最大径向形变较小,轴向弯曲性能较佳,顺应性较好。

胆囊三维建模与运动功能分析

目的 考虑在健康和病理情况下的胆囊特性,研究胆囊壁生物力学和胆汁流体力学特性,以及胆囊运动功能与胆结石成因的关系。方法 利用CT影像数据构建胆囊三维结构模型,建立有限元模型模拟胆囊运动和胆汁流动过程,分析不同的流固耦合条件下胆囊的运动模式以及对胆结石形成的影响。结果 在相同边界条件下,结石性胆汁流速(1.1 cm/s)比正常胆汁流速(2.3 cm/s)低;胆囊运动功能异常与否不会改变胆汁的流型,而胆汁成分改变使得流型更加曲折。运动功能较弱的胆囊整体所受最大应力为1.079 kPa、最大形变为0.931 mm,均远小于健康胆囊相对应的最大应力(4.318 kPa)和最大形变(3.725 mm)。在受力方面,胆汁成分异常并未对胆囊造成太大影响。结论 胆囊运动功能和生物力学特性密切相关。胆囊受损或衰退后,其收缩量会大幅减少,胆汁流动不畅,更易导致结石产生。胆囊的三维模型和运动功能分析可为胆结石手术治疗提供必要的理论基础和技术手段。

腹腔镜抓钳的力学性能

目的:利用有限元的方法分析各种腹腔镜抓钳的形貌,为腹腔镜抓钳的设计提供依据。方法:分析抓取肝脏组织时,抓钳倒圆半径、齿数、钳头面积、雕镂面积对组织-器械接触面最大等效应力的影响,并通过正交试验分析以上因素的主次要地位。结果:随着组织-器械接触面有效接触面积的增加,产生的最大等效应力及其变化率逐渐变小。4种因素的主次要地位依次为:钳头面积>齿数>倒圆半径>雕镂面积。结论:应根据需要选择最优的抓钳,防止产生过大的等效应力,损伤组织,并且应以钳头面积为主,另外3种因素为辅进行腹腔镜抓钳设计。

基于化学改性和切割方法的介入瓣瓣膜力学性能相关研究

本文探索了介入瓣瓣膜膜片的制备方法和瓣膜化学改性和切割方法对瓣膜膜片拉伸性能和缝合力力学性能的影响。本研究通过采集新鲜猪心包材料并应用碳化亚胺溶液和戊二醛溶液作为固定液的方法合成介入瓣瓣膜膜片材料;通过茚三酮法检测瓣膜膜片材料的交联度情况;应用拉伸及缝合力力学实验测试介入瓣瓣膜膜片材料的生物力学性能;通过场发射扫描电镜表征瓣膜膜片材料在经过缝合线拉伸作用后的胶原纤维取向分布。结果表明:经过化学改性后,介入瓣瓣膜膜片材料的交联度达到93.78%±3.2%;瓣膜膜片材料的拉伸强度达到(8.24±0.79)MPa;缝合力强度增加了102%。介入瓣瓣膜膜片材料具有较强的生物力学性能,有望发展成为的一种较好的介入瓣瓣膜膜片材料。