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(dòng)或被動(dòng)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(duì)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(wèn)題開(kāi)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(wèn)題來(lái)源于對(duì)組織進(jìn)行直接操作時(shí)造成的過(guò)壓夾持和牽拉損傷，本文以被動(dòng)保護(hù)型內(nèi)鏡手術(shù)鉗為例展開(kāi)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(wèn)題來(lái)源于進(jìn)出人體腔道及執(zhí)行手術(shù)操作過(guò)程中對(duì)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(kāi)研究。
　　本文對(duì)前述問(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)國(guó)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(wèn)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(wèn)題。
　　在第二章中，以被動(dòng)保護(hù)型內(nèi)鏡手術(shù)鉗為例，對(duì)微創(chuàng)手術(shù)器械末端執(zhí)行器在組織操作過(guò)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(wèn)題開(kāi)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(kāi)線槽型及齒輪齒條傳動(dòng)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(dòng)保護(hù)功能，通過(guò)模型制備及力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了手術(shù)鉗的被動(dòng)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(wèn)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(guò)度擠壓。另一方面是對(duì)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(guò)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(chǎng)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(kāi)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(guò)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(duì)要求器械中間段具有形變可控性且承受較大末端外力場(chǎng)合的安全性問(wèn)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(kāi)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(guò)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(duì)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(guò)線驅(qū)動(dòng)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