醫(yī)用射流錐直型噴嘴流動(dòng)特性仿真研究

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

引言

水刀是利用高壓水射流進(jìn)行冷態(tài)切割的設(shè)備，最先被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，主要用于切割金屬、礦石等材料，直到1990年才真正用于臨床手術(shù)。醫(yī)用射流的工作原理與工業(yè)水刀類似，即使用壓力裝置將無(wú)菌生理鹽水泵出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)管到達(dá)操作手柄，通過(guò)手柄上的細(xì)小噴嘴噴出，產(chǎn)生局部高壓以切割組織。采用醫(yī)用射流進(jìn)行臨床手術(shù)可對(duì)不同強(qiáng)度和韌性的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性切割和精細(xì)分離，使得人體特定組織得到最大程度的保護(hù)；由于術(shù)后出血量少，患者恢復(fù)較快，故采用醫(yī)用射流進(jìn)行手術(shù)有傳統(tǒng)手術(shù)方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

目前我國(guó)關(guān)于醫(yī)用水刀的研究尚處于初步階段，成熟產(chǎn)品主要依賴于進(jìn)口。醫(yī)用射流工作壓力遠(yuǎn)低于工業(yè)水刀，且由于人體不同組織所能承受的最大壓力不同，進(jìn)行不同類型手術(shù)的醫(yī)用射流所需射流壓力也不同，德國(guó)ERBE公司通過(guò)臨床試驗(yàn)總結(jié)的多種臨床手術(shù)所需噴射水流的壓力值范圍為0.8～6 MPa[1-2]。

1 醫(yī)用水刀噴嘴研究現(xiàn)狀分析

手術(shù)噴嘴的設(shè)計(jì)是醫(yī)用水刀的核心部分，醫(yī)用射流所需求的壓力與工業(yè)水刀高達(dá)上百兆帕的壓力相比要低得多。雖然我國(guó)有工業(yè)水刀的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，然而對(duì)于醫(yī)用射流的手術(shù)噴嘴卻有著與工業(yè)水刀噴嘴截然不同的功能要求。

第一，射流水柱較細(xì)，目前比較成熟的醫(yī)用射流如ERBE2采用的是0.12 mm的射流孔； 第二，醫(yī)用射流噴嘴整體結(jié)構(gòu)體積較小；第三，射流能量集中，盡量降低射流過(guò)程能量損失。簡(jiǎn)言之，就是說(shuō)醫(yī)用水刀噴嘴應(yīng)滿足性能優(yōu)良、控制可靠、重量輕、尺寸小、操作靈活方便、易于消毒等條件。

趙雪巍[3]設(shè)計(jì)了針型醫(yī)用射流噴嘴，根據(jù)流體能量損失、流速、流量與槍體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，設(shè)置射流部分參數(shù)，并通過(guò)在槍體內(nèi)加過(guò)濾網(wǎng)、可更換堵塞的射流管、可調(diào)節(jié)的握柄，管嘴出流方式提高水刀噴嘴可靠性。

TOBIAS等[4]研究了一種混合型的醫(yī)用射流，其兼有水刀和針刀的功能，用于內(nèi)鏡黏膜下層剝離手術(shù)。

這種水刀在原有金屬手術(shù)刀的基礎(chǔ)上增加了射流水刀，但仍未對(duì)水刀噴嘴進(jìn)行技術(shù)研究。

2009年中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所[5]率先研制出了國(guó)內(nèi)第一代樣機(jī)，該樣機(jī)分析水射流噴嘴直徑、靶距、沖擊角度、噴嘴橫移速度以及水射流噴射壓力設(shè)計(jì)一種平頂型式噴嘴，實(shí)現(xiàn)了水刀在高壓時(shí)對(duì)組織進(jìn)行切割，低壓時(shí)對(duì)創(chuàng)面清洗，但該水刀噴嘴用于高壓組織切割時(shí)效果不理想。

現(xiàn)有的醫(yī)用射流研究處于世界領(lǐng)先地位的是德國(guó)ERBE公司生產(chǎn)的ERBEJET 2。臨床實(shí)踐證明其可以將柔軟的組織分離，同時(shí)保留神經(jīng)、血管等重要組織結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于肝臟手術(shù)中。

本研究背景為腹腔手術(shù)中醫(yī)用水刀的應(yīng)用。腹腔手術(shù)中醫(yī)用水刀主要用來(lái)切割肝臟組織和腎臟組織，它的壓力要求為2.0～3.5 MPa。通過(guò)Fluent仿真分析研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)、不同壓力下的醫(yī)用水刀流場(chǎng)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布特性，旨在為醫(yī)用水刀的設(shè)計(jì)和醫(yī)用水刀壓力的選擇提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。

2 醫(yī)用射流噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

醫(yī)用射流噴嘴的設(shè)計(jì)中，醫(yī)用水刀的噴嘴設(shè)計(jì)尤其重要，本研究設(shè)計(jì)的醫(yī)用水刀主要實(shí)現(xiàn)在腔鏡手中水射流對(duì)組織的切割分離功能，需水射流能量較為集中，沖擊作用明顯。從噴射的水束狀態(tài)上，不同類型的噴嘴會(huì)得到不同的水束狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的射流效果。根據(jù)水射流實(shí)際切割能力，結(jié)合工業(yè)水刀有關(guān)資料[6]，目前射流噴嘴結(jié)構(gòu)主要有平頂型噴嘴和錐直型噴嘴兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 兩種噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

兩種噴嘴相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 不同類別手術(shù)所需噴射水流壓力值范圍

噴嘴數(shù)值模擬采用Fluent軟件，其可以針對(duì)不同狀況下的流體流動(dòng)情況設(shè)置不同離散方法和數(shù)值計(jì)算方法，較為準(zhǔn)確的對(duì)流體域進(jìn)行流場(chǎng)分析[7-8]。

對(duì)流體域內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，湍流模型采用系統(tǒng)設(shè)置的k-ε模型；入口設(shè)置為壓力入口，壓力分別設(shè)置為幾組典型壓力，出口壓力設(shè)置為大氣壓；求解器采用非耦合隱式求解，其他均保持默認(rèn)設(shè)置。圖2為兩種類型噴嘴在入口壓力為5 MPa時(shí)動(dòng)壓等值線云圖。

圖2 平頂型噴嘴與錐直型噴嘴動(dòng)壓等值線圖

從圖2中可以看出，由于噴嘴結(jié)構(gòu)不同，流體內(nèi)部產(chǎn)生的壓力等值線不同；平頂型噴嘴由于流道內(nèi)徑急劇收縮，局部阻力較大，生理鹽水壓力能損失較大，壓力下降較快；錐直型噴嘴有一段收縮角為18°的收縮段，流體進(jìn)入收縮段后產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，原始?jí)毫ζ椒€(wěn)增大，且當(dāng)射流進(jìn)入圓柱段后動(dòng)壓較為平穩(wěn)，軸向射流速度較大。圖3為兩種噴嘴在圓柱段動(dòng)壓對(duì)比曲線圖。

圖3 平頂型噴嘴與錐直型噴嘴動(dòng)壓對(duì)比圖

對(duì)于不同的入口壓力，平頂型噴嘴與錐直型噴嘴最大誤差為13.25%和7.2%，而且錐直型噴嘴可以較好的跟隨入口壓力值變化，綜上所述，具有收縮段和圓柱段的錐直型噴嘴更適合做醫(yī)用射流的射流噴嘴。

醫(yī)用射流在實(shí)際使用中，主要是利用高速射流產(chǎn)生的液體動(dòng)壓對(duì)組織進(jìn)行切割。由于水流速度不同，因此可以在手術(shù)中有選擇的切割實(shí)質(zhì)組織而使血管、膽管、淋巴管及神經(jīng)等特定組織得到最大的保護(hù)。故在醫(yī)用射流設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重研究射流能量損失及其發(fā)散角。基于以上要求對(duì)噴嘴主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)，取噴嘴內(nèi)徑d=0.2 mm，噴嘴面積Ac：

式中，d為噴嘴內(nèi)徑，mm；Ac為噴嘴過(guò)流面積，m2。

根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者GPNioov[9-15]提出的錐直型形噴嘴設(shè)計(jì)原則：過(guò)渡段長(zhǎng)度/噴嘴直徑為2～4，本設(shè)計(jì)取長(zhǎng)徑比比值為4；過(guò)渡段長(zhǎng)度L=0.2×4=0.8 mm。針對(duì)錐直型噴嘴以噴嘴入口壓力為5 MPa，通過(guò)對(duì)不同錐角進(jìn)行Fluent仿真，得到速度云圖如圖4所示。

以上9個(gè)速度云圖，是噴嘴入口壓力在5 MPa時(shí)，噴嘴錐角為5°～45°，依次以5°為增幅遞增所得的速度云圖。通過(guò)上圖分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錐直型噴嘴錐角過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，速度下降較快射流發(fā)散角較大，生理鹽水能量損失較大。

圖5是不同錐角下射流軸線上動(dòng)壓變化曲線圖，研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)壓在射流軸線上有一個(gè)衰減過(guò)程，并且隨著過(guò)渡錐角的增大，動(dòng)壓逐漸減小，但在15°到30°變化時(shí)，動(dòng)壓相差下降幅度較小。

圖4 不同錐角下速度等值線圖

圖5 不同錐角下射流軸線上動(dòng)壓變化曲線圖

圖6是不同錐角下的射流徑向速度變化曲線，即不同錐角下的射流速度在y軸截面上的速度分布情況。

圖6 不同錐角下射流徑向速度變化圖

本研究還得到射流出口隨錐角角度變化圖，如圖7所示。

圖7 出口速度隨錐角變化曲線

分析以上3圖可以知道：圖5可發(fā)現(xiàn)射流軸線上動(dòng)壓變化情況相似，均是在噴嘴出口動(dòng)壓變換不大，當(dāng)射流距離噴嘴出口5 mm左右，進(jìn)行較大幅度的衰減，但整體趨勢(shì)并未因錐角改變而產(chǎn)生很大變化；圖6可知射流軸線上的速度變化整體呈正態(tài)分布型曲線分布形式，且隨角度增加分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值增大，但當(dāng)噴嘴錐角為30°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)較小表明動(dòng)壓波動(dòng)相對(duì)最為穩(wěn)定；圖7是噴嘴出口速度隨錐角變化的擬合曲線，通過(guò)曲線可以得出射流在噴嘴出口速度隨著錐角的增大而降低，但當(dāng)噴嘴錐角為30°時(shí)，射流速度離散在曲線外出現(xiàn)較為明顯的增加。通過(guò)以上信息交叉對(duì)比發(fā)現(xiàn)，錐直型噴嘴的錐角為30°時(shí)，噴嘴射流動(dòng)壓最為穩(wěn)定，且能量損失少，故選定噴嘴錐角為30°。

綜上，本設(shè)計(jì)醫(yī)用射流噴嘴結(jié)構(gòu)為噴嘴直徑為0.2 mm，長(zhǎng)徑比為4，過(guò)渡段長(zhǎng)度為0.8 mm，噴嘴錐角為30°。

3 醫(yī)用射流噴嘴仿真分析

基于上述噴嘴模型進(jìn)行Fluent仿真，依次設(shè)置壓力為0.8，1，2，3，4，5 MPa下噴嘴射流的速度等值線圖，如圖8所示。

圖8 不同壓力下噴嘴速度等值線圖

通過(guò)以上Fluent仿真分析得到該設(shè)計(jì)噴嘴軸線速度隨壓力入口變化曲線如圖9所示。

圖9 不同壓力下噴嘴軸線動(dòng)壓變化曲線圖

通過(guò)圖9可知隨著手術(shù)所需壓力不同，噴嘴射流動(dòng)壓不同，且動(dòng)壓損失起始點(diǎn)距噴嘴口的距離也不同，故針對(duì)不同手術(shù)，本醫(yī)用射流應(yīng)切換不同噴桿，以保證水刀與手術(shù)位置有足夠動(dòng)壓。

對(duì)設(shè)計(jì)的噴嘴進(jìn)行仿真，得到該噴嘴出口水流速度隨壓力變化擬合曲線，如圖10所示。

圖10 噴嘴出口速度隨壓力變化曲線

圖8是不同壓力下噴嘴速度等值線圖，觀察圖8可以看到射流高速區(qū)域隨壓力增加逐漸增大，結(jié)合圖9和圖10可以看出，噴嘴出口速度隨壓力增大而增大，并且隨著入口壓力增大射流速度增大變緩，流體沿程損失增加，速度增長(zhǎng)率逐漸減小，反映在圖10 中就是射流出口速度隨入口壓力增加整體隨著壓力增加函數(shù)斜率降低，增長(zhǎng)曲線趨于平緩。該仿真結(jié)果表明，為獲得良好的使用性能，水刀入口壓力在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量選取較高壓力，此時(shí)高速流區(qū)域較大，水刀能量較為集中。

4 結(jié)論

(1) 射流出口速度曲線圖表明射流出口速度隨錐角增大逐漸增大，但當(dāng)錐角為30°時(shí)射流能量更為集中，穩(wěn)定性更好；結(jié)合原本已有的設(shè)計(jì)與理論基礎(chǔ)得到醫(yī)用射流噴嘴的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，該方案設(shè)計(jì)的醫(yī)用噴嘴可以提供極細(xì)的工作水射流，從而完成對(duì)組織的切割；

(2) 從本方案設(shè)計(jì)的不同壓力下的醫(yī)用射流噴嘴流場(chǎng)仿真結(jié)果中可以看出：射流高速區(qū)域隨壓力增加逐漸增大，在允許范圍內(nèi)選取較高的入口壓力可以提高水刀性能，能更好完成手術(shù)任務(wù)。