鉗齒形貌對(duì)腹腔鏡夾鉗安全性的影響

田云鵬，閆士舉，宋成利，王成勇，張濤，3

1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510000；3.宜安新材料研究院，廣東東莞523662

前言

腹腔鏡手術(shù)中，醫(yī)療器械作為手術(shù)操作的必要工具，其安全性能對(duì)手術(shù)效果的影響至關(guān)重要。醫(yī)源性損傷往往是醫(yī)療器械作用于組織時(shí)造成損傷而引起的術(shù)后潰瘍、壞死等并發(fā)癥［1-3］。腹腔鏡夾鉗作為移動(dòng)、牽拉組織的手術(shù)工具，其安全性一般考慮夾持組織損傷和牽拉組織的滑脫［4］，而損傷和滑脫則取決于鉗頭形貌和作用尺寸所帶來(lái)的物理變形和力。手術(shù)時(shí)，夾持力越大組織越不容易滑脫，但更容易造成損傷，組織不滑脫牽拉距離是評(píng)價(jià)夾鉗性能的重要指標(biāo)［5］。不同形貌鉗頭的夾持效果不同，鉗頭齒型參數(shù)對(duì)力學(xué)性能影響明顯［6］。圓潤(rùn)邊緣提供的壓力峰值小，不同大小的齒夾持時(shí)造成的峰值應(yīng)力不同，大的齒更易損傷組織［1］。朱巍等［7］通過(guò)力學(xué)模型分析認(rèn)為圓形齒與組織接觸應(yīng)力較楔形齒小，但圓形齒易滑脫。王進(jìn)等［8］證明增加鉗頭邊緣倒角曲率半徑和齒形弧度均可以減輕夾持時(shí)造成的組織表面和血管的損傷。Heijinsdijk等［9］通過(guò)建立損傷滑移對(duì)比分析不同抓鉗抓取組織時(shí)的性能，認(rèn)為接觸面積增大能減少滑移和損傷發(fā)生，且增大接觸面積對(duì)損傷的影響顯著于滑脫。腹腔鏡夾鉗夾持效果分為夾緊和牽拉，其中牽拉取決于夾鉗對(duì)組織的粘附和變形作用，且變形起主要作用［10］。粘附作用主要由摩擦力決定［11］，而變形作用受制于夾鉗對(duì)組織的鉗制。不同形貌的夾鉗作用于組織時(shí)，造成的應(yīng)力不同，這是影響夾持安全的主要因素。因?yàn)樾巫兎绞?、作用于組織的應(yīng)力集中區(qū)域差異，使得不同鉗齒牽拉能力不同。

物理實(shí)驗(yàn)一般通過(guò)肉眼觀察判斷組織是否損傷和滑移，使得結(jié)果有一定誤差。通過(guò)有限元分析能夠準(zhǔn)確判斷組織滑移發(fā)生點(diǎn)和滑移距離，定義損傷，以判斷不同夾鉗的夾持是否安全。本文通過(guò)模擬壓縮和牽拉組織這一手術(shù)動(dòng)作，對(duì)比不同齒型夾持下所具有的牽拉效果，用牽拉距離衡量夾持時(shí)的組織滑脫難易程度，即組織形變所帶來(lái)的夾持效果。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)原理

腹腔鏡夾鉗作用于組織，夾持效果受垂直于組織的壓縮和橫向的牽拉兩部分因素的影響，故模擬動(dòng)作為鉗頭的壓縮和橫向的移動(dòng)兩個(gè)階段（圖1）。通過(guò)對(duì)比不同形貌鉗頭對(duì)組織的壓縮和牽拉效果來(lái)反映其夾持性能，其中最大等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)組織是否損傷，不滑移牽拉距離對(duì)應(yīng)夾鉗的牽拉能力。牽拉時(shí)，以組織橫向位移第一個(gè)峰值為判斷點(diǎn)，峰值位移即不滑移最大牽拉距離。

根據(jù)De［12］的研究結(jié)果，我們將組織損傷夾持安全應(yīng)力極限設(shè)為200 kPa。組織受壓情況下應(yīng)變率可達(dá)40%［13-14］，在4 mm 厚的組織上測(cè)試壓縮量為0～1.6 mm。接觸狀態(tài)為摩擦系數(shù)0.1的摩擦接觸［12］。對(duì)組織邊界約束條件為：牽拉方向的組織端面不做約束，其對(duì)稱面作固定約束，組織其余兩個(gè)側(cè)面限制除牽拉方向外的其他移動(dòng)自由度。

圖1 夾持動(dòng)作示意圖Fig.1 Diagram of clamping action

1.2 分析模型

對(duì)比不同形貌夾鉗夾持時(shí)的特點(diǎn)，夾持時(shí)上下兩鉗頁(yè)具有對(duì)稱性，簡(jiǎn)化采用1/2 夾鉗的單個(gè)鉗頁(yè)分析。選用如圖2的4 種不同形貌的鉗頭作為分析對(duì)象。鉗體尺寸相同，4 種鉗齒高度相同，尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。夾持過(guò)程中，夾鉗對(duì)于組織只接觸很小一部分，直接受力和變形發(fā)生在接觸區(qū)域一定的范圍內(nèi)。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少邊界約束對(duì)組織受力變形等結(jié)果的影響，組織建模邊界遠(yuǎn)離鉗體作用位置，模擬初始位置為單個(gè)鉗頭置于組織表面中心處。肝臟組織模型為50×50×4的立方體。

圖2 不同齒形鉗頭模型Fig.2 Models of grasper jaws with different teeth profiles

1.3 材料屬性

肝臟組織作為一種含水量較高的實(shí)體器官，這里認(rèn)為是各向同性，不可壓縮的［15-16］。選用1storder Ogden 超彈性材料模型［17-19］，材料參數(shù)［20］為α=20.82，μ=0.002 227 MPa。夾鉗材料選用普通結(jié)構(gòu)鋼，密度ρ=7 850 kg?m-3，泊松比υ=0.3，楊氏模量E=200 GPa。

2 結(jié)果

2.1 鉗頭牽拉效果

圖3顯示了采用4 種鉗頭壓縮時(shí)肝臟組織的最大等效應(yīng)力與其被壓縮距離的關(guān)系。可見(jiàn)應(yīng)力增長(zhǎng)速率隨壓縮距離增加呈上升趨勢(shì)。不同形貌鉗頭夾持下組織的峰值應(yīng)力不同，增長(zhǎng)速率不同。圖3表明4 種形貌鉗頭作用下組織的最大等效應(yīng)力均一定程度地超過(guò)了安全界限。直角楔形齒鉗頭采用不同齒數(shù)，組織最大等效應(yīng)力在壓縮量較小時(shí)區(qū)別并不明顯，壓縮量超過(guò)1 mm 后較多齒數(shù)的鉗頭才使組織具有稍小的最大等效應(yīng)力，而出現(xiàn)差別時(shí)應(yīng)力都已超過(guò)了本文定義的安全應(yīng)力界限。

表1 各鉗頭齒型參數(shù)Tab.1 Size parameters of grasper jaws with different teeth profiles

圖3 組織最大等效應(yīng)力隨壓縮距離變化曲線Fig.3 Relationship between peak equivalent stress and compression distance

圖4所示為夾持過(guò)程中，鉗頭牽拉組織橫向移動(dòng)時(shí)，組織不滑脫條件下鉗頭橫移距離。圖4a 中可以看到隨著壓縮距離的增加，牽拉距離增大，不同齒形所具有的牽拉能力區(qū)別明顯。且隨著壓縮量的增加，鉗頭所具有的牽拉能力呈上升趨勢(shì)，這在梯形齒鉗頭體現(xiàn)最為明顯。梯形齒在0.9 mm 之前的牽拉能力介于兩楔形之間，在0.9 mm 之后突增，這是鉗齒對(duì)組織的鉗制效果在不同壓縮量下的體現(xiàn)。直角楔形齒和等腰楔形齒有相似的外形，其牽拉距離增長(zhǎng)速率近似，但直角楔形齒牽拉能力優(yōu)于等腰楔形齒。圖4b 顯示齒數(shù)差異帶來(lái)的牽拉作用仍然區(qū)別明顯，壓縮距離和齒數(shù)的增加均使得牽拉距離上升。

因肝臟屬于實(shí)體器官，鉗頭作用于組織時(shí)，組織變形并不完全包覆于鉗齒，這可以從組織應(yīng)變上得到一定的體現(xiàn)。各鉗頭在0.8 mm 壓縮下滑脫前作用組織的應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示，且采用統(tǒng)一顏色圖例以更好地對(duì)比不同齒形作用下組織的應(yīng)變大小；鉗體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閳D中向右?？梢钥闯鲎畲髴?yīng)變發(fā)生在鉗體邊緣位置，各齒形鉗齒作用組織所造成的組織應(yīng)變分布有明顯差異。

2.2 安全牽拉

最大安全等效應(yīng)力考慮夾持和牽拉共同作用。做出所有齒形安全牽拉距離范圍（圖6），即等效應(yīng)力峰值在200 kPa 以下，并以壓縮量0.05 mm 為測(cè)量單位的鉗頭不滑脫橫向移動(dòng)距離?？梢钥闯霾煌X形安全夾持區(qū)域不同，牽拉能力差異明顯，直角楔形齒鉗頭在安全范圍和牽拉距離上有較優(yōu)效果，釘形齒鉗頭安全范圍最小。在各夾持?jǐn)?shù)值安全區(qū)域內(nèi)，所有操作均不會(huì)對(duì)組織造成損傷，這便使確定不同齒形安全夾持參數(shù)具有意義。根據(jù)最大安全牽拉距離，對(duì)比4 種齒形鉗頭此時(shí)壓縮和牽拉對(duì)等效應(yīng)力的影響（表2），等腰楔形齒牽拉影響最大，直角楔形齒影響最小。最大等效應(yīng)力相近時(shí)，垂直壓力受齒形和壓縮量影響從而不同齒形施加于組織不同的力。最大的壓力為梯形齒鉗頭受1.39 N 壓力，這小于王進(jìn)等［8］使用的3 N 壓力和Li 等［5］確定的3.5 N 的安全力，這是鉗齒參數(shù)不同以及安全應(yīng)力取用較小值的緣故。

圖4 不滑脫牽拉距離與壓縮距離關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between non-slippage traction distance and compression distance

圖5 各齒形鉗頭在0.8 mm壓縮量時(shí)作用組織的應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Strain nephograms of clamping tissues by different grasper jaws at 0.8 mm compression

3 討論

組織材料破損前的應(yīng)力應(yīng)變呈正相關(guān)，應(yīng)變區(qū)域和數(shù)值可以反映應(yīng)力分布，圖5的應(yīng)變顯示釘形齒齒尖和梯形齒棱邊造成了更突出的應(yīng)力集中現(xiàn)象。不同齒形作用于組織的應(yīng)力大小、分布均有差異，所帶來(lái)的夾持效果也區(qū)別明顯。圖3a 中的4 種齒形鉗頭作用于組織的等效應(yīng)力均高于無(wú)齒形鉗頭。但最大等效應(yīng)力與牽拉能力并不直接對(duì)應(yīng)，釘形齒鉗頭牽拉能力僅與無(wú)齒形鉗頭相近（圖4），另外3 種鉗頭在不同壓縮量下均表現(xiàn)出更優(yōu)越的牽拉能力，這是變形力和摩擦力的共同作用。鉗齒作用效果中，變形力起主導(dǎo)作用，這體現(xiàn)在接觸面積少于無(wú)齒形鉗頭（圖5），但牽拉能力更優(yōu)。各鉗頭作用于組織時(shí)，鉗齒與組織接觸只占很小一部分面積，所以其牽拉能力主要來(lái)源于組織的變形作用，無(wú)齒形鉗頭底面與組織完全貼合，依靠壓力所帶來(lái)的摩擦力實(shí)現(xiàn)牽拉，所以在摩擦系數(shù)固定的模擬條件下，無(wú)齒形鉗頭表現(xiàn)出一定的牽拉能力。但摩擦系數(shù)更小或表面接觸濕潤(rùn)時(shí)，無(wú)齒形鉗頭的牽拉能力便會(huì)快速下降，這時(shí)夾持就需要鉗齒對(duì)組織的變形鉗制作用實(shí)現(xiàn)。

圖6 不同齒形鉗頭安全夾持范圍Fig.6 Safety clamping ranges of grasper jaws with different teeth profiles

牽拉能力最優(yōu)的直角楔形齒鉗頭，鉗齒數(shù)量在最大等效應(yīng)力作用上差異并不明顯（圖3b），這可以理解為相同齒形結(jié)構(gòu)在較小壓縮量條件下，對(duì)組織施加的應(yīng)力情況近似，即最大應(yīng)力損傷能力相近。但圖4b中不同齒數(shù)鉗頭所表現(xiàn)的牽拉能力有明顯的齒數(shù)相關(guān)性，齒數(shù)越多牽拉能力越強(qiáng)，這就體現(xiàn)了不同齒數(shù)所作用于組織的鉗制變形效果差異。

圖5中鉗頭牽拉時(shí)，組織從鉗齒間滑脫可以認(rèn)為是單個(gè)鉗齒將相鄰右側(cè)組織擠壓后滑移的過(guò)程。鉗頭鉗制組織的能力即可視為鉗齒右側(cè)組織因鉗齒作用變形而具備的抵抗鉗齒向右擠壓的能力，鉗齒右側(cè)組織的應(yīng)變大小及分布則反映了組織這一能力。將鉗齒右側(cè)組織區(qū)域稱為鉗制支柱區(qū)，較大的應(yīng)變使得這一區(qū)域組織具有更多的應(yīng)變能，鉗齒擠壓時(shí)，其抵抗繼續(xù)變形的能力就更強(qiáng)。圖5顯示直角楔形齒和梯形齒作用下的支柱區(qū)應(yīng)變?cè)?.16～0.20 范圍內(nèi)，這使得其具備更強(qiáng)的牽拉能力。而釘形齒鉗頭因其多齒的分布和0.12～0.16 的支柱區(qū)應(yīng)變，鉗制能力表現(xiàn)為最弱。甚至將支柱區(qū)應(yīng)變同為0.12～0.16的釘形齒鉗頭和十齒等腰楔形齒鉗頭橫向?qū)Ρ?，釘形齒鉗頭牽拉能力依然劣勢(shì)。梯形齒支柱區(qū)應(yīng)變有轉(zhuǎn)變至0.20～0.24 的趨勢(shì)，壓縮量的繼續(xù)增大即使得梯形齒具有了更突出的鉗制能力（圖4a）。不同齒數(shù)的直角楔形齒鉗頭作用下的組織支柱區(qū)應(yīng)變區(qū)別明顯，所以其鉗制組織能力與齒數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

表2 各鉗頭最大安全牽拉距離時(shí)的參數(shù)Tab.2 Parameters of grasper jaws at the maximum safe traction distance

比較不同齒形的性能，在安全應(yīng)力200 kPa條件下，各鉗頭對(duì)組織最大等效應(yīng)力和鉗制效果不同使得其安全作用范圍有較明顯差別。圖6中的結(jié)果顯示，釘形齒的夾持效果最差，這緣于釘形齒尖作用于組織的應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒形與組織間的鉗制效果差，使得安全壓縮距離和不滑移牽拉距離均最小。梯形齒鉗頭作用最大等效應(yīng)力稍大于兩種楔形齒，所以其安全壓縮量小于楔形齒，但其鉗制組織的能力優(yōu)越，在較小壓縮量下就能牽拉組織較大的距離。直角楔形齒從安全壓縮距離和不滑移牽拉距離方面，均顯示突出的能力，這表示該鉗齒形狀在夾持中能發(fā)揮較好的性能。等腰楔形齒因其壓縮時(shí)應(yīng)力增長(zhǎng)最慢，在最大安全牽拉距離后的兩個(gè)測(cè)量單位內(nèi)依然具有一定的安全牽拉能力，其牽拉過(guò)程應(yīng)力增長(zhǎng)占比明顯高于其他3種齒形（表2），所以等腰楔形齒具有最寬的安全壓縮距離。應(yīng)力增長(zhǎng)占比不同，更清晰地體現(xiàn)了不同鉗齒作用效果的差異。各齒形最大安全牽拉時(shí)所受垂直壓力見(jiàn)表2，齒形尖銳的齒作用較小的力便使組織應(yīng)力達(dá)到安全峰值，這從力的角度說(shuō)明了其安全性能較差。

4 結(jié)語(yǔ)

鉗齒形貌對(duì)鉗頭夾持組織性能影響明顯，本文以最大等效應(yīng)力為安全夾持判斷標(biāo)準(zhǔn)，以不滑脫牽拉距離衡量鉗頭夾持性能，對(duì)比了相同齒數(shù)不同齒形鉗頭和不同齒數(shù)相同齒形鉗頭的夾持效果。鉗齒尖銳更容易造成應(yīng)力集中從而導(dǎo)致組織損傷，但夾持能力并非完全取決于夾持應(yīng)力，應(yīng)充分考慮鉗齒對(duì)組織的鉗制效果以判斷不同齒形、齒數(shù)鉗頭所具備的安全夾持能力。有限元模擬應(yīng)以更精確的模擬參數(shù)、更優(yōu)化的模型進(jìn)行腹腔鏡夾鉗設(shè)計(jì)分析，以期為制造更優(yōu)良的夾鉗提供參照。