一種臨床微創(chuàng)手術(shù)用剛性可控機械手設(shè)計與研究

姚方輝，扶玉珍，李文仿

1.十堰市太和醫(yī)院（湖北醫(yī)藥學院附屬太和醫(yī)院）普外科，湖北 十堰 442000；2.湖北醫(yī)藥學院 組織學與胚胎學教研室，湖北 十堰 442000

[關(guān)鍵字] 微創(chuàng)手術(shù)；機械手；折疊結(jié)構(gòu)；剛性可控

引言

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)[1-2]的不斷發(fā)展，人們對醫(yī)療設(shè)備的要求也越來越高。微創(chuàng)手術(shù)（Minimally Invasive Surgery，MIS）具有瘢痕小、術(shù)后疼痛輕、住院時間短和術(shù)后恢復快等優(yōu)點，已成為醫(yī)學領(lǐng)域中的重要一環(huán)，受到了人們廣泛地關(guān)注[3-5]。自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery，NOTES）作為一種典型的MIS，可通過口、結(jié)腸或陰道途徑進入病變部位，從而減少組織損傷[6-7]。然而，NOTES手術(shù)過程中對機械手要求較高：① 機械手結(jié)構(gòu)需緊湊且靈活，從而可在不扭結(jié)或損壞腔內(nèi)壁的情況下穿過病變部位；② 在操作過程中，機械手需要滿足剛性要求，從而為順利操縱手術(shù)工具奠定基礎(chǔ)。因此，需要開發(fā)滿足上述要求的手術(shù)器械，這對推動NOTES的快速發(fā)展和其廣泛應用具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的剛性手術(shù)工具和柔性內(nèi)窺鏡不能完全滿足臨床要求，因此不能直接應用于NOTES。基于此，有研究者對剛性蛇形機械手進行研究，并取得了一定進展。孟巧玲等[8]提出了一種基于柔性鉸鏈的仿生外骨骼機械手，該機械手通過增大控制線張力來增加剛性連桿之間的摩擦。然而，高剛度需要高的線張力，并且連桿需要足夠大以承受負載。Gao等[9]提出了一種考慮相變傳熱過程與材料溫度效應的可變剛度內(nèi)窺鏡機械手設(shè)計方法。相變材料使得機械手在不同溫度變化時在剛性模式和柔性模式之間切換。這種方法可以獲得較好的剛度，然而較長的激活時間限制了其在實際中的應用。張德福[10]和郝兵等[11]設(shè)計了氣動和液壓機械手，通過可控流體壓力或液壓，能獲得穩(wěn)定剛度，然而這類設(shè)計的機械手對于精細化操縱存在明顯的不足。此外，還有研究提出具有折疊式結(jié)構(gòu)[12-18]的機械手裝置，該裝置通過交叉交織的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可在縱向拉伸時顯著減小直徑，這類網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具備折疊性、重量輕、柔韌性、抗疲勞性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，已廣泛應用于醫(yī)療、織物、建筑等領(lǐng)域中。

本文旨在提出一種剛度可調(diào)的新型折疊結(jié)構(gòu)機械手密封管結(jié)構(gòu)，該密封管主要采用編織骨架實現(xiàn)徑向折疊，并利用薄膜密封骨架，從而可通過負壓調(diào)節(jié)剛度，以期滿足MIS機械手結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、剛性可控等要求。

1 機械手密封管設(shè)計與制造

1.1 機械手密封管設(shè)計原理

密封管由織管骨架和密封管薄膜組成，編織管的幾何形狀如圖1a所示，分別由編織角度（β）、管直徑（D）、管長度（L）以及纖維直徑（d）和纖維數(shù)量（n）決定?？v向拉伸/壓縮時，D隨β的改變而發(fā)生變化，導致管折疊或展開。然而纖維在變形過程中幾乎不可拉伸，其長度（l）可通過公式（1）計算。

式中，c為常數(shù)，表示每根纖維的線圈數(shù)；D'和β'分別表示管變形后的直徑和編織角度。根據(jù)公式（1），變形管的D'計算方式如公式（2）所示。

理論上，β在0～90°。當β接近0°時，D'趨于上限D(zhuǎn)/cosβ；當β接近90°時，D'趨于下限2d。因此，最大折疊比（r），即管直徑的最大值和最小值之間的比率計算如公式（3）所示。

由于編織管的纖維在交叉點處松散地相互接觸，相對移動僅受摩擦約束，因此編織管具有很大的彎曲靈活性，可以實現(xiàn)較大的曲率。這種靈活性有助于管通過彎曲的孔口，并在操作過程中實現(xiàn)“S”形曲線。為實現(xiàn)可調(diào)剛度，采用薄膜覆蓋編織管的內(nèi)外表面，形成管狀密封腔（圖1b）。在正常柔性狀態(tài)下，機械手密封管的編織骨架占主導地位，且裝置具有柔性和可折疊性。當空腔為真空時，設(shè)備進入剛性狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，空氣壓力將膜緊緊壓縮到編織管上，膜在彎曲時也會變形，從而提高機械手密封管的剛度。

圖1 密封管結(jié)構(gòu)

1.2 機械手密封管制造

考慮到尼龍纖維具有良好的彈性和對3D打印模具的順應性，以及較低的熱處理溫度[19]，本研究選用尼龍纖維制作編織管。此外，由于聚乙烯膜易于密封，且具有較高的拉伸剛度，可為纖維提供約束力，因此使用聚乙烯膜形成空腔。機械手密封管制造過程如下：① 制作尼龍纖維編織管，形成骨架結(jié)構(gòu)，并通過熱封制作管狀聚乙烯膜；② 將聚乙烯膜覆蓋在編織管骨架內(nèi)外表面，形成管狀空腔結(jié)構(gòu)；③ 將導管插入空腔，并用膠水密封空腔，從而保證管狀空腔結(jié)構(gòu)處于密封狀態(tài)。

采用上述方法和真空系統(tǒng)制作的實驗過程如圖2所示。尼龍纖維和聚乙烯膜的楊氏模量均在Instron 5982實驗機上進行了測試，參數(shù)如表1所示。

圖2 機械手實驗過程

表1 機械手密封管相關(guān)參數(shù)

2 結(jié)果

2.1 實驗裝置及分析

為了評估機械手密封管的彎曲剛度，對物理試樣進行了純彎曲實驗，從而統(tǒng)計設(shè)備力矩情況。彎曲實驗機設(shè)計方案如圖3所示，圖中虛線表示的傳輸線由4個固定滑輪定向，當水平拉動鋼絲時，純力矩將施加到支架上，并傳遞到實驗樣品上，其中力矩計算方式如公式（4）所示。

圖3 彎曲實驗機設(shè)計方案

式中，M為力矩；rw和F分別為傳輸線的半徑和受力大?。沪脼閺澢嵌?；h為兩個滑輪之間的高度差；α為兩個滑輪中心線連接線與水平面的夾角；rp為滑輪半徑。

實驗裝置如圖4所示，彎曲實驗機放于一個平坦的平臺上，試樣的兩端固定在彎曲實驗機上。穿過彎曲測試儀的傳輸線一端固定，另一端連接到可移動稱重傳感器。車輪安裝在測試儀的拐角處，以便在平臺上自由移動。實驗中采用位移控制，加載速率為0.3 mm/s。

圖4 機械手測試實驗裝置

2.2 有限元數(shù)值分析

為進一步分析密封管剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)應力分布情況，本研究使用有限元Abaqus/Explicit[20]對彎曲實驗進行了數(shù)值模擬。① 建立了包括內(nèi)外膜和編織管的剛性狀態(tài)模型，對于柔性狀態(tài)，去除兩層膜，只考慮編織管，同時，利用Matlab確定編織管的纖維軌跡；② 在Matlab中獲取編織管的節(jié)點和單元信息，建立孤立網(wǎng)格零件并導入Abaqus。編織管兩端的節(jié)點分別連接到2個參考點Rp1和Rp2，作為剛體結(jié)構(gòu)。膜的幾何形狀在Abaqus中建立，其中內(nèi)膜直徑略小于編織管直徑，而外膜直徑略大，從而避免物理干擾；③ 分別使用梁單元B31和膜單元M3D4R對編織管和膜進行網(wǎng)格劃分。有限元分時所有參數(shù)與彎管和編織管實際參數(shù)一致（表1）。通過驗證的數(shù)值模型，分析密封管在剛性狀態(tài)下的剛度增強機理。圖5為剛性狀態(tài)下密封管和編織管的變形效果分析圖，由圖5可知，剛性狀態(tài)中獲得了測量曲率半徑ρ=136.17 mm的近似純彎曲，柔性狀態(tài)中曲率半徑為ρ=144.36 mm，表明，在剛性狀態(tài)下，編織管在骨架上緊密壓縮，密封管的變形模式不會受到顯著影響，仍然可正常工作。

圖5 剛性和柔性數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 綜合分析

圖6為理論計算、數(shù)值模擬與實驗在剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)力矩-彎曲角曲線。表2為當彎曲角度為60°時，剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)理論及實驗力矩統(tǒng)計結(jié)果。由表2可知，剛性狀態(tài)實驗力矩為136.21 Nmm，柔性力矩為19.91 Nmm。此外，剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)下，數(shù)值計算與實驗數(shù)據(jù)誤差分別為14.05%和8.97%。分析原因，該誤差主要是由負載測試儀中存在摩擦消耗，然而數(shù)值模擬中未考慮摩擦消耗情況。此外，數(shù)值計算得到的變形構(gòu)型和力矩曲線與相應的實驗結(jié)果顯示出相同的趨勢。因此，數(shù)值模型可作為解釋剛度增強機理的可靠方法。

圖6 剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)力矩-彎曲角曲線

表2 剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)理論及實驗力矩結(jié)果

3 討論

本文討論了一種用于微創(chuàng)手術(shù)的新型機械手密封管，對機械手密封管進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，該密封管由編織管骨架和薄膜組成，其中編織管骨架可實現(xiàn)縱向柔性和徑向折疊，薄膜密封管通過負壓可調(diào)剛度。在正常柔性狀態(tài)下，機械手密封管的編織骨架占主導地位，且裝置具有柔性和可折疊性。當空腔為真空時，設(shè)備進入剛性狀態(tài)，從而滿足機械手剛度要求。為驗證所提機械手密封管有效性，通過有限元數(shù)值分析，剛性狀態(tài)中獲得了測量曲率半徑ρ=136.17 mm的近似純彎曲，柔性狀態(tài)中曲率半徑為ρ=144.36 mm。表明，在剛性狀態(tài)下，編織管在骨架上緊密壓縮，密封管的變形模式不會受到顯著影響，仍然可正常工作。通過綜合分析，當彎曲角度為60°時，剛性狀態(tài)實驗力矩為136.21 Nmm，柔性力矩為19.91 Nmm。

本文中的新型機械手與仿生外骨骼機械手[8]相比，經(jīng)有限元數(shù)值分析表明受力較低，變形時機械臂不需要承受過大負載。與相變材料[9]設(shè)計的機械手相比，本文所提新型機械手及其密封管通過負壓調(diào)節(jié)，激活時間較低。與氣動和液壓機械手[10-11]相比，所提新型機械手及其密封管具有良好的彈性和較高的拉伸剛度，可實現(xiàn)一定程度上的精確定位及精細控制。綜上，本研究設(shè)計的新型機械手及其密封管具有有效性及實用性，該設(shè)備可為微創(chuàng)手術(shù)機械手設(shè)計及應用提供一定借鑒，具有一定推廣價值。未來可進一步對機械手精確定位及精細控制系統(tǒng)進行設(shè)計分析，從而進一步增強機械手的實用性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于微創(chuàng)手術(shù)的新型機械手，并對機械手設(shè)計進行了研究。數(shù)值計算得到的變形構(gòu)型和力矩曲線與相應的實驗結(jié)果顯示出相同的趨勢，表明本研究設(shè)計的新型機械手及其密封管具有一定的實用性。