基于智能材料及连续体机构的微创外科手术器械设计研究

摘要

微创外科手术器械的安全性在很大程度上依赖于手术器械在主动或被动结构的安全性设计。本文根据微创外科手术器械的结构组成，分别对末端执行器及器械中间段与操作端的安全性设计问题开展了研究。首先，微创外科手术器械的末端执行器的安全性问题来源于对组织进行直接操作时造成的过压夹持和牵拉损伤，本文以被动保护型内镜手术钳为例展开研究；其次，微创外科手术器械的中间段及操作端的安全性问题来源于进出人体腔道及执行手术操作过程中对人体组织造成的挤压和牵拉等损伤，本文以经自然腔道的变刚度内镜器械外护套为例展开研究。
　　本文对前述问题的解决思路是采用智能材料与连续体结构相结合的方式，提出以恒力与刚度可变两大概念来实现对人体组织的安全保护，研究其实现方法，构建可实现恒力与刚度可变的结构单元，并将其集成应用到微创手术器械，提高微创外科手术的安全性。
　　首先，在第一章中对国内外微创手术器械的研发现状进行了调研，分析了微创手术器械末端执行器及微创内镜器械外护套设计中存在的安全性问题，归纳总结了目前该领域已有的解决方法及存在的瓶颈问题。
　　在第二章中，以被动保护型内镜手术钳为例，对微创手术器械末端执行器在组织操作过程中由于手术环境的限制易导致组织夹持损伤的问题开展了研究。采用镍钛形状记忆合金构建了具有特殊应力应变曲线的恒力控制单元，提出了具有正比例力学特性的渐开线槽型及齿轮齿条传动型两种新型手术钳结构，实现了内镜手术钳的被动保护功能，通过模型制备及力学实验，验证了手术钳的被动保护特性。该研究成果在手术器械末端执行器上的应用可大幅度提高手术器械的生物力学相容性，从而提高微创外科手术的安全性。
　　微创外科手术器械的中间段及操作端的安全性问题，需要从两方面解决，一方面是器械中间段要具有一定的柔性及形变可控特性，从而在进出人体腔道时不产生过度挤压。另一方面是对于承受较大末端外力的器械而言，要求器械中间段具有刚度可变特性，从而维持器械中间段在受力过程中的形态，提高手术操作的安全性和有效性。
　　在第三章中，围绕承受较小外力场合下器械中间段柔性及形变可控性的要求，以基于并联柔性气囊的连续体变刚度单元为例展开了研究。采用高伸缩率柔性气囊并联形成连续体变刚度单元，提出了通过气压控制实现连续体单元形变及刚度一体化控制的方法。该研究成果在手术器械中间段的应用可显著提高内镜手术器械的灵活性及安全性。
　　在第四章中，针对要求器械中间段具有形变可控性且承受较大末端外力场合的安全性问题，以基于低熔点合金的连续体变刚度外护套单元为例展开了研究。采用低熔点合金构建了具有刚度可变特性的连续体单元。通过模型制备及力学实验，验证了变刚度外护套单元的刚度可变特性。
　　在第五章中，为提高变刚度外护套单元在临床应用中的可行性，对单元在结构尺寸、形变可控性、刚度及热安全性等方面做了进一步优化。通过线驱动的方式实现了单元在柔性状态下的形变控制。利用气凝胶毡材料构建的隔温层有效保证了外护套单元的热安全性。力学实验验证得到，刚性状态下的变刚度外护套单元可在维持自身状态稳定的前提下，为内部器械提供足够的力学支撑。该研究成果在器械中间段的集成应用，可大幅度提高手术器械的生物力学相容性，从而提高手术的安全性。
　　综上所述，本文针对微创外科手术器械存在的安全性问题，通过智能材料与连续体结构的结合，开发了可实现恒力特性及刚度可变特性的单元机构，实现了对生物组织的被动保护，所提出的研究方法及解决方案在微创手术器械中的推广，将有效的提高微创内镜手术器械的生物力学相容性，保证手术的安全性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题来源及意义

1.2微创外科手术的发展阶段

1.3微创内镜手术器械生物力学相容性研究的国内外现状

1.4本论文的研究目的及主要内容

第二章 具有生物力学相容性的微创手术器械末端执行器的设计研究

2.1引言

2.2组织夹持损伤的事实依据

2.3研究的理论基础

2.4具有被动保护特性的微创内镜手术钳的设计与制备

2.5具有被动保护性质的微创内镜手术钳的实验验证

2.6本章小结

第三章 具有生物力学相容性经自然腔道内镜手术器械的研究-柔性微刚度

3.1引言

3.2基于并联可伸缩气囊的变刚度单元的概念验证—二维模型

3.3变刚度单元的结构设计—三维模型

3.4变刚度单元的模型制备

3.5变刚度单元的工作空间测量

3.6柔性连续体变刚度单元的变刚度实现方法

3.7本章小结

第四章 基于低熔点合金的变刚度外护套单元的可行性验证

4.1可变刚度材料的选取

4.2低熔点合金相变的实现方法

4.3 低熔点合金的分布与变刚度单元刚度的关系

4.4变刚度外护套单元的结构设计及模型制作

4.5基于低熔点合金的变刚度外护套单元刚度转变时间的测量

4.6基于低熔点合金且采用水循环方式的变刚度外护套刚度的评价

4.7本章小结

第五章 基于低熔点合金的变刚度外护套的结构优化及集成设计

5.1变刚度外护套单元结构的优化设计

5.2变刚度外护套的几何模型的建立

5.3变刚度外护套的模型制作

5.4变刚度外护套刚柔状态间转换时间的测量

5.5变刚度外护套刚性状态下刚度的测量

5.6变刚度外护套在柔性状态下的灵活性评价

5.7基于低熔点合金的变刚度外护套的热安全性

5.8本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1本文工作总结

6.2本文的主要贡献和创新点

6.3今后研究工作展望

参考文献

附录一 公式推导

附录二 程序代码

攻读博士学位期间发表或录用的论文

致谢