一種臨床微創手術用剛性可控機械手設計與研究

姚方輝，扶玉珍，李文仿

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

[關鍵字] 微創手術；機械手；折疊結構；剛性可控

引言

隨著大數據、物聯網、通信技術[1-2]的不斷發展，人們對醫療設備的要求也越來越高。微創手術（Minimally Invasive Surgery，MIS）具有瘢痕小、術后疼痛輕、住院時間短和術后恢復快等優點，已成為醫學領域中的重要一環，受到了人們廣泛地關注[3-5]。自然腔道內鏡手術（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery，NOTES）作為一種典型的MIS，可通過口、結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手術過程中對機械手要求較高：① 機械手結構需緊湊且靈活，從而可在不扭結或損壞腔內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工具奠定基礎。因此，需要開發滿足上述要求的手術器械，這對推動NOTES的快速發展和其廣泛應用具有重要意義。然而，傳統的剛性手術工具和柔性內窺鏡不能完全滿足臨床要求，因此不能直接應用于NOTES?；诖耍醒芯空邔傂陨咝螜C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窺鏡機械手設計方法。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，能獲得穩定剛度，然而這類設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構[12-18]的機械手裝置，該裝置通過交叉交織的纖維網狀結構構成，可在縱向拉伸時顯著減小直徑，這類網狀結構具備折疊性、重量輕、柔韌性、抗疲勞性和尺寸穩定性等優點，已廣泛應用于醫療、織物、建筑等領域中。

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

1 機械手密封管設計與制造

1.1 機械手密封管設計原理

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）和纖維數量（n）決定?？v向拉伸/壓縮時，D隨β的改變而發生變化，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，表示每根纖維的線圈數；D'和β'分別表示管變形后的直徑和編織角度。根據公式（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/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“S”形曲線。為實現可調剛度，采用薄膜覆蓋編織管的內外表面，形成管狀密封腔（圖1b）。在正常柔性狀態下，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，設備進入剛性狀態。在這種狀態下，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 密封管結構

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，形成骨架結構，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外表面，形成管狀空腔結構；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構處于密封狀態。

采用上述方法和真空系統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，參數如表1所示。

圖2 機械手實驗過程

表1 機械手密封管相關參數

2 結果

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，從而統計設備力矩情況。彎曲實驗機設計方案如圖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小；γ為彎曲角度；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 有限元數值分析

為進一步分析密封管剛性狀態和柔性狀態應力分布情況，本研究使用有限元Abaqus/Explicit[20]對彎曲實驗進行了數值模擬。① 建立了包括內外膜和編織管的剛性狀態模型，對于柔性狀態，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中獲取編織管的節點和單元信息，建立孤立網格零件并導入Abaqus。編織管兩端的節點分別連接到2個參考點Rp1和Rp2，作為剛體結構。膜的幾何形狀在Abaqus中建立，其中內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格劃分。有限元分時所有參數與彎管和編織管實際參數一致（表1）。通過驗證的數值模型，分析密封管在剛性狀態下的剛度增強機理。圖5為剛性狀態下密封管和編織管的變形效果分析圖，由圖5可知，剛性狀態中獲得了測量曲率半徑ρ=136.17 mm的近似純彎曲，柔性狀態中曲率半徑為ρ=144.36 mm，表明，在剛性狀態下，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 剛性和柔性數值模擬結果

2.3 綜合分析

圖6為理論計算、數值模擬與實驗在剛性狀態和柔性狀態力矩-彎曲角曲線。表2為當彎曲角度為60°時，剛性狀態和柔性狀態理論及實驗力矩統計結果。由表2可知，剛性狀態實驗力矩為136.21 Nmm，柔性力矩為19.91 Nmm。此外，剛性狀態和柔性狀態下，數值計算與實驗數據誤差分別為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，然而數值模擬中未考慮摩擦消耗情況。此外，數值計算得到的變形構型和力矩曲線與相應的實驗結果顯示出相同的趨勢。因此，數值模型可作為解釋剛度增強機理的可靠方法。

圖6 剛性狀態和柔性狀態力矩-彎曲角曲線

表2 剛性狀態和柔性狀態理論及實驗力矩結果

3 討論

本文討論了一種用于微創手術的新型機械手密封管，對機械手密封管進行了結構設計，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縱向柔性和徑向折疊，薄膜密封管通過負壓可調剛度。在正常柔性狀態下，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，設備進入剛性狀態，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，通過有限元數值分析，剛性狀態中獲得了測量曲率半徑ρ=136.17 mm的近似純彎曲，柔性狀態中曲率半徑為ρ=144.36 mm。表明，在剛性狀態下，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，經有限元數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節，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，可實現一定程度上的精確定位及精細控制。綜上，本研究設計的新型機械手及其密封管具有有效性及實用性，該設備可為微創手術機械手設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進行設計分析，從而進一步增強機械手的實用性。

4 結論

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