一種新型醫(yī)用精密鑷子的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

蘇長勝，徐小明，肖圣龍，禹 韜

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

在過去20年中，微創(chuàng)手術(shù)（MIS）已經(jīng)發(fā)展成為一種常見的外科手術(shù)，與傳統(tǒng)的開放手術(shù)相比，微創(chuàng)手術(shù)只需在病人的身體上開一個或多個小切口。因此，人們在復(fù)雜手術(shù)中的皮膚切口尺寸顯著減小，可有效降低病人病痛、縮短恢復(fù)周期、減少組織創(chuàng)傷和感染的風(fēng)險［1］，所以微創(chuàng)手術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于腹腔鏡檢查、腹腔鏡手術(shù)、眼科手術(shù)等多方面。在現(xiàn)今的自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（NOTES）中，醫(yī)用鑷子應(yīng)用最普遍的是精密V型鑷子結(jié)構(gòu)，但在手術(shù)中由于人體內(nèi)部組織形狀復(fù)雜且表面濕滑，該結(jié)構(gòu)逐漸被發(fā)現(xiàn)存在夾緊力不足和儀器開口度小的問題［2］，導(dǎo)致手術(shù)可操作性和精度均降低，甚至引發(fā)人體大出血的醫(yī)療事故。本文將對傳統(tǒng)V型鑷子的夾緊力和開口度不足問題進(jìn)行具體分析，并研究一種基于應(yīng)力卸載原理的新型精密醫(yī)用鑷子，以提高鑷子的夾緊力、增大開口度，從而改善儀器的操作性能。

1 傳統(tǒng)V型鑷子簡化模型分析

傳統(tǒng)V型鑷子結(jié)構(gòu)中上、下手臂對稱，假設(shè)用夾緊力F模擬V型鑷子抓取組織時的作用力，即根據(jù)材料力學(xué)知識將該模型進(jìn)行簡化，取鑷子上手臂進(jìn)行研究，簡化為一端固定、另一端無約束的懸臂梁［3］，如圖1所示。圖1中，L為臂長，F(xiàn)為在M點(diǎn)的驅(qū)動力，α為手臂開口角度。由材料力學(xué)中撓曲線微分方程可求得末端的受力F與最大正應(yīng)力σmax分別為：

其中：E為材料的彈性模量（該實(shí)驗(yàn)中材料選定為氧化鋯）；I為梁慣性矩；Δ為鑷子開口度的1／2；y為截面上任意一點(diǎn)到截面中性軸的距離（該參數(shù)本設(shè)計中暫不考慮）；［σ］為材料最大許用應(yīng)力。

將式（1）代入式（2）中，可得到：

當(dāng)手臂抓緊組織即撓度確定時，由式（1）和式（3）可得到兩個結(jié)論：①手臂夾緊力的大小等于護(hù)套克服手臂變形時所需的外力F，F(xiàn)的大小與手臂材料的彈性模量E成正比，與手臂的長度L成反比；②手臂中最大正應(yīng)力σmax發(fā)生在O點(diǎn)，該點(diǎn)最容易發(fā)生斷裂失效。

圖1 V型鑷子手臂簡化模型

由以上推論可得，若要增大V型鑷子夾緊力，從理論上分析應(yīng)使用彈性模量更大的材料、減小手臂長度L。又因手臂的長度L與精密鑷子的開口度2Δ成正比，若想通過減小手臂長度L來獲得更大的夾緊力，將造成精密鑷子開口度2Δ的減小，顯然這不符合實(shí)際使用要求。相反，要獲得較大開口度2Δ，手臂長度L必須取理論最大值。

綜上分析，本文中設(shè)計的醫(yī)用精密鑷子的設(shè)計存在兩個主要矛盾：①單純依靠改變手臂的長度L無法同時滿足增大夾緊力和增大開口度的要求；②若增大手臂長度L，O點(diǎn)的正應(yīng)力隨之最大，易發(fā)生斷裂失效。

2 新型機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計原理

為解決以上的兩個主要矛盾，本文設(shè)計一種基于應(yīng)力卸載原理的新型醫(yī)用精密鑷子，該新型鑷子的上臂機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖2所示［4］。

圖2（a）中包裹在鑷子第一段L1的護(hù)套部分為儀器的驅(qū)動護(hù)套，隨著護(hù)套向末端移動，驅(qū)動兩手臂相互靠攏形成抓取動作，驅(qū)動原理符合微創(chuàng)手術(shù)中的柔性要求。當(dāng)鑷子進(jìn)行抓取動作時如圖2（b）所示，上、下手臂會在A點(diǎn)發(fā)生接觸，接觸后即可將A點(diǎn)當(dāng)作手臂輔助基點(diǎn)進(jìn)行分析，手臂內(nèi)部應(yīng)力情況隨之發(fā)生改變。

圖2 新型鑷子結(jié)構(gòu)及驅(qū)動原理

新型鑷子橫截面如圖3所示。考慮到微創(chuàng)手術(shù)中精密性的要求，幾何尺寸需滿足方程（4）：

其中：t為手臂厚度；w為手臂高度；δhs為兩手臂間間隙；ID為護(hù)套直徑。

圖3 新型鑷子截面圖

2.2 該新型結(jié)構(gòu)的分析

由新型精密鑷子結(jié)構(gòu)的對稱性，可只取上手臂進(jìn)行原理分析，上手臂模型如圖4所示。

當(dāng)驅(qū)動兩手臂運(yùn)動并恰好發(fā)生接觸時（假設(shè)此時力F加載于Lx處，Lx＜L＝L1＋L2），那么由梁的變形ωm＝δhs可求得接觸點(diǎn)A的力FA和梁中最大正應(yīng)力σmax分別為：

將式（5）代入式（6）中，可得到手臂中最大應(yīng)力σmax與變形ωm的關(guān)系為：

當(dāng)兩手臂發(fā)生接觸后繼續(xù)驅(qū)動護(hù)套夾緊，由ωm＝Δ－δhs可求得克服L2段彈性變形的力F′和正應(yīng)力σ′max分別為：

由F＝F′＋FA可得：

將式（8）代入式（9）中，可得到手臂中最大應(yīng)力σmax與變形ωm的關(guān)系：

利用ANSYS軟件進(jìn)行建模并分析鑷子未接觸和接觸兩個夾緊過程，基于應(yīng)力輔助卸載原理，手臂中最大應(yīng)力隨著上、下臂接觸會發(fā)生改變，具體改變過程如圖5所示。

圖4 新型鑷子上臂模型

圖5 新型鑷子最大應(yīng)力變化曲線

2.3 兩種結(jié)構(gòu)對比分析

假設(shè)新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)V型結(jié)構(gòu)整體長度L和手臂開口度2Δ取值相同。因?yàn)長3＝（L1＋L2）3≥L31＋L32，且α取值較小，當(dāng)兩手臂夾緊后分別比較方程（1）與方程（10）、方程（3）與方程（11），可以發(fā)現(xiàn)新型機(jī)構(gòu)抓緊力大于傳統(tǒng)V型結(jié)構(gòu)的抓緊力，手臂內(nèi)最大正應(yīng)力小于傳統(tǒng)V型結(jié)構(gòu)內(nèi)最大正應(yīng)力。由此，經(jīng)理論驗(yàn)證：當(dāng)新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)V型結(jié)構(gòu)整體長度L和手臂開口度Δ相同時，新型機(jī)構(gòu)夾緊力大于傳統(tǒng)V型機(jī)構(gòu)夾緊力，所以在同等材料最大許用應(yīng)力情況下，在保持相同夾緊力情況下，新型結(jié)構(gòu)也更容易設(shè)計出開口度更大的新型醫(yī)用精密鑷子。

3 結(jié)論與展望

本文中設(shè)計的新型精密鑷子結(jié)構(gòu)經(jīng)理論驗(yàn)證可成功解決傳統(tǒng)V型結(jié)構(gòu)的夾緊力和開口度不足的問題，且可隨微創(chuàng)手術(shù)的需要進(jìn)行具體優(yōu)化設(shè)計，保證手術(shù)過程中滿足使用要求。但由于國內(nèi)在微創(chuàng)手術(shù)器械方面研究很少，且本人水平有限，這里只進(jìn)行了一定的基礎(chǔ)理論研究，產(chǎn)品更深入的需求調(diào)查、優(yōu)化設(shè)計、實(shí)體建模并搭建試驗(yàn)平臺等內(nèi)容有待后續(xù)進(jìn)行更深入研究。

［1］ Mostafa G，Matthews B D，Sing R F，et al.Mini－laparoscopic versus laparoscopic approach to appendectomy［J］.BMC Surgery，2001（1）：1－4.

［2］ Hussain A，Mahmood H.Notes：current status and expectations［J］.European Surgery，2008，40 （4）：176－186.

［3］ 劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］ Milton E，Aguirre Jr.Design and optimization of narrowgauge contact－aided compliant mechanisms for advanced minimally invasive surgery［D］.Pennsylvania：The Pennsylvania State University，2011：18－22.