張正堃，劉海志，羅姝月，管曉寧，王 璐，林 婧

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620)

結(jié)石病作為一種常見的疾病,死亡率不高,但往往伴隨著嚴(yán)重的疼痛以及其他并發(fā)癥,嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量[1]。內(nèi)鏡取石術(shù)是近年臨床上常用的微創(chuàng)取石技術(shù)[2],該技術(shù)基于內(nèi)窺鏡技術(shù),通過取石網(wǎng)籃直接從體內(nèi)包裹結(jié)石后取出,適用于非泥沙狀的結(jié)石治療[3],可一次性治療輸尿管結(jié)石、膀胱結(jié)石、腎結(jié)石及膽道結(jié)石,并且取石手術(shù)的刀口長度僅為0.5 cm[4],治療時間僅為15～30 min[5],具有取石速度快、殘留結(jié)石少的優(yōu)點(diǎn)[6]。

內(nèi)鏡取石術(shù)中采用的取石網(wǎng)籃由網(wǎng)籃頭端和網(wǎng)籃導(dǎo)絲兩部分組成,兩者為一體化編織結(jié)構(gòu),遠(yuǎn)離頭端的導(dǎo)絲端也被稱為網(wǎng)籃尾端。目前臨床上應(yīng)用最廣泛的取石網(wǎng)籃是采用編織工藝制造的鎳鈦合金網(wǎng)籃[7]。具體的取石方法:將取石網(wǎng)籃包裹在鞘管內(nèi)穿過內(nèi)窺鏡管道,送入人體并到達(dá)結(jié)石附近;然后,網(wǎng)籃頭端在其尾端的控制下伸出鞘管并自動張開,再在操作手柄的控制下旋轉(zhuǎn)包裹并固定結(jié)石;最后,將結(jié)石和網(wǎng)籃一同從體內(nèi)拉出[8]。網(wǎng)籃導(dǎo)絲是網(wǎng)籃取石過程中實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角傳遞的部分,其結(jié)構(gòu)決定著網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能。若網(wǎng)籃導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能較差,網(wǎng)籃頭端將無法隨其尾端在人體腔道內(nèi)順暢旋轉(zhuǎn),會導(dǎo)致頭端卡死,無法順利包裹結(jié)石;而網(wǎng)籃導(dǎo)絲積蓄的能量達(dá)到一定程度時,網(wǎng)籃頭端會快速旋轉(zhuǎn)以釋放能量,可能導(dǎo)致人體腔道受損[9]。YY 0847—2011《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 內(nèi)窺鏡器械 取石網(wǎng)籃》中對取石網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的描述為“如果取石網(wǎng)籃帶有旋轉(zhuǎn)功能,則旋轉(zhuǎn)應(yīng)順暢”[10]。但在長期使用過程中,網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的評價主要依靠醫(yī)務(wù)人員在臨床上的實(shí)踐探索和經(jīng)驗(yàn)積累[11],并沒有一套統(tǒng)一的檢測方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。

本文參考工業(yè)用導(dǎo)絲常用的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能檢測方法[12],結(jié)合常用取石網(wǎng)籃的結(jié)構(gòu)和頭端大小,設(shè)計(jì)了一臺測試取石網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的裝置[13],并基于該裝置設(shè)計(jì)了取石網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的測試方案。通過對不同編織結(jié)構(gòu)和屈曲狀態(tài)的網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能進(jìn)行測試與分析,同時驗(yàn)證該裝置的靈敏性和可靠性。

1 裝置設(shè)計(jì)及原理

醫(yī)用取石網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能測試裝置如圖1所示,主要包括底座3、主動扭轉(zhuǎn)模塊和扭轉(zhuǎn)反饋模塊。主動扭轉(zhuǎn)模塊包括扭轉(zhuǎn)輸入模塊4和尾端夾具5(見圖1(c))。在主動扭轉(zhuǎn)模塊4的驅(qū)動下,尾端夾具5夾持網(wǎng)籃導(dǎo)絲2的尾端進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。中間部分為安裝在底座3上的多個可移動導(dǎo)絲支架6,其作用是在測試時使導(dǎo)絲保持在同一高度,與兩端夾具持平。扭轉(zhuǎn)反饋模塊主要包括網(wǎng)籃頭端1的夾具7和扭轉(zhuǎn)角傳感器8,其中頭端夾具7用于夾持網(wǎng)籃頭端1并連接傳感器8(見圖1(b)),而網(wǎng)籃頭端1的旋轉(zhuǎn)則會帶動頭端夾具7旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的角度通過傳感器8記錄。扭轉(zhuǎn)反饋模塊可以軸向移動,以適應(yīng)不同編織長度的網(wǎng)籃。

圖1 扭轉(zhuǎn)角傳遞性能測試裝置示意圖及夾具圖Fig.1 Diagram of test device for torsion angle transmission performance and clamps

測試時,先測量網(wǎng)籃整體的長度,尾端夾具5夾持固定在導(dǎo)絲上的合適位置,網(wǎng)籃頭端穿過支架6,調(diào)整支架的數(shù)量和扭轉(zhuǎn)反饋模塊的位置,使網(wǎng)籃頭端剛好被頭端夾具7夾持,并且使網(wǎng)籃導(dǎo)絲伸直但不受拉力。在主動扭轉(zhuǎn)模塊設(shè)置要測試的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),主動扭轉(zhuǎn)模塊帶動網(wǎng)籃導(dǎo)絲旋轉(zhuǎn),從而帶動頭端旋轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)角傳感器記錄并顯示網(wǎng)籃頭端被動的旋轉(zhuǎn)角度,旋轉(zhuǎn)結(jié)束后,記錄數(shù)據(jù)。在下次測試前將網(wǎng)籃頭端從夾具中取出,釋放網(wǎng)籃導(dǎo)絲內(nèi)殘余的能量。

(1)

式中:α尾端和α頭端分別為同一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)網(wǎng)籃導(dǎo)絲尾端和網(wǎng)籃頭端的旋轉(zhuǎn)角度;k為扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù),無量綱。k值可以反映網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的優(yōu)劣。一般情況下,k>1,且k值越大,即網(wǎng)籃尾端旋轉(zhuǎn)角度與頭端旋轉(zhuǎn)角度的差值越大,扭轉(zhuǎn)角傳遞性能越差;反之,k值越小或越接近1,網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能越好。

2 功能性驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)材料及樣品制備

取石網(wǎng)籃的原材料選用直徑為0.1 mm的醫(yī)用鎳鈦合金絲,通過東華大學(xué)自主研制的全自動醫(yī)用取石網(wǎng)籃全成型設(shè)備一體化編織而成,頭端大小為20 mm×30 mm,如圖2所示。

圖2 網(wǎng)籃頭端尺寸Fig.2 Size of the head of the stone basket

網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)如圖3[15]所示。網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)籃頭端(取石部)和網(wǎng)籃導(dǎo)絲(傳動部),頭端和尾端一體化編織成型,編織點(diǎn)如圖3(b)所示。網(wǎng)籃頭端為“十”字結(jié)構(gòu),4股絲在網(wǎng)籃頂端交匯,且相互穿插交織,不會發(fā)生松動和位移。由圖3(b)可以看出:網(wǎng)籃尾端導(dǎo)絲由4組網(wǎng)籃導(dǎo)絲交織而成,是一種交叉的編織結(jié)構(gòu);網(wǎng)籃導(dǎo)絲沿尾端順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)時,均能很好地將力傳遞到網(wǎng)籃頭端。

圖3 取石網(wǎng)籃的結(jié)構(gòu)[15]Fig.3 Stone basket structure[15]

網(wǎng)籃尾端的導(dǎo)絲是決定取石網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的關(guān)鍵。導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能取決于導(dǎo)絲編織時所使用的單絲尺寸和編織工藝,其中編織工藝包括編織密度和編織長度兩個因素。這3個因素通過影響編織結(jié)構(gòu)內(nèi)單絲之間結(jié)合的緊密程度和孔隙數(shù)量,從而影響導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能。本研究僅討論編織密度和編織長度對網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的影響。

設(shè)計(jì)5組編織機(jī)的收線速度,分別為8、12、16、20、24。由此得到5種不同編織密度的網(wǎng)籃導(dǎo)絲,分別為23、16、12、9、7個/cm。參考商用網(wǎng)籃樣品的常用長度[16],編織3種不同長度的網(wǎng)籃導(dǎo)絲,分別為420、650、1 140 mm。

2.2 試驗(yàn)方法

通過測試伸直狀態(tài)下不同導(dǎo)絲編織密度和編織長度的網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能,探究導(dǎo)絲的編織密度和編織長度對網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的影響。在臨床實(shí)際工作中,網(wǎng)籃在人體腔道內(nèi)的工作狀態(tài)呈彎曲狀態(tài),因此需要對網(wǎng)籃屈曲狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能進(jìn)行測試與分析。在測試裝置外側(cè)安裝1個或2個固定裝置,使網(wǎng)籃導(dǎo)絲在測試過程中始終保持固定的屈曲角度,以測試網(wǎng)籃在屈曲狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能。導(dǎo)絲的屈曲狀態(tài)如圖4所示,呈邊長為20 cm的等邊三角形。

圖4 導(dǎo)絲的彎曲狀態(tài)Fig.4 Bending of guide wire

——伸直狀態(tài)。首先,將網(wǎng)籃樣品的尾端固定在尾端夾具上,頭端穿過規(guī)格為Fr 4.5的塑料鞘管,鞘管兩端距離網(wǎng)籃頭端和尾端各5 cm。再將套上鞘管的網(wǎng)籃穿過鐵質(zhì)導(dǎo)管,使網(wǎng)籃導(dǎo)絲和網(wǎng)籃頭端在測試過程中始終伸直且維持在在同一水平高度(見圖5(a))。將“十”字型頭端從鞘管中伸出,調(diào)整扭轉(zhuǎn)反饋模塊的位置,使頭端剛好被“十”字夾具夾持?？刂凭W(wǎng)籃尾端旋轉(zhuǎn)一定的角度,記錄頭端跟隨尾端旋轉(zhuǎn)的角度。每個樣品重復(fù)測試3次,取結(jié)果的平均值,將其代入式(1)計(jì)算網(wǎng)籃導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)k。

圖5 取石網(wǎng)籃的不同測試狀態(tài)Fig.5 Different test states of the stone basket

——屈曲狀態(tài)。屈曲狀態(tài)下取石網(wǎng)籃的安裝過程與伸直狀態(tài)下相比,僅是在2個可移動導(dǎo)絲支架之間的外側(cè)的合適位置分別安裝1個或2個固定裝置,使得套在鞘管內(nèi)的導(dǎo)絲穿過1個支架后,經(jīng)過外側(cè)固定裝置再穿入下一個支架,由此形成1處屈曲(見圖5(b))。重復(fù)此過程形成第2處屈曲(見圖5(c))。屈曲狀態(tài)下的測試方法與伸直狀態(tài)下完全相同。

而且案例具備廣泛可復(fù)制性，隨著我國三四線城市醫(yī)院大型進(jìn)口設(shè)備不斷增多，維保服務(wù)越來越成為醫(yī)院管理者容易忽視的黑洞。

3 試驗(yàn)結(jié)果

伸直狀態(tài)下取石網(wǎng)籃的尾端開始主動旋轉(zhuǎn)后,頭端快速跟隨導(dǎo)絲同步旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)速度平穩(wěn),與尾端基本保持一致。當(dāng)尾端停止主動旋轉(zhuǎn)時,頭端也立即停止。旋轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。

在網(wǎng)籃導(dǎo)絲1處屈曲的狀態(tài)下,導(dǎo)絲尾端開始主動旋轉(zhuǎn)后,網(wǎng)籃頭端會在導(dǎo)絲積蓄一段時間能量后快速旋轉(zhuǎn),待積蓄的能量釋放完后,旋轉(zhuǎn)速度變慢直至與尾端旋轉(zhuǎn)速度基本一致。之后網(wǎng)籃頭端的旋轉(zhuǎn)速度平穩(wěn),中間偶爾有停頓,停頓后又平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。其間可以觀察到網(wǎng)籃導(dǎo)絲在屈曲處發(fā)生抖動,產(chǎn)生微小的變形。

在網(wǎng)籃導(dǎo)絲2處屈曲的狀態(tài)下,導(dǎo)絲尾端開始旋轉(zhuǎn)后,網(wǎng)籃頭端開始旋轉(zhuǎn)所需的時間明顯增加,之后網(wǎng)籃頭端快速旋轉(zhuǎn)再減速至與尾端旋轉(zhuǎn)速度保持相同。在網(wǎng)籃頭端隨尾端旋轉(zhuǎn)的過程中,導(dǎo)絲會反復(fù)出現(xiàn)停頓之后快速旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,直至旋轉(zhuǎn)結(jié)束,偶爾會出現(xiàn)尾端停止旋轉(zhuǎn)后頭端仍在釋放能量保持旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)過程中,屈曲處的導(dǎo)絲都會發(fā)生明顯的抖動和輕微的扭曲現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)時網(wǎng)籃頭端和尾端旋轉(zhuǎn)角度不同步的現(xiàn)象被稱為扭轉(zhuǎn)滯后性。導(dǎo)絲尾端開始旋轉(zhuǎn)后,網(wǎng)籃頭端先不旋轉(zhuǎn)后快速旋轉(zhuǎn)并釋放能量的現(xiàn)象被稱為鞭動效應(yīng)[17]。在臨床實(shí)際應(yīng)用中,取石網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)滯后性、鞭動效應(yīng)以及扭轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)絲的抖動現(xiàn)象都廣泛存在,說明該裝置的屈曲狀態(tài)測試可以模擬臨床上取石網(wǎng)籃的應(yīng)用場景。

3.1 導(dǎo)絲伸直狀態(tài)下的網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能

伸直狀態(tài)下導(dǎo)絲采用不同編織密度和編織長度的取石網(wǎng)籃樣品的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)如圖6所示。由圖6可知:取石網(wǎng)籃導(dǎo)絲尾端處于伸直狀態(tài)時,扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)隨著編織密度的增大和編織長度的減小而減小,最終逐漸趨近1,即扭轉(zhuǎn)角傳遞性能越來越好。

圖6 伸直狀態(tài)下導(dǎo)絲編織密度和編織長度對扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)的影響Fig.6 Effects of braiding density and braiding length of the guide wire on torsion angle transmission coefficient in the extended position

對于導(dǎo)絲編織密度相同的網(wǎng)籃,其扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)隨導(dǎo)絲編織長度的增大而增大;隨著導(dǎo)絲編織密度的增大,導(dǎo)絲編織長度不同的網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)之間的差異逐漸減小。導(dǎo)絲編織長度為1 140 mm的網(wǎng)籃與長度為420 mm的網(wǎng)籃相比,前者編織長度為后者的1.7倍,在不同的導(dǎo)絲編織密度下,兩者的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)差異相同;當(dāng)編織密度為7個/cm時,兩者的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)相差2.4%,當(dāng)編織密度為23個/cm時,兩者的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)僅相差0.8%。

對導(dǎo)絲編織長度相同的網(wǎng)籃來說,扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)會隨導(dǎo)絲編織密度的增大而減小[18],同時導(dǎo)絲編織長度越長,網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)減小的幅度越大。導(dǎo)絲編織長度為1 140 mm的網(wǎng)籃的編織密度從7個/cm增加到23個/cm時,其扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)減小了1.5%,導(dǎo)絲編織長度為650 mm的網(wǎng)籃在相同的編織密度變化下其扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)只減小了0.5%。雖然前者的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)減小幅度更大,但它的最小值仍然大于長度為650 mm的網(wǎng)籃導(dǎo)絲的最大值,可以看出導(dǎo)絲編織長度較長的網(wǎng)籃在編織密度較高的情況下仍然比導(dǎo)絲編織長度較短網(wǎng)籃在低編織密度的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能差。由此可知,在伸直狀態(tài)下,網(wǎng)籃導(dǎo)絲的編織長度對扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的影響大于編織密度對其的影響。

綜上,導(dǎo)絲編織密度的增大和編織長度的減小都會使網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能增強(qiáng)。這是由于導(dǎo)絲編織密度的增大會使單絲的編織角增大,單絲間的縫隙減小,結(jié)構(gòu)整體抱合力增強(qiáng),緊密的編織結(jié)構(gòu)使扭轉(zhuǎn)角傳遞過程中損耗的能量減少。而編織長度的增加會使導(dǎo)絲間的縫隙數(shù)量在長度方向上累積增多,能量損耗增大,從而網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能降低。

3.2 導(dǎo)絲屈曲狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能

在伸直狀態(tài)、1處屈曲和2處屈曲的情況下不同導(dǎo)絲編織密度的網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)如圖7所示。由圖7可知,扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)隨屈曲數(shù)量的減少和編織密度的增大而減小,最終逐漸趨近1,即扭轉(zhuǎn)角傳遞性能逐漸變好。

在同一屈曲狀態(tài)下,網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)的變化情況與伸直狀態(tài)的變化情況相同,即扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)隨導(dǎo)絲編織密度的增加而減小,但減小趨勢各不相同。伸直狀態(tài)、1處屈曲、2處屈曲在導(dǎo)絲編織密度從7個/cm增加到23個/cm時,網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)分別減小了1.5%、16%和24%,即屈曲個數(shù)越多,導(dǎo)絲編織密度的增大對其扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的影響越大。此外,導(dǎo)絲編織密度低于15個/cm時,存在屈曲狀態(tài)的網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)變化幅度較大,這與伸直狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)隨編織密度增大而降低的原因類似。

整體來看,屈曲狀態(tài)對網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能影響要大于編織密度對其的影響。2處屈曲的網(wǎng)籃在編織密度為7個/cm時扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)為1.46,相同編織密度下,導(dǎo)絲為伸直狀態(tài)的網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)減小了31%;在相同屈曲狀態(tài)下,導(dǎo)絲編織密度增大到23個/cm時,扭轉(zhuǎn)角傳遞系數(shù)僅降低24%。

綜上可知,導(dǎo)絲屈曲狀態(tài)可明顯降低網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能。原因是彎曲處單絲受力不平衡導(dǎo)致編織結(jié)構(gòu)變形。彎曲內(nèi)側(cè)的單絲受到擠壓,結(jié)構(gòu)更加緊密;外側(cè)單絲被拉伸,單絲之間的距離增大,編織結(jié)構(gòu)輕微變形。扭轉(zhuǎn)通過彎曲處的導(dǎo)絲傳遞時,單絲要在內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間循環(huán)轉(zhuǎn)換:導(dǎo)絲屈曲處內(nèi)側(cè)的單絲扭轉(zhuǎn)到外側(cè)時受到拉伸,而外側(cè)的單絲扭轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)時受到擠壓,這兩個過程都需要消耗更大的力和更多的能量[17],并且這兩個變化循環(huán)往復(fù),出現(xiàn)在每個彎曲處的每根單絲上,消耗了導(dǎo)絲傳導(dǎo)過來的大部分力與能量,從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角傳遞效率的降低。網(wǎng)籃在導(dǎo)絲上的屈曲狀態(tài)越多,能量損耗越多,扭轉(zhuǎn)角傳遞性能降低得越明顯。

4 結(jié) 論

導(dǎo)絲上屈曲狀態(tài)的存在會明顯降低取石網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能;在相同的屈曲狀態(tài)下,導(dǎo)絲編織長度的減小和編織密度的增大,都會改善網(wǎng)籃的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能,其中導(dǎo)絲編織長度對扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的影響較大。取石網(wǎng)籃扭轉(zhuǎn)角傳遞性能測試儀可以實(shí)現(xiàn)對醫(yī)用取石網(wǎng)籃導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能的準(zhǔn)確測量和客觀評價,對醫(yī)務(wù)人員選擇網(wǎng)籃產(chǎn)品和企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品具有指導(dǎo)意義。同時測試裝置及方法對閉合夾、圈套器等導(dǎo)絲類產(chǎn)品的扭轉(zhuǎn)角傳遞性能測量具有參考價值。