螺旋機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)對人體腸道壁損傷影響的優(yōu)化研究

梁 亮 唐 勇 龐佑霞 胡冠昱

長沙學(xué)院,長沙,410003

0 引言

微創(chuàng)外科醫(yī)療技術(shù)是當今國際上的一個研究熱點。目前,主要從兩方面對微創(chuàng)外科醫(yī)療手術(shù)進行研究:一是改進傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng),將系統(tǒng)進一步微型化;二是改進醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進入人體內(nèi)腔的驅(qū)動方式。例如,研制與開發(fā)能自動把醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)送到人體內(nèi)腔各個部位的微型機器人[1-5]。但這些機構(gòu)作為醫(yī)用機器人在進入人體內(nèi)腔后都直接與內(nèi)腔壁接觸,或多或少會給患者帶來不適和痛苦。另外,以色列開發(fā)的胃腸道微創(chuàng)內(nèi)窺鏡膠囊不具備驅(qū)動結(jié)構(gòu)[6],也只能隨消化道蠕動做被動運行。

現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡機器人均或多或少地存在一些問題和缺陷?；谏鲜龇治?文獻[7-8]介紹了螺旋式無損傷醫(yī)用微型機器人,并對機器人運行速度和懸浮的高度等進行了研究;張永順等[9]設(shè)計了螺旋式腸道膠囊微型機器人,并對驅(qū)動原理和螺旋參數(shù)等進行了研究。利用螺旋外殼,以達到無損傷驅(qū)動目的時,螺旋外殼高速旋轉(zhuǎn)運行所產(chǎn)生的動壓力,人體是否能夠承受,是否會損傷腸道,什么樣的機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠減小動壓力,都需要進一步分析研究和優(yōu)化。

筆者設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的單節(jié)螺旋式無線無創(chuàng)微型機器人。建立了腸道黏液的動力學(xué)控制方程,并借助計算流體力學(xué)(CFD)軟件計算了機器人高速旋轉(zhuǎn)運行時對人體腸道壁產(chǎn)生的壓力,比較了不同機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)對腸道壁所受壓力的影響,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 螺旋式微型機器人的驅(qū)動機構(gòu)

圖1為螺旋式微型機器人內(nèi)部驅(qū)動機構(gòu)示意圖。該機器人是一個帶螺旋槽外殼的圓柱體,內(nèi)部裝有微電池、微電機、4根形狀記憶合金SMA構(gòu)成的轉(zhuǎn)向機構(gòu)、圖像傳輸模塊、無線收發(fā)與控制模塊。微電機外表面與外殼內(nèi)表面之間為緊配合,微電機外表面與外殼內(nèi)表面之間無摩擦;當微電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,將帶動帶螺旋槽的圓柱體外殼旋轉(zhuǎn)。當正向接通微電機電源時,帶螺旋槽外殼產(chǎn)生的軸向摩擦牽引力帶動微型機器人前進;當反向接通微電機電源時,微型機器人后退。連接形狀記憶合金(SMA)的兩端可相對移動,通過控制4根SMA的伸縮狀態(tài)和幅度實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)向。人體腸道中存在的黏液可看成是一層動壓潤滑黏液膜,它使微型機器人處于懸浮狀態(tài),該潤滑膜能避免機器人與腸道壁發(fā)生直接接觸。這樣就達到了無創(chuàng)或微創(chuàng)驅(qū)動的目的。同時機器人內(nèi)部帶有電池和無線收發(fā)及控制裝置,又可實現(xiàn)對機器人的無線控制。

2 腸道黏液的動力學(xué)控制方程

要研究機器人旋轉(zhuǎn)運行對人體腸道壁產(chǎn)生的損傷,也就是要研究機器人和腸道之間黏液對腸道壁的壓力,因此首先要建立腸道黏液的動力學(xué)控制方程。

雖然人體腸道內(nèi)的黏液在低切變速率下多為黏彈性流體,但在中高切變速率下則可把它看作為牛頓流體[10],并且假設(shè)黏液的密度ρ為常數(shù),以黏液中的某一微元體為研究對象,可得質(zhì)量守恒方程:

根據(jù)動量守恒,可得方程:

式中,u、v、w分別為黏液微元體速度矢量在x、y、z方向的分量;μ為黏液動力黏度;p為黏液微元體上的壓力;Fx、Fy、Fz為黏液微元體上的體力。

因為體力只有重力,加上重力方向與y軸相反,則Fx=Fz=0,Fy=—ρ g 。式(1)和式(2)即為腸道黏液的動力學(xué)控制方程,它是腸道黏液流場數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型。

3 影響腸道壁所受壓力的機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化研究

圖2和圖3是螺旋機器人、腸道和黏液三維簡圖。影響腸道壁所受壓力的機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有以下幾個(圖4):傾角α;槽面寬度a與螺距t之比β1;槽底寬度b與螺距t之比β2;螺旋槽槽深h與半徑間隙c之比γ;螺紋升角 Φ;螺紋線數(shù)n。在數(shù)值計算中,假定機器人與腸道間隙中充滿黏液,黏液密度為1.3g/cm3,動力黏度為1Pa˙s,腸道半徑R為6mm,螺旋機器人半徑r為4.5mm,正向和反向旋轉(zhuǎn)速度均為1000r/min,機器人軸向長度為 15mm,初設(shè)參數(shù) α=60°,β1=β2=0.2,γ=1,Φ=45°,n=6。

利用Fluent6.3計算流體動力學(xué)軟件對機器人、腸道及黏液組成的系統(tǒng)進行三維數(shù)值模擬。首先,運用Pro/E wildfire5.0對機器人系統(tǒng)進行三維繪圖,然后輸出igs格式文件。利用CFD前置處理軟件Gambit2.2導(dǎo)入剛剛輸出的igs格式文件,對機器人系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置:機器人系統(tǒng)采用了非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,機器人附近區(qū)域采用加密的計算網(wǎng)格;并設(shè)置腸道兩端為壓力進口和壓力出口,設(shè)置機器人鄰近區(qū)域流體類型為第一流體類型,設(shè)置腸道機器人附近區(qū)域之外的流體類型為第二流體類型,最后生成網(wǎng)格文件。利用Fluent6.3導(dǎo)入生成的網(wǎng)格文件,將單位轉(zhuǎn)換為mm,對網(wǎng)格進行光滑和交換,數(shù)值分析將雷諾平均的NS方程作為控制方程,湍流模型為標準k—ε模型,近壁處流動采用標準壁面函數(shù)處理,壓力和速度耦合方程采用標準SIMPLE算法求解?？紤]到腸道壁的變形只引起腸道黏液流場區(qū)域的微小變化,并且機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)對腸壁損傷的影響也很小,因此忽略腸壁的柔性。為了模擬機器人鄰近區(qū)域流體的運動,采用滑移網(wǎng)格方法進行處理,給定轉(zhuǎn)速為1000 r/min(正轉(zhuǎn))或—1000r/min(反轉(zhuǎn))。解算收斂精度如下:腸道兩端進出口的流量誤差小于0.0001,x、y、z方向速度、k和ε的殘差收斂精度均為0.0001。

圖5所示為當螺旋機器人正向和反向旋轉(zhuǎn)運行時,傾角α對腸道壁所受最大正壓和最大負壓的影響曲線?？梢钥闯?隨著α的變化,機器人正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時腸道壁所受最大正壓和最大負壓的絕對值相差不大,但變化規(guī)律相反。圖5中,最大正壓力和最大負壓力分別為 244.4Pa和—226.7Pa,這都在人體能夠承受的范圍內(nèi)(腸道能夠承受的最大負壓力約為—3.7MPa[11])。

圖6所示為當螺旋機器人正向和反向旋轉(zhuǎn)運行時,參數(shù)β1對腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的影響曲線?？梢钥闯?隨著β1的增大,機器人正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值相差不大,不論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值基本都隨之減小。圖6中,最大正壓力和最大負壓力分別為244.0Pa和—228.2Pa,這對人體腸道壁的影響是很小的。

圖7所示為當螺旋機器人正向和反向旋轉(zhuǎn)運行時,參數(shù)β2對腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的影響曲線?？梢钥闯?隨著β2的增大,機器人正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值相差不大,不論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力變化都很小。圖7中,最大正壓力和最大負壓力分別為245.5Pa和—229.2Pa,這也在人體能夠承受的范圍內(nèi)。

圖8所示為當螺旋機器人正向和反向旋轉(zhuǎn)運行時,參數(shù)γ對腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的影響曲線?？梢钥闯?隨著γ的增大,機器人正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值相差不大,不論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值基本都隨之增大。圖8中,最大正壓力和最大負壓力分別為253.7Pa和—235.5Pa,這對人體腸道的影響是不大的。

圖9所示為當螺旋機器人正向和反向旋轉(zhuǎn)運行時,螺旋角Φ對腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的影響曲線?？梢钥闯?隨著Φ的增大,機器人正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值相差不大,不論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值基本都隨之先增大后減小。螺旋角 Φ為45°時,腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力都最大,分別為243.3Pa和—227.1Pa,這都在人體能夠承受的范圍內(nèi)。

圖10所示為當螺旋機器人正向和反向旋轉(zhuǎn)運行時,螺紋線數(shù)n對腸道壁所受最大正壓和最大負壓的影響曲線。可以看出,隨著n的增大,機器人正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值相差不大,不論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的絕對值基本都隨之減小。螺紋線數(shù)n為6時,腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力都最大,分別為243.3Pa和—227.1Pa。

4 結(jié)論

(1)所提出的螺旋微型機器人在人體腸道內(nèi)懸浮運行時,腸道壁所受壓力都是人體能夠承受的,所以該機器人可對人體腸道實施無創(chuàng)或微創(chuàng)手術(shù)。

(2)不論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),腸道壁所受壓力的大小相差不大,并且機器人結(jié)構(gòu)參數(shù) α、β1、β2和 γ對腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的影響都不大,螺旋角 Φ和螺紋線數(shù)n對腸道壁所受最大正壓力和最大負壓力的影響較大。機器人正轉(zhuǎn)時,對于減小腸道壁所受最大正壓力來說,參數(shù)α、β1取較大的值,β2、γ、Φ取較小的值,n取8;對于減小腸道壁所受最大負壓力來說,參數(shù)α、γ、Φ取較小的值,β1取較大的值 ,β2取 0.3,n取 8。機器人反轉(zhuǎn)時,對于減小腸道壁所受最大正壓力來說,參數(shù)α、γ、Φ取較小的值,β1 取較大的值,β2 取 0.4,n取8;對于減小腸道壁所受最大負壓力來說,參數(shù) α、β1取較大的值,β2、γ、Φ取較小的值,n取 8。

[1]Kassim I,Phee L,Wan S,et al.Locomotion Techniques for Robotic Colonoscopy[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine,2006,25(3):49-56.

[2]Byungkyu K,Moon G L,Young P L,et al.An Earthworm—like Micro Robot Using Shape Memory Alloy Actuator[J].Sensors and Actuators,2006,125(2):429-437.

[3]Cheung E,Mustafa E K,Sukho P,et al.A New Endoscopic Microcapsule Robot Using Beetle Inspired Micro Fibrillar Adhesives[C]//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Monterey,2005:551-557.

[4]Byungkyu K,Sunghak L,Jong H P,et al.Design and Fabrication of a Locomotive Mechanism for Capsule—type Endoscopes Using Shape Memory Alloys(SMAs)[J].IEEE/ASM E Transactions on Mechatronics,2005,10(1):77-86.

[5]李佳峻,顏國正,王坤東,等.胃腸道內(nèi)窺鏡機器人驅(qū)動機構(gòu)研究[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2009,28(2):179-183.

[6]Meron G D.The Development of the Swallowable Video—capsule(M2A)[J].Gastrointest Endosc,2000,52(6):812-819.

[7]周銀生,賀惠農(nóng),全永昕.無損傷腸道機器人運行速度的研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報,1999,19(4):299-303.

[8]陳柏,蔣景榮,陳筍,等.螺旋式單鏈介入微機器人的研究[J].中國機械工程,2009,20(17):2100-2103.

[9]張永順,于宏海,阮曉燕,等.新型腸道膠囊式微型機器人的運動特性[J].機械工程學(xué)報,2009,45(8):18-23.

[10]Powell R L,Aharonson E F,Schwarz W H,et al.Rheological Behavior of Normal Tracheobronchial Mucus of Canines[J].Journal of Applied Physiology,1974,37(3):447-451.

[11]劉金華,王樹卿,劉丹陽.醫(yī)用微型機器人對腸道損傷的探討[J].世界華人消化雜志,2006,14(6):618-620.