應(yīng)用MSC.Dytran模擬水射流切割豬肝臟組織的仿真研究

郭 新 張西正 安軍防 黃詠梅

1(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161)

2(解放軍第150醫(yī)院，洛陽 471000)

引言

醫(yī)用水刀是一種利用高壓水射流技術(shù)進(jìn)行手術(shù)的醫(yī)療器械。這種設(shè)備在高壓下將水通過一個內(nèi)徑很小的噴嘴噴射出去，形成細(xì)的高壓水束，達(dá)到切割組織的目的。如今，醫(yī)用水刀已成為一種在實質(zhì)性器官手術(shù)中重要的手術(shù)工具。在人體內(nèi)部，心臟流出的血液60%經(jīng)過肝臟，因此肝臟切除手術(shù)中需要注意失血量，醫(yī)用水刀的選擇性切割特點可以有效地減少血管破裂，降低失血量，所以被廣泛應(yīng)用于肝臟外科。此外，醫(yī)用水刀也應(yīng)用于神經(jīng)外科、泌尿外科、頜面外科和眼科等領(lǐng)域。

醫(yī)用水刀是純水射流水刀，它依靠水射流的高速沖擊力破壞人體組織，使人體組織結(jié)構(gòu)間隙發(fā)生膨脹，較軟地實質(zhì)性組織在較低的壓力下即可被切斷，而在相等的水射流壓力下，血管、分泌管、淋巴管及神經(jīng)等韌性較強的組織可以完整地保留下來。盡管醫(yī)用水刀技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床，但是學(xué)者對于水射流切割人體組織的機理尚未展開研究。目前，學(xué)者們只是對于水射流切割煤礦、巖石或其他材料的機理展開了研究，并進(jìn)行切割機理方面的探討［1－6］。Wilkins曾經(jīng)做過純水切割軟質(zhì)材料的工作［7］。國內(nèi)學(xué)者常宗旭等對煤巖體水射流破碎機理進(jìn)行了研究［8］，林緬等曾經(jīng)用 MSC.Dytran做過水射流切割巖石輔助機理的模擬研究［9－10］。本研究從瞬態(tài)動力學(xué)的角度對水射流切割軟組織的機理進(jìn)行了探索性的初步研究。

1 MSC.Dytran簡介

MSC.Dytran是由MSC公司開發(fā)的用于模擬瞬態(tài)高度非線性結(jié)構(gòu)、氣體/液體流動、流體-結(jié)構(gòu)相互作用的專業(yè)分析軟件［11］。采用高效的顯式積分技術(shù)，支持廣泛的材料模型和高度組合非線性分析及流體-結(jié)構(gòu)的全耦合，尤其擅長對高速碰撞、結(jié)構(gòu)大變形和瞬時內(nèi)發(fā)生的流體結(jié)構(gòu)相互作用事件的模擬仿真研究。

在MSC.Dytran中，拉格朗日網(wǎng)格和歐拉網(wǎng)格可以用在同一個分析模型中，并且可以通過一個界面相互耦合，該界面是歐拉網(wǎng)格中的材料的流場邊界，同時歐拉網(wǎng)格中的材料對界面產(chǎn)生作用力，使拉格朗日發(fā)生變形。Dytran中的耦合方式有兩種:一般耦合(general coupling)和任意歐拉-拉格朗日耦合(ALE)。ALE中歐拉網(wǎng)格可以移動，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形時，耦合界面的位置和形狀也發(fā)生變化，界面上的歐拉網(wǎng)格結(jié)點發(fā)生相應(yīng)的移動，帶動歐拉網(wǎng)格的其余部分也作相應(yīng)的運動。因此，在ALE耦合計算中，一方面材料在歐拉網(wǎng)格中移動，另一方面歐拉網(wǎng)格結(jié)點本身也在運動，使歐拉網(wǎng)格的位置和形狀在不斷調(diào)整。本研究采用的是任意歐拉-拉格朗日耦合方法。

2 實驗數(shù)據(jù)與方法

根據(jù)水射流的特點，把水射流簡化為圓柱體結(jié)構(gòu)，撞擊豬肝臟靶板材料。整個模型如圖1所示，圓柱體為水射流，虛線與肝臟組成的空間為整個歐拉空間，歐拉空間與曲線所表示材料肝臟的接觸面為歐拉-拉格朗日耦合面。

圖1 水射流沖擊肝臟模型示意圖Fig.1 The sketch map of water-jet attacking pig liver model

水射流的材料特性用DMAT來確定，使用歐拉單元，并采用理想流體材料模式，密度為1 000 kg/m3，體積模量為2.2×109N/m2。豬肝臟組織采用ElasDMATEP定義，使用拉格朗日單元，彈塑性材料模式，通過設(shè)置不同的厚度來表示肝臟的不同區(qū)域。采用馮·米塞斯屈服模型，其中具體力學(xué)性能參數(shù)由拉伸機試驗確定。

使用DMATEP定義材料性能需要確定豬肝臟的彈性模量、最大應(yīng)變、密度、泊松比、屈服應(yīng)力等參數(shù)。根據(jù)有關(guān)資料，人體肌肉泊松比為0.40［12］。而且，自然界中大部分物體材料的泊松比不超過0.5，因此，在本研究中，豬肝臟材料的泊松比取為0.42。為了得到豬肝臟的其它相關(guān)力學(xué)參數(shù)，對豬肝臟進(jìn)行了拉伸試驗，如圖2所示。

材料:市售新鮮豬肝臟，沖洗干凈后，切成長10 mm、寬5 mm、高20 mm的長方體。

實驗儀器:英斯特朗Instron拉伸機。Instron拉伸機是一種萬能材料試驗機，廣泛用于金屬材料、高分子材料、塑料材料、橡膠材料、電子材料、聚合物材料、環(huán)氧樹脂材料、陶瓷材料、、生物材料、醫(yī)學(xué)材料的的力學(xué)性能拉伸試驗。

方法:將切好的長方體豬肝臟放在拉伸機上拉伸，直到塊狀豬肝臟受拉伸應(yīng)力的作用斷裂，得到其力學(xué)性能參數(shù)。

選擇3塊切好的豬肝臟材料進(jìn)行拉伸試驗。試驗得到的豬肝臟力學(xué)拉伸特性曲線圖如圖3所示，最大應(yīng)變均大約在26%，此時處于最大的拉伸應(yīng)力。

圖2 豬肝臟的力學(xué)性能拉伸試驗Fig.2 The tensile test of pig liver mechanics characteristics

圖3 豬肝臟力學(xué)拉伸特性曲線Fig.3 The stress-strain curveof pig liver mechanics characteristics

表1 豬肝臟力學(xué)特性Tab.1 The analysis table of pig liver mechanics characteristics

豬肝臟力學(xué)特性分析如表1所示。最后確定的豬肝臟實質(zhì)力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。對于水射流切割人體組織器官的行為來說，當(dāng)水射流進(jìn)行切割時，只是根據(jù)病變區(qū)域按照某一確定的位置線去切割。所以在這個狹小的位置空間上，可以把豬肝臟近似地看作是各向同性彈塑性材料。

表2 豬肝臟實質(zhì)力學(xué)性能參數(shù)表Tab.2 The mechanics parameters of pig liver

圖4 豬肝臟材料受力變形圖。(a)第9幀;(b)第19幀;(c)第27幀;(d)第100幀;(e)第23幀;(f)第89幀;(h)第118幀F(xiàn)ig.4 The mechanical deformation picture of pig liver.(a)the 9th frame;(b)the 19th frame;(c)the 27th frame;(d)the 100th frame;(e)the 23th frame;(f)the 89th frame;(h)the 118th frame

3 結(jié)果

限于篇幅，文中只給出壓力P=4 MPa，速度為V=90 m/s時典型的仿真結(jié)果。此時水射流可以穿透0.01 m的豬肝臟，而無法穿透0.02 m的厚度。于是，經(jīng)過多次仿真，發(fā)現(xiàn)可以剛好穿透厚度為0.016 m的豬肝臟材料。仿真結(jié)果如下:

整個沖擊過程總共耗時0.02 s，水射流剛好穿透豬肝臟。第9幀時(見圖4(a))，在沖擊區(qū)域出現(xiàn)兩個裂縫。隨后，沖擊過程的殘余應(yīng)力漸漸“腐蝕”豬肝臟，在兩個裂縫周圍產(chǎn)生沒有規(guī)律的裂紋，如圖所示。但是在整個沖擊過程的最后階段，這些沒有規(guī)律的裂紋融合貫通，成為一個大的矩形裂縫。由此可見，此時的水射流剛好能穿透豬肝臟。從側(cè)視圖中，可以看出在矩形裂紋形成之前的過程中，豬肝臟的變形是不斷變大的，到第89幀(見圖4(f))達(dá)到最大，鼓起一個非常明顯的凸起。然而，在矩形裂紋形成后，豬肝臟的表面變形又開始回縮。這是因為水射流已經(jīng)穿透，在這種情況下，以后的水射流沖擊會穿過豬肝臟被破壞的區(qū)域，所以在豬肝臟的表面所引起的變形沒有未穿透時大，最終變形如圖4中(h)所示。對于本研究的醫(yī)用水刀清創(chuàng)設(shè)備來說，在應(yīng)用時與工業(yè)水刀有明顯的不同。一般的工業(yè)水刀只考慮水射流對材料切割的穿透沖擊力，只要水射流能夠穿透材料，無需考慮水射流對于其他材料的損傷。但是在水刀清創(chuàng)設(shè)備的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，必須考慮水刀清創(chuàng)設(shè)備所噴射出的水射流對其他組織或器官造成的潛在可能性，因此需要精確控制水射流的壓力，以便水射流沖擊所想要切除的材料，而對在該組織附近的器官，尤其是在該器官的下面的組織不希望造成任何損傷。從本研究結(jié)果看，當(dāng)水射流壓力 P=4 MPa，速度 V=90 m/s時，可以剛好穿透厚度為0.016 m的豬肝臟材料。由此，可以得出結(jié)論:對于一個給定的組織，總有一個合適的水射流壓力對其進(jìn)行準(zhǔn)確的切割，而且不會對附近的其他組織或器官造成損傷。

4 結(jié)論

醫(yī)用水刀利用高能量水射流的動能進(jìn)行分離組織，不產(chǎn)生熱能，不會像高頻電刀、超聲刀、激光等手術(shù)器械對組織切緣甚至深層組織造成熱損傷，這種特有的組織選擇性和無熱損傷性能減少了手術(shù)創(chuàng)傷，體現(xiàn)了微創(chuàng)外科的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著計算機技術(shù)、機電控制技術(shù)及無線內(nèi)窺鏡技術(shù)地不斷融合和應(yīng)用，水刀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更為重要的作用。對水射流切割組織機理的深入研究，必然會對實踐應(yīng)用帶來有效的指導(dǎo)意義。

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