軟組織吻合器手術(shù)縫釘排列優(yōu)化設(shè)計(jì)

李進(jìn)華 楊英侃 張林安 李建民 王樹新

1(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)2(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

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軟組織吻合器手術(shù)縫釘排列優(yōu)化設(shè)計(jì)

李進(jìn)華1楊英侃1張林安2*李建民1王樹新1

1(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)2(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

縫釘排列是影響吻合器縫合手術(shù)效果的重要因素之一。針對(duì)吻合器與軟組織交互作用對(duì)機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的影響，提出一種基于縫釘排列方式的機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化模型。首先,對(duì)縫釘與軟組織交互作用進(jìn)行力學(xué)分析，并在力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立簡化的有限元模型;然后,以血管機(jī)械縫合手術(shù)為例，建立以縫釘排數(shù)和排間距為設(shè)計(jì)參量、縫合面軟組織徑向應(yīng)力大小及應(yīng)力分布為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型;最后,通過有限元仿真實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，獲得組織徑向應(yīng)力值及應(yīng)力分布規(guī)律，采用分層序列優(yōu)化方法確立目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)參量之間的響應(yīng)關(guān)系。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)縫釘排數(shù)為3、排間距為1.25 mm時(shí)，縫合面組織徑向應(yīng)力平均值為0.056 3 MPa，組織徑向應(yīng)力分布差值為0.138 5 MPa，血管機(jī)械縫合手術(shù)效果達(dá)到最優(yōu)。此外，通過乳膠管泄露壓實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的有效性。此研究結(jié)果可為減少機(jī)械縫合手術(shù)術(shù)后并發(fā)癥以及吻合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。

吻合器；機(jī)械縫合；縫釘排列；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元仿真

引言

縫合是外科手術(shù)中常用的操作技術(shù)之一，如胃腸縫合、肺實(shí)質(zhì)縫合及血管縫合等?？p合技術(shù)又可分為手工縫合、機(jī)械縫合、黏合法及吻合環(huán)法等，其中手工縫合和機(jī)械縫合在各類縫合手術(shù)中應(yīng)用廣泛[1-4]。機(jī)械縫合是指使用吻合器對(duì)病灶組織實(shí)施吻合或縫合，具有操作簡便、手術(shù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但仍無法避免縫合口泄漏、出血和感染等術(shù)后并發(fā)癥[5]。

吻合器與軟組織的交互作用是影響機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的關(guān)鍵[6]。Nakayama等使用吻合器對(duì)軟組織施加不同的壓縮時(shí)間，比較縫合后縫釘?shù)某尚温?，得出了“較長的壓縮時(shí)間縫合效果更佳”的結(jié)論，證明了吻合器對(duì)軟組織的壓縮時(shí)間影響縫合手術(shù)的質(zhì)量[7]。研究人員通過實(shí)施動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，比較縫合后縫釘?shù)某尚温剩C實(shí)了縫釘尺度和軟組織特性對(duì)機(jī)械縫合手術(shù)的影響[8-9]。Sozutek等比較了使用4排和6排縫釘吻合器的患者并發(fā)癥情況，結(jié)果表明6排縫釘有利于減少術(shù)后并發(fā)癥[10]。Novacek等利用數(shù)值模擬的方法，研究了縫釘高度對(duì)于縫合后組織應(yīng)力的影響，證明了變化的縫釘高度有利于減小縫合后組織應(yīng)力，能夠避免應(yīng)力集中[11]。上述研究雖然分析了吻合器對(duì)軟組織的壓縮時(shí)間、縫釘高度、縫釘排數(shù)以及軟組織特性等因素對(duì)縫合手術(shù)的影響，并給出了有利于提高吻合器手術(shù)質(zhì)量的吻合器結(jié)構(gòu)形式或操作方式，但是忽略了吻合器與軟組織交互作用過程中縫釘排列布置方式對(duì)于縫合手術(shù)質(zhì)量的影響。

筆者著重研究吻合器縫釘排列方式對(duì)軟組織機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的影響。在分析縫釘與軟組織交互作用的基礎(chǔ)上，以血管機(jī)械縫合手術(shù)為例，在避免組織損傷和保證縫合口機(jī)械強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化不同縫釘排列下組織應(yīng)力大小及其分布狀況，為機(jī)械縫合手術(shù)操作和吻合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 方法

1.1 機(jī)械縫合手術(shù)力學(xué)模型

1.1.1 軟組織機(jī)械縫合手術(shù)過程分析

吻合器通過閉合釘砧與釘倉將軟組織壓縮到適合縫釘釘縫的厚度和狀態(tài)，縫釘將軟組織釘合在一起，同時(shí)切割刀將軟組織斷開，形成閉合的縫合口。縫釘刺入軟組織繼而將軟組織穿透，觸到釘砧而屈服變形，進(jìn)而對(duì)軟組織二次穿透，最終形成類B形縫釘[5]?？p釘與軟組織的交互作用可以分為縫釘預(yù)穿刺軟組織、縫釘刺入軟組織、縫釘刺破軟組織、縫釘接觸釘砧變形、縫釘二次預(yù)穿刺軟組織和縫釘二次刺入軟組織6個(gè)階段，軟組織機(jī)械縫合過程如圖1所示。

圖1 軟組織機(jī)械縫合手術(shù)過程。(a)縫釘預(yù)穿刺軟組織；(b)縫釘刺入軟組織；(c)縫釘刺破軟組織；(d)縫釘變形；(e)縫釘二次預(yù)穿刺軟組織；(f)縫釘二次刺入軟組織Fig.1 The process of surgery with stapling technology.(a)Pre-puncture soft tissue；(b)Puncture soft tissue；(c)Punctured soft tissue；(d)Staple deformation；(e)Pre-puncture soft tissue with second time；(f)Puncture soft tissue with second time

1.1.2 縫釘受力模型

縫釘與軟組織交互過程中，在不考慮軟組織之間相互作用的情況下，縫釘?shù)氖芰δＰ团c針穿刺軟組織的力學(xué)模型類似[12]，可表示為

(1)

式中，x為縫釘釘尖的位移，fstaple(x)為縫釘穿刺力，fstiffness(x)為背膜阻力，fcutting(x)為切割力，ffriction(x)為縫釘與軟組織之間的摩擦力，ftissue(x)為組織對(duì)縫釘?shù)膲毫?，fanvil(x)為釘砧對(duì)縫釘?shù)淖饔昧Γ琭afriction(x)為釘砧與縫釘間的摩擦力。

縫釘與軟組織作用時(shí)，縫釘首先受到軟組織對(duì)它的背膜阻力；刺入軟組織后，受到切割力和摩擦力；刺破組織時(shí)，受到背膜阻力的作用；進(jìn)而縫釘與釘砧作用，受到釘砧的作用力和縫釘與釘砧間的摩擦力；縫釘二次預(yù)穿刺軟組織時(shí)，受到背膜阻力作用；二次刺入軟組織后，除受到切割力和摩擦力的作用，還受到軟組織對(duì)縫釘?shù)膲毫Α?/p>

背膜阻力實(shí)質(zhì)為軟組織的彈性特征產(chǎn)生的彈力[12]，這里定義為剛性力。由于軟組織的彈性特性，軟組織受到釘尖穿刺力所產(chǎn)生的變形可以近似地用彈簧模型來描述。線性與非線性的彈簧模型[13]可表示為

(2)

(3)

式中，xa為彈簧變形量與原始長度的差值，k、a、b為擬合參數(shù)。

生物軟組織對(duì)于小變形表現(xiàn)為線性彈性[14]，因此剛性力與釘尖位移的關(guān)系可采用線性彈簧模型描述，有

(4)

式中，k1為擬合參數(shù)，x1為縫釘刺入軟組織前釘尖的最大位移，x2為縫釘刺入軟組織過程中釘尖的最大位移，x3為縫釘刺破軟組織前釘尖的最大位移，x4為縫釘與釘砧接觸過程中釘尖的最大位移，x5為縫釘二次刺入軟組織前釘尖的最大位移。

縫釘穿刺軟組織的摩擦力可以采用改進(jìn)的Karnopp模型[12]表達(dá)，該模型結(jié)合了黏性阻尼與庫倫阻尼模型，有

(5)

實(shí)際中，縫釘與軟組織的相對(duì)滑動(dòng)速度遠(yuǎn)大于Δv，因此Δv可不予考慮。由于縫合手術(shù)的病灶組織內(nèi)部血液起到了潤滑作用，所以正負(fù)動(dòng)摩擦系數(shù)為零，即Cn、Cp為零?？p釘釘合軟組織過程的摩擦力模型可表達(dá)為

(6)

由于軟組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組織的超彈性、非線性等導(dǎo)致無法對(duì)切割力直接精確建模。這里假設(shè)切割力大小與進(jìn)針深度無關(guān)，只與軟組織的屬性有關(guān)，對(duì)于同一軟組織，切割力為常量[12]，可表示為

(7)

式中，fc為切割力常量。

縫釘與釘砧接觸過程中，釘砧對(duì)縫釘?shù)淖饔昧梢暈槌Ａ縡anvil，縫釘與釘砧的摩擦力為動(dòng)摩擦力，可表示為

(8)

式中，μ為縫釘與釘砧的摩擦系數(shù)。

在縫釘壓縮組織過程中，軟組織變形為小變形，可用線性彈簧模型表達(dá)。因此，軟組織對(duì)縫釘?shù)膲毫杀硎緸?/p>

(9)

式中，k2為擬合系數(shù)，x6為縫釘二次穿刺組織時(shí)釘尖的最大位移。

在縫釘釘縫軟組織的過程中，縫釘?shù)氖芰梢员磉_(dá)為

(10)

1.1.3 軟組織變形物理模型

縫釘釘縫軟組織過程中的軟組織變形可以看作是軟組織受動(dòng)載荷作用引起組織內(nèi)部位移變化的問題。設(shè)軟組織材料由n個(gè)子單元組成，其有限元?jiǎng)恿ζ胶夥匠炭杀硎緸?/p>

(11)

為簡化慣性力和阻尼力因素，將單元質(zhì)量和阻尼集中在其節(jié)點(diǎn)上，故質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣C為對(duì)角線矩陣[15]。對(duì)各節(jié)點(diǎn)而言，式(11)可表示為

(12)

式中，i為節(jié)點(diǎn)序號(hào)，t為時(shí)間，Pi為節(jié)點(diǎn)i位移矢量，F(xiàn)i為節(jié)點(diǎn)i所受外力矢量，mi表示節(jié)點(diǎn)i的3×3對(duì)角線質(zhì)量矩陣，γi表示節(jié)點(diǎn)i的3×3對(duì)角線阻尼矩陣，ki為節(jié)點(diǎn)i的3×3對(duì)角線剛度矩陣。

1.1.4 簡化模型

在縫合過程中，縫釘刺入軟組織的力要遠(yuǎn)小于縫釘與釘砧接觸而變形的作用力，且縫釘一般選用生物相容性良好的鈦合金，彈性模量為108GPa。與軟組織相比，縫釘可視為剛體，且筆者著重研究縫合后軟組織的變形，因此在縫釘與軟組織的相互作用過程中，將縫釘視為剛體，不考慮縫釘變形以及二次穿透軟組織的情況，可將閉合后的B字形縫釘簡化成一個(gè)長方形框[11]，如圖2所示，并依據(jù)該簡化模型建立有限元模型。

圖2 縫釘簡化。(a)簡化前；(b)簡化后Fig.2 The simplification of staple.(a)Before simplification;(b)After simplification

1.2 血管機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

筆者以血管機(jī)械縫合手術(shù)為例，建立血管機(jī)械縫合手術(shù)的優(yōu)化模型，研究軟組織機(jī)械縫合手術(shù)中縫釘與軟組織的交互作用對(duì)手術(shù)質(zhì)量的影響，為機(jī)械縫合手術(shù)操作和吻合器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1.2.1 設(shè)計(jì)參量

影響血管機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的參數(shù)有血管組織特性、縫釘尺度和縫釘排列布置等，在血管機(jī)械縫合手術(shù)中，醫(yī)生根據(jù)血管的位置、類型、直徑和壁厚來選擇合適的縫釘和縫釘排列，以達(dá)到理想的縫合效果[6]。在以上縫合參數(shù)中，血管的位置、類型、直徑以及壁厚由病灶決定，不能人為改變，因此血管的各參數(shù)在參量優(yōu)化過程中作為常量恒定不變。縫釘?shù)某叨瓤筛鶕?jù)血管的參數(shù)選擇，在血管確定后亦恒定不變，可作為常量處理。縫釘排列包括縫釘排數(shù)R、縫釘排間距P、縫釘間距S和縫合邊距L。為了簡化研究，將縫釘間距S和縫合邊距L設(shè)為常量，縫釘間距S=0.8 mm，縫合邊距L=1.0 mm[16]。線性切割吻合器縫釘排列布置方式如圖3所示。在血管機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將縫釘排數(shù)R和縫釘排間距P視為獨(dú)立變量，是吻合器設(shè)計(jì)中能夠人為控制的因素，這兩個(gè)變量可以表示為

(13)

目前，線性切割吻合器單側(cè)一般具有2或3排縫釘[10]，單排縫釘不能使縫合口完全閉合[11]。為了研究縫釘排數(shù)對(duì)縫合效果的影響，分別比較2、3和4排縫釘情況下吻合器的縫合質(zhì)量；兩排縫釘之間的間距在0.50～1.5 mm范圍之間，將其離散為5個(gè)變量0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm。變量R和P可以表示為

(14)

圖3 線性切割吻合器縫釘排列布置Fig.3 The staple configuration of linear cutter

1.2.2 目標(biāo)函數(shù)

血管機(jī)械縫合手術(shù)為了避免術(shù)后吻合口泄漏、出血和感染等并發(fā)癥，保證手術(shù)質(zhì)量，應(yīng)盡量減少組織損傷，同時(shí)保證縫合口的強(qiáng)度?？p合口組織應(yīng)力狀況對(duì)組織的重建有影響，組織應(yīng)力越小，組織應(yīng)力分布越均勻，越有利于減輕組織損傷，有利于手術(shù)后血管組織的愈合。以縫合口組織應(yīng)力σ作為機(jī)械縫合手術(shù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)目標(biāo)參量。組織應(yīng)力σ應(yīng)介于組織損傷強(qiáng)度σb和防止縫合口發(fā)生泄漏時(shí)組織最小應(yīng)力σmin之間，即σmin≤σ≤σb。已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，血管動(dòng)脈組織的破壞應(yīng)力σb=1.24MPa[17]；血管組織在正常血壓下，組織的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的量級(jí)為0.1MPa，而徑向應(yīng)力量級(jí)為0.01MPa[14]。血管縫合后，縫合面的組織應(yīng)力主要為徑向應(yīng)力，所以將防止縫合口發(fā)生泄漏時(shí)組織最小應(yīng)力σmin取為0.01MPa。設(shè)縫合面上縫釘周圍組織的徑向應(yīng)力的平均值為σr，縫合面上組織最小徑向應(yīng)力值為σr1，最大應(yīng)力值為σr2，它們的差值為Δσr。由上述分析可知，σr和Δσr越小越有利于減輕組織損傷，有利于術(shù)后血管組織愈合，因此血管機(jī)械縫合手術(shù)的目標(biāo)函數(shù)為

(15)

(16)

且滿足如下約束條件

(17)

相比組織應(yīng)力分布的均勻性，組織應(yīng)力大小對(duì)于避免血管損傷和術(shù)后組織愈合的不良影響更為顯著，因此采用分層序列法[18]解決該優(yōu)化問題。血管機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型如下

s.t.

(18)

式中：D和D1分別為f1(x)和f2(x)的定義域；ε1為目標(biāo)函數(shù)f1(x)的寬容值，因血管徑向組織應(yīng)力值在0.01MPa量級(jí)，所以取ε1=0.01MPa。

1.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)

依據(jù)建立的軟組織機(jī)械縫合手術(shù)的力學(xué)模型，采用有限元方法求解，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排仿真實(shí)驗(yàn)。依據(jù)Fung等的研究，主動(dòng)脈血管直徑為10mm，血管的壁厚為0.8mm[14]；針對(duì)血管縫合手術(shù)選擇縫釘，釘寬為3mm，釘腿長為2.5mm，直徑為0.2mm，縫釘B字成形后的最優(yōu)高度為1.0mm，材料選為鈦合金[6]；血管組織具有各向異性、準(zhǔn)不可壓縮性和超彈性等材料特性[19]，采用三階Ogden本構(gòu)模型[20]表征主動(dòng)脈血管組織，組織參數(shù)選用已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[17]，見表1。有限元模型采用Abaqus軟件進(jìn)行仿真求解，在本研究中假設(shè)縫釘為剛體，血管組織采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8R)，計(jì)算過程采用沙漏控制的減縮積分。

表1 主動(dòng)脈血管材料參數(shù)

為分析血管機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中兩個(gè)參量(縫釘排數(shù)R和縫釘排間距P)對(duì)手術(shù)質(zhì)量的影響，本研究采用析因設(shè)計(jì)方法安排實(shí)驗(yàn)。在優(yōu)化變量中，縫釘排數(shù)R是具有3個(gè)變量水平的離散變量，其值為2、3、4；縫釘排間距P選取為具有5個(gè)變量水平的離散變量，其值為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm，所以兩變量的析因設(shè)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)為3×5=15，具體的試驗(yàn)安排如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)安排

圖4 縫合后的乳膠管Fig.4 The latex tubing after stapling

1.2.4 泄漏壓實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化模型的有效性，采用泄漏壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了3種典型的縫釘排列方式的縫合口機(jī)械強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)中，選用與血管組織材料性能相近的乳膠管替代動(dòng)脈血管，乳膠管直徑8 mm，壁厚1 mm，與仿真實(shí)驗(yàn)所選用的血管尺寸相近。使用線性切割吻合器，分別釘縫R=2、P=1.25 mm，R=3、P=1.25 mm和R=3、P=1.50 mm的縫合口，如圖4所示。泄漏壓測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 泄漏壓測試系統(tǒng)Fig.5 The leak pressure testing system

2 結(jié)果

2.1 縫合面組織徑向應(yīng)力分布

在血管縫合后縫釘閉合高度為1.0 mm時(shí)，不同縫釘排列下縫合面組織徑向應(yīng)力值如圖6所示。當(dāng)縫釘排數(shù)R=2、3時(shí)，隨著縫釘排間距的增加，縫合面組織徑向應(yīng)力值呈先增大、后減小、再增大的趨勢。當(dāng)排間距P=0.75 mm時(shí)，應(yīng)力值顯著大于其他排列下的應(yīng)力值；當(dāng)排間距P=1.25 mm時(shí)，組織徑向應(yīng)力值達(dá)到最小。如圖6(c)所示，當(dāng)縫釘排數(shù)R=4時(shí)，隨著縫釘排間距的增加，縫合面組織徑向應(yīng)力值逐漸減小。當(dāng)縫釘排間距P=0.50、0.75、1.25 mm時(shí)，隨著縫釘排數(shù)的增加，組織徑向應(yīng)力值逐漸增大；當(dāng)縫釘排間距P=1.00、1.50 mm時(shí)，3排縫釘下的組織徑向應(yīng)力值比其他兩種排列更小。

圖6 血管縫合后，不同縫釘排列下縫合面組織徑向應(yīng)力值。(a)R=2；(b)R=3；(c)R=4Fig.6 The radial stress on the sutural shelf with different staple configurations after vascular stapling surgery.(a)R=2;(b)R=3;(c)R=4

圖7、8分別為縫釘排數(shù)與縫釘排間距對(duì)于血管組織變形影響的仿真。當(dāng)縫釘排間距一定時(shí)，隨著縫釘排數(shù)的增加，血管組織變形增大，縫合面組織的接觸面積也逐漸增大；當(dāng)縫釘排數(shù)一定時(shí)，隨著縫釘排間距的增大，血管組織變形逐漸減小，縫合面組織的接觸面積逐漸增大。

圖7 縫釘排間距P=1.0 mm時(shí)，不同縫釘排數(shù)下血管組織變形。(a)應(yīng)變范圍；(b)R=2；(c)R=3；(d)R=4Fig.7 The vascular tissue deformation with P=1.0 mm, different rows.(a)Strain ranges;(b)R=2；(c)R=3；(d)R=4

圖8 縫釘排數(shù)R=3時(shí)，不同縫釘排間距下血管組織變形。(a)應(yīng)變范圍；(b)P=0.50 mm；(c)P=0.75 mm；(d)P=1.00 mm；(f)P=1.25 mm；(e)P=1.50 mmFig.8 The vascular tissue deformation with R=3, different row space.(a)Strain ranges；(b)P=0.50 mm；(c)P=0.75 mm；(d)P=1.00mm；(f)P=1.25 mm；(e)P=1.50 mm

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

縫釘排數(shù)與排間距對(duì)縫合面組織徑向應(yīng)力大小f1(x)和組織徑向應(yīng)力分布均勻程度f2(x)的影響如圖9所示。

由圖9(a)可知，隨著縫釘排間距P的增大，目標(biāo)函數(shù)f1(x)呈先增大、后減小趨勢，且縫釘排數(shù)R越多，趨勢越顯著；隨著縫釘排數(shù)R的增加，f1(x)呈增大趨勢。由圖9(b)可知，隨著縫釘排間距P的增大，目標(biāo)函數(shù)f2(x)呈減小趨勢，且縫釘排數(shù)R越多，趨勢越顯著；隨著縫釘排數(shù)R的增加，f2(x)呈增大趨勢。當(dāng)R=4、P=0.50 mm時(shí)，f2(x)達(dá)到最大值；當(dāng)R=3、P=1.25 mm時(shí)，f2(x)達(dá)到最小值。

圖9 目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)參量響應(yīng)圖。(a)f1(x)與設(shè)計(jì)參量三維響應(yīng)圖；(b)f2(x)與設(shè)計(jì)參量三維響應(yīng)圖Fig.9 The relationship between target functions and design variables.(a)The relationship between f1(x) and design variables;(b)The relationship between f2(x) and design variables

分析仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，得出了血管機(jī)械縫合手術(shù)的優(yōu)化結(jié)果。圖10中的黑色點(diǎn)表示依據(jù)目標(biāo)函數(shù)f1(x)得到的Pareto優(yōu)化結(jié)果，黑色圓點(diǎn)表示在f1(x)基礎(chǔ)上依據(jù)目標(biāo)函數(shù)f2(x)得出的最優(yōu)化結(jié)果。

圖10 血管機(jī)械縫合手術(shù)的優(yōu)化解Fig.10 Optimal solutions of vascular stapling surgery

表3列出了血管機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。在避免組織損傷和縫合口泄漏的條件下，血管機(jī)械縫合手術(shù)采用R=3、P=1.25 mm的縫釘排列方式，可使縫合面組織徑向應(yīng)力較小，且組織應(yīng)力分布均勻，獲得良好的手術(shù)質(zhì)量。

表3 血管機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

2.3 泄漏壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

泄漏壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，R=3、P=1.25 mm時(shí)的縫合口耐壓值更高，機(jī)械強(qiáng)度更好，證明了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

表4 泄漏壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 討論

在軟組織吻合器手術(shù)中，器械與軟組織的交互作用是影響手術(shù)質(zhì)量的關(guān)鍵，相關(guān)的體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真都證實(shí)了交互作用對(duì)縫釘成形、縫合口強(qiáng)度和縫合口愈合程度的影響，并通過改變縫釘高度、排數(shù)以及添加縫合加強(qiáng)材料等方法達(dá)到優(yōu)化機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的目的[5-11]。本研究的目的旨在進(jìn)一步探究軟組織機(jī)械縫合手術(shù)中縫釘與軟組織的交互作用，評(píng)估縫釘排列方式對(duì)于軟組織機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的影響，優(yōu)化吻合器縫釘排列方式，以減少術(shù)后并發(fā)癥，提高機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量。

縫釘釘縫軟組織的過程是縫釘與軟組織交互作用的過程，最終縫釘以類B字的形式將分離的軟組織釘縫在一起。在縫釘與軟組織交互作用過程中，需要考慮組織對(duì)縫釘?shù)谋衬ぷ枇?、縫釘對(duì)組織的切割、縫釘與組織之間以及縫釘與釘砧間的摩擦、擠壓等諸多因素，但是縫釘與釘砧接觸而屈服變形的作用力比縫釘與軟組織之間的作用力要大得多，且筆者主要關(guān)注機(jī)械縫合后軟組織的變形及應(yīng)力情況，所以在有限元建模過程中省去了縫釘變形，將縫釘視為剛體，只考慮縫釘與軟組織之間的刺入、擠壓和摩擦。

在縫合手術(shù)中，縫合口組織變形越小，組織受力越均勻，就越有利于縫合口愈合；縫合面組織接觸面積越大，就越有利于保證縫合口的機(jī)械強(qiáng)度。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，縫合面組織徑向應(yīng)力大小和分布差值分別在R=2、P=1.25mm和R=3、P=1.25mm時(shí)達(dá)到最小值，即這兩種排列可使組織應(yīng)力最小、組織應(yīng)力分布更加均勻，均有利于術(shù)后組織愈合。避免組織損傷是確保手術(shù)成功、減少手術(shù)并發(fā)癥的關(guān)鍵，所以在優(yōu)化過程中作為首要目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其設(shè)置了適當(dāng)?shù)膶捜葜怠D10顯示了目標(biāo)函數(shù)f1(x)的Pareto優(yōu)化解以及優(yōu)化模型的最優(yōu)解，即在縫釘排列方式為R=3、P=1.25 mm時(shí)，組織應(yīng)力較小且組織應(yīng)力分布最為均勻。

相比人工縫合手術(shù)，吻合器縫合手術(shù)可以通過對(duì)吻合器的量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)過程的量化控制，因此可以看作是一個(gè)優(yōu)化問題，即在既定的手術(shù)條件下選擇合適的吻合器設(shè)計(jì)參量，以保證手術(shù)成功并獲得較優(yōu)的手術(shù)質(zhì)量。筆者提出的基于縫釘排列的機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化方法，考慮了縫釘排數(shù)和排間距對(duì)于縫合手術(shù)質(zhì)量的影響，同時(shí)為了便于研究，該優(yōu)化模型將釘間距和縫合邊距設(shè)為常量，不能完全反映縫釘排列對(duì)于縫合手術(shù)質(zhì)量的影響；雖然通過泄漏壓實(shí)驗(yàn)比較了縫合口的機(jī)械強(qiáng)度，初步驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性，但是也存在實(shí)驗(yàn)組較少、乳膠管與真實(shí)血管組織材料存在差距以及泄漏壓實(shí)驗(yàn)不能完全反映出縫合口的損傷程度、愈合情況等問題。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步完善優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)參量，通過活體組織實(shí)驗(yàn)來應(yīng)用該優(yōu)化方法，對(duì)比分析手術(shù)后縫合口的損傷程度、愈合質(zhì)量以及泄漏出血等情況，進(jìn)一步驗(yàn)證該優(yōu)化模型的有效性。

筆者提出的優(yōu)化模型，雖以血管縫合手術(shù)為例，但同樣適用于以吻合器縫合為操作方式的各類縫合手術(shù)，如胃腸道縫合手術(shù)、食管縫合手術(shù)和肺實(shí)質(zhì)縫合手術(shù)等。依據(jù)不同的病灶組織，可選取不同的組織參數(shù)以及約束條件，通過改變縫釘排列方式來提升縫合手術(shù)的效果。

4 結(jié)論

本研究在縫釘釘縫軟組織力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以血管機(jī)械縫合手術(shù)為例，建立了基于縫釘排列方式的機(jī)械縫合手術(shù)優(yōu)化模型。通過析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法組織和安排實(shí)驗(yàn)，綜合考慮影響機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量的設(shè)計(jì)參量，運(yùn)用數(shù)值方法得到了目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)，通過泄漏壓實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。根據(jù)血管機(jī)械縫合優(yōu)化模型的計(jì)算結(jié)果分析得出：

1)血管機(jī)械縫合后，組織應(yīng)力大小和應(yīng)力分布差值隨著縫釘排數(shù)的增加而呈增大趨勢，隨著縫釘排間距的增大而呈減小趨勢。

2)選用適當(dāng)?shù)目p釘排數(shù)和較大的縫釘排間距，有利于減小血管組織變形，增大縫合面組織接觸面積，使血管管壁對(duì)合緊密，利于術(shù)后血管組織愈合。

3)當(dāng)縫釘排數(shù)R=3、排間距P=1.25 mm時(shí)，縫合面組織徑向應(yīng)力值接近最小，且組織應(yīng)力分布最為均勻，血管機(jī)械縫合手術(shù)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

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Staple Configuration Optimal Design of Soft Tissue Anastomosis with Stapler

Li Jinhua1Yang Yingkan1Zhang Linan2*Li Jianmin1Wang Shuxin1

1(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)2(SchoolofPrecisionInstrumentandOpto-ElectronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Staple configuration is one of the important factors that have impacts on the effects of stapling anastomosis. According to stapler-tissue interaction on the surgery with stapling technology, we proposed an optimized model based on the staple configuration in this study. Firstly, the mechanical model of staple-tissue interaction was analyzed, and the simplified finite element model was established based on the mechanical model. Furthermore, the optimized model was established in the case of vascular stapling surgery, and staple row and row space were chosen to be design variables, and the magnitude and distribution of radial stress on the surface of soft tissue were regarded as objective function. At last, the regularities of radial stress magnitude and distribution of soft tissue were obtained by the statistical methods based on finite element simulation experiments. Results showed that when staple row was 3 and row space was 1.25 mm, the average of radial stress was 0.056 3 MPa and the difference of stress distribution was 0.138 5 MPa, and the vascular stapling surgery achieved the optimal effect. The results provide important reference for decreasing complications of stapling surgery and optimal design of staplers.

stapler; mechanical suture; staple configuration; optimization; finite element simulation

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.015

2015-05-05， 錄用日期:2015-10-15

國家自然科學(xué)基金(51275335)

R318.08

A

0258-8021(2015) 06-0743-09

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:zla3452@tju.edu.cn