基于ANSYS 的血流阻斷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

周 澤， 石更強(qiáng)

（上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

1991 年Reich 等實(shí)施世界首例腹腔鏡肝切除術(shù)以來，腹腔鏡技術(shù)在肝臟切除手術(shù)方面的應(yīng)用逐漸廣泛起來。然而，肝臟內(nèi)部血管分布比較密集，血供豐富，這直接影響了手術(shù)的進(jìn)程，而出血量的多少更是決定手術(shù)能否成功的關(guān)鍵[1]。開腹手術(shù)過程中，可以直接選擇使用醫(yī)用橡膠導(dǎo)管對出血部位進(jìn)行簡易的結(jié)扎達(dá)到止血的目的。但是腹腔鏡手術(shù)中，由于操作空間的限制，沒有辦法快速準(zhǔn)確地將血流及時(shí)止住[2]。因此，本文在滿足醫(yī)護(hù)人員需求的情況下，設(shè)計(jì)出一種可控的第一肝門血流阻斷器[3]，能夠在手術(shù)過程中及時(shí)地通過阻斷與放開對肝臟進(jìn)行止血供血。

國內(nèi)外的腹腔鏡肝臟手術(shù)在止血方面主要分為兩類。第一種是通過手術(shù)器械產(chǎn)生的高溫對出血部位進(jìn)行直接處理，使得局部組織產(chǎn)生結(jié)痂，主要有氬氣凝血器等裝置。而另一種方式則是阻斷肝臟血液的入口，也就是對第一肝門進(jìn)行阻斷[4]，這種方式在臨床一般采用自制的橡膠管將第一肝門繞緊以后進(jìn)行收縮，阻斷血液的流速甚至直接阻斷血液流通。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這種肝門阻斷方式也出現(xiàn)了一些實(shí)用型專利。例如南京鼓樓醫(yī)院發(fā)明了一種選擇性肝門阻斷器，通過齒槽設(shè)計(jì)，可以在拉緊之后進(jìn)行固定[5]；北京大學(xué)深圳醫(yī)院也發(fā)明了一種可以對阻斷帶進(jìn)行固定的阻斷器，通過將延伸出的阻斷帶通過掛鉤進(jìn)行固定[6]。由于手術(shù)過程中的要求越來越高，僅僅能夠固定阻斷器已經(jīng)不能夠滿足手術(shù)需求。術(shù)中的變化多種多樣，簡單的阻斷帶無法時(shí)刻控制血流的止血供血，當(dāng)肝臟手術(shù)時(shí)間過長的時(shí)候，需要每隔一段時(shí)間恢復(fù)肝臟的供血以防肝組織損傷，并且阻斷帶的材料也會(huì)對人體產(chǎn)生不小的傷害。因此，本文設(shè)計(jì)了一款通過流體控制的血流阻斷器，利用流體的壓強(qiáng)對氣囊進(jìn)行控制，達(dá)到阻斷血流的效果。

腹腔鏡手術(shù)是一個(gè)對醫(yī)生技術(shù)有很高要求的手術(shù)，并且操作環(huán)境空間有限，需要醫(yī)生能夠在狹窄的空間進(jìn)行一系列復(fù)雜的操作，因此，血流阻斷器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要能夠很好地控制與使用。血流阻斷裝置需要進(jìn)入人體內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行操作，要求有絕對的安全性能保證。手術(shù)過程中，肝臟血流的斷供時(shí)間根據(jù)病人肝臟的情況來判斷，一般以15 min 為宜。需要多次進(jìn)行閉合和打開阻斷裝置，維持肝臟的正常功能，同時(shí)也不能影響手術(shù)的進(jìn)行。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有的腹腔鏡肝門血流阻斷器主要是將阻斷帶導(dǎo)入人體內(nèi)，通過醫(yī)生將所需阻斷部位就行包繞，并最后引出體外，通過體外施加拉力進(jìn)行血管的阻斷。這種方法比較傳統(tǒng)，只是將開腹手術(shù)所使用的肝門阻斷裝置縮小簡化，但是無法在手術(shù)過程中進(jìn)行及時(shí)的阻斷血流與恢復(fù)[7]。本文設(shè)計(jì)的血流阻斷器首先是通過一個(gè)可塑性材料引導(dǎo)著一截橡膠管進(jìn)入人體，利用金屬的硬度與預(yù)處理將肝門包住，再通過氣囊自由端與外套管表面的凹槽配合，使得肝門在體內(nèi)能夠得到很好的固定，隨后施加氣體讓橡膠管膨脹，不斷擠壓達(dá)到阻斷血管的作用。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

通過臨床手術(shù)觀察，所設(shè)計(jì)的裝置主體結(jié)構(gòu)呈柱狀，便于通過穿刺進(jìn)入人體。在功能方面，采用氣壓產(chǎn)生的體積變化達(dá)到控制血流的阻斷。主要結(jié)構(gòu)包含氣囊、固定閥、三通閥、固定件、外套管、導(dǎo)管、彈簧、多孔軟膠等，如圖1 和圖2所示。

圖1 血流阻斷器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Blood flow blocker structure

圖2 各部分組件圖Fig.2 Component parts

三通閥閥體有3 個(gè)口，一進(jìn)兩出，和普通閥門不同的是底部有一出口。當(dāng)內(nèi)部閥芯在不同位置時(shí)，出口不同。如閥芯在下部時(shí)，左右相通；如閥芯在上部時(shí)，右出口被堵住，左和下出口相通。使用三通閥的意義在于能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控氣囊內(nèi)部壓力的大小，并且在使用過程中，還可以及時(shí)阻斷氣體的輸送，使內(nèi)部壓強(qiáng)保持穩(wěn)定。三通閥在起到連接作用的同時(shí)，還減少了一個(gè)氣動(dòng)控制閥的使用，簡化了使用方法。

多孔氣囊采用軟膠材料，能夠形成對目標(biāo)位置的包繞，氣囊的韌性良好，能夠滿足正常溫度下的工作環(huán)境，如圖3 所示。而氣囊外層則是一層易受形變的醫(yī)用橡膠，當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)生氣壓，通過多孔將氣體導(dǎo)出，醫(yī)用橡膠的阻隔使得自身發(fā)生膨脹，體積逐漸增加，最終達(dá)到阻斷血流的目的。氣囊的使用區(qū)別于常規(guī)的阻斷帶，因?yàn)樽钄鄮б蕾囉谧陨淼膲毫磉M(jìn)行，對于血管能力一般的患者來說，直接影響到術(shù)后的恢復(fù)，而氣囊不論是材質(zhì)還是作用方式，都對人體有著一定的保護(hù)作用，表1 是軟膠的基本參數(shù)。

圖3 多孔氣囊Fig.3 Porous air bags

1.3 工作方式

在手術(shù)之前，首先通過穿刺將阻斷器前端推進(jìn)人體；然后利用自身的硬度穿過第一肝門進(jìn)行環(huán)繞，用手術(shù)鉗從另一端將端頭取出并放入外套管的缺口處；接著將壓住的固定件放開，通過彈簧恢復(fù)自身形變，自動(dòng)鎖住端頭達(dá)到包繞的效果；最后回拉導(dǎo)管到氣囊剛好完全包繞肝門為止，使用固定閥進(jìn)行固定，術(shù)前準(zhǔn)備就完成了。當(dāng)需要進(jìn)行阻斷的時(shí)候，只需要打開三通閥，用氣囊進(jìn)行加壓即可達(dá)到阻斷血流的作用，并且通過三通閥可以做到實(shí)時(shí)控制血流的通暢與阻斷，方便手術(shù)過程中的調(diào)控。

表1 軟膠參數(shù)Tab.1 Soft rubber parameters

2 基于ANSYS 評價(jià)氣囊中氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

輸氣裝置主要在體外進(jìn)行操作，使用材料較為穩(wěn)定，而進(jìn)入人體內(nèi)的氣囊部分，需要了解其內(nèi)部管道的氣體分布狀態(tài)，進(jìn)一步判斷氣囊的穩(wěn)定性以及形變時(shí)所受氣體帶來的壓力。氣體分布不均勻會(huì)使局部壓強(qiáng)過大，導(dǎo)致各個(gè)部位受力大小不同。這里運(yùn)用ANSYS 軟件對氣體的流動(dòng)趨勢進(jìn)行模擬，可以直觀地觀察氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

流體在流動(dòng)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間和空間發(fā)生一定的變化，這個(gè)過程是一個(gè)三維、非穩(wěn)態(tài)的，并且規(guī)模較大的流動(dòng)模型。當(dāng)流體的慣性力和相對黏度影響流動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)形成湍流的流動(dòng)型式。雷諾數(shù)Re 標(biāo)定流體的運(yùn)動(dòng)形式：當(dāng)Re＜2 000 時(shí)，為層流；當(dāng)Re ＞4 000 時(shí)，為湍流；Re 值在2 000～4 000 之間時(shí)，為過渡態(tài)。在FLUENT中，選用的湍流方程模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，因?yàn)樯婕暗搅黧w壁面的計(jì)算，在靠近壁面的位置，湍流邊界層較薄，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型可以對壁面進(jìn)行精細(xì)化處理，具有較大的求解變量，使求解的結(jié)果更加精確。

2.1 建立模型劃分網(wǎng)格

研究氣囊內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就是要對內(nèi)部通道進(jìn)行實(shí)體化并進(jìn)行分析，主要通過ANSYS CFD 軟件，模擬給定條件下[8]氣體在裝置通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度及趨勢等因素，從而通過記錄CFD 軟件模擬的氣體運(yùn)動(dòng)，定性分析氣體在氣囊內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)效果，并使用SolidWorks 建立模型，如圖4所示。

圖4 氣囊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Balloon structure

流體分析計(jì)算的是流體運(yùn)動(dòng)的通道，因此，需要?jiǎng)澐值膶?shí)際是流體的通道，而實(shí)體部分則以空白代替。利用ANSYS Meshing 創(chuàng)建網(wǎng)格，針對通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的種類有很多種[9]，對較為規(guī)則的圖形，一般選擇四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)樗拿骟w較為簡潔，網(wǎng)格劃分空隙較小，處理起來也更加方便。網(wǎng)格的劃分并不是越小越好，雖然，網(wǎng)格越小精度越高，但是當(dāng)網(wǎng)格達(dá)到一定數(shù)量以后就不會(huì)有明顯的精度提高，反而會(huì)增加更多的計(jì)算量。圖5 為網(wǎng)格劃分后的效果圖以及局部圖。

圖5 網(wǎng)格劃分與局部放大圖Fig.5 Mesh generation and local amplification

采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對流體的通道進(jìn)行流場區(qū)域的劃分[10]，部分關(guān)鍵部位采用加密處理，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量約為10 萬，并使用單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對劃分的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)評價(jià)，圖6 展示的是對流體通道有限元模型劃分網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的結(jié)果，其中絕大部分的網(wǎng)格質(zhì)量在0.8 以上，可以滿足一般的計(jì)算要求。

圖6 流體通道網(wǎng)格質(zhì)量檢測Fig.6 Fluid channel mesh quality detection

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

選用ANSYS 分析流體力學(xué)時(shí)[11]，在對所設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行模型建立及網(wǎng)格劃分后，需要對實(shí)驗(yàn)分析的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，主要依照氣囊流體運(yùn)動(dòng)的范圍來界定，包括：進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件，以及壁面邊界條件（選擇系統(tǒng)默認(rèn)，一般不作設(shè)置）。通過對上文的計(jì)算參數(shù)分析對比，對ANSYS 軟件分析的流體計(jì)算邊界條件進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置出口邊界條件為出口壓力默認(rèn)，入口流速分別為2，4，6，8，10 m/s。分析比較不同流速下氣囊內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而定性評價(jià)適用于此氣囊的最佳分散效果的氣流流速。

圖7 不同流速速度矢量圖Fig.7 Vector diagram at different velocities

圖7 顯示的是不同氣體流速下，氣體在通過多孔氣囊各個(gè)孔徑所產(chǎn)生的速度云圖與速度矢量圖。實(shí)驗(yàn)設(shè)定的速度為2，4，6，8，10 m/s，圖中用不同顏色表示速度的差異，比較不同速度下的矢量圖能夠得到氣流在出口的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

通過圖7 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析[12]，可以基本看到氣囊內(nèi)部氣體在氣流速度逐漸增大過程中的運(yùn)動(dòng)變化與運(yùn)動(dòng)趨勢，其經(jīng)歷了緩慢變化與爆發(fā)性增長。在8 m/s 速度下，可以看到整體運(yùn)動(dòng)趨勢最接近，有利于氣體的填充，并且速度的變化趨勢比較明顯。在較為慢速的2 m/s 和4 m/s的條件下，整體運(yùn)動(dòng)趨勢不是特別明顯，這導(dǎo)致在重啟的過程中可能存在氣體流速過慢，裝置的氣囊部分不能迅速膨脹，達(dá)不到應(yīng)有的效果。而速度超過一定界限以后（10 m/s），局部速度明顯增加，但是整體的速度并沒有太多上升趨勢，由于氣體流速直接影響了充氣的效果，因此過速也是一種浪費(fèi)。并且，速度過快也可能導(dǎo)致在充氣過程中，直接引起材料的物理變化。因此，對裝置內(nèi)氣流速度的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流速度為8 m/s 時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的速度變化比較平緩，該速度能夠滿足裝置的使用要求，最為合理。

3 結(jié) 論

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提出了新型的氣動(dòng)式血流阻斷器，利用氣囊膨脹壓迫血管，降低血液流速，來達(dá)到減小甚至阻斷血流的目的。從結(jié)構(gòu)角度應(yīng)用ANSYS 軟件分析氣囊內(nèi)部氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對不同速度下氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行比較，由模擬結(jié)果顯示的矢量圖可以看出當(dāng)速度為8 m/s 的時(shí)候，內(nèi)部氣流分布均勻，并且能夠給到氣囊足夠的壓力，能夠很好地達(dá)到阻斷血管的效果。從安全角度分析，血管能夠承受較大范圍力的作用，但是手術(shù)過程中，能否安全有效阻斷血流，直接影響了手術(shù)的效果。流體阻斷能夠從體外進(jìn)行控制，相較于阻斷帶、止血夾等裝置，能夠有效減少血管所受的損傷。