動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置設計

曲安，關(guān)天民，楊軒，軒亮，劉繼洋

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.江漢大學 智能制造學院，湖北 武漢 430001)

世界衛(wèi)生組織研究相關(guān)資料表明，人類動脈血管瘤疾病發(fā)病率還有繼續(xù)上升的勢態(tài)[1].目前治療動脈血管瘤方法主要是動脈血管介入治療[2]，動脈血管介入手術(shù)是將柔軟的貴金屬彈簧圈通過微導管從體外植入動脈血管瘤內(nèi)，金屬彈簧圈通過解脫裝置與推絲進行連接，在手術(shù)過程中通過電解脫、水解脫以及機械解脫三種解脫方法進行彈簧圈的分離.從而使動脈血管瘤內(nèi)血液凝固而達到阻止血液溢出或抑制動脈血管瘤破裂以進行手術(shù)的目的[3].

與水解脫、電解脫彈簧圈栓塞技術(shù)相比，機械解脫方式其優(yōu)點在于推絲與栓塞彈簧圈本體的主接點解脫時，能夠準確控制彈簧圈栓塞本體的位置，操作簡單，機械解脫彈簧圈耗時比較短[4].臨床效果顯示，機械解脫的彈簧圈需要滿足以下幾個要求：質(zhì)地柔軟易纏繞，不因血流沖擊破壞彈簧圈原有的形狀，能夠在不損壞動脈血管壁的前提下達到完全填充動脈血管瘤的目的[5].圖1所示為機械解脫彈簧圈栓塞工作原理圖.

圖1 機械解脫彈簧圈栓塞治療

1 解脫裝置的功能設計要求

本文設計的目的在于提供一種既有良好的柔順性，又能保持良好的抗拉性的動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置，以下稱為解脫裝置，保證把彈簧圈栓塞本體安全、準確地推送到動脈血管瘤里，在動脈血管瘤瘤腔里實現(xiàn)彈簧圈栓塞本體與推絲快速、安全、有效地解脫.

解脫裝置的整體功能如下：

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)推絲與栓塞簧圈本體穩(wěn)定連接和快速解脫；

(2)在運動中不會對彎曲管道的壁面造成損害，具有一定的安全性；

(3)解脫裝置至少要有兩個自由度，分別是沿著動脈血管方向運動和在血管內(nèi)轉(zhuǎn)動的自由度，以滿足在血管中運動的需求，解脫裝置坐標系如圖2所示，一個是沿著X軸方向的自由度，另一個是可以繞著X軸旋轉(zhuǎn)的自由度.

圖2 栓塞彈簧圈工作示意圖

2 解脫裝置的結(jié)構(gòu)設計

2.1 彈簧圈栓塞整體結(jié)構(gòu)設計

解脫裝置的整體結(jié)構(gòu)可分為推絲和彈簧圈栓塞本體兩大部分.圖3所示為本文所提出的動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置整體設計方案.圖4所示為動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置整體機構(gòu)示意圖.

圖3 動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置的方案設計

圖4 動脈血管瘤彈簧圈栓塞機械解脫裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.2 彈簧圈栓塞本體的設計

本文所設計的彈簧圈栓塞本體是在傳統(tǒng)的彈簧圈基礎上進行優(yōu)化，傳統(tǒng)的應用于治療基底動脈血管瘤的彈簧圈是由鉑鎢合金絲制成的，以鎢為代表的形狀記憶金屬的形狀記憶功能是機械解脫彈簧圈的最重要的物理特性[6].圖5所示為在傳統(tǒng)彈簧圈基礎上改良后的彈簧圈栓塞本體，彈簧圈栓塞本體主要是在傳統(tǒng)彈簧圈上焊接一個上連接環(huán)，并且在上連接環(huán)的下端焊接第一環(huán)狀體，在不影響傳統(tǒng)彈簧圈原有功能和柔順性的基礎上實現(xiàn)其與推絲穩(wěn)定的連接和解脫，改良后彈簧圈栓塞本體的頭部為圓盾形，目的是為了防止彈簧圈栓塞本體進入基底動脈血管瘤時對血管瘤壁造成破壞.

圖5 彈簧圈栓塞本體結(jié)構(gòu)

2.3 推絲的設計

推絲是解脫裝置的主要組成部分，圖6為推絲的整體結(jié)構(gòu)示意圖.推絲由底座、空心管、彈簧圈、短管、解脫絲、下連接環(huán)、第二環(huán)狀體組成，目的是為了增強推絲的整體柔順性，保證推絲順利地適應彎曲動脈血管，把彈簧圈栓塞本體快速、安全地推送到動脈血管瘤里.

圖6 推絲結(jié)構(gòu)示意圖

推絲的上半部分主要是由短管、下連接環(huán)、第二環(huán)狀體組成，下連接環(huán)由兩根直徑為0.04 mm的不銹鋼絲并列組成，在短管的下端設有標記鉑絲顯影環(huán)，主要用于定位彈簧圈栓塞本體的位置.

推絲的下半部分主要是由底座和空心管組成，空心管和底座主要是由不銹鋼制成，空心管和底座通過卡槽連接.其底座上焊接有解脫絲，可以使解脫絲與底座運動同步，通過旋轉(zhuǎn)底座，實現(xiàn)底座與空心管解脫、推絲與彈簧圈栓塞本體解脫.解脫絲的一端設計有一鎖鉤，實現(xiàn)推絲與彈簧圈栓塞本體連接與解脫.推絲的中間部分為彈簧圈，彈簧圈通過焊接方式與推絲的上半部分和下半部分連接.為了安全起見，使用連接管對彈簧圈與推絲上、下部分進行固定.

2.4 解脫裝置解脫結(jié)構(gòu)的設計

圖7所示為推絲與彈簧圈栓塞本體連接和解脫的詳細結(jié)構(gòu)圖.具體過程如下：把彈簧圈栓塞本體連接到推絲上時，將彈簧圈栓塞本體上的第二環(huán)狀體穿插過第一環(huán)狀體并與解脫絲通過鎖鉤連接，實現(xiàn)解脫絲與彈簧圈栓塞本體穩(wěn)定連接，從而保證在動脈血管里推送彈簧圈栓塞本體的過程中保證彈簧圈栓塞本體不會與推絲脫離.當彈簧圈栓塞本體被推送到指定動脈血管瘤里解脫時，旋轉(zhuǎn)底座使底座與空心管分離，旋轉(zhuǎn)到第二環(huán)狀體與解脫絲脫離，當?shù)诙h(huán)狀體與解脫絲完全脫離時，再緩慢地抽出解脫絲，繼續(xù)移動推絲使第二環(huán)狀體抽離出第一環(huán)狀體，最后抽出推絲，實現(xiàn)推絲與彈簧圈栓塞本體完全分離，從而達到栓塞動脈血管瘤的治療效果.

圖7 解脫結(jié)構(gòu)

2.5 動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置尺寸

本文設計的解脫裝置整體外形尺寸和彈簧圈栓塞本體的外形尺寸是相同的，而彈簧圈栓塞本體外形尺寸的選擇要依據(jù)所治療的動脈血管瘤直徑尺寸.由于人體內(nèi)不同動脈血管瘤直徑有差異，所以設計的解脫裝置尺寸需要隨著動脈血管瘤尺寸的變化而改變[8].圖8和9所示為彈簧圈栓塞本體以及推絲的詳細尺寸設計依據(jù).

圖8 彈簧圈栓塞本體尺寸

圖9 推絲的尺寸

彈簧圈栓塞本體長度L1等于上連接環(huán)的長度L2與第一環(huán)狀體的直徑外徑D2之和，即：

L1=L2+D2

(1)

推絲長度L3大于短管的長度L4、彈簧圈的長度L5、空心管的長度L6及底座的長度L7之和，即：

L3=L4+L5+L6+L7+0.5

(2)

解脫絲的長度L10等于推絲的長度與第二環(huán)狀體的直徑D8之和，即：

L10=L3+D8

(3)

短管是剛性體，為了保證短管順利通過彎曲的動脈血管而不損傷動脈血管壁，并保證短管能順利地通過所有的彎曲動脈血管，設動脈血管的直徑為D，此時應取短管的長度L4為：

(4)

下連接環(huán)的長度L8為：

(5)

推絲上的彈簧圈長度應大于介入治療手術(shù)中所要經(jīng)過的載瘤動脈血管的長度，由于空心管和底座在手術(shù)中裸露在動脈血管的外面，不受動脈血管的影響，為操作方便把空心管的長度設計為3 mm，把底座的長度設計為2 mm.彈簧圈栓塞本體的外徑D1大小取決于所要治療的動脈血管瘤直徑的大小.第一環(huán)狀體的外徑為D2、纏繞彈簧圈所用金屬絲的外徑為d、彈簧圈栓塞本體的外徑為D1，這三者之間關(guān)系為：

D1=D2+2d

(6)

彈簧圈栓塞本體的外徑D1與短管的外徑D3、彈簧圈的外徑D4、空心管的外徑D5、底座的外徑D7相等，即：

D1=D3=D4=D5=D7

(7)

設空心管、短管、底座的厚度都為H，他們的厚度為：

H=d

(8)

連接管的直徑D9等于空心管的內(nèi)徑，即：

D9=D5-2d

(9)

第二環(huán)狀體的外徑D8等于第一環(huán)狀體的外徑D2，即：

D8=D2

(10)

解脫絲的直徑D6大小為：

D6=2.5d

(11)

基底動脈血管相關(guān)尺寸如表1所示，基底動脈血管瘤壁厚為0.15 mm[9].圖10為常見動脈血管圖.本文設計的解脫裝置尺寸是依據(jù)基底動脈血管瘤直徑以及基底動脈血管直徑尺寸.整體外徑尺寸為0.4 mm，目前市場的栓塞彈簧圈絲直徑一般在0.04～0.06 mm，本文設計的彈簧圈、彈簧圈栓塞本體、第一環(huán)狀體以及第二環(huán)狀體所用的彈簧圈絲直徑d為0.04 mm.解脫裝置中的推絲長度取決于所要經(jīng)過的基底動脈血管的長度[10].裝置各部件詳細參數(shù)如表2所示.

表1 基底動脈血管相關(guān)尺寸表 mm

圖10 常見動脈血管圖

表2 徑向尺寸表

3 解脫裝置的安全性驗證

解脫裝置的安全性分析包括彈簧圈栓塞本體抗拉性分析和解脫裝置與動脈血管瘤壁碰撞模型的動力學分析、彈簧圈栓塞本體解脫過程運動學仿真分析.

3.1 栓塞彈簧圈機械解脫裝置材料的選取

本文在設計動脈血管瘤彈簧圈栓塞機械解脫裝置時，要在保證零件工藝性能和使用性能的基礎上采用相對易加工的材料，簡化機構(gòu)，降低成本，因此解脫裝置每個零件的材料是有所區(qū)別的，各個零件的所使用的具體材料如表3所示.

表3 材料表

3.2 栓塞彈簧圈機械解脫裝置有限元分析

解脫裝置的設計和加工過程繁瑣，成本昂貴，在解脫裝置設計過程中不宜全部采用實物進行性能測試，同時解脫裝置尺寸非常微小，難以用常規(guī)的檢測手段對解脫裝置的性能進行測試，解脫裝置推送過程中的應變和應力難以用接觸式測量法檢測，而這些參數(shù)是考察解脫裝置的重要指標；在推送彈簧圈栓塞本體的過程中，由于受到血液的阻力以及推絲施加的推力和拉力，可能會導致彈簧圈栓塞本體變形和脫落，需要彈簧圈栓塞本體具有一定的抗拉性[14],所以采取有限元分析法進行驗證安全性[15].

3.3 彈簧圈栓塞的等效有限元模型

本文設計的彈簧圈栓塞本體所受拉力是作用在上連接環(huán)和第一環(huán)狀體上的，而傳統(tǒng)彈簧圈解脫裝置所受拉力是作用在彈簧圈本身上的，所以要確定彈簧圈栓塞本體的抗拉性，只要分析上連接環(huán)和第一環(huán)狀體受力時的變形情況.圖11(a)為彈簧圈栓塞的有限元模型.彈簧圈栓塞本體的材料屬性如表2所示，然后需要對其進行網(wǎng)格劃分，圖11(b)為所示為載荷定義圖.載荷定義為：把上連接環(huán)的頂端固定，拉力定義在第一環(huán)狀體上.

(a)整體有限元模型圖 (b) 等效模型施加載荷圖11 有限元模型

要確定本文設計的彈簧圈栓塞本體抗拉性是否合格，需要與傳統(tǒng)的彈簧圈抗拉性進行比較.

圖12(a)所示為傳統(tǒng)彈簧圈的抗拉性能分析結(jié)果，圖12(b)所示為本文所設計彈簧圈栓塞本體抗拉性能分析結(jié)果.由圖12可以看出，傳統(tǒng)彈簧圈的變形伸長量從底端開始依次增大，最大拉伸變形發(fā)生在頂端，拉伸為0.769 mm；而上連接環(huán)的變形伸長量也是從底端依次增大，最大拉伸變形發(fā)生在第一環(huán)狀體上，拉伸變形為0.006 mm.通過分析圖對比可以看出，本文所設計的彈簧圈栓塞本體的抗拉性能遠遠好于傳統(tǒng)彈簧圈的抗拉性能，具有非常好的穩(wěn)定性能，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧圈用來栓塞治療動脈血管瘤.

(a)彈簧圈抗拉性 (b)等效彈簧圈栓塞本體抗拉性圖12 抗拉性分析

3.4 栓塞彈簧圈機械解脫裝置的整體柔順性分析

解脫裝置在動脈血管里推送的過程中會隨著動脈血管的形狀變形而進行整體彎曲變形，這就要求解脫裝置整體具有良好柔順性.圖13所示為解脫裝置進入彎曲動脈血管時不同時刻的彎曲狀態(tài).

(a)解脫裝置變形情況1 (b)解脫裝置 變形情況2

(c)解脫裝置變形情況3 (d)傳統(tǒng)彈簧圈變形情況圖13 解脫裝置柔順性分析

其中，圖13(a)、13(b)、13(c)所示為解脫裝置進入彎曲動脈血管時的彎曲變形情況，圖13(d)所示為傳統(tǒng)的彈簧圈進入到呈“S”型彎曲動脈血管時變形情況.

為了確認解脫裝置整體的柔順性，本文把受到同樣力而呈“S”型彎曲變形的傳統(tǒng)彈簧圈與呈“S”彎曲變形的解脫裝置進行比較.從圖13(b)、13(d)可以看出，當解脫裝置推絲部分和傳統(tǒng)彈簧圈受到同樣力的時候，推絲最大變形為0.27 mm，而傳統(tǒng)的彈簧圈最大變形為0.3 mm，兩者變形僅僅相差0.03 mm，因此兩者的變形基本相同，說明推絲部分的柔順性已經(jīng)達到了適應動脈血管的要求.從整體來看，由于受到相同的力，解脫裝置的整體最大變形為0.59 mm，傳統(tǒng)彈簧圈最大變形為0.62 mm，兩者彎曲變形相差僅僅也為0.03 mm，因此兩者的變形也基本相同，說明解脫裝置整體柔順性符合設計要求.

3.5 碰撞動力學模型分析

當彈簧圈栓塞本體被推送到動脈血管瘤口時，與血管瘤相接觸過程中，很可能會使解脫裝置碰到動脈血管瘤壁，進而使其動脈血管瘤壁破裂，因此需要對解脫裝置在動脈血管瘤手術(shù)過程中的受力狀況進行碰撞動力模型分析.通常，接觸力-變形關(guān)系如下：

(12)

式中,FC是接觸力的彈性部分，F(xiàn)V是粘彈性阻尼部分，F(xiàn)P是由塑性變形導致的耗散部分.

(1)定義材料性能與確定碰撞參數(shù)

動脈血管壁的密度為1 150 kg/m3，彈性模量為5E+105Pa，泊松比為0.45，解脫裝置中Pt/W(92/8)合金的密度為21 398.2 kg/m3，彈性模量為168 GPa，泊松比為0.39；不銹鋼的密度為7 750 kg/m3，彈性模量為193 GPa，泊松比為0.31；動脈血管和解脫裝置采用四面體網(wǎng)格劃分法，解脫裝置和動脈血管瘤壁之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為 0.02，解脫裝置接點為接觸面，動脈血管壁內(nèi)表面為目標面，本文建立如下坐標系，X軸代表軸向方向，Y軸代表徑方，Z軸代表周向.允許整個有限元模型在徑向、軸向、周向方向自由位移，即UX≠ 0、UY≠ 0、UZ≠ 0.如圖14為有限元模型的邊界條件示意圖.

圖14 有限元模型邊界條件示意圖

(2)碰撞模型動力學分析結(jié)果

圖15所示為動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置與動脈血管瘤壁碰撞過程的動力學分析圖.以動脈血管瘤壁受力是否超過其極限值為標準來評價解脫裝置的安全性.為了便于觀察，將圖中解脫裝置隱藏.圖15(a)～圖15(d)為解脫裝置從碰撞到碰撞變形最大的過程變形云圖；在此過程中，變形值范圍為0.5～1 mm.圖15(d)所示為解脫裝置與動脈血管瘤壁碰撞時間達到1 s時的狀態(tài)，此時的動脈血管瘤壁的變形值達到3 mm.根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的實驗報告，當基底動脈血管瘤壁變形值超過4.245 mm的時候，基底動脈血管瘤壁將會破裂，而動脈血管瘤壁最大的變形值為3 mm，所以動脈血管瘤壁在遭到碰撞1s時還處于不破裂狀態(tài).

圖15 碰撞模型的總變形云圖

從解脫裝置的柔順性分析可知，當彈簧圈栓塞本體受到力F=0.1 N時，彈簧圈栓塞本體就會發(fā)生嚴重變形.通過以上計算分析可知，當解脫裝置在與動脈血管瘤壁發(fā)生碰撞進行到0.5 s時，因彈簧圈栓塞本體受到來自動脈血管壁的阻力F=0.1 N的作用，彈簧圈栓塞本體會自動發(fā)生彎曲變形，此時的彈簧圈栓塞本體會順著動脈血管壁進入到動脈血管瘤里，并且按照之前設定的形狀進行彎曲，從動脈血管里抽出推絲，最后彈簧圈栓塞本體完全停留在動脈血管瘤里面.在彈簧圈栓塞本體進入動脈血管瘤以及在動脈血管瘤彎曲的整個過程中不會對動脈血管瘤壁造成損壞，因此本文設計的解脫裝置在栓塞動脈血管瘤的過程中并不會對動脈血管以及動脈血管瘤壁造成損壞，具有很好的安全性能.

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有的動脈血管瘤彈簧圈解脫裝置設計了一種形狀記憶合金的動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置，詳細地講述了解脫裝置的結(jié)構(gòu)設計與尺寸設計原則，闡述了其治療過程，并對其各個部分所選用的材料進行了說明.本文有針對性地對解脫裝置的功能、結(jié)構(gòu)進行再設計，并利用Ansys仿真軟件對解脫裝置在工作過程中進行安全仿真與柔順性分析.對彈簧圈栓塞本體抗拉性進行有限元分析，確定新裝置工作中產(chǎn)生的形變拉伸變形為0.006 mm,遠優(yōu)于傳統(tǒng)彈簧圈的拉伸形變0.769 mm.對解脫裝置的整體柔順性進行分析，當解脫裝置推絲部分和傳統(tǒng)彈簧圈受到同樣力的時候，推絲最大變形為0.27 mm，而傳統(tǒng)的彈簧圈最大變形為0.3 mm，兩者變形僅僅相差0.03 mm，兩者的變形基本相同，說明推絲部分的柔順性已經(jīng)達到了適應動脈血管的要求.完成上述分析后，基于ABAQUS軟件對解脫裝置與動脈血管瘤壁碰撞模型進行動力學分析，模擬在手術(shù)過程中動脈血管瘤最大變形量為3 mm，在動脈血管瘤破裂極限值4.245 mm內(nèi)，從而確定了動脈血管瘤栓塞彈簧圈機械解脫裝置的整體安全性能，表明設計的動脈血管瘤彈簧圈解脫裝置在推絲解脫結(jié)構(gòu)簡單的前提下有足夠的安全性，能夠快速準確解脫，降低了手術(shù)解脫時所要耗費的時間，增加手術(shù)效率.