基于膀胱尿液容量反饋的形狀記憶合金驅(qū)動尿道閥研究

邵愛祥, 李 笑,李亞鵬, 伍宗鵬, 陳旭鴻

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣州 510006,E-mail: lixiao@gdut.edu.cn)

尿道括約肌損傷或神經(jīng)功能障礙引起的尿失禁,給患者帶來嚴重的生理困擾和心理負擔。對于重度尿失禁患者,采取藥物和手術(shù)等治療難以有效治愈[1]。因此,從工程學(xué)角度研究能替代尿道括約肌功能實現(xiàn)患者自主控制排尿的尿道閥具有重要的現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)外已有學(xué)者開展了各種原理的尿道閥研究。文獻[2-3]設(shè)計一種基于溫控調(diào)節(jié)形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動的尿道閥,利用具有雙重記憶效應(yīng)的SMA替代尿道括約肌控制尿道啟閉的功能,采用犬膀胱和尿道實驗研究了尿道閥的啟閉特性、尿流率特性和可靠性。文獻[4]設(shè)計一種具有閉環(huán)熱控制功能的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)給SMA驅(qū)動器供能,實驗研究了尿道閥的啟閉特性和經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的效率。文獻[5-6]設(shè)計出一種基于彈性元件壓閉和電磁力驅(qū)動的尿道閥,建立了尿道閥的數(shù)學(xué)模型和可靠性仿真模型,仿真和實驗研究了尿道閥的尿流率特性和可靠性。文獻[7-8]研究一種利用超聲汽化蒸汽驅(qū)動的尿道閥,建立了尿道閥的驅(qū)動力和磁吸力數(shù)學(xué)模型,仿真與實驗研究了尿道閥的啟閉和驅(qū)動特性,基于故障樹法分析了尿道閥的可靠性。文獻[9]設(shè)計了一種磁耦合諧振式無線供電SMA彈簧驅(qū)動的尿道閥,建立了尿道閥的驅(qū)動力模型和無線電能傳輸耦合模型,仿真與實驗研究了尿道閥的驅(qū)動特性和啟閉特性。文獻[10]提出了一種體外磁控內(nèi)置式尿道閥,建立了尿道閥的流量-壓差特性及磁驅(qū)動力的數(shù)學(xué)模型和仿真模型,仿真與實驗研究了尿道閥的膀胱壓-尿流率特性和磁驅(qū)動力特性。AMS800產(chǎn)品用于大量臨床試用結(jié)果表明,存在植入并發(fā)癥,由于長時間壓閉尿道引起尿道組織血液循環(huán)不暢造成組織萎縮、侵蝕、感染等問題[11]。上述研究和臨床試用均表明尿道閥工作原理可行,但依據(jù)最大膀胱壓設(shè)計預(yù)緊力且長時間壓閉尿道,存在引發(fā)尿道組織血液循環(huán)不暢甚至壞死等問題。

針對上述問題,本文提出一種基于膀胱尿液容量反饋的SMA驅(qū)動尿道閥,利用彈性橡膠的自回復(fù)力壓閉尿道,根據(jù)膀胱尿液容量反饋自適應(yīng)調(diào)節(jié)尿道的壓閉程度。仿真分析和模擬實驗驗證了該閥原理可行,啟閉特性可滿足自主排尿功能要求。

1 組成原理

本文提出的尿道閥系統(tǒng)組成原理如圖1所示,由體外和體內(nèi)兩部分組成。體外部分由直流電源、驅(qū)動電路和發(fā)射線圈組成。體內(nèi)部分由接收線圈、整流電路、膀胱支撐膜、膀胱支架、軟管、工質(zhì)、閥膜、閥芯、閥體、SMA彈簧組成。膀胱支撐膜、閥膜和閥芯由醫(yī)用彈性橡膠材料制成,膀胱支撐膜周邊固定于膀胱支架,閥膜周邊固定于閥體,閥芯兩端固定于閥體。膀胱支架和閥體由醫(yī)用非金屬材料制成,固定于人體恥骨。軟管由醫(yī)用非彈性橡膠材料制成,連通膀胱支架腔與閥腔構(gòu)成反饋容腔。工質(zhì)為不可壓縮液體,封閉于反饋容腔內(nèi)。SMA彈簧為鎳鈦合金圓柱形螺旋彈簧,具有優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)和超彈性[12]。

▲圖1 尿道閥系統(tǒng)組成原理圖

該閥工作原理是:體外電源斷開時,發(fā)射線圈不產(chǎn)生磁場,接收線圈無能量傳輸,SMA彈簧處于初始自由狀態(tài),閥芯處于初始變形狀態(tài),其自回復(fù)力將尿道壓閉。隨著膀胱儲存尿液容量增加,反饋容腔內(nèi)液體壓力增高,使閥膜對尿道的反饋作用力增大,保持尿道閉緊;當體外電源接通后,發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場,接收線圈通過磁耦合諧振將磁能轉(zhuǎn)換為電能并傳遞給SMA彈簧,SMA彈簧受熱達到相變點溫度后產(chǎn)生回復(fù)力,當其回復(fù)力達到閥芯的自回復(fù)力時,驅(qū)動閥芯移動,尿道開啟,膀胱內(nèi)尿液從尿道連續(xù)排出;排尿后,體外電源關(guān)閉,SMA彈簧隨溫度下降使驅(qū)動力減小,閥芯在自回復(fù)力作用下復(fù)位,尿道閉合。病人只要重復(fù)上述過程,便可自行控制排尿。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 閥膜反饋作用力

▲圖2 膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)原理示意圖

圖2為膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)原理示意圖。忽略膀胱支撐膜的彈性力,根據(jù)液體靜壓力基本方程,得閥膜受的液體靜壓力為:

(1)

式中:P1為膀胱尿液重量對膀胱支撐膜產(chǎn)生的壓力;S1為膀胱支撐膜面積;ρ1為工質(zhì)密度;ρ2為尿液密度;V為膀胱尿液容量;h為反饋容腔內(nèi)工質(zhì)的高度。

因閥膜近似為平面,故閥膜對尿道反饋作用力為:

(2)

式中:S2為閥膜面積。

由式(2)可知,影響閥膜反饋作用力的主要因素包括膀胱尿液容量V、支撐膜面積S1、閥膜面積S2。

2.2 閥芯自回復(fù)力

▲圖3 閥芯變形狀態(tài)圖

閥芯由中部和兩端部構(gòu)成,中部起壓閉尿道作用,僅兩端部發(fā)生彈性變形。假設(shè)尿道位置不變,通過改變閥芯端部與閥體的固定位置,可改變初始壓閉尿道的閥芯自回復(fù)力大小。閥芯變形狀態(tài)如圖3所示。根據(jù)幾何關(guān)系,閥芯x軸向變形量為:

Δx=Htanθ

(3)

式中:Δx為閥芯x軸向變形量;θ為閥芯初始角(閥芯兩端部的初始變形前后角度);H為閥芯中部與閥體的間隙。

閥芯結(jié)構(gòu)對稱,兩端變形后產(chǎn)生的自回復(fù)力大小相等方向相同,故閥芯安裝后初始變形即壓閉尿道的最小自回復(fù)力為:

Fbmin=2Fx=2k1Δx=2k1Htanθ

(4)

式中:k1為彈性系數(shù);θ為閥芯初始角。

由式(4)可知,影響閥芯對尿道壓閉程度的主要參數(shù)有:閥芯初始角θ、閥芯與尿道接觸面積S。為使閥芯與閥膜對尿道壓閉效果均衡,應(yīng)使閥芯與尿道接觸面積與閥膜面積相等。

2.3 SMA彈簧驅(qū)動力

圖4為SMA彈簧示意圖,其主要特性參數(shù)有:彈簧絲直徑d,彈簧中徑D,螺旋升角α,有效圈數(shù)n,圈間隙為δ′,彈簧長度L。

▲圖4 SMA彈簧示意圖

由彈簧設(shè)計理論[13]可知:

(5)

當載荷F1作用于SMA彈簧使其壓縮時,壓縮位移δ與壓縮切應(yīng)變γ的關(guān)系為:

(6)

假設(shè)彈簧剪切彈性模量為G,則切應(yīng)力τ與切應(yīng)變γ的關(guān)系式為:

τ=G×γ

(7)

由式(5)-式(7)可得:

(8)

基于Brinson提出的一維本構(gòu)模型,引入等效應(yīng)力和等效應(yīng)變以及剪切彈性模量和楊氏模量的關(guān)系[15]:

(9)

式中:下標0為初始狀態(tài);ξ為馬氏體體積分數(shù);γL為最大剪切殘余應(yīng)變;T為溫度;ξS為應(yīng)力誘發(fā)得馬氏體體積分數(shù)。

由式(9)得:

(10)

由式(5)、式(6)和式(10)可得SMA彈簧力學(xué)模型:

(11)

當SMA彈簧初始狀態(tài)無外力作用,且無殘余變形時,則上式可變?yōu)?

(12)

SMA彈簧的驅(qū)動力與負載力F1相平衡,故SMA彈簧驅(qū)動力為:

(13)

3 仿真分析

為優(yōu)化設(shè)計尿道閥,本文利用ANYSY Workbench,仿真分析了預(yù)緊結(jié)構(gòu)參數(shù)、反饋機構(gòu)參數(shù)和SMA彈簧參數(shù)對尿道壓閉特性和開啟特性的影響。

3.1 壓閉結(jié)構(gòu)對尿道壓閉特性的影響

根據(jù)人體尿道結(jié)構(gòu)及參數(shù),取內(nèi)徑為5 mm、外徑為7 mm,建立尿道三維模型并進行模型網(wǎng)格劃分,如圖5所示。尿道表面有兩個對稱的映射曲面,用于模擬施加閥芯自回復(fù)力和閥膜反饋作用力。尿道選擇超彈性材料Mooney-Rivlin模型,尿道參數(shù)密度為960 kg/m3,材料常數(shù)C10為0.25 MPa、C01為0.11 MPa,不可壓縮性常數(shù)為1.4429E-07。

▲圖5 尿道的網(wǎng)格模型

一般人體膀胱壓為(0～10)kPa[16],本設(shè)計以膀胱壓為4 kPa時的Fbmin作為壓閉尿道的預(yù)緊力。當膀胱儲尿量少且膀胱壓較低(0～4)kPa時,尿道靠兩側(cè)的Fbmin和閥膜自回復(fù)力與Fa的合力壓閉。因兩側(cè)的力大小相等方向相反,故在仿真分析中取尿道映射面施加的力值為Fbmin。

取尿道內(nèi)壓力為膀胱壓4 kPa,k1=0.45 N/mm,H=10 mm,閥芯與尿道接觸面積S=60 mm2,夾角θ為15°、20°、25°,得到不同θ時的尿道位移與應(yīng)力云圖(見圖6)。

取夾角θ為23°,閥芯與尿道接觸面積S為60 mm、70 mm、80 mm2,保持其他參數(shù)不變,得到不同S時的尿道位移與應(yīng)力云圖(見圖7)。

可以看出,當S不變時,隨θ的增大,閥芯自回復(fù)力增大,壓閉尿道程度增大;當θ不變時,隨S增大,閥芯自回復(fù)力減小,壓閉尿道程度減小。當θ=25°,S=60 mm2時,尿道能被完全壓閉。因此,壓閉機構(gòu)參數(shù)選取為θ=25°,S=60 mm2。

分別取尿道壓力為膀胱壓7 kPa、10 kPa,彈性系數(shù)k1=0.45 N/mm,H=10 mm,S=60 mm2,θ=25°,得到7 kPa和10 kPa時尿道位移與應(yīng)力影響云圖,如圖8所示。可以看出,在無反饋機構(gòu)情況下,隨著膀胱壓增大,僅靠閥芯自回復(fù)力對尿道的壓閉程度減小。

3.2 反饋機構(gòu)對尿道壓閉特性的影響

當膀胱儲尿量多且膀胱壓較高(7～10)kPa時,尿道靠閥芯自回復(fù)力無法完全壓閉,需要借助膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)壓閉尿道。Fa隨著膀胱尿容量V增大而增大,當Fa>Fbmin時,閥芯逐漸變形,其自回復(fù)力增大,最后達到平衡,尿道被重新壓閉。此時膀胱支撐膜的彈性力0,作用于尿道兩側(cè)的Fb與Fa大小相等方向相反,故在仿真分析中尿道映射面施加的力值為Fa。

▲圖6 隨θ變化的尿道位移與應(yīng)力云圖

▲圖7 隨S變化的尿道位移與應(yīng)力云圖

▲圖8 膀胱壓對尿道位移與應(yīng)力影響云圖

取尿道內(nèi)壓力為膀胱壓7 kPa,h=20 cm,V=500 ml,S2=60 mm2,ρ1=ρ2=ρ水=103kg/m3,膀胱支撐膜面積S1為300 mm2、200 mm2,分別得到不同膀胱支撐膜面積對尿道位移與應(yīng)力影響云圖,如圖9所示。

可以看出,當V不變時,隨S1的增大,Fa減小,膀胱容量反饋調(diào)節(jié)壓閉尿道程度減小。因此,在Fa能壓閉尿道的情況下,盡量減小S1的值。

3.3 SMA彈簧結(jié)構(gòu)對尿道開啟特性的影響

由公式(4)可計算得,當θ=25°時,Fbmin=4.2 N。當SMA彈簧驅(qū)動力F>Fbmin,閥芯被驅(qū)動,尿道開啟,正常排尿。因此,為了使尿道閥能夠滿足驅(qū)動要求,根據(jù)文獻[17]中SMA彈簧元件的設(shè)計方法,對SMA彈簧元件進行設(shè)計計算,設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 彈簧設(shè)計參數(shù)

選取負載F=5 N,行程δ=5 mm,求得彈簧參數(shù)為:d=0.85 mm,D=5.6 mm,n=7圈。

▲圖9 膀胱支撐膜面積對尿道位移和應(yīng)力影響云圖

在ANSYS Workbench中建立閥芯模型,如圖10所示,選擇超彈性材料Mooney-Rivlin模型,定義材料參數(shù)為C10=0.25 MPa,C01=0.11 MPa,不可壓縮性常數(shù)為1.8E-07,在仿真軟件中,閥芯上下兩端面給以固定約束,取驅(qū)動力F施加在閥芯左端面,模擬SMA彈簧對閥芯的拉力。

▲圖10 閥芯的網(wǎng)格模型

當有效圈數(shù)n=7時,分別取SMA彈簧中徑D為5 mm,7 mm。圖11(a)、(b)為對應(yīng)不同SMA彈簧中徑下閥芯位移云圖?？梢钥闯?在有效圈數(shù)一定時,減小彈簧中徑,可以增大SMA彈簧驅(qū)動力,從而增大閥芯位移。

當彈簧中徑D=6 mm時,分別取SMA彈簧有效圈數(shù)n為7,8。圖11(c)、(d)為對應(yīng)不同SMA彈簧有效圈數(shù)下閥芯位移云圖。可以看出,在彈簧中徑一定時,減少彈簧有效圈數(shù),可以增大SMA彈簧驅(qū)動力,從而增大閥芯位移。

▲圖11 閥芯位移云圖

從仿真結(jié)果可知,當D=5 mm,n=7時,閥芯最大位移量為5.181 2 mm。由于尿道內(nèi)徑為5 mm,閥芯最大位移量5.181 2 mm>5 mm,故尿道完全開啟。

4 實驗研究

為了研究尿道閥的有效性,本文搭建了尿道閥模擬實驗平臺,實驗研究了尿道閥的膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)特性和尿流率特性。

尿道閥模擬實驗平臺原理圖如圖12所示。由模擬膀胱、模擬尿道、尿道閥、液袋、支架、無線傳能模塊、測溫儀、流量計和計算機組成。測溫儀實時監(jiān)控SMA彈簧溫度。量杯用于采集尿道排尿量,電子秤實時記錄量杯的重量變化并傳至計算機。為了便于實驗,閥芯、閥膜和尿道均采用彈性硅膠材料合成,閥座、模擬膀胱、支架均由樹脂材料3D打印而成。實驗平臺實物圖如圖13所示。主要儀器參數(shù)見表2。

表2 主要儀器參數(shù)表

▲圖12 尿道閥模擬實驗平臺原理圖

▲圖13 尿道閥模擬實驗平臺實物圖

圖14為膀胱容量反饋調(diào)節(jié)特性實驗曲線。實驗時,在0-t1,取膀胱壓為4 kPa,無膀胱容量反饋調(diào)節(jié)裝置;在t1時刻后,取膀胱壓調(diào)為7 kPa,分別在T1、T2、T3周期的Y1、Y2、Y3時刻和W1、W2、W3時刻加入和撤去膀胱容量反饋調(diào)節(jié)裝置?？梢钥闯?在低膀胱壓下,尿道閥能靠閥芯的最小自回復(fù)力壓閉尿道,而在高膀胱壓下,能利用膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)裝置閉緊尿道,從而可避免以最大膀胱壓設(shè)計預(yù)緊力且長時間壓閉尿道潛在的風(fēng)險。

▲圖14 膀胱容量反饋調(diào)節(jié)特性實驗曲線

圖15為尿流率特性實驗曲線。實驗時,正常人體膀胱儲存尿液的容量約為(400～800)ml[18],取模擬膀胱尿液容量為500 ml。分別在有和無膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)裝置情況下,調(diào)整模擬膀胱與尿道閥的高度,模擬7 kPa膀胱壓,并以10 ml/0.15 kPa的下降速率模擬排尿時膀胱壓的變化。

圖15(a)為無膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)時排尿量和尿流率隨時間變化曲線。當體外電路接通,SMA彈簧受熱約10 s后驅(qū)動閥芯開啟模擬尿道,使模擬膀胱內(nèi)500 ml尿液約40 s排空,平均尿流率約為14 ml/s。在初始階段,因無膀胱尿容量反饋調(diào)節(jié)裝置,尿道無法緊閉,存在漏尿情況。圖15(b)為有膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)裝置時的排尿量和尿流率隨時間變化曲線,平均尿流率約為14 ml/s。可以看出,有和無反饋調(diào)節(jié)裝置時平均尿流率基本不變,且與正常人體尿動力學(xué)參數(shù)相符,表明尿道閥有反饋調(diào)節(jié)功能后,并不影響尿道閥開啟后的尿流率特性,不致影響人體正常排尿。

▲圖15 尿流率特性實驗曲線

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有尿道閥因預(yù)緊力設(shè)計不當存在引發(fā)尿道組織壞死等問題,設(shè)計一種基于膀胱容量反饋的SMA驅(qū)動尿道閥,仿真分析了尿道閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對啟閉特性的影響,實驗研究了反饋調(diào)節(jié)特性和尿流率特性。結(jié)果表明:

(1) 利用彈性橡膠自回復(fù)力壓閉尿道,根據(jù)膀胱尿液容量反饋調(diào)節(jié)尿道的壓閉程度,尿道閥原理可行。

(2) 通過增大閥芯初始角、減小閥芯與尿道接觸面積和膀胱支撐膜面積,均可改善尿道閥的啟閉特性。

(3) 尿流率達14 mL/s,與人體尿動力學(xué)規(guī)律相符,尿流率特性滿足人體排尿要求。

(4) 建立的尿道閥數(shù)學(xué)模型和有限元模型有效可靠,仿真結(jié)果接近實驗結(jié)果,可為適用于臨床的尿道閥的設(shè)計提供指導(dǎo),也可為其它人工括約肌的設(shè)計提供借鑒和參考。

(5) 以中低值膀胱壓設(shè)計尿道預(yù)緊力,可減小尿道承受持久的最大壓緊力。進一步研究將集中于適于臨床的尿道閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,以提高其生物力學(xué)相容性及可靠性。