一种用于经自然腔道内镜手术的新型标本取物袋设计.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 基金项目：上海理工大学医工交叉项目（）资助作者单位：上海理工大学健康科学与工程学院（上海）上海市杨浦区市东医院（上海）通信作者：佀国宁。：一种用于经自然腔道内镜手术的新型标本取物袋设计佀国宁 储青 胡伟杲摘 要 目的 提出一种新型的标本取物袋结构设计方案，以期能够用于经自然腔道内镜手术（，）。方法 首先，设计一种含有伸缩骨架装置、驱动结构装置、固定装置的标本取物袋结构；然后，采用 中的 函数将伸缩骨架装置的非线性化问题进行优化分析；最后，通过 对伸缩骨架装置进行运动学分析，得到伸缩骨架装置和驱动装置的角速度、角加速度曲线。结果 优化设计得出驱动装置最佳运动距离区间为 ，并通过模拟实验验证了机构驱动效果。结论 用于 结直肠手术的新型标本取物袋结构设计方案合理，符合临床需求，具有良好的应用前景。关键词 经自然腔道内镜手术；标本取物袋；优化设计；运动学分析：中图分类号 文献标志码 文章编号（）本文著录格式 佀国宁，储青，胡伟杲 一种用于经自然腔道内镜手术的新型标本取物袋设计北京生物医学工程，（）：，（）：，；，：（：）【】，；，；，【】；引言现有的经自然腔道内镜手术（，）中结直肠肿瘤标本等废弃物的摘取需要由临时自制标本袋取出，自制标本袋末端进入肛肠部分无法自主开合，需要多人协同操作，增加了手术的时长。因此研究设计一种结构简单，便于外科医生使用且可靠性好的取物袋装置成为微创手术研究的重点之一。经自然腔道结直肠手术中，需要借助手术器械将切除的标本组织取出体外，大多数外科医生选择使用取物袋来实现病变组织与人体分离。国内外学者针对用于微创手术的标本提取袋进行了大量的研 究。第 一 类 是 自 制 标 本 取 物 袋，年 设计了第一个标本提取袋，在猪身上进行腹腔镜肾切除手术，采用一个套袋通过 的切口，取出了完整动物肾脏。等设计了一种 标本袋，主要由常用的无菌聚乙烯袋、输尿导管和尼龙线组成，通过尼龙线的拉伸来实现标本袋的闭合，取标本时利用夹紧器打开袋口。等设计了一种微型的标本提取袋，由 根不锈钢组成，外面套有透明塑料袋。等采用手术手套制作了标本提取袋，首先将手套的手指切断，打成双结，手套口部用尼龙线穿过。自制标本取物袋主要存在以下几个方面的问题：第一，在手术过程中自制，影响手术安全性，选取塑料袋时易破碎，导致污染危险。第二，当取物袋进入肠道末端无法自主开合，需要其他术者辅助才能将取物袋摆正和打开，花费时间较长且有松脱的可能。第二类是已产品化的取物器，取物器用于主动捕获标本，主要有圈套器和各种抓钳。此类取物器在 手术中提取标本时存在操作难度大、时间长、捕获标本困难等问题，限制其应用 的因素有：取物器在提取标本过程中标本常会扭曲成团，增加提取难度；侧向一端开口的取物袋并不能确保袋口完全打开，使得抓钳手术器械辅助捕获标本时操作困难，手术时间变长。针对经自然腔道结直肠手术的特点，本文提出一种新型取物袋装置结构设计方案，对自然腔道结直肠手术中切除标本组织提取工具的设计进行研究，以期能够安全高效地提取结直肠手术切除的标本组织，给医生和患者带来便利，减少标本提取过程中的操作困难。标本取物袋装置结构设计标本取物袋主要由伸缩骨架装置、驱动结构装置、固定装置三大模块组成。伸缩骨架装置采用长杆和短杆铰接构成，驱动装置由固定杆和移动杆构成，固定装置采用滑动块驱动方式。整体结构如图 所示。图 标本取物袋结构 伸缩骨架装置伸缩骨架装置类似偏置曲柄滑块机构设计，可有效扩大开口范围，提高袋的体积容量，主要包括长杆和短杆。长杆与短杆之间的铰接，在很大程度上可减少小零件的个数，提高手术的安全性。长杆与驱动装置中的固定杆，以及短杆与驱动装置中的移动杆进行抓钩连接。图 为伸缩骨架装置，铰接部的连接便于杆件之间的自由活动。驱动装置驱动装置包括固定杆和移动杆，移动杆可以在固定杆内往复运动，整个机构为空心主轴设计，便于外科医生用手术钳夹住整个标本，如图 所示。固定装置在固定杆底端设计把手，将移动杆与固定杆之间进行限位固定，如图 所示。第 期 佀国宁，等：一种用于经自然腔道内镜手术的新型标本取物袋设计图 驱动装置 工作原理外科医生将结肠或直肠肿块切除之后，把设计的标本取物袋系统从真空无菌袋中取出，通过自然腔道进入患者体内；然后借助腹腔镜进行定位，推动移动杆，打开伸缩骨架，撑开标本袋，移动杆推动到极限位置；最后通过中空的移动杆管道，利用手术钳将肿块夹取到伸缩骨架内的标本袋中，拉动拉绳，将伸缩骨架进行收缩从而封住标本袋的袋口，再由自然腔道取出标本取物袋系统。装置参数设定依据临床操作的要求设计取物袋。在封闭状态下，取物袋的整体横截面周长为 。袋子长度为 ，袋口打开后直径 均可。外管长度大于 ，大约是肛管和直肠的总和。尺寸优化在已有的设计范围内，进行尺寸优化设计，使其图 固定装置 一方面满足取物袋机构在临床上的应用，另一方面满足各种性能需求，例如传动角、稳健性等。传动角直接表示机构的传动性能，最小传动角越大，机构的传动性能越好，且最小传动角的值需大于。基于取物袋现有尺寸的大小，对取物袋模型进行优化。以一个长杆与短杆之间的约束关系建立坐标系，如图 所示，设长杆的长度为，短杆的长度为，长杆最低点到短杆铰接长杆处的距离为，长杆最低点到原点的距离为偏距，短杆最低点到原点的距离为。在取物袋机构中，为传动角，随着撑开机构，逐渐增大，即最小传动角处于闭合状态。确定设计变量确定长杆以及短杆之间的约束关系是用软件 进行优化。取物袋机构伸缩骨架的设计变北京生物医学工程 第 卷图 取物袋装置模型图 量确定为，短杆 以及短杆最低点到原点的距离。本取物袋系统设计变量可用、和 来表示：建立目标函数此处首先讨论取物袋机构的传动性能，分析最小传动角的取值问题。取 为目标函数，图 中 是移动杆的移动距离，这两种状态分别为关闭状态和完全打开的最佳状态。可以得到机构优化的关系式为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）优化设计 选择优化函数由式（）式（）可知，此取物袋装置含有等式约束和不等式约束的优化问题，对于这类问题的求解一般采用 中的 函数，其解决的优化数学模型为：（）（）（）结果将 ，代入式（）可得 。为了使机构具有最优传动性能，通常，优化结果满足要求。操作者在使用恒力进行活动杆的传动，所涉及的行程速比系数是一个定值，在不同的行程速比系数下，所得结果如图 所示。（）的取值范围在 之间，将其转换为传动角均满足最小传动角大于 的结果。可以看出，短杆的长度在 之间，长杆下端与短杆之间铰链点的长度 在 之间，短杆最低点到原点的距离 在 之间。优化设计得出驱动装置最佳运动距离区间为 。图 不同行程速比下的杆件长度 结构设计验证 运动学分析为了验证新型取物袋装置的运动性能是否能满足临床使用效果，对伸缩骨架的各个部件进行运动学分析。由复数矢量法得到取物袋装置模型简图（图）的角速度矩阵式（）和角加速度矩阵式（）。为长杆在水平方向上投影的夹角，为短杆在水平方向上投影的夹角。长、短杆随移动杆变第 期 佀国宁，等：一种用于经自然腔道内镜手术的新型标本取物袋设计化的函数曲线见图。（）式中：为长杆的角速度；为短杆的角速度；为移动杆的速度。（）式中：为长杆的角加速度；为活动杆的加速度。图 长杆和短杆的角速度（）和角加速度（）（）（）根据计算结果可知：（）随着对移动杆的驱动，长杆末端逐渐打开，长杆的最大角速度为 ；（）由图 可得，使用此新型取物袋装置时运动速度平缓，运动曲线平滑，其运动性能满足临床需求。有限元仿真分析选用 工程数据源中的材料聚乙烯，对其进行静力学仿真，分别得到总变形云图和等效应力云图（图）。其中聚乙烯材料下的位移最大变形量为 ，等效应力最大值为 。该材料的应力值小于自身的屈服强度 。图 聚乙烯取物袋装置静力学仿真云图 样机验证为了验证新型标本取物袋器械设计方法的可行性，采用聚乙烯树脂 打印制作并组装取物袋装置样机，测试样机的功能。图 显示了取物袋模拟样机装置的最大开口，在打开状态下，其最大横径为，可满足 手术的基本要求。图 分别为取物袋装置的打开和闭合两种状态。此取物袋样机最大的优点是能够独立完成标本的提取，无需辅助者，且能够完全包裹标本组织，提高外科医生的手术效率。取物袋装置模拟样机可满足功能上的需求，设计方法可行。北京生物医学工程 第 卷图 取物袋模拟样机装置最大开口 图 模拟样机闭合（）和打开（）状态 结论基于经自然腔道结直肠手术标本组织难以提取的现状，提出一种新型标本取物袋装置设计方案。通过提出的理论模型和器械设计方案，打印和装配样机装置并进行实验验证。结果表明该取物袋装置设计合理，符合临床需求，具有良好的临用应用前景。参考文献 ，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，（）：（收稿，修回）第 期 佀国宁，等：一种用于经自然腔道内镜手术的新型标本取物袋设计