肝門阻斷夾持器齒型對夾持性能的影響

黃成，崔海坡，譚蔚鋒，蘆映希，姜赫宣

1.上海理工大學上海介入醫療器械工程技術研究中心（上海，200093）

2.上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院（上海，200120）

0 引言

受一些飲食或生活習慣的影響，我國脂肪肝患者的人數逐年上升。2021年全球脂肪肝公共衛生共識聲明指出，全球20%～25%的成年人患有脂肪肝。長時間患有脂肪肝有可能導致肝臟纖維化甚至肝硬化，重者會轉變成肝癌，同時病毒性肝炎也可引起肝硬化［1,2］。重者除了藥物治療外，更多的是通過肝膽外科切除手術進行治療。

由于肝臟是雙重供血器官，因此在進行肝臟手術時，肝門阻斷對于減少術中出血具有非常重要的作用。肝門阻斷既包括入肝血流阻斷，也包括出肝血流阻斷；可以全肝血流阻斷，也可以半肝血流阻斷。阻斷的類型需要根據切除病變的部位，以及所采用的手術方式來決定［3-8］。一般情況下，對于肝臟儲備功能良好且沒有基礎肝病的患者，在進行肝臟切除手術時，肝門阻斷的時間最長可以達到30 min左右。如果一次阻斷并不能夠完成手術，還可以采用分次阻斷的方式，但是阻斷的時間間隔應大于5 min。對于有基礎肝病，特別是患有肝硬化的患者，即使肝臟儲備功能良好，進行肝臟阻斷時也應當盡量縮短時間，以不超過20 min為宜，否則有可能出現術后肝功能衰竭，特別是對于入肝血流阻斷和全肝血流阻斷的患者。根據相關文獻［9-11］及臨床調研表明，國內外在進行肝膽外科切除手術時，通常使用不同型號的導尿管捆綁肝門血管來阻斷肝門血流，并使用常見的金屬血管夾或一次性塑料血管夾夾持導尿管，以完成血流阻斷。但金屬血管夾其設計用途是夾閉小血管的，將其用于夾持導尿管時，常常會因夾持力不夠而發生脫落。而一次性塑料血管夾在閉合后不容易打開，通過超聲刀等手術器械將其熔斷后，其碎片容易脫落在病人腹腔內；肝切除手術時，常需反復阻斷肝門數次，若病情復雜手術時間長，甚至要反復阻斷10次以上，為了避免一次性塑料血管夾碎片遺漏在腹腔內，常在縫合前再檢查尋找塑料血管夾碎片，這會增加手術難度，并使手術時間延長。

基于上述分析，本研究設計了一種新型肝門血流阻斷夾持器械，通過3D建模軟件SolidWorks和有限元仿真分析軟件Ansys，建立夾持器的有限元模型，并分析在不同齒型結構、不同齒型尺寸參數條件下，導尿管和夾持器的位移量與等效應力數據，完成肝門阻斷夾持器的優化設計，為加工制備肝門阻斷輔助器械奠定基礎，更好地輔助完成肝膽外科切除手術。

1 材料與方法

1.1 幾何模型

肝門阻斷夾持器由上下2個完全對稱的部件組成，2個部件通過尾部槽孔連接，全長為30 mm，夾持面的長度為14 mm，寬度為5 mm，總高度為5 mm，片厚為2 mm。導尿管根據實際產品1:1建模，其外周長8 mm，外半徑1.35 mm，厚0.20 mm，長度為10 mm。

為比較肝門阻斷夾持器夾持面齒型對夾持性能的影響，選擇了3組齒型，分別為橫齒、對稱齒和凹凸齒,如圖1所示。每組齒型均需確定齒型間距（d）、齒型高度（h）以及齒型長度（上齒長l1、下齒長l2）等參數。根據已有文獻［12］及實際應用場景，確定齒型間距d=0.40 mm，齒高h=0.75 mm。為比較不同齒型長度對夾持器夾持性能的影響，選擇了4組齒型長度，具體尺寸參數見表1。

圖1 齒型示意圖Fig.1 Schematic diagram of sawtooth

表1 各齒型尺寸參數Tab.1 Size parameters of sawtooth

1.2 材料參數

目前，臨床在用導尿管的制作材料主要為硅橡膠，其力學性質主要取決于硅橡膠中硅和橡膠的含量。根據不同生產廠家與產品型號的差異，其密度不同，一般在1.10～1.20 g/cm3之間，本研究所用導尿管的材料參數為：密度ρ=1.20 g/cm3，彈性模量E=10 MPa，泊松比υ=0.48［13-14］。由于臨床手術時對肝門血管阻斷器械的材質沒有特殊要求，且考慮到成本及材料的加工特性，夾持器制作材料選擇304醫用不銹鋼，其密度ρ=7 850 kg·m-3，彈性模量E=2×1011Pa，泊松比υ=0.30，抗拉強度和抗壓強度均為2.5×108Pa。

1.3 載荷與邊界條件

1.3.1 載荷條件

對夾持器尾部槽孔施加預緊，對導尿管末端施加拉伸載荷。根據手術實際以及患者個體差異，導尿管末端施加的載荷為2 N，同時開啟大變形。夾持器在夾持兩段導尿管的過程中若引起滑動，則兩段導尿管之間的夾角會增大，初始夾角設定為60°。

1.3.2 邊界條件

在夾持面與導尿管接觸過程中，鑒于夾持面與導尿管發生的相對滑動，對夾持面和導尿管接觸段設定為摩擦接觸，摩擦系數為0.73。對導尿管下端口進行全固定約束。夾持面與齒型接觸的區域設定為無摩擦，與夾持面相連的斜臂接觸面設定為無摩擦，夾持器尾部設定為綁定約束。

2 結果分析

2.1 橫齒不同齒長對夾持性能的影響

齒型為橫齒且下齒長為0.40 mm時，肝門阻斷夾持器夾持阻斷帶（即導尿管）的位移云圖，如圖2所示。由圖2中可知，肝門阻斷夾持器的尖端單向位移量D為0.83 mm，尖端總位移量為1.66 mm。而阻斷帶被夾持段位于夾持器夾持面中間部分，且夾持狀況良好，滿足阻斷手術的夾持要求。

圖2 夾持器夾持阻斷帶位移云圖Fig.2 Displacement distribution of gripper and occlusion band

阻斷帶被夾持段仿真分析結果如圖3所示。圖3（a）為夾持面齒型為橫齒時，阻斷帶被夾持段的應力云圖。由圖中3可知，肝門阻斷夾持器所夾持的阻斷帶最大應力區域位于夾持部位近尾端，最大應力值為0.65 MPa。圖3（b）為阻斷帶被夾持段的應變云圖，其應變最大值為0.18 MPa。

圖3 阻斷帶被夾持段仿真分析結果Fig.3 Simulation analysis results of clamped section of occlusion band

肝門阻斷夾持器齒型為橫齒時，阻斷帶的等效應力隨橫齒下齒長的變化曲線如圖4所示。從圖中可知，阻斷帶等效應力隨下齒長度的增加而增大。由文獻［15］可知，在傳統血管夾夾持血管時，血管應變的最大值隨齒型傾斜角的增加而增大，當齒型為橫齒時，即傾斜角為0 °時，血管的應變值最小，與此同時，所夾持的血管等效應力也隨齒型傾斜角的增加而增大，在傾斜角為0 °時，即為橫齒時等效應力最小。在傳統血管夾設計時，要考慮降低夾持過程中血管受到的最大等效應力，以減少手術中對血管壁造成的損傷，而我們設計的夾持器所夾持的對象是阻斷帶，即由硅橡膠制成的導尿管，設計過程中主要需考慮的因素是在確保夾持力穩定的前提下，盡可能減少阻斷帶的位移量，增大夾持面對阻斷帶的等效應力。因此，對于橫齒齒型，我們設計的4種下齒長度，以0.5 mm為最佳設計，此時阻斷帶的等效應力值為0.69 MPa，與硅橡膠的拉伸強度（4.0～12.5 MPa）［16］相比，材料沒有被破壞，即阻斷帶仍可正常工作。

圖4 阻斷段等效應力隨橫齒下齒長的變化曲線Fig.4 Equivalent stress of occlusion bandversus length of transverse tooth

2.2 對稱齒不同齒長對夾持性能的影響

對稱齒是豎齒的一種，經有限元分析表明，對于表1中4組不同的齒型長度，肝門阻斷夾持器均能較好地夾持住阻斷帶。為直觀地分析不同齒型長度對肝門阻斷夾持器夾持阻斷帶效果的影響規律，同時考慮到所選用的齒型為l2= 2l1的等腰梯形齒，繪制了經肝門阻斷夾持器夾持的阻斷帶最大等效應力隨下齒長l2的變化曲線，如圖5所示。從圖5中可知，在下齒長小于0.30 mm時，肝門阻斷夾持器對阻斷帶的最大等效應力隨下齒長的增加而增大；當下齒長超過0.30 mm，等效應力隨下齒長的增大而減小。這是由于齒型長度越大，阻斷帶被夾持段與夾持器夾持端下表面的接觸面積越小，在相同夾持力的條件下，等效應力就越大；但當齒型長度達到一定數值后，阻斷帶被夾持段與夾持器上齒端接觸面積增大，從而導致了應力的減小。此外，圖中可以看出，當下齒長為0.20 mm時，阻斷帶的最大等效應力為0.55 Mpa；當下齒長為0.30 mm時，阻斷帶的最大等效應力為0.77 MPa，提高了42.0%，由此可見夾持器的齒型長度對阻斷帶被夾持時的力學性能有重要的影響。綜上，針對所選的對稱齒的4組齒型長度，當下齒長為0.30 mm時，阻斷帶的最大等效應力值最高，其變形量也最大，表明阻斷帶被夾持得更緊，因而從夾持器中滑脫的概率最低，故為最優設計。

圖5 阻斷帶等效應力隨對稱齒下齒長的變化曲線Fig.5 Equivalent stress of occlusion band versus length of symmetric tooth

2.3 凹凸齒不同齒長對夾持性能的影響

阻斷帶最大等效應力隨凹凸齒下齒長的變化如圖6所示，從圖中6可知，當下齒長為0.20 mm時，凹凸齒所夾持的阻斷帶的等效應力為0.97 MPa；當下齒長為0.30 mm時，阻斷帶的等效應力為1.41 MPa，相比于0.20 mm的下齒長，等效應力增加了44.9%；當下齒長為0.50 mm時，等效應力為1.80 MPa，較0.20 mm時增加了85.6%，不過該應力值仍低于硅橡膠的拉伸強度。由此可見，齒型長度對凹凸齒所夾持的阻斷帶的力學性能有一定的影響。阻斷帶被肝門阻斷夾持器夾持后，其最大等效應力隨凹凸齒下齒長度的增加而增大，且初始增長幅度較高，后期逐漸放緩。其原因在于，隨著齒型長度的增加，阻斷帶被夾持段與齒型下表面的接觸面積將減小，在載荷不變的情況下應力增大，但齒型長度的增加又使得齒型上表面與夾持段的接觸面積增大，壓強減小，因此等效應力雖增大，但增長速率放緩。對比圖5和圖6可以發現，當齒型為凹凸齒時，肝門阻斷夾持器夾持阻斷帶時，其最大等效應力整體高于對稱齒，這是由于凹凸齒為上下表面契合結構，齒間空隙較小，因而會對被夾持的阻斷帶產生較大的剪切作用。

圖6 阻斷帶等效應力隨凹凸齒下齒長的變化曲線Fig.6 Equivalent stress of occlusion band versus length of concave-convex tooth

3 結論

我們設計了一款新型肝門阻斷夾持器，并基于有限元分析技術，研究了橫齒、對稱齒、凹凸齒等3種不同夾持器的齒型結構，以及0.20 mm、0.30 mm、0.40 mm、0.50 mm等4種不同齒型尺寸參數對夾持肝門阻斷帶力學性能的影響規律。通過對比不同條件下肝門阻斷夾持器夾持阻斷帶后的等效應力可以發現：①對于橫齒齒型的4種下齒長度，阻斷帶受到的最大等效應力隨下齒長度的增加而增大，但增加的比率逐漸減小。當選取下齒長為0.50 mm時，阻斷帶的最大等效應力值最高為0.69 MPa。②對于對稱齒，當下齒長度小于0.30 mm時，阻斷帶的最大等效應力隨下齒長度的增加而增大，當下齒長度超過0.30 mm時，阻斷帶的最大等效應力隨下齒長度的增加而減小，即當下齒長度為0.30 mm時，阻斷帶的最大等效應力值最高為0.77 MPa。③對于凹凸齒，阻斷帶被夾持后的最大等效應力隨下齒長度的增加而增大。選取下齒長度為0.50 mm時，阻斷帶的最大等效應力值最高為1.80 MPa。綜合對比分析結果，在其他參數相同的條件下，當夾持器齒型為橫齒時，被夾持器夾持后阻斷帶的最大等效應力值最低，對稱齒其次，凹凸齒齒型所夾持的阻斷帶的最大等效應力值最高，但仍低于其破壞強度。我們的研究目標是在阻斷帶不被破壞的前提下，盡可能提高其表面應力，從而提高其被夾持力，以防止阻斷帶從夾持器中滑脫?；谶@一目標，3種齒型中下齒長為0.50 mm的凹凸齒為肝門阻斷夾持器的最優齒型設計。本研究為新型肝門阻斷夾持器械的開發提供了參考。