应用MSC.Dytran模拟水射流切割猪肝脏组织的仿真研究

郭 新 张西正 安军防 黄咏梅

1(军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161)

2(解放军第150医院，洛阳 471000)

引言

医用水刀是一种利用高压水射流技术进行手术的医疗器械。这种设备在高压下将水通过一个内径很小的喷嘴喷射出去，形成细的高压水束，达到切割组织的目的。如今，医用水刀已成为一种在实质性器官手术中重要的手术工具。在人体内部，心脏流出的血液60%经过肝脏，因此肝脏切除手术中需要注意失血量，医用水刀的选择性切割特点可以有效地减少血管破裂，降低失血量，所以被广泛应用于肝脏外科。此外，医用水刀也应用于神经外科、泌尿外科、颌面外科和眼科等领域。

医用水刀是纯水射流水刀，它依靠水射流的高速冲击力破坏人体组织，使人体组织结构间隙发生膨胀，较软地实质性组织在较低的压力下即可被切断，而在相等的水射流压力下，血管、分泌管、淋巴管及神经等韧性较强的组织可以完整地保留下来。尽管医用水刀技术已经应用于临床，但是学者对于水射流切割人体组织的机理尚未展开研究。目前，学者们只是对于水射流切割煤矿、岩石或其他材料的机理展开了研究，并进行切割机理方面的探讨［1－6］。Wilkins曾经做过纯水切割软质材料的工作［7］。国内学者常宗旭等对煤岩体水射流破碎机理进行了研究［8］，林缅等曾经用 MSC.Dytran做过水射流切割岩石辅助机理的模拟研究［9－10］。本研究从瞬态动力学的角度对水射流切割软组织的机理进行了探索性的初步研究。

1 MSC.Dytran简介

MSC.Dytran是由MSC公司开发的用于模拟瞬态高度非线性结构、气体/液体流动、流体-结构相互作用的专业分析软件［11］。采用高效的显式积分技术，支持广泛的材料模型和高度组合非线性分析及流体-结构的全耦合，尤其擅长对高速碰撞、结构大变形和瞬时内发生的流体结构相互作用事件的模拟仿真研究。

在MSC.Dytran中，拉格朗日网格和欧拉网格可以用在同一个分析模型中，并且可以通过一个界面相互耦合，该界面是欧拉网格中的材料的流场边界，同时欧拉网格中的材料对界面产生作用力，使拉格朗日发生变形。Dytran中的耦合方式有两种:一般耦合(general coupling)和任意欧拉-拉格朗日耦合(ALE)。ALE中欧拉网格可以移动，当结构变形时，耦合界面的位置和形状也发生变化，界面上的欧拉网格结点发生相应的移动，带动欧拉网格的其余部分也作相应的运动。因此，在ALE耦合计算中，一方面材料在欧拉网格中移动，另一方面欧拉网格结点本身也在运动，使欧拉网格的位置和形状在不断调整。本研究采用的是任意欧拉-拉格朗日耦合方法。

2 实验数据与方法

根据水射流的特点，把水射流简化为圆柱体结构，撞击猪肝脏靶板材料。整个模型如图1所示，圆柱体为水射流，虚线与肝脏组成的空间为整个欧拉空间，欧拉空间与曲线所表示材料肝脏的接触面为欧拉-拉格朗日耦合面。

图1 水射流冲击肝脏模型示意图Fig.1 The sketch map of water-jet attacking pig liver model

水射流的材料特性用DMAT来确定，使用欧拉单元，并采用理想流体材料模式，密度为1 000 kg/m3，体积模量为2.2×109N/m2。猪肝脏组织采用ElasDMATEP定义，使用拉格朗日单元，弹塑性材料模式，通过设置不同的厚度来表示肝脏的不同区域。采用冯·米塞斯屈服模型，其中具体力学性能参数由拉伸机试验确定。

使用DMATEP定义材料性能需要确定猪肝脏的弹性模量、最大应变、密度、泊松比、屈服应力等参数。根据有关资料，人体肌肉泊松比为0.40［12］。而且，自然界中大部分物体材料的泊松比不超过0.5，因此，在本研究中，猪肝脏材料的泊松比取为0.42。为了得到猪肝脏的其它相关力学参数，对猪肝脏进行了拉伸试验，如图2所示。

材料:市售新鲜猪肝脏，冲洗干净后，切成长10 mm、宽5 mm、高20 mm的长方体。

实验仪器:英斯特朗Instron拉伸机。Instron拉伸机是一种万能材料试验机，广泛用于金属材料、高分子材料、塑料材料、橡胶材料、电子材料、聚合物材料、环氧树脂材料、陶瓷材料、、生物材料、医学材料的的力学性能拉伸试验。

方法:将切好的长方体猪肝脏放在拉伸机上拉伸，直到块状猪肝脏受拉伸应力的作用断裂，得到其力学性能参数。

选择3块切好的猪肝脏材料进行拉伸试验。试验得到的猪肝脏力学拉伸特性曲线图如图3所示，最大应变均大约在26%，此时处于最大的拉伸应力。

图2 猪肝脏的力学性能拉伸试验Fig.2 The tensile test of pig liver mechanics characteristics

图3 猪肝脏力学拉伸特性曲线Fig.3 The stress-strain curveof pig liver mechanics characteristics

表1 猪肝脏力学特性Tab.1 The analysis table of pig liver mechanics characteristics

猪肝脏力学特性分析如表1所示。最后确定的猪肝脏实质力学性能参数如表2所示。对于水射流切割人体组织器官的行为来说，当水射流进行切割时，只是根据病变区域按照某一确定的位置线去切割。所以在这个狭小的位置空间上，可以把猪肝脏近似地看作是各向同性弹塑性材料。

表2 猪肝脏实质力学性能参数表Tab.2 The mechanics parameters of pig liver

图4 猪肝脏材料受力变形图。(a)第9帧;(b)第19帧;(c)第27帧;(d)第100帧;(e)第23帧;(f)第89帧;(h)第118帧Fig.4 The mechanical deformation picture of pig liver.(a)the 9th frame;(b)the 19th frame;(c)the 27th frame;(d)the 100th frame;(e)the 23th frame;(f)the 89th frame;(h)the 118th frame

3 结果

限于篇幅，文中只给出压力P=4 MPa，速度为V=90 m/s时典型的仿真结果。此时水射流可以穿透0.01 m的猪肝脏，而无法穿透0.02 m的厚度。于是，经过多次仿真，发现可以刚好穿透厚度为0.016 m的猪肝脏材料。仿真结果如下:

整个冲击过程总共耗时0.02 s，水射流刚好穿透猪肝脏。第9帧时(见图4(a))，在冲击区域出现两个裂缝。随后，冲击过程的残余应力渐渐“腐蚀”猪肝脏，在两个裂缝周围产生没有规律的裂纹，如图所示。但是在整个冲击过程的最后阶段，这些没有规律的裂纹融合贯通，成为一个大的矩形裂缝。由此可见，此时的水射流刚好能穿透猪肝脏。从侧视图中，可以看出在矩形裂纹形成之前的过程中，猪肝脏的变形是不断变大的，到第89帧(见图4(f))达到最大，鼓起一个非常明显的凸起。然而，在矩形裂纹形成后，猪肝脏的表面变形又开始回缩。这是因为水射流已经穿透，在这种情况下，以后的水射流冲击会穿过猪肝脏被破坏的区域，所以在猪肝脏的表面所引起的变形没有未穿透时大，最终变形如图4中(h)所示。对于本研究的医用水刀清创设备来说，在应用时与工业水刀有明显的不同。一般的工业水刀只考虑水射流对材料切割的穿透冲击力，只要水射流能够穿透材料，无需考虑水射流对于其他材料的损伤。但是在水刀清创设备的医学应用中，必须考虑水刀清创设备所喷射出的水射流对其他组织或器官造成的潜在可能性，因此需要精确控制水射流的压力，以便水射流冲击所想要切除的材料，而对在该组织附近的器官，尤其是在该器官的下面的组织不希望造成任何损伤。从本研究结果看，当水射流压力 P=4 MPa，速度 V=90 m/s时，可以刚好穿透厚度为0.016 m的猪肝脏材料。由此，可以得出结论:对于一个给定的组织，总有一个合适的水射流压力对其进行准确的切割，而且不会对附近的其他组织或器官造成损伤。

4 结论

医用水刀利用高能量水射流的动能进行分离组织，不产生热能，不会像高频电刀、超声刀、激光等手术器械对组织切缘甚至深层组织造成热损伤，这种特有的组织选择性和无热损伤性能减少了手术创伤，体现了微创外科的发展方向，具有广阔的应用前景。随着计算机技术、机电控制技术及无线内窥镜技术地不断融合和应用，水刀在医学领域将发挥更为重要的作用。对水射流切割组织机理的深入研究，必然会对实践应用带来有效的指导意义。

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