伤口快速闭合装置的研究

王歆淏，梁向党，余宽宽，房卓群，刘 申，郭占社

1 中国人民解放军总医院骨科，北京市，100853

2 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京市，100191

伤口快速闭合装置的研究

【作 者】王歆淏1，梁向党1，余宽宽1，房卓群1，刘 申1，郭占社2

1 中国人民解放军总医院骨科，北京市，100853

2 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京市，100191

复杂、巨大伤口的快速闭合是院前急救的关键步骤，可以有效减少院前患者的失血、失液量，对挽救患者生命有重要意义。该文研制了一种全新的伤口快速闭合装置，用于复杂、巨大伤口的快速闭合。首先，在对结构工作原理进行详细介绍的基础上，采用有限元仿真技术，对结构的受力情况进行了分析，结果表明结构受力后产生的应力没有超过材料的许用应力。在此基础上，进行离体伤口闭合实验。测试结果表明，该闭合装置操作时间为18.24 s，最小穿透皮肤的力为4.08 kg。该闭合器可抵抗1.53 kg水平拉力和2.25 kg的垂直拉力，封闭性良好，符合设计要求。结果表明该装置设计合理，可以快速、有效地实现伤口的闭合。

伤口闭合装置；伤口闭合；有限元分析；力学测试；许用应力；封闭性测试

0 引言

创伤是指机械性因素作用于人体所造成的组织结构完整性破坏或功能障碍。伤口是指开放伤中皮肤受伤破裂的部位，可因意外事故造成，也可因手术需要人为造成[1]。意外事故造成的伤口往往伴随着失血、失液，复杂、巨大的伤口因无法有效闭合而危及患者的生命安全[2]。复杂、巨大的伤口的有效闭合可以有效地减少失血量，成为外伤急救中的关键步骤。复杂、巨大的伤口用传统包扎方法很难有效闭合伤口并止血，尤其是躯干部及头顶部的伤口。随着时代的进步，国内外研制了多种伤口闭合设备。包括皮肤牵拉设备、伤口粘合用液体敷料等[3-7]。但大部分伤口闭合设备都用于临床治疗阶段，在院前急救的使用中有着很多局限性，如：闭合强度不够、操作环境恶劣、操作不够便捷，对复杂巨大伤口难以实施等。

因此，本文重点关注院前急救中伤口快速闭合的需要，设计并制作了一种快捷、有效的伤口快速闭合装置，并进行了相关的检测。以期为院前急救和相关研究提供有效的帮助。

本文介绍了一种新型针对院前急救中遇到的复杂、巨大的伤口快速闭合装置。此伤口闭合装置操作简便，闭合伤口速度快。面对伤口时可以单个使用，也可以多个联合使用。

1 伤口快速闭合装置的设计

1.1 伤口快速闭合装置的整体设计

本装置由4部分组成，包括双臂、中轴、扭簧及卡口，整体设计的主要结构，如图1所示。

双臂通过中轴相连接形成伤口快速闭合装置的主体部分，中轴绕有扭簧以提供闭合动力，卡扣与双臂的尾端形成锁扣结构，使装置的初始状态为张开状态。

工作过程中，松开卡扣，双臂以中轴为圆心做方向相反的圆周运动，直至两臂相遇，闭合装置变成闭合状态。

1.2 伤口快速闭合装置的双臂设计

伤口快速闭合设备的双臂分为尾、体、尖端三个部分。设计如图2所示。

图1 伤口快速闭合装置整体平面设计Fig.1 Whole design of the wound quick closing device

图2 伤口快速闭合装置双臂设计图Fig.2 Design of arms of the wound quick closing device

伤口快速闭合装置双臂的尾端为扭簧提供着力点。在尾端的上1/3处有卡口槽，用于固定卡扣，使闭合装置的初始状态为张开状态。双臂的尖端为三棱锥结构，可有效快速地刺透皮肤，使闭合装置可以有效地把持伤口两侧的皮缘。双臂的体部与尖端交界处有一限深台，防止闭合装置刺入皮肤过深造成过多的二次损伤。

双臂通过中轴进行连接，构成闭合装置的主体结构，尖端固定伤口两侧皮肤，通过扭簧提供动力将伤口有效闭合。

1.3 伤口快速闭合装置的样品制作

按照伤口快速闭合装置的设计，材料选择为医用不锈钢，通过数控机床进行机加工得到样品，如图3所示。

2 伤口快速闭合装置有限元分析

为了对伤口快速闭合装置的结构合理性和工作时各个部分的受力情况进行分析，本文对伤口快速闭合装置进行了有限元分析。结构有限元模型如图4所示，由于该结构为对称结构，故设计过程中取其中左边部分即可。结构单元为Solid95单元，计算过程中最关心的问题是闭合器的齿尖是否断裂（即是否超过材料的许用应力）。结构分析后结构齿尖应力分布如图5所示。模拟结果显示，伤口快速闭合装置的尖端在接受10 kg压力时尖端和体部最大受力部位数值为49.719 MPa，没有超过380 MPa的部分（没有超过材料的许用应力）。

图3 伤口快速闭合装置样品Fig.3 Prototype of wound quick closing device

图4 结构有限元模型Fig.4 FEM model of the device

3 离体伤口闭合实验

3.1 伤口闭合可行性试验

为检测伤口快速闭合装置在实际应用前的可行性，本课题设计离体实验，测试伤口快速闭合装置闭合模拟模型后伤口形态。

取家猪皮肤组织，长为15 cm，宽为5 cm，厚度为3 cm。在离体皮肤样本上分别使用外科手术刀制作切割伤模型，伤口尺寸为3.5 cm×1 cm×1 cm，备用。取伤口模型一个，使用伤口快速闭合装置闭合伤口并记录操作时间。重复上述步骤10次。

伤口闭合操作的平均时间为18.24 s。伤口闭合后的大体形态如图6所示，伤口皮缘外翻状态良好。伤口快速闭合装置伤口闭合速度满意，操作简单，闭合后伤口大体形态满意。

图6 伤口闭合后大体形态Fig.6 Gross morphology after wound closure

3.2 伤口快速闭合装置离体力学实验

为检测伤口快速闭合装置在伤口模型上的力学表现，本实验设计将对伤口快速闭装置闭合伤口时刺入皮肤的最小力，闭合伤口后伤口的抗水平拉力、垂直拉力进行检测，以确定伤口快速闭合装置闭合伤口后的可靠性。

3.2.1 尖端刺入皮肤最小力检测

将伤口模型和伤口快速闭合装置置于压力测试仪的平台上。实验者双手垂直向下用力，将伤口快速闭合装置尖端向下按压直至尖端穿透皮肤，记录伤口快速闭合装置尖端穿透皮肤瞬间的力量，记录为Y1。反复测量10次，分别记录为Y1-Y10；用医用持针器持外科用皮针，使尖端垂直于伤口模型进针，记录外科用皮针尖端刺入皮肤瞬间的力量，记录为y1。反复测量10次，分别记录为y1-y10。

3.2.2 闭合伤口后伤口抗水平拉力实验

取前期制作伤口模型一个，将伤口模型沿伤口中轴将伤口模型切断；将切割后的伤口模型一端固定于动物实验台，另一端固定于拉力测试仪。断端用伤口快速闭合装置进行闭合，使两端皮缘闭合；实验者水平拖动拉力测试仪，直至伤口断端分离，记录拉力测试仪读数。重复该操作10次，分别记录为S1-S10。

3.2.3 闭合伤口后抗垂直拉力测试

取伤口模型一个，将其两端固定于动物实验台。使用伤口快速闭合装置闭合伤口模型，将拉力测试仪的挂钩从伤口快速闭合装置的中轴穿过，提起拉力测试仪，使拉力测试仪与伤口模型垂直。实验者垂直于伤口模型向上提拉拉力测试仪，直至伤口快速闭合装置脱离伤口模型，记录脱离时的最大力数值。重复该操作10次，分别记录为C1-C10。

3.2.4 实验结果

伤口闭合装置与皮针刺入伤口皮肤最小力测试结果中实验数据平均值为：Y=4.08 kg、y=0.43 kg；因伤口快速闭合装置有8个尖端，所以皮针的结果应乘以8再与伤口快速闭合装置比较，结果如图7所示。

图7 伤口快速闭合装置与皮针实验结果对比Fig.7 Results comparison between Y group and y group

伤口快速闭合装置刺入皮肤最小力略大于医用皮针所需的力，但正常成年人可以完成伤口闭合装置的操作。

伤口快速闭合装置闭合伤口后伤口抗水平拉力实验结果中实验数据平均值为S=1.53 kg；抗垂直拉力测试结果中实验数据平均值为C=2.25 kg。两者效果较为理想，可以较为稳固地固定伤口，实现伤口的有效闭合。

3.3 伤口快速闭合装置伤口封闭性实验

为测试使用伤口快速闭合装置闭合伤口后，伤口抵抗外界污染的效果，本课题设计了检测伤口经过伤口快速闭合装置闭合后的封闭性实验。

伤口模型制备同3.1中伤口模型制作方法。共制作20个伤口模型。将20个伤口模型随机分为2组。实验组处理：F组10个伤口模型使用伤口快速闭合装置样品进行伤口闭合，伤口闭合后备用。对照组处理：f组10个伤口模型使用传统纱布覆盖伤口表面，并用医用胶布将纱布黏贴固定在伤口，确保纱布将整个伤口覆盖。分别放入伊文氏蓝浸泡皿中，浸泡30 min。浸泡完成后，将各个伤口模型研伤口的长轴切开，暴露伤口的横断面，如图8所示。使用标尺对各伤口模型染色深度进行测量并记录。

图8 F组与f组实验结果对比Fig.8 Results comparison between F group and f group

测量F组与f组的各个伤口模型染色深度，两组平均值为F=2.01 mm和f=11.73 mm，实验组F组与对照组f组的实验数据经过统计学分析有明显差异（P＞0.05），F组伤口染色深度浅。因此，伤口快速闭合装置的伤口封闭性明显优于传统纱布包扎伤口。

4 实验总结

本文首先从巨大、复杂的伤口难以用传统方法闭合的特点入手，根据复杂、巨大伤口的闭合需求，给出了伤口快速闭合装置结构设计，并针对皮肤伤口的各项特点进行了优化。设计完成后通过有限元模拟分析，观察伤口快速闭合装置的各部分结构的受力情况，检验伤口快速闭合装置的结构合理性。离体伤口闭合实验结果表明伤口闭合快速有效，皮缘外翻效果理想。平均伤口闭合时间为18.24 s。伤口快速闭合装置封闭伤口后可以对抗水平拉力1.53 kg和垂直拉力C=2.25 kg，同时通过封闭性试验证明该装置可以有效避免伤口内部的进一步污染。

本装置针对于救援环境恶劣的战场、特大自然灾害等环境，快速有效的闭合伤口，达到自救互救的效果，以挽救伤员的生命、减少医疗救护压力。良好的伤口封闭性也可以有效减少伤员伤口的失血、失液量，提高伤员的生存机会。总之，该伤口快速闭合装置为特殊救援环境下复杂、巨大伤口的院前处理提供了新的有效、快捷的方法。

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Development of Wound Quick Closing Device

【Key words 】WANG Xinhao1, LIANG Xiangdang1, YU Kuankuan1, FANG Zhuoqun1, LIU Shen1, GUO Zhanshe2
1 Department of Osteology, General Hospital of PLA, Beijing, 100853
2 School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing, 100191

wound closing device, wound closure, fi nite element analysis, mechanical test, allowable stress, closed performance test

R608

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.013

1671-7104(2017)03-0204-04

2016-11-14

王歆淏，E-mail: wangxinhao0304@163.com

梁向党，E-mail: lxd301@263.net

【 Abstract 】Complex and huge wound closure is a key step in pre hospital emergency care. Wound closure can effectively reduce the loss of blood and fl uid inpatients before arriving hospital. Also, it has important signi fi cance to save the lives of patients. In this paper, a new type of wound closure device is developed, which is used for the rapid closure of complex and huge wound. Firstly, based on the detailed introduction of the structure working principle, the fi nite element simulation technology is adopted to analyze the stress of the structure. The results show that the stress of the structure has not beyond the allowable stress of the material. On the basis of this, the experiment was carried out in vitro. Test results show that the closure device operating time is 18.24 s and the minimum penetration of the skin force is 4.08 kg. The closure device can resist the horizontal tension of 1.53 kg and vertical tension of 2.25 kg. It also has good sealing performance and meets the design requirements. The results show that the device designed is reasonable, which can be quickly and effectively to achieve closure of the wound.