动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置设计

曲安，关天民，杨轩，轩亮，刘继洋

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.江汉大学 智能制造学院，湖北 武汉 430001)

世界卫生组织研究相关资料表明，人类动脉血管瘤疾病发病率还有继续上升的势态[1].目前治疗动脉血管瘤方法主要是动脉血管介入治疗[2]，动脉血管介入手术是将柔软的贵金属弹簧圈通过微导管从体外植入动脉血管瘤内，金属弹簧圈通过解脱装置与推丝进行连接，在手术过程中通过电解脱、水解脱以及机械解脱三种解脱方法进行弹簧圈的分离.从而使动脉血管瘤内血液凝固而达到阻止血液溢出或抑制动脉血管瘤破裂以进行手术的目的[3].

与水解脱、电解脱弹簧圈栓塞技术相比，机械解脱方式其优点在于推丝与栓塞弹簧圈本体的主接点解脱时，能够准确控制弹簧圈栓塞本体的位置，操作简单，机械解脱弹簧圈耗时比较短[4].临床效果显示，机械解脱的弹簧圈需要满足以下几个要求：质地柔软易缠绕，不因血流冲击破坏弹簧圈原有的形状，能够在不损坏动脉血管壁的前提下达到完全填充动脉血管瘤的目的[5].图1所示为机械解脱弹簧圈栓塞工作原理图.

图1 机械解脱弹簧圈栓塞治疗

1 解脱装置的功能设计要求

本文设计的目的在于提供一种既有良好的柔顺性，又能保持良好的抗拉性的动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置，以下称为解脱装置，保证把弹簧圈栓塞本体安全、准确地推送到动脉血管瘤里，在动脉血管瘤瘤腔里实现弹簧圈栓塞本体与推丝快速、安全、有效地解脱.

解脱装置的整体功能如下：

(1)能够实现推丝与栓塞簧圈本体稳定连接和快速解脱；

(2)在运动中不会对弯曲管道的壁面造成损害，具有一定的安全性；

(3)解脱装置至少要有两个自由度，分别是沿着动脉血管方向运动和在血管内转动的自由度，以满足在血管中运动的需求，解脱装置坐标系如图2所示，一个是沿着X轴方向的自由度，另一个是可以绕着X轴旋转的自由度.

图2 栓塞弹簧圈工作示意图

2 解脱装置的结构设计

2.1 弹簧圈栓塞整体结构设计

解脱装置的整体结构可分为推丝和弹簧圈栓塞本体两大部分.图3所示为本文所提出的动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置整体设计方案.图4所示为动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置整体机构示意图.

图3 动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置的方案设计

图4 动脉血管瘤弹簧圈栓塞机械解脱装置系统的结构

2.2 弹簧圈栓塞本体的设计

本文所设计的弹簧圈栓塞本体是在传统的弹簧圈基础上进行优化，传统的应用于治疗基底动脉血管瘤的弹簧圈是由铂钨合金丝制成的，以钨为代表的形状记忆金属的形状记忆功能是机械解脱弹簧圈的最重要的物理特性[6].图5所示为在传统弹簧圈基础上改良后的弹簧圈栓塞本体，弹簧圈栓塞本体主要是在传统弹簧圈上焊接一个上连接环，并且在上连接环的下端焊接第一环状体，在不影响传统弹簧圈原有功能和柔顺性的基础上实现其与推丝稳定的连接和解脱，改良后弹簧圈栓塞本体的头部为圆盾形，目的是为了防止弹簧圈栓塞本体进入基底动脉血管瘤时对血管瘤壁造成破坏.

图5 弹簧圈栓塞本体结构

2.3 推丝的设计

推丝是解脱装置的主要组成部分，图6为推丝的整体结构示意图.推丝由底座、空心管、弹簧圈、短管、解脱丝、下连接环、第二环状体组成，目的是为了增强推丝的整体柔顺性，保证推丝顺利地适应弯曲动脉血管，把弹簧圈栓塞本体快速、安全地推送到动脉血管瘤里.

图6 推丝结构示意图

推丝的上半部分主要是由短管、下连接环、第二环状体组成，下连接环由两根直径为0.04 mm的不锈钢丝并列组成，在短管的下端设有标记铂丝显影环，主要用于定位弹簧圈栓塞本体的位置.

推丝的下半部分主要是由底座和空心管组成，空心管和底座主要是由不锈钢制成，空心管和底座通过卡槽连接.其底座上焊接有解脱丝，可以使解脱丝与底座运动同步，通过旋转底座，实现底座与空心管解脱、推丝与弹簧圈栓塞本体解脱.解脱丝的一端设计有一锁钩，实现推丝与弹簧圈栓塞本体连接与解脱.推丝的中间部分为弹簧圈，弹簧圈通过焊接方式与推丝的上半部分和下半部分连接.为了安全起见，使用连接管对弹簧圈与推丝上、下部分进行固定.

2.4 解脱装置解脱结构的设计

图7所示为推丝与弹簧圈栓塞本体连接和解脱的详细结构图.具体过程如下：把弹簧圈栓塞本体连接到推丝上时，将弹簧圈栓塞本体上的第二环状体穿插过第一环状体并与解脱丝通过锁钩连接，实现解脱丝与弹簧圈栓塞本体稳定连接，从而保证在动脉血管里推送弹簧圈栓塞本体的过程中保证弹簧圈栓塞本体不会与推丝脱离.当弹簧圈栓塞本体被推送到指定动脉血管瘤里解脱时，旋转底座使底座与空心管分离，旋转到第二环状体与解脱丝脱离，当第二环状体与解脱丝完全脱离时，再缓慢地抽出解脱丝，继续移动推丝使第二环状体抽离出第一环状体，最后抽出推丝，实现推丝与弹簧圈栓塞本体完全分离，从而达到栓塞动脉血管瘤的治疗效果.

图7 解脱结构

2.5 动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置尺寸

本文设计的解脱装置整体外形尺寸和弹簧圈栓塞本体的外形尺寸是相同的，而弹簧圈栓塞本体外形尺寸的选择要依据所治疗的动脉血管瘤直径尺寸.由于人体内不同动脉血管瘤直径有差异，所以设计的解脱装置尺寸需要随着动脉血管瘤尺寸的变化而改变[8].图8和9所示为弹簧圈栓塞本体以及推丝的详细尺寸设计依据.

图8 弹簧圈栓塞本体尺寸

图9 推丝的尺寸

弹簧圈栓塞本体长度L1等于上连接环的长度L2与第一环状体的直径外径D2之和，即：

L1=L2+D2

(1)

推丝长度L3大于短管的长度L4、弹簧圈的长度L5、空心管的长度L6及底座的长度L7之和，即：

L3=L4+L5+L6+L7+0.5

(2)

解脱丝的长度L10等于推丝的长度与第二环状体的直径D8之和，即：

L10=L3+D8

(3)

短管是刚性体，为了保证短管顺利通过弯曲的动脉血管而不损伤动脉血管壁，并保证短管能顺利地通过所有的弯曲动脉血管，设动脉血管的直径为D，此时应取短管的长度L4为：

(4)

下连接环的长度L8为：

(5)

推丝上的弹簧圈长度应大于介入治疗手术中所要经过的载瘤动脉血管的长度，由于空心管和底座在手术中裸露在动脉血管的外面，不受动脉血管的影响，为操作方便把空心管的长度设计为3 mm，把底座的长度设计为2 mm.弹簧圈栓塞本体的外径D1大小取决于所要治疗的动脉血管瘤直径的大小.第一环状体的外径为D2、缠绕弹簧圈所用金属丝的外径为d、弹簧圈栓塞本体的外径为D1，这三者之间关系为：

D1=D2+2d

(6)

弹簧圈栓塞本体的外径D1与短管的外径D3、弹簧圈的外径D4、空心管的外径D5、底座的外径D7相等，即：

D1=D3=D4=D5=D7

(7)

设空心管、短管、底座的厚度都为H，他们的厚度为：

H=d

(8)

连接管的直径D9等于空心管的内径，即：

D9=D5-2d

(9)

第二环状体的外径D8等于第一环状体的外径D2，即：

D8=D2

(10)

解脱丝的直径D6大小为：

D6=2.5d

(11)

基底动脉血管相关尺寸如表1所示，基底动脉血管瘤壁厚为0.15 mm[9].图10为常见动脉血管图.本文设计的解脱装置尺寸是依据基底动脉血管瘤直径以及基底动脉血管直径尺寸.整体外径尺寸为0.4 mm，目前市场的栓塞弹簧圈丝直径一般在0.04～0.06 mm，本文设计的弹簧圈、弹簧圈栓塞本体、第一环状体以及第二环状体所用的弹簧圈丝直径d为0.04 mm.解脱装置中的推丝长度取决于所要经过的基底动脉血管的长度[10].装置各部件详细参数如表2所示.

表1 基底动脉血管相关尺寸表 mm

图10 常见动脉血管图

表2 径向尺寸表

3 解脱装置的安全性验证

解脱装置的安全性分析包括弹簧圈栓塞本体抗拉性分析和解脱装置与动脉血管瘤壁碰撞模型的动力学分析、弹簧圈栓塞本体解脱过程运动学仿真分析.

3.1 栓塞弹簧圈机械解脱装置材料的选取

本文在设计动脉血管瘤弹簧圈栓塞机械解脱装置时，要在保证零件工艺性能和使用性能的基础上采用相对易加工的材料，简化机构，降低成本，因此解脱装置每个零件的材料是有所区别的，各个零件的所使用的具体材料如表3所示.

表3 材料表

3.2 栓塞弹簧圈机械解脱装置有限元分析

解脱装置的设计和加工过程繁琐，成本昂贵，在解脱装置设计过程中不宜全部采用实物进行性能测试，同时解脱装置尺寸非常微小，难以用常规的检测手段对解脱装置的性能进行测试，解脱装置推送过程中的应变和应力难以用接触式测量法检测，而这些参数是考察解脱装置的重要指标；在推送弹簧圈栓塞本体的过程中，由于受到血液的阻力以及推丝施加的推力和拉力，可能会导致弹簧圈栓塞本体变形和脱落，需要弹簧圈栓塞本体具有一定的抗拉性[14],所以采取有限元分析法进行验证安全性[15].

3.3 弹簧圈栓塞的等效有限元模型

本文设计的弹簧圈栓塞本体所受拉力是作用在上连接环和第一环状体上的，而传统弹簧圈解脱装置所受拉力是作用在弹簧圈本身上的，所以要确定弹簧圈栓塞本体的抗拉性，只要分析上连接环和第一环状体受力时的变形情况.图11(a)为弹簧圈栓塞的有限元模型.弹簧圈栓塞本体的材料属性如表2所示，然后需要对其进行网格划分，图11(b)为所示为载荷定义图.载荷定义为：把上连接环的顶端固定，拉力定义在第一环状体上.

(a)整体有限元模型图 (b) 等效模型施加载荷图11 有限元模型

要确定本文设计的弹簧圈栓塞本体抗拉性是否合格，需要与传统的弹簧圈抗拉性进行比较.

图12(a)所示为传统弹簧圈的抗拉性能分析结果，图12(b)所示为本文所设计弹簧圈栓塞本体抗拉性能分析结果.由图12可以看出，传统弹簧圈的变形伸长量从底端开始依次增大，最大拉伸变形发生在顶端，拉伸为0.769 mm；而上连接环的变形伸长量也是从底端依次增大，最大拉伸变形发生在第一环状体上，拉伸变形为0.006 mm.通过分析图对比可以看出，本文所设计的弹簧圈栓塞本体的抗拉性能远远好于传统弹簧圈的抗拉性能，具有非常好的稳定性能，完全可以代替传统的弹簧圈用来栓塞治疗动脉血管瘤.

(a)弹簧圈抗拉性 (b)等效弹簧圈栓塞本体抗拉性图12 抗拉性分析

3.4 栓塞弹簧圈机械解脱装置的整体柔顺性分析

解脱装置在动脉血管里推送的过程中会随着动脉血管的形状变形而进行整体弯曲变形，这就要求解脱装置整体具有良好柔顺性.图13所示为解脱装置进入弯曲动脉血管时不同时刻的弯曲状态.

(a)解脱装置变形情况1 (b)解脱装置 变形情况2

(c)解脱装置变形情况3 (d)传统弹簧圈变形情况图13 解脱装置柔顺性分析

其中，图13(a)、13(b)、13(c)所示为解脱装置进入弯曲动脉血管时的弯曲变形情况，图13(d)所示为传统的弹簧圈进入到呈“S”型弯曲动脉血管时变形情况.

为了确认解脱装置整体的柔顺性，本文把受到同样力而呈“S”型弯曲变形的传统弹簧圈与呈“S”弯曲变形的解脱装置进行比较.从图13(b)、13(d)可以看出，当解脱装置推丝部分和传统弹簧圈受到同样力的时候，推丝最大变形为0.27 mm，而传统的弹簧圈最大变形为0.3 mm，两者变形仅仅相差0.03 mm，因此两者的变形基本相同，说明推丝部分的柔顺性已经达到了适应动脉血管的要求.从整体来看，由于受到相同的力，解脱装置的整体最大变形为0.59 mm，传统弹簧圈最大变形为0.62 mm，两者弯曲变形相差仅仅也为0.03 mm，因此两者的变形也基本相同，说明解脱装置整体柔顺性符合设计要求.

3.5 碰撞动力学模型分析

当弹簧圈栓塞本体被推送到动脉血管瘤口时，与血管瘤相接触过程中，很可能会使解脱装置碰到动脉血管瘤壁，进而使其动脉血管瘤壁破裂，因此需要对解脱装置在动脉血管瘤手术过程中的受力状况进行碰撞动力模型分析.通常，接触力-变形关系如下：

(12)

式中,FC是接触力的弹性部分，FV是粘弹性阻尼部分，FP是由塑性变形导致的耗散部分.

(1)定义材料性能与确定碰撞参数

动脉血管壁的密度为1 150 kg/m3，弹性模量为5E+105Pa，泊松比为0.45，解脱装置中Pt/W(92/8)合金的密度为21 398.2 kg/m3，弹性模量为168 GPa，泊松比为0.39；不锈钢的密度为7 750 kg/m3，弹性模量为193 GPa，泊松比为0.31；动脉血管和解脱装置采用四面体网格划分法，解脱装置和动脉血管瘤壁之间采用摩擦接触，摩擦系数为 0.02，解脱装置接点为接触面，动脉血管壁内表面为目标面，本文建立如下坐标系，X轴代表轴向方向，Y轴代表径方，Z轴代表周向.允许整个有限元模型在径向、轴向、周向方向自由位移，即UX≠ 0、UY≠ 0、UZ≠ 0.如图14为有限元模型的边界条件示意图.

图14 有限元模型边界条件示意图

(2)碰撞模型动力学分析结果

图15所示为动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置与动脉血管瘤壁碰撞过程的动力学分析图.以动脉血管瘤壁受力是否超过其极限值为标准来评价解脱装置的安全性.为了便于观察，将图中解脱装置隐藏.图15(a)～图15(d)为解脱装置从碰撞到碰撞变形最大的过程变形云图；在此过程中，变形值范围为0.5～1 mm.图15(d)所示为解脱装置与动脉血管瘤壁碰撞时间达到1 s时的状态，此时的动脉血管瘤壁的变形值达到3 mm.根据世界卫生组织发布的实验报告，当基底动脉血管瘤壁变形值超过4.245 mm的时候，基底动脉血管瘤壁将会破裂，而动脉血管瘤壁最大的变形值为3 mm，所以动脉血管瘤壁在遭到碰撞1s时还处于不破裂状态.

图15 碰撞模型的总变形云图

从解脱装置的柔顺性分析可知，当弹簧圈栓塞本体受到力F=0.1 N时，弹簧圈栓塞本体就会发生严重变形.通过以上计算分析可知，当解脱装置在与动脉血管瘤壁发生碰撞进行到0.5 s时，因弹簧圈栓塞本体受到来自动脉血管壁的阻力F=0.1 N的作用，弹簧圈栓塞本体会自动发生弯曲变形，此时的弹簧圈栓塞本体会顺着动脉血管壁进入到动脉血管瘤里，并且按照之前设定的形状进行弯曲，从动脉血管里抽出推丝，最后弹簧圈栓塞本体完全停留在动脉血管瘤里面.在弹簧圈栓塞本体进入动脉血管瘤以及在动脉血管瘤弯曲的整个过程中不会对动脉血管瘤壁造成损坏，因此本文设计的解脱装置在栓塞动脉血管瘤的过程中并不会对动脉血管以及动脉血管瘤壁造成损坏，具有很好的安全性能.

4 结论

本文基于现有的动脉血管瘤弹簧圈解脱装置设计了一种形状记忆合金的动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置，详细地讲述了解脱装置的结构设计与尺寸设计原则，阐述了其治疗过程，并对其各个部分所选用的材料进行了说明.本文有针对性地对解脱装置的功能、结构进行再设计，并利用Ansys仿真软件对解脱装置在工作过程中进行安全仿真与柔顺性分析.对弹簧圈栓塞本体抗拉性进行有限元分析，确定新装置工作中产生的形变拉伸变形为0.006 mm,远优于传统弹簧圈的拉伸形变0.769 mm.对解脱装置的整体柔顺性进行分析，当解脱装置推丝部分和传统弹簧圈受到同样力的时候，推丝最大变形为0.27 mm，而传统的弹簧圈最大变形为0.3 mm，两者变形仅仅相差0.03 mm，两者的变形基本相同，说明推丝部分的柔顺性已经达到了适应动脉血管的要求.完成上述分析后，基于ABAQUS软件对解脱装置与动脉血管瘤壁碰撞模型进行动力学分析，模拟在手术过程中动脉血管瘤最大变形量为3 mm，在动脉血管瘤破裂极限值4.245 mm内，从而确定了动脉血管瘤栓塞弹簧圈机械解脱装置的整体安全性能，表明设计的动脉血管瘤弹簧圈解脱装置在推丝解脱结构简单的前提下有足够的安全性，能够快速准确解脱，降低了手术解脱时所要耗费的时间，增加手术效率.