肝门阻断夹持器齿型对夹持性能的影响

黄成，崔海坡，谭蔚锋，芦映希，姜赫宣

1.上海理工大学上海介入医疗器械工程技术研究中心（上海，200093）

2.上海交通大学医学院附属仁济医院（上海，200120）

0 引言

受一些饮食或生活习惯的影响，我国脂肪肝患者的人数逐年上升。2021年全球脂肪肝公共卫生共识声明指出，全球20%～25%的成年人患有脂肪肝。长时间患有脂肪肝有可能导致肝脏纤维化甚至肝硬化，重者会转变成肝癌，同时病毒性肝炎也可引起肝硬化［1,2］。重者除了药物治疗外，更多的是通过肝胆外科切除手术进行治疗。

由于肝脏是双重供血器官，因此在进行肝脏手术时，肝门阻断对于减少术中出血具有非常重要的作用。肝门阻断既包括入肝血流阻断，也包括出肝血流阻断；可以全肝血流阻断，也可以半肝血流阻断。阻断的类型需要根据切除病变的部位，以及所采用的手术方式来决定［3-8］。一般情况下，对于肝脏储备功能良好且没有基础肝病的患者，在进行肝脏切除手术时，肝门阻断的时间最长可以达到30 min左右。如果一次阻断并不能够完成手术，还可以采用分次阻断的方式，但是阻断的时间间隔应大于5 min。对于有基础肝病，特别是患有肝硬化的患者，即使肝脏储备功能良好，进行肝脏阻断时也应当尽量缩短时间，以不超过20 min为宜，否则有可能出现术后肝功能衰竭，特别是对于入肝血流阻断和全肝血流阻断的患者。根据相关文献［9-11］及临床调研表明，国内外在进行肝胆外科切除手术时，通常使用不同型号的导尿管捆绑肝门血管来阻断肝门血流，并使用常见的金属血管夹或一次性塑料血管夹夹持导尿管，以完成血流阻断。但金属血管夹其设计用途是夹闭小血管的，将其用于夹持导尿管时，常常会因夹持力不够而发生脱落。而一次性塑料血管夹在闭合后不容易打开，通过超声刀等手术器械将其熔断后，其碎片容易脱落在病人腹腔内；肝切除手术时，常需反复阻断肝门数次，若病情复杂手术时间长，甚至要反复阻断10次以上，为了避免一次性塑料血管夹碎片遗漏在腹腔内，常在缝合前再检查寻找塑料血管夹碎片，这会增加手术难度，并使手术时间延长。

基于上述分析，本研究设计了一种新型肝门血流阻断夹持器械，通过3D建模软件SolidWorks和有限元仿真分析软件Ansys，建立夹持器的有限元模型，并分析在不同齿型结构、不同齿型尺寸参数条件下，导尿管和夹持器的位移量与等效应力数据，完成肝门阻断夹持器的优化设计，为加工制备肝门阻断辅助器械奠定基础，更好地辅助完成肝胆外科切除手术。

1 材料与方法

1.1 几何模型

肝门阻断夹持器由上下2个完全对称的部件组成，2个部件通过尾部槽孔连接，全长为30 mm，夹持面的长度为14 mm，宽度为5 mm，总高度为5 mm，片厚为2 mm。导尿管根据实际产品1:1建模，其外周长8 mm，外半径1.35 mm，厚0.20 mm，长度为10 mm。

为比较肝门阻断夹持器夹持面齿型对夹持性能的影响，选择了3组齿型，分别为横齿、对称齿和凹凸齿,如图1所示。每组齿型均需确定齿型间距（d）、齿型高度（h）以及齿型长度（上齿长l1、下齿长l2）等参数。根据已有文献［12］及实际应用场景，确定齿型间距d=0.40 mm，齿高h=0.75 mm。为比较不同齿型长度对夹持器夹持性能的影响，选择了4组齿型长度，具体尺寸参数见表1。

图1 齿型示意图Fig.1 Schematic diagram of sawtooth

表1 各齿型尺寸参数Tab.1 Size parameters of sawtooth

1.2 材料参数

目前，临床在用导尿管的制作材料主要为硅橡胶，其力学性质主要取决于硅橡胶中硅和橡胶的含量。根据不同生产厂家与产品型号的差异，其密度不同，一般在1.10～1.20 g/cm3之间，本研究所用导尿管的材料参数为：密度ρ=1.20 g/cm3，弹性模量E=10 MPa，泊松比υ=0.48［13-14］。由于临床手术时对肝门血管阻断器械的材质没有特殊要求，且考虑到成本及材料的加工特性，夹持器制作材料选择304医用不锈钢，其密度ρ=7 850 kg·m-3，弹性模量E=2×1011Pa，泊松比υ=0.30，抗拉强度和抗压强度均为2.5×108Pa。

1.3 载荷与边界条件

1.3.1 载荷条件

对夹持器尾部槽孔施加预紧，对导尿管末端施加拉伸载荷。根据手术实际以及患者个体差异，导尿管末端施加的载荷为2 N，同时开启大变形。夹持器在夹持两段导尿管的过程中若引起滑动，则两段导尿管之间的夹角会增大，初始夹角设定为60°。

1.3.2 边界条件

在夹持面与导尿管接触过程中，鉴于夹持面与导尿管发生的相对滑动，对夹持面和导尿管接触段设定为摩擦接触，摩擦系数为0.73。对导尿管下端口进行全固定约束。夹持面与齿型接触的区域设定为无摩擦，与夹持面相连的斜臂接触面设定为无摩擦，夹持器尾部设定为绑定约束。

2 结果分析

2.1 横齿不同齿长对夹持性能的影响

齿型为横齿且下齿长为0.40 mm时，肝门阻断夹持器夹持阻断带（即导尿管）的位移云图，如图2所示。由图2中可知，肝门阻断夹持器的尖端单向位移量D为0.83 mm，尖端总位移量为1.66 mm。而阻断带被夹持段位于夹持器夹持面中间部分，且夹持状况良好，满足阻断手术的夹持要求。

图2 夹持器夹持阻断带位移云图Fig.2 Displacement distribution of gripper and occlusion band

阻断带被夹持段仿真分析结果如图3所示。图3（a）为夹持面齿型为横齿时，阻断带被夹持段的应力云图。由图中3可知，肝门阻断夹持器所夹持的阻断带最大应力区域位于夹持部位近尾端，最大应力值为0.65 MPa。图3（b）为阻断带被夹持段的应变云图，其应变最大值为0.18 MPa。

图3 阻断带被夹持段仿真分析结果Fig.3 Simulation analysis results of clamped section of occlusion band

肝门阻断夹持器齿型为横齿时，阻断带的等效应力随横齿下齿长的变化曲线如图4所示。从图中可知，阻断带等效应力随下齿长度的增加而增大。由文献［15］可知，在传统血管夹夹持血管时，血管应变的最大值随齿型倾斜角的增加而增大，当齿型为横齿时，即倾斜角为0 °时，血管的应变值最小，与此同时，所夹持的血管等效应力也随齿型倾斜角的增加而增大，在倾斜角为0 °时，即为横齿时等效应力最小。在传统血管夹设计时，要考虑降低夹持过程中血管受到的最大等效应力，以减少手术中对血管壁造成的损伤，而我们设计的夹持器所夹持的对象是阻断带，即由硅橡胶制成的导尿管，设计过程中主要需考虑的因素是在确保夹持力稳定的前提下，尽可能减少阻断带的位移量，增大夹持面对阻断带的等效应力。因此，对于横齿齿型，我们设计的4种下齿长度，以0.5 mm为最佳设计，此时阻断带的等效应力值为0.69 MPa，与硅橡胶的拉伸强度（4.0～12.5 MPa）［16］相比，材料没有被破坏，即阻断带仍可正常工作。

图4 阻断段等效应力随横齿下齿长的变化曲线Fig.4 Equivalent stress of occlusion bandversus length of transverse tooth

2.2 对称齿不同齿长对夹持性能的影响

对称齿是竖齿的一种，经有限元分析表明，对于表1中4组不同的齿型长度，肝门阻断夹持器均能较好地夹持住阻断带。为直观地分析不同齿型长度对肝门阻断夹持器夹持阻断带效果的影响规律，同时考虑到所选用的齿型为l2= 2l1的等腰梯形齿，绘制了经肝门阻断夹持器夹持的阻断带最大等效应力随下齿长l2的变化曲线，如图5所示。从图5中可知，在下齿长小于0.30 mm时，肝门阻断夹持器对阻断带的最大等效应力随下齿长的增加而增大；当下齿长超过0.30 mm，等效应力随下齿长的增大而减小。这是由于齿型长度越大，阻断带被夹持段与夹持器夹持端下表面的接触面积越小，在相同夹持力的条件下，等效应力就越大；但当齿型长度达到一定数值后，阻断带被夹持段与夹持器上齿端接触面积增大，从而导致了应力的减小。此外，图中可以看出，当下齿长为0.20 mm时，阻断带的最大等效应力为0.55 Mpa；当下齿长为0.30 mm时，阻断带的最大等效应力为0.77 MPa，提高了42.0%，由此可见夹持器的齿型长度对阻断带被夹持时的力学性能有重要的影响。综上，针对所选的对称齿的4组齿型长度，当下齿长为0.30 mm时，阻断带的最大等效应力值最高，其变形量也最大，表明阻断带被夹持得更紧，因而从夹持器中滑脱的概率最低，故为最优设计。

图5 阻断带等效应力随对称齿下齿长的变化曲线Fig.5 Equivalent stress of occlusion band versus length of symmetric tooth

2.3 凹凸齿不同齿长对夹持性能的影响

阻断带最大等效应力随凹凸齿下齿长的变化如图6所示，从图中6可知，当下齿长为0.20 mm时，凹凸齿所夹持的阻断带的等效应力为0.97 MPa；当下齿长为0.30 mm时，阻断带的等效应力为1.41 MPa，相比于0.20 mm的下齿长，等效应力增加了44.9%；当下齿长为0.50 mm时，等效应力为1.80 MPa，较0.20 mm时增加了85.6%，不过该应力值仍低于硅橡胶的拉伸强度。由此可见，齿型长度对凹凸齿所夹持的阻断带的力学性能有一定的影响。阻断带被肝门阻断夹持器夹持后，其最大等效应力随凹凸齿下齿长度的增加而增大，且初始增长幅度较高，后期逐渐放缓。其原因在于，随着齿型长度的增加，阻断带被夹持段与齿型下表面的接触面积将减小，在载荷不变的情况下应力增大，但齿型长度的增加又使得齿型上表面与夹持段的接触面积增大，压强减小，因此等效应力虽增大，但增长速率放缓。对比图5和图6可以发现，当齿型为凹凸齿时，肝门阻断夹持器夹持阻断带时，其最大等效应力整体高于对称齿，这是由于凹凸齿为上下表面契合结构，齿间空隙较小，因而会对被夹持的阻断带产生较大的剪切作用。

图6 阻断带等效应力随凹凸齿下齿长的变化曲线Fig.6 Equivalent stress of occlusion band versus length of concave-convex tooth

3 结论

我们设计了一款新型肝门阻断夹持器，并基于有限元分析技术，研究了横齿、对称齿、凹凸齿等3种不同夹持器的齿型结构，以及0.20 mm、0.30 mm、0.40 mm、0.50 mm等4种不同齿型尺寸参数对夹持肝门阻断带力学性能的影响规律。通过对比不同条件下肝门阻断夹持器夹持阻断带后的等效应力可以发现：①对于横齿齿型的4种下齿长度，阻断带受到的最大等效应力随下齿长度的增加而增大，但增加的比率逐渐减小。当选取下齿长为0.50 mm时，阻断带的最大等效应力值最高为0.69 MPa。②对于对称齿，当下齿长度小于0.30 mm时，阻断带的最大等效应力随下齿长度的增加而增大，当下齿长度超过0.30 mm时，阻断带的最大等效应力随下齿长度的增加而减小，即当下齿长度为0.30 mm时，阻断带的最大等效应力值最高为0.77 MPa。③对于凹凸齿，阻断带被夹持后的最大等效应力随下齿长度的增加而增大。选取下齿长度为0.50 mm时，阻断带的最大等效应力值最高为1.80 MPa。综合对比分析结果，在其他参数相同的条件下，当夹持器齿型为横齿时，被夹持器夹持后阻断带的最大等效应力值最低，对称齿其次，凹凸齿齿型所夹持的阻断带的最大等效应力值最高，但仍低于其破坏强度。我们的研究目标是在阻断带不被破坏的前提下，尽可能提高其表面应力，从而提高其被夹持力，以防止阻断带从夹持器中滑脱。基于这一目标，3种齿型中下齿长为0.50 mm的凹凸齿为肝门阻断夹持器的最优齿型设计。本研究为新型肝门阻断夹持器械的开发提供了参考。