黃 成，崔海坡，譚蔚鋒，蘆映希，姜赫宣

由于肝臟是人體中的雙重供血器官，因此在進行肝臟手術(shù)時，肝門阻斷對于減少術(shù)中出血具有非常重要的作用。 一般情況下，對于肝臟儲備功能良好且沒有基礎(chǔ)肝病的患者，在進行肝臟手術(shù)切除時，肝門阻斷的時間最長可以達到30 min 左右。 對于有基礎(chǔ)肝病，特別是肝硬化的患者，即使肝臟儲備功能良好，進行肝臟阻斷的時候也應(yīng)當(dāng)盡量縮短阻斷時間[1，2]。目前，臨床上在進行肝膽外科切除手術(shù)時，通常使用不同型號的阻斷帶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阻斷帶，以完成血流阻斷。但金屬血管夾其預(yù)期設(shè)計用途是夾閉小血管的，將其用于夾持阻斷帶時，常常會因夾持力不夠而發(fā)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(shù)器械將其熔斷后，其碎片容易脫落在患者腹腔內(nèi)。 且在開展肝臟切除手術(shù)時，常需反復(fù)阻斷肝門數(shù)次，若病情復(fù)雜則要反復(fù)阻斷肝門10 次以上， 因此醫(yī)生為了手術(shù)進程不會立刻取出掉落在腹腔內(nèi)的一次性塑料血管夾碎片，常在縫合軟組織前再尋找相關(guān)碎片并取出，從而導(dǎo)致手術(shù)時間過長，給手術(shù)帶來了極大的不便。為解決以上問題，術(shù)中需使用專門設(shè)計的用醫(yī)用不銹鋼材料制作的肝門阻斷夾持器來夾持阻斷帶。

隨著微創(chuàng)技術(shù)的普及，越來越多的肝臟手術(shù)都是通過微創(chuàng)技術(shù)來完成的。 在肝門阻斷手術(shù)過程中，由于創(chuàng)口較小，醫(yī)生需要用腹腔鏡手術(shù)鉗來夾持肝門阻斷夾持器。 傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)鉗在操作過程中受到的力，主要為手術(shù)鉗作用于軟組織或血管上的力，以及周圍組織對其施加的拉力[3，4]。其中手術(shù)鉗作用于軟組織上的力由夾持力和摩擦力這兩部分所組成，而摩擦力的大小又與夾持力和摩擦系數(shù)相關(guān)[5]。研究表明[6~9]，傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)鉗在夾持組織時所受到的拉力在1~5 N，夾持力則根據(jù)不同的手術(shù)情況有所不同，多數(shù)情況下不高于7 N。 手術(shù)鉗性能的優(yōu)劣需要考慮到夾持力與被夾持物之間的力學(xué)關(guān)系，更應(yīng)該考慮到器械與使用者的人機關(guān)系。由于傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)鉗的夾持對象是軟組織或血管，夾持力過高會導(dǎo)致軟組織或血管損傷，因此其所設(shè)計的夾持力均較低。 而用于夾持阻斷帶的特制肝門阻斷夾持器，其制造材料為醫(yī)用不銹鋼，需要較高的夾持力才能完成夾持器的張開及閉合控制，因此傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)鉗無法實現(xiàn)特制肝門阻斷夾持器的夾持效果。

基于上述分析， 筆者利用三維建模軟件Solidworks 完成一種作為新型肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗的設(shè)計，基于力矩平衡方程及靜力平衡方程對鉗口的受力狀態(tài)進行分析， 并基于有限元分析軟件Ansys 對手術(shù)鉗關(guān)鍵部件的受力狀態(tài)開展研究，從而為腹腔鏡專用手術(shù)鉗樣品的制備奠定理論基礎(chǔ)，以期解決目前臨床應(yīng)用中的實際問題。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實體模型：PENG-DU 腹腔鏡手術(shù)鉗（規(guī)格330mm×5 mm，材質(zhì)為醫(yī)用不銹鋼。 濟南鵬度技術(shù)開發(fā)有限公司，中國）。

軟件環(huán)境：Windows 10；Solidworks 2020 建模軟件；Ansys 19.2 Workbench 有限元分析軟件。

硬件環(huán)境：聯(lián)想Y9000K：英特爾六核十二線程處理器Inter?CoreTMi7-9750H CPU@2.6 Ghz-4.5 Ghz，32 G 內(nèi)存DDR4，Windows 10×64 位操作系統(tǒng)。

1.2 方法

1.2.1 手術(shù)鉗設(shè)計

1.2.1.1 幾何模型 根據(jù)傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)鉗的結(jié)構(gòu)，并參考已有文獻[10~12]，設(shè)計的肝門阻斷夾持器的腹腔鏡手術(shù)鉗的整體結(jié)構(gòu)由9 個部分組成（圖1），分別為主長管（套筒）、驅(qū)動桿、左右手柄、專用剪刀軸、上下鉗口、消毒口軸和外接頭。 套筒全長335.0 mm，外徑3.0 mm，內(nèi)徑2.6 mm；驅(qū)動桿全長380.0 mm，分為前桿、后桿、桿頭、桿尾四個部分，桿頭用于連接鉗頭，桿尾用于連接手柄；上鉗口為運動端，全長16.0 mm，其中帶有齒型的部分長度為10.0 mm，齒頂寬為0.2 mm，齒根寬為0.9 mm，齒高為0.7 mm。上鉗口設(shè)有兩個軸孔，一個軸孔連接下鉗口，一個軸孔連接驅(qū)動桿桿頭。由于鉗口夾持的物體為夾持器的尾端表面，考慮有效嚙合即可，故采用無齒型間距；下鉗口全長21.5 mm，單軸孔連接于上鉗口，所用齒型及尺寸參數(shù)皆與上鉗口相同。

圖1 肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Diagrams of whole model of laparoscopic forceps for hepatic portal occlusion gripper

1.2.1.2 網(wǎng)格劃分 在開展有限元分析時，網(wǎng)格劃分的越密，計算的精度越高；但相應(yīng)的計算耗時越長，因此需調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度，在確保計算精度的前提下，盡可能地減少運算時間。肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗的網(wǎng)格劃分模型采用掃掠式劃分模式，整個模型共包含23 088 個單元，98 198 個節(jié)點（圖2）。 由于套筒并不是主要受力部件，其受力失效的概率較低，因此基于有限元分析對其進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格可以較為稀疏，采用六面體網(wǎng)格單元對其進行網(wǎng)格劃分；而腹腔鏡專用手術(shù)鉗的驅(qū)動桿、手柄和上下鉗口是主要的受力構(gòu)件， 因此在對這幾個部件進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格較密，采用四面體網(wǎng)格單元對其進行網(wǎng)格劃分。

圖2 肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗網(wǎng)格劃分Fig.2 Diagram of mesh subdivision of laparoscopic forceps for hepatic portal occlusion gripper

1.2.1.3 材料參數(shù) 肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗屬于可重復(fù)使用的醫(yī)療器械產(chǎn)品，在手術(shù)使用前需要經(jīng)過高溫蒸汽或者化學(xué)消毒滅菌處理，因此其制作材料需具有較好的耐高溫和耐腐蝕性。考慮到材料的價格及適用性，肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗整體結(jié)構(gòu)選用醫(yī)用不銹鋼材料。由于該手術(shù)鉗的鉗口所需夾持的物品也是不銹鋼材料制作的，因此若鉗口強度和斷裂韌性不足，則醫(yī)生在操作過程中容易將鉗口損壞。 基于上述原因，所述的肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗鉗口部位的制作材料采用Custom465不銹鋼， 其強度和斷裂韌性在所有醫(yī)用不銹鋼中最佳，且該類不銹鋼的耐腐蝕性也較好，接近304 醫(yī)用不銹鋼。 Custom465 不銹鋼制造的器械經(jīng)高溫滅菌，在蒸汽環(huán)境下可抗氧化，并且可抗清洗液、消毒液及人體組織液的侵蝕，滿足外科器械不銹鋼的主要規(guī)范ASTM F899 要求。該手術(shù)鉗的套筒相對于其他組成部件，暴露在人體組織液中的機會更多，且消毒液與該手術(shù)鉗鉗體接觸時套筒的接觸面積是最大的。 此外，該手術(shù)鉗的驅(qū)動桿在消毒液注入消毒口軸時也會浸泡于消毒液中。 基于上述分析，該手術(shù)鉗的套筒和驅(qū)動桿選用耐腐蝕性能較好的316L 不銹鋼。 手術(shù)鉗的其他部位相較于上述三個部位而言沒有特殊要求，因此采用泛用性更廣的304 不銹鋼。上述各類材料性能參數(shù)如表1 所示[13~17]。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Property parameters of 3 materials

1.2.1.4 邊界條件 肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗工作時，對手術(shù)鉗的手柄施加壓力，手柄在運動過程中帶動驅(qū)動桿向后移動，手術(shù)鉗鉗口在驅(qū)動桿的帶動下完成閉合，松開手柄后鉗口打開。根據(jù)以上工作過程， 對手術(shù)鉗進行有限元分析時的邊界條件設(shè)置如下： ①對手柄和轉(zhuǎn)動軸之間進行轉(zhuǎn)動副連接設(shè)置，接觸面之間設(shè)定為無摩擦；②手柄和驅(qū)動桿尾端之間進行固定約束，接觸面之間設(shè)定為無摩擦；③套筒和消毒口軸之間的接觸設(shè)定為無摩擦；④驅(qū)動桿前端和鉗口轉(zhuǎn)動軸之間進行轉(zhuǎn)動副連接設(shè)置，接觸面之間設(shè)定為無摩擦； ⑤上下鉗口與轉(zhuǎn)動軸之間進行轉(zhuǎn)動副連接設(shè)置，接觸面設(shè)定為無摩擦，其余接觸均設(shè)定為固定約束。

1.2.2 受力分析

1.2.2.1 鉗口受力分析 將手術(shù)鉗的鉗口簡化后進行受力分析（圖3）。圖中F1為驅(qū)動桿的拉力，F(xiàn)2、F3為夾持力，F(xiàn)4、F5為摩擦力，F(xiàn)6為被夾持物對夾持器的拉力。 在肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗夾持時，對手柄施加握持力到一定值后，手柄開始轉(zhuǎn)動，帶動驅(qū)動桿移動，鉗口開始閉合。 鉗口與被夾持物之間為摩擦接觸，接觸面的摩擦系數(shù)為0.73，且摩擦力與夾持力大小有關(guān)。

圖3 鉗口簡化模型Fig.3 Diagram of jaws simplified model

1.2.2.2 有限元分析 將肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗幾何模型載入到Ansys 中進行仿真分析。初始狀態(tài)下手術(shù)鉗的鉗口處于開啟狀態(tài)；對手柄握持面施加切向位移后，鉗口將處于閉合狀態(tài)。肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗較長， 同時模型整體細節(jié)較多，因此分別提取不同部位的有限元結(jié)果云圖進行分析。

2 結(jié)果

2.1 專用手術(shù)鉗力學(xué)分析結(jié)果

基于鉗口簡化模型，進一步建立鉗口的受力模型（圖4）。圖中θ 為鉗口與中心線的夾角，β 為夾持面與轉(zhuǎn)動點B 移動方向之間的夾角，l 為鉗口受力點C 與轉(zhuǎn)動點A 之間的距離，l0為最大位移點P 與轉(zhuǎn)動點A之間的距離[18]。 從圖中可以得出：

圖4 鉗口受力模型Fig.4 Diagram of clamping force model

根據(jù)力矩平衡方程，在轉(zhuǎn)動點B 處有如下方程：

由靜力平衡方程可得：

式中：F1x= F1sinθ；F1y=F1cosθ；F2x=F2sin（θ + β）；F2y=F2cos（θ+β）。

將式（1）～（4）帶入式（5），簡化后消去F2，可得鉗口處夾持力F1與手柄處握持力Fx之間的關(guān)系式為：

從式（6）可以看出，影響肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗鉗口夾持力與手柄握持力比值的因素包括鉗口與中心線的夾角θ、夾持面與轉(zhuǎn)動點B 移動方向之間的夾角β、鉗口受力點C 與轉(zhuǎn)動點A 之間的距離l 及最大位移點P 與轉(zhuǎn)動點A 之間的距離l0。 根據(jù)幾何模型的建模數(shù)據(jù)，l0=4 mm，l=12 mm，β=10°，θ區(qū)間為0°～60°，

將以上數(shù)據(jù)帶入式（6），得到夾持力與握持力比值隨鉗口夾角變化的關(guān)系曲線（圖5）。 從圖中可以看出，當(dāng)鉗口緩慢閉合時，鉗口夾角θ 減小，此時夾持力與握持力的比值增大，機械效益提高。

圖5 夾持力與握持力比值隨鉗口夾角變化曲線Fig.5 Curve of ratio between gripping force and grip force with clamp angle changed

考慮到夾持過程中鉗口與中心線夾角較小，因此固定夾角θ 的數(shù)值，再分析其他變量的影響。 當(dāng)夾角θ 為0°時，鉗口為閉合狀態(tài)，此時鉗口處夾持力與手柄處握持力之間的關(guān)系式改為：

從式（7）中可以看出，此時鉗口處夾持力與手柄處握持力之間的比值由β、l 和l0這3 個變量決定。當(dāng)β 角的取值范圍在0°～90°時，隨β 角的增加，tanβ 增大，導(dǎo)致夾持力與手柄處握持力比值減小。 當(dāng)鉗口所需夾持力一定的情況下，需要在手柄處施加的握持力就越高，機械效益降低，不符合醫(yī)療器械的使用需求和人因工程設(shè)計原則。因此在進行設(shè)計時應(yīng)盡量減小β 角，同時要盡可能增加l0與l 的比值。

2.2 有限元分析結(jié)果

2.2.1 專用手術(shù)鉗手柄位移、應(yīng)力分析結(jié)果

從圖6A 中可以看出，當(dāng)給予右側(cè)手柄握持面一個恒定的2 mm 切向位移量時，右側(cè)手柄以剪刀軸為轉(zhuǎn)動軸開始轉(zhuǎn)動，同時帶動驅(qū)動桿開始運動。 至分析結(jié)束時，右側(cè)手柄下端位移量（D）最大，為3.22 mm，驅(qū)動桿的最大D 為1.49 mm，此時驅(qū)動桿無法繼續(xù)移動，但手術(shù)鉗的左右手柄之間還有一定的距離。 這是由于驅(qū)動桿的運動會帶動上鉗口轉(zhuǎn)動，分析結(jié)束時上下鉗口閉合，齒面發(fā)生接觸，鉗口端無法再進行轉(zhuǎn)動，因此驅(qū)動桿也無法繼續(xù)移動。而手術(shù)鉗的手柄由于剪刀軸的存在能夠以剪刀軸為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動，但繼續(xù)轉(zhuǎn)動將不再帶動驅(qū)動桿和鉗口產(chǎn)生位移，因此在進行設(shè)計時需將手術(shù)鉗手柄和驅(qū)動桿固定，從而使其可以同時達到最大位移。

圖6B 為手柄的應(yīng)力分析結(jié)果， 從圖中可以看出，手柄受到的最大應(yīng)力σmax為1.79 MPa，位于靠近剪刀軸的部位，表明此處在手術(shù)鉗工作過程中會產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象。經(jīng)與304 不銹鋼的許用強度相比，該最大應(yīng)力值遠遠低于材料的許用強度，表明手術(shù)鉗的手柄在使用過程中不會發(fā)生破壞現(xiàn)象，尺寸設(shè)計合理。

圖6 手柄有限元分析結(jié)果Fig.6 Diagrams of finite element analysis results of handle

2.2.2 專用手術(shù)鉗鉗口位移、應(yīng)力分析結(jié)果

從圖7A 中可以看出，在后端手柄完成握持過程中，鉗口的最大D 為0.82 mm，位于上鉗口的最外端，即遠離鉗口轉(zhuǎn)動軸的另一端。 當(dāng)位移達到最大時，上下鉗口齒型開始接觸，并開始產(chǎn)生相互作用力，此時鉗口處最大應(yīng)力為3.07 MPa（圖7B），最大應(yīng)力位于靠近鉗口轉(zhuǎn)動軸的齒型部位。經(jīng)與Custom465 不銹鋼的許用強度進行比較，該最大應(yīng)力值遠遠低于材料的許用強度，表明手術(shù)鉗的鉗口在使用過程中不會發(fā)生破壞現(xiàn)象，尺寸設(shè)計合理。

圖7 鉗口有限元分析結(jié)果Fig.7 Diagrams of finite element analysis results of jaws

3 討論

經(jīng)分析，該微創(chuàng)肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗可以高效開閉肝門阻斷夾持器，使得夾持器夾緊肝門阻斷帶，在臨床上，能夠幫助正在進行肝膽外科手術(shù)的醫(yī)生方便、快捷地開閉肝門血流，減少手術(shù)時間，同時減少患者因術(shù)中阻斷肝門血流導(dǎo)致的缺血性損傷的風(fēng)險，使患者在術(shù)后更快更好地恢復(fù)。

筆者根據(jù)腹腔鏡手術(shù)器械的國家標(biāo)準(zhǔn)YY/T0149—2006 沸水試驗法b 級的規(guī)定，手術(shù)鉗外表面需要一定的抗腐蝕性能，因此在外表面部分材料選擇上選用了304 不銹鋼。 為了保證鉗口的抗壓強度，防止鉗口在夾持過程中斷裂， 在鉗口處使用了Custom465 材料。 由于術(shù)前要對手術(shù)器械進行消毒，并在消毒口軸注入消毒液等，為了保證內(nèi)部驅(qū)動桿的抗腐蝕能力，套筒和驅(qū)動桿都采用了316L 不銹鋼。

從手術(shù)鉗的力學(xué)分析可以看出， 鉗口夾角θ 越小，夾持力與握持力的比值越大，機械效益越高，符合良好的人械關(guān)系要求。為了保證醫(yī)生在使用手術(shù)鉗時能用較小的力就能完成鉗口的開閉，筆者在設(shè)計手術(shù)鉗模型時加長了驅(qū)動桿，并延長了手術(shù)鉗剪刀把手受力區(qū)域到剪刀軸的距離， 使得手術(shù)鉗運動的力臂增大，在使用相同大小的握力前提下，該手術(shù)鉗能更有效地開閉鉗口。

綜合手術(shù)鉗的鉗口與手柄的有限元分析結(jié)果可以看出，鉗頭遠離鉗口轉(zhuǎn)動軸的部位，所產(chǎn)生的位移最大但受力卻有限。 距離轉(zhuǎn)動軸越遠，所受到的應(yīng)力越小，因此鉗頭部位的設(shè)計不可過長，否則會影響夾持效果。此外，如果鉗頭部位設(shè)計過長，為了達到預(yù)期夾持力，需要加大手柄部位的握持力，從而給醫(yī)生的操作帶來困難，不符合人因工程設(shè)計理念。 鉗口閉合后，若手柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)達到一定程度時，將對手柄和鉗口產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷，從而影響器械的可靠性與使用壽命。 為防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，需在手柄處設(shè)計一個1 mm 的緩沖距離，鉗口閉合后，手柄在這段距離內(nèi)轉(zhuǎn)動時，將不會繼續(xù)對鉗口施加壓力，但使用者能很好地感受到鉗口閉合的力反饋，從而停止進一步加壓，防止器械受損。

4 結(jié)論

筆者針對傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)鉗無法完成特制肝門阻斷夾持器的夾持問題，特設(shè)計了一種新型肝門阻斷夾持器腹腔鏡專用手術(shù)鉗，所得結(jié)論如下。

（1）影響手術(shù)鉗鉗口夾持力與手柄所需握持力比值的因素包括4 個， 分別是鉗口與中心線的夾角θ、夾持面與轉(zhuǎn)動點移動方向之間的夾角β、鉗口受力點與轉(zhuǎn)動點之間的距離l、 最大位移點與轉(zhuǎn)動點之間的距離l0。 在手術(shù)鉗設(shè)計時應(yīng)盡量減小β 角，同時盡可能增加l0與l 的比值，以增加機械效益。

（2）在手術(shù)鉗鉗口閉合的情況下，手柄的最大應(yīng)力為1.79 MPa，位于靠近剪刀軸的部位；鉗口處的最大應(yīng)力為3.07 MPa， 位于靠近鉗口轉(zhuǎn)動軸的齒型部位。 上述應(yīng)力值均低于結(jié)構(gòu)制作材料的許用強度，使用時不會發(fā)生破壞現(xiàn)象。

（3）鉗頭遠離鉗口轉(zhuǎn)動軸的部位，所產(chǎn)生的位移最大但受力卻有限。 距離轉(zhuǎn)動軸越遠，所受的應(yīng)力越小，因此鉗頭部位的設(shè)計不可過長，否則會影響夾持效果。

（4）在手術(shù)鉗設(shè)計時需將手柄和驅(qū)動桿固定，從而使其可以同時達到最大位移。此外為了提高器械的可靠性與使用壽命，需充分考慮鉗口閉合后手柄的繼續(xù)轉(zhuǎn)動距離。