基于形状记忆合金的角膜缝合钉的设计.pdfVIP

第 46 卷 第 23 期 20 10 年l 2月 机械工程学报 JO U R N A L O F M E C H A N IC A L E N G IN E E R IN G v 0 1 4 6 N O 2 3 D ec 2 0 l 0 D o l 1O 3 90 1 J ME 20 10 23 16 1 基于形状记忆合金的角膜缝合钉的设计术 王 璐 杨 洋 孙繁新 王 哲 邓世靖 2 1 北京航空航天大学机械工程及 自动化学院北京 10019 1 2 北京市眼科研究所北京100005 摘要 根据角膜移植手术 缝合的技术要求 设计 一种 应用于角膜移植手 术的基于形状记忆合金 Shape m em o al l oy SM A 的缝合钉 分析 SM A的特性 并通过试验验证其与角膜生物组织的相容性 根据角膜的尺寸和参数对缝合钉的尺寸和形 状进行设计 利用有 限元 软件 A N SY S 建立角膜和 缝合钉相互作用 的有 限元模 型 并对设计尺寸进行 优化 为角膜移植手 术提供一种新思路和 新方法 很大 程度 上简化缝合过 程 避免缝线打 结和 术后拆线 的操 作 对于发展 新型医疗技术有重要 意义 关键 词 角膜形状记忆合金缝合钉有 限元仿真 中图分类号 R 779 6 D esi gn o f a C o rn eal S u tu ri n g N ai l B ased o n S h ap e Mem o ry A l l oy W A N G Lu Y A N G Y ang SU N Fanxi n W A N G Zhe D EN G Shijing 1 Sc hool of M ec hani c al E ngi neeri ng and A utom ati on B ei hang U ni versi ty B ei ji ng 1 00 1 9 1 2 B ei ji ng Insti tute of O phthal m ol ogy B ei ji ng 1 00005 A bstrac t A c om eal suturi ng nai l based on shape m em o al l oy SM A w hi c h i s appl i ed to the c om eal transpl ant operati on i s desi gn ed T h e c h arac teri sti c s o f the SM A are rese arc h ed an d the c orn eal ti ssu e c o m p ati b i l i ty i s v eri fied ac c o rd i n g to th e exp eri m ents The si ze an d shap e of the n ai l are desi gn ed b ased o n th e c orn eal si z e an d p aram eters T he fini te el em ent m od el s of the c om ea and sutu re n ai l ar e e stab l i sh ed to o pti m i ze th e si ze o f th e nai l by th e fi n i te el em ent so ftw are A N S Y S T h e n ew i dea and m eth od for th e c o m ea l tran sp l an t op erati on are obtai n ed w h i c h si m p l i fies th e p ro c ess o f su tu ri n g to a l arg e ex ten t an d avo i d th e operati o n o f ty i ng the su tu re kn ot an d rem o v i n g the sti tc hes T he m etho d i s o f great si gni fi c an c e to the dev el op m ent of n ew m edi c al tec hn o l og y K ey w ord s C orn ea S hap e m em o a l l o y Su tu ri n g nai l F i ni te el em en t si m u l ati on 0前言 角膜作为人体接受信息的前哨入 口 历来都是 广大医学专家和学者的重点研究对象 在各种眼科 疾病 中 角膜疾患是最常见的多发病之一 病变的 角膜需要根据病变 的具体情况利用现代 的显微 外 科角膜移植手术来进行处理 现代 的角膜缝 合手 术分两类 穿透性角膜移植手术和板层角膜移植手 术 如今在 临床上广泛采用的方式是使用缝针缝 线进行缝合的方法 即用一定直径的环钻钻去有病 变全层角膜 然后用同样 口径或略大一些的环钻 国家自然科学基金资助项 目 50675008 20091111 收到初稿 20100417 收到修改稿 钻取供体角膜片 植片 最后将尼龙线严密地缝于 受体角膜f植床1上 J 目前缝针缝合手术采用的是手工缝合 缝合的 精度和缝合力度都是凭医生的感觉和经验 缝合精 度得不到保证 愈合过程较长 愈合效果差 而且 对进行手术的医生水平要求很高 近年来国内外都 在进行角膜移植机器人的研究 这种角膜移植机器 人虽然能够达到很好的缝合精度 但仍 旧需要进行 打结 拆线等操作 比较繁琐 并且有一些技术 问 题亟待解决 针对缝合技术中遇到的上述 问题 结合医用骨 科缝合钉的应用情况 本文设计出了一种应用于角 膜移植手术 的缝合钉 该种缝合钉采用具有记忆效 应 的 T i N i合金制作 利用合金的记忆特性 使缝 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 62 机械工程学报 第 46 卷第 23 期 合钉在扎入角膜后 自动变形起到固定作用 角膜愈 合后 降温使缝合钉易于取出 在研究 Ti N i 合金 的特性及其与角膜生物组织的相容性 的基础上设计 了基于形状记忆合金 Shape m em ory al l oy SM A 的 角膜缝合钉 然后 根据平面有限元理论L3J 利用 A N SY S 建立角膜和缝合钉相互作用 的有 限元模型 通过模拟合金的变形来确定缝合钉的尺寸以及手术 时所需要的缝合钉 的数量 研究为角膜移植手术提 供了一种新思路和新方法 对于发展新型医疗技术 有重要意义 1角膜缝合钉的材料 1 1 T i N i 合金的性能 研究需要一种材料能够满足 以下条件 当材料 温度低于角膜温度 大约 33 时 其弯 曲状态为任 意形状 当材料温度大于角膜温度时 其弯 曲状态 发生变化 且在该温度下保持变化后的形状不变 SM A是能将 自身 的塑性变形在某一特定温度 下 自动回复为原始形状 的金属合金 合金材料 中的 马氏体相变是产 生形状 记忆效应 的根本 原因 3 Ti N i合金是一种在达到其相变温度之前可以发生 任意变形的记忆合金 当达到相变温度之后就 回复 到训练时的形状 这种形状记忆现象称为单程记忆 效 应 由此可见 Ti N i 合金 能够满足设计要求 在实 际加工中 采用记忆型钛镍合金 Ti N i 01 其相变温 度为 30 丝线直径 0 1 4 0 i i l In 最大可回复应 变为 8 1 2 Ti N i 合金的生物组织相容性 研究表 明 4 Ti N i 合金的生物相容性很好 利 用其形状记忆效应和超弹性 的医学实例相当多 如 血栓过滤器 脊柱矫形棒 牙齿矫形丝 脑动脉瘤 夹 接骨板 髓 内针 人工关节 心脏修补元件 人造 肾脏用微型泵等 通过试验 也验证 了该种 钛镍合金 的生物组织 相容性 取一只活体兔 使用复方氯胺酮麻醉后 常规消毒 铺 巾 于角膜上方距角膜缘 4 m i l l 处弧 形切开角膜达中基质层 采用板层剖切 将记忆合 金植入角膜板层间 使用 10 0 缝线间断固定 术后 每 日点氯霉素 3 次 如图 1 所示 手术一周后 兔子右角膜新生血 管退行 合金植入部位无炎性细胞浸润 左角膜新 生血管较 多 局部无 明显浸润和水肿 a 手术时 b 手术一岗后 图 l 手术前和 手术一周后兔子角膜对 比图 由以上试验结果可 以说 明 记忆合金材料在角 膜 中的组织相容性较好 无明显炎症反应 其中左 角膜新生血管较多与手术 时缝线更靠近角膜中央及 术后切 口愈合较慢有关 2 角膜缝合钉 的形状与尺寸设计 2 1 角膜的尺寸及缝合要求 角膜是位于眼球最前面的半球形的透明组织 角膜 的前 后表面 可以近似看 成球面 J 为了便于 研 究 结合实 际成年 男性角膜横径 的平均值 以及 水平和 垂直方 向的曲率 半径 取定角膜 的直径 为 1 1 04 m l n 曲率半径为 7 8 rfl l n 角膜的厚度从 中央 的 0 5 i l l rn 逐渐增加到边缘的 1 0 m m 图 2 所示为传统的缝针缝合手术的过程 在切 去病变的角膜之后 放置新鲜的角膜植片进行缝合 在缝合的过程中要保证缝线分布均匀 a 放置植片 b 缝合 C 缝线分布 图 2 角膜缝合 的过 程 在l 床手术中 缝合的最佳效果是植床与植片 之间的缝隙能够很好地接触 并且它们之间能够有 一 定的压紧力 如图 3 所示 缝合 切线 图 3 角膜缝合 的技术要求 角膜具有高度的致密性 同时它还具有生物软 组织材料的共性 即具有一定程度的抗拉强度 而 抗压和抗弯 曲的能力很低 其弹性模量在不 同的生 理条件 不 同的试验规范下的测量值差异很大 并 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 王璐等 基于形状记忆合金的角膜 缝合钉的设计 163 且呈现出各向异性的特 点 刚 2 2 角膜缝合钉的形状与尺寸 根据角膜缝合时的要求以及角膜尺寸 设计 出 如图 4 所示的角膜缝合钉 缝合钉胯部 a 变形前 b 变形后 图 4 角膜 缝合 钉变形前后 在临床缝合过程 中 要求刺入角膜的位置要距 离伤 口 1 rnl Tl 左右 伤 口的缝隙在 0 1 m m 左右 故 设计缝合钉的腰部跨距 为 2 5 m m 由于角膜的厚度是不均匀的 中央角膜 的厚度 为 0 5 m m 而角膜边缘的厚度为 1 0 1TI1TI 为了防 止刺入角膜时刺破基质层 出水 缝合时缝合钉的刺 入深度应控制在 0 4 0 5 nl l l l 之问 依此设计缝合 钉腿部长度为 0 45 rnl Tl 在缝合钉刺入角膜时 进针的方向要垂直于角 膜的切平面 所 以缝合钉在进入角膜前要在低于其 相变温度的冰水中浸泡几分钟 然后弯 曲缝合钉的 腿部使其与腰部成直角 为了达到更好的愈合效果 缝合钉腰部的曲率 和角膜 的 曲率应 保持一致 曲率 半径设计 为 尺 8 m m 另外 考虑到整个钉体的质量不能太大 故 设计截面尺寸为 0 1m m x0 3m m 设计过程 中遇到 了两个 问题 为 了使角膜 的伤 口达到最好的愈合效果 缝合钉腿部在达到相 变温度后应弯 曲的角度 为了将整个角膜切片完 全固定并使得伤 口完好愈合 在缝合时至少需要的 缝合 钉数 量 针对上述 问题 采用有 限元软件进行 建模 仿 真 对缝合钉的设计进行优化 3角膜缝合钉的有限元建模与求解 3 1 单元模块及选择 根据角膜力学 性能的研究结果和试验测得 的 数据 8 角膜可 以看成是一个非线性的粘弹性体 从而把角膜模型的求解 问题归结为非线性的粘弹性 问题 9 根据单 向拉伸试验 测得角膜 的弹性模量 E 17 6 M Pa 泊松比 u 0 49 角膜缝合钉 的材料 选择 的是记 忆型钛 镍合金 Ti N i 一 01 其 弹性模 量 E 98 G Pa 泊松 比 0 25 利用 Sol i d 186 单元建立粘弹性的角膜材料模 型 该单元是高阶 20 节点单元 每个单元具有 3 自由度 由单元本身及其派生单元三棱柱模型和金 字塔模型组成 每个模型中含有若干个 冗余 节 点 这些节点带来的 自由度可以模拟多种非线性 问 题 包括塑性 超弹性 蠕变 应力强化和大应变 及大变形问题 更重要的是该单元具有混合运算的 能力 可以模拟几乎不可压缩 的弹性材料和完全不 可压缩的超弹性材料 旧 单元的形式如图 5 所示 缝合钉 的单元类型选择 Pl ane 42 萄 襻 a S ol id i 86 单元 模型 b 三棱 柱模 型 c 金字 塔模 型 图 5 Sol i d 186 及其派生单元模型 3 2二维模型的建立与分析 针对设计过程中的第一个问题 首先建立一个 二维角膜模型 用于分析缝合钉腿部如何在相变后 达到合适的弯 曲角度 首先 通过 自下而上的方法建立角膜模型 并 赋予其弹性模量和泊松 比等参数 建立如图 6 所示 的角膜平面模型 该模型为一个 90 的扇环形面 在距离中心线半径为 2 0 m m 范围内切掉深度为 0 5 m m厚的病变角膜切片 然后再粘接上一片尺寸近 似相同的另一新鲜角膜切片 伤 口距离为 0 1 nl rn 图 6 角膜模型 其次 对角膜模型和缝合钉模型分别进行网格 划分 角膜采用三角单元进行 网格划分 避免了运 算中的数值积分 节约了求解时间 而缝合钉体 由 于尺寸较 小 故采用 四面体细化分网格 如图 7 所示 接下来将角膜模型的面 A 面 B 面 C 图 6 固定 分别计算出当缝合钉腿部弯 曲 1O 15 20 30 35 40 45 和 50 时应在缝合钉腿部末端施 加的 X 轴和 Y 轴方 向的位移 并进行加载求解 得 到如图 8 所示的仿真结果 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报 第 46 卷第 23 期 图 7划分 网格后的角膜 图 8 角膜 加载后的变形结 果 最后 根据分析所得到的结果 发现当缝合钉 钉腿部各 向内弯 曲 45 时 能够达到比较好的愈合 效果 如图 9 所示 当缝合钉腿部弯 曲 45 时角膜 伤 口的三分之二以上能够重合 伤 口的顶部发生最 大值为 0 102 m l n 的位移 能够使宽度为 0 100 rnnl 的伤 口很好的接触而不过度受力 故选择缝合钉单 侧弯曲 45 比较合适 3 3三维模型的建立 与分析 对于第二个问题 需要在平面模型的基础上拓 展为三维模型 模型如图 l 0 所示 图 l 0 三维 实体建模 拓展之后 经过体扫描进行网格划分 首先考 虑使用 4 个缝合钉 在 x 轴正负方向和 Y 轴正负方 向分别加载 求解后发现有 4 个边界不能重合 仿 真结果如图 1l a 所示 不能满足缝合要求 然后考 虑使用 8 个缝合钉 即在 Y 轴 45 方向上再加上 4 个缝合钉 仿真结果如图 1l b 所示 可见伤 口能 够很好重合 a 4 个缝合钉刺入角膜模型时的变形 b 8 个缝合钉刺入角膜模型时的变形 图 l l 仿真结果 根据分析得 出至少需要 8 个缝合钉沿圆周方向 均匀分布才能保证伤 口能够很好地愈合 分析结果 与临床经验相吻合 4 结论 图9缝合钉腿部弯曲45 时角膜伤口的变形 1 根据角膜移植手术缝合 的技术要求设计出 0 O 0 O O O O O 0 EE 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年 l 2 月 王璐等 基于形状记忆合金的角膜缝合钉的设计 l 65 基于 SM A合金 的角膜缝合钉的尺寸大小 通过试 验验证 了 SM A 合金与角膜具有生物组织相容性 2 利用有限元软件 A N SY S 建立 了角膜和缝 合钉相互作用的有限元模型 从而确定 了缝合钉腿 部 的弯 曲角度 以及缝 合 时所 应使 用 的缝 合钉 的 个数 f3 缝合钉应用于角膜缝合手术 尚处于起步阶 段 为新型医疗缝合手术提供 了一套新颖简单有效 的方法 随着研究的进一步深入 相信其必将在临 床医学中得到很大的发展与应用 参考文献 1 SM ITH N B ET EM PS M JU TA RD A et a1 Penetrati ng keratopl asty A roboti sed c ut of c om ea C H The 2009 IE E E R S J Intern ati on al C o n feren c e o n In tel l i gen t R ob ots and System s IR O S 2009 O c t 11 15 2009 St L oui s M O U SA 19 99 740 74 5 2 赵梅生 张忠君 马洪顺 等 人 角膜 黏弹性 实验 研究 J 生物医学工程学杂志 2005 22 3 550 554 ZH A O M ei sheng Z H A N G Z hon un M A H ongshun et a1 E xp eri m en tal stud y on v i sc o el asti c pro perti es of hum an c ornea J Journal of B i om edi c al E ngi neeri ng 2005 22 3 550 554 3 曾攀 有 限元分 析及 应用 M 北京 清华大学 出版社 20 03 Z EN G Pan Fi ni te el em ent anal ysi s and appl i c ati on M B ei ji ng Tsi nghua U ni versi ty Press 2003 4 华英杰 王崇太 N i Ti 形状记忆合金在医学领域 中的应 用 J 海南师范学院学报 2004 l 7 1 39 43 H U A Y i ngji e W A N G C hongtai A ppl i c ati on of N i T i shape m em ory al l oys i n m edi c i ne J Journ al of H ai nan N orm al U ni versi ty 2004 17 1 39 43 5 杨洋 刘笑宇 符浩 角膜移植中缝针刺入角膜的有限 元仿真 J 机械工程学报 2008 44 12 24 29 Y A N G Y an g L IU X i aoyu F U H ao Fi n i te el em ent si m ul i on of needl e i nsert i on i nto c orn ea J C hi nese Journ al of M ec hani c al Engi neeri ng 2008 44 12 24 29 6 M A M M O N E R J G E R STEN M 3 D c orn eal m odel i ng system J IE EE Transac ti ons on B i om edi c al Engi neeri ng 1990 37 1 66 72 7 魏东 角膜移植机器人的设计与控制 D 北京 北京航 空航天大学 2006 W E I D on g D esi g n an d c o ntrol of c orn ea grafti