基于ANSYS 的血流阻斷裝置結構設計分析

周 澤， 石更強

（上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093）

1991 年Reich 等實施世界首例腹腔鏡肝切除術以來，腹腔鏡技術在肝臟切除手術方面的應用逐漸廣泛起來。然而，肝臟內部血管分布比較密集，血供豐富，這直接影響了手術的進程，而出血量的多少更是決定手術能否成功的關鍵[1]。開腹手術過程中，可以直接選擇使用醫用橡膠導管對出血部位進行簡易的結扎達到止血的目的。但是腹腔鏡手術中，由于操作空間的限制，沒有辦法快速準確地將血流及時止住[2]。因此，本文在滿足醫護人員需求的情況下，設計出一種可控的第一肝門血流阻斷器[3]，能夠在手術過程中及時地通過阻斷與放開對肝臟進行止血供血。

國內外的腹腔鏡肝臟手術在止血方面主要分為兩類。第一種是通過手術器械產生的高溫對出血部位進行直接處理，使得局部組織產生結痂，主要有氬氣凝血器等裝置。而另一種方式則是阻斷肝臟血液的入口，也就是對第一肝門進行阻斷[4]，這種方式在臨床一般采用自制的橡膠管將第一肝門繞緊以后進行收縮，阻斷血液的流速甚至直接阻斷血液流通。隨著技術的不斷發展，這種肝門阻斷方式也出現了一些實用型專利。例如南京鼓樓醫院發明了一種選擇性肝門阻斷器，通過齒槽設計，可以在拉緊之后進行固定[5]；北京大學深圳醫院也發明了一種可以對阻斷帶進行固定的阻斷器，通過將延伸出的阻斷帶通過掛鉤進行固定[6]。由于手術過程中的要求越來越高，僅僅能夠固定阻斷器已經不能夠滿足手術需求。術中的變化多種多樣，簡單的阻斷帶無法時刻控制血流的止血供血，當肝臟手術時間過長的時候，需要每隔一段時間恢復肝臟的供血以防肝組織損傷，并且阻斷帶的材料也會對人體產生不小的傷害。因此，本文設計了一款通過流體控制的血流阻斷器，利用流體的壓強對氣囊進行控制，達到阻斷血流的效果。

腹腔鏡手術是一個對醫生技術有很高要求的手術，并且操作環境空間有限，需要醫生能夠在狹窄的空間進行一系列復雜的操作，因此，血流阻斷器的設計結構需要能夠很好地控制與使用。血流阻斷裝置需要進入人體內部環境進行操作，要求有絕對的安全性能保證。手術過程中，肝臟血流的斷供時間根據病人肝臟的情況來判斷，一般以15 min 為宜。需要多次進行閉合和打開阻斷裝置，維持肝臟的正常功能，同時也不能影響手術的進行。

1 設計方案

1.1 設計思路

現有的腹腔鏡肝門血流阻斷器主要是將阻斷帶導入人體內，通過醫生將所需阻斷部位就行包繞，并最后引出體外，通過體外施加拉力進行血管的阻斷。這種方法比較傳統，只是將開腹手術所使用的肝門阻斷裝置縮小簡化，但是無法在手術過程中進行及時的阻斷血流與恢復[7]。本文設計的血流阻斷器首先是通過一個可塑性材料引導著一截橡膠管進入人體，利用金屬的硬度與預處理將肝門包住，再通過氣囊自由端與外套管表面的凹槽配合，使得肝門在體內能夠得到很好的固定，隨后施加氣體讓橡膠管膨脹，不斷擠壓達到阻斷血管的作用。

1.2 設計結構

通過臨床手術觀察，所設計的裝置主體結構呈柱狀，便于通過穿刺進入人體。在功能方面，采用氣壓產生的體積變化達到控制血流的阻斷。主要結構包含氣囊、固定閥、三通閥、固定件、外套管、導管、彈簧、多孔軟膠等，如圖1 和圖2所示。

圖1 血流阻斷器結構圖Fig.1 Blood flow blocker structure

圖2 各部分組件圖Fig.2 Component parts

三通閥閥體有3 個口，一進兩出，和普通閥門不同的是底部有一出口。當內部閥芯在不同位置時，出口不同。如閥芯在下部時，左右相通；如閥芯在上部時，右出口被堵住，左和下出口相通。使用三通閥的意義在于能夠實時調控氣囊內部壓力的大小，并且在使用過程中，還可以及時阻斷氣體的輸送，使內部壓強保持穩定。三通閥在起到連接作用的同時，還減少了一個氣動控制閥的使用，簡化了使用方法。

多孔氣囊采用軟膠材料，能夠形成對目標位置的包繞，氣囊的韌性良好，能夠滿足正常溫度下的工作環境，如圖3 所示。而氣囊外層則是一層易受形變的醫用橡膠，當內部產生氣壓，通過多孔將氣體導出，醫用橡膠的阻隔使得自身發生膨脹，體積逐漸增加，最終達到阻斷血流的目的。氣囊的使用區別于常規的阻斷帶，因為阻斷帶依賴于自身的壓力來進行，對于血管能力一般的患者來說，直接影響到術后的恢復，而氣囊不論是材質還是作用方式，都對人體有著一定的保護作用，表1 是軟膠的基本參數。

圖3 多孔氣囊Fig.3 Porous air bags

1.3 工作方式

在手術之前，首先通過穿刺將阻斷器前端推進人體；然后利用自身的硬度穿過第一肝門進行環繞，用手術鉗從另一端將端頭取出并放入外套管的缺口處；接著將壓住的固定件放開，通過彈簧恢復自身形變，自動鎖住端頭達到包繞的效果；最后回拉導管到氣囊剛好完全包繞肝門為止，使用固定閥進行固定，術前準備就完成了。當需要進行阻斷的時候，只需要打開三通閥，用氣囊進行加壓即可達到阻斷血流的作用，并且通過三通閥可以做到實時控制血流的通暢與阻斷，方便手術過程中的調控。

表1 軟膠參數Tab.1 Soft rubber parameters

2 基于ANSYS 評價氣囊中氣體運動狀態

輸氣裝置主要在體外進行操作，使用材料較為穩定，而進入人體內的氣囊部分，需要了解其內部管道的氣體分布狀態，進一步判斷氣囊的穩定性以及形變時所受氣體帶來的壓力。氣體分布不均勻會使局部壓強過大，導致各個部位受力大小不同。這里運用ANSYS 軟件對氣體的流動趨勢進行模擬，可以直觀地觀察氣體的運動狀態。

流體在流動域內的運動會隨著時間和空間發生一定的變化，這個過程是一個三維、非穩態的，并且規模較大的流動模型。當流體的慣性力和相對黏度影響流動的狀態時，就會形成湍流的流動型式。雷諾數Re 標定流體的運動形式：當Re＜2 000 時，為層流；當Re ＞4 000 時，為湍流；Re 值在2 000～4 000 之間時，為過渡態。在FLUENT中，選用的湍流方程模型為標準k-ε 模型，因為涉及到流體壁面的計算，在靠近壁面的位置，湍流邊界層較薄，選用標準的k-ε 模型可以對壁面進行精細化處理，具有較大的求解變量，使求解的結果更加精確。

2.1 建立模型劃分網格

研究氣囊內部流體運動狀態就是要對內部通道進行實體化并進行分析，主要通過ANSYS CFD 軟件，模擬給定條件下[8]氣體在裝置通道內的運動速度及趨勢等因素，從而通過記錄CFD 軟件模擬的氣體運動，定性分析氣體在氣囊內部的運動效果，并使用SolidWorks 建立模型，如圖4所示。

圖4 氣囊結構圖Fig.4 Balloon structure

流體分析計算的是流體運動的通道，因此，需要劃分的實際是流體的通道，而實體部分則以空白代替。利用ANSYS Meshing 創建網格，針對通道進行網格劃分。網格劃分的種類有很多種[9]，對較為規則的圖形，一般選擇四面體進行網格劃分。因為四面體較為簡潔，網格劃分空隙較小，處理起來也更加方便。網格的劃分并不是越小越好，雖然，網格越小精度越高，但是當網格達到一定數量以后就不會有明顯的精度提高，反而會增加更多的計算量。圖5 為網格劃分后的效果圖以及局部圖。

圖5 網格劃分與局部放大圖Fig.5 Mesh generation and local amplification

采用四面體非結構網格對流體的通道進行流場區域的劃分[10]，部分關鍵部位采用加密處理，最終劃分的網格數量約為10 萬，并使用單元質量標準對劃分的網格質量進行檢驗評價，圖6 展示的是對流體通道有限元模型劃分網格的質量進行評價的結果，其中絕大部分的網格質量在0.8 以上，可以滿足一般的計算要求。

圖6 流體通道網格質量檢測Fig.6 Fluid channel mesh quality detection

2.2 數值模擬結果

選用ANSYS 分析流體力學時[11]，在對所設計的裝置進行模型建立及網格劃分后，需要對實驗分析的邊界條件進行設定，主要依照氣囊流體運動的范圍來界定，包括：進口邊界條件、出口邊界條件，以及壁面邊界條件（選擇系統默認，一般不作設置）。通過對上文的計算參數分析對比，對ANSYS 軟件分析的流體計算邊界條件進行設置。設置出口邊界條件為出口壓力默認，入口流速分別為2，4，6，8，10 m/s。分析比較不同流速下氣囊內部流體的運動狀態，從而定性評價適用于此氣囊的最佳分散效果的氣流流速。

圖7 不同流速速度矢量圖Fig.7 Vector diagram at different velocities

圖7 顯示的是不同氣體流速下，氣體在通過多孔氣囊各個孔徑所產生的速度云圖與速度矢量圖。實驗設定的速度為2，4，6，8，10 m/s，圖中用不同顏色表示速度的差異，比較不同速度下的矢量圖能夠得到氣流在出口的不同運動狀態。

通過圖7 的實驗結果分析[12]，可以基本看到氣囊內部氣體在氣流速度逐漸增大過程中的運動變化與運動趨勢，其經歷了緩慢變化與爆發性增長。在8 m/s 速度下，可以看到整體運動趨勢最接近，有利于氣體的填充，并且速度的變化趨勢比較明顯。在較為慢速的2 m/s 和4 m/s的條件下，整體運動趨勢不是特別明顯，這導致在重啟的過程中可能存在氣體流速過慢，裝置的氣囊部分不能迅速膨脹，達不到應有的效果。而速度超過一定界限以后（10 m/s），局部速度明顯增加，但是整體的速度并沒有太多上升趨勢，由于氣體流速直接影響了充氣的效果，因此過速也是一種浪費。并且，速度過快也可能導致在充氣過程中，直接引起材料的物理變化。因此，對裝置內氣流速度的研究可以發現，當氣流速度為8 m/s 時，整體結構的速度變化比較平緩，該速度能夠滿足裝置的使用要求，最為合理。

3 結 論

本文從結構設計上提出了新型的氣動式血流阻斷器，利用氣囊膨脹壓迫血管，降低血液流速，來達到減小甚至阻斷血流的目的。從結構角度應用ANSYS 軟件分析氣囊內部氣體的運動狀態，對不同速度下氣體的運動狀態進行比較，由模擬結果顯示的矢量圖可以看出當速度為8 m/s 的時候，內部氣流分布均勻，并且能夠給到氣囊足夠的壓力，能夠很好地達到阻斷血管的效果。從安全角度分析，血管能夠承受較大范圍力的作用，但是手術過程中，能否安全有效阻斷血流，直接影響了手術的效果。流體阻斷能夠從體外進行控制，相較于阻斷帶、止血夾等裝置，能夠有效減少血管所受的損傷。