螺旋机器人的结构参数对人体肠道壁损伤影响的优化研究

梁 亮 唐 勇 庞佑霞 胡冠昱

长沙学院,长沙,410003

0 引言

微创外科医疗技术是当今国际上的一个研究热点。目前,主要从两方面对微创外科医疗手术进行研究:一是改进传统的医用内窥镜系统,将系统进一步微型化;二是改进医用内窥镜系统进入人体内腔的驱动方式。例如,研制与开发能自动把医用内窥镜系统送到人体内腔各个部位的微型机器人[1-5]。但这些机构作为医用机器人在进入人体内腔后都直接与内腔壁接触,或多或少会给患者带来不适和痛苦。另外,以色列开发的胃肠道微创内窥镜胶囊不具备驱动结构[6],也只能随消化道蠕动做被动运行。

现有的内窥镜机器人均或多或少地存在一些问题和缺陷。基于上述分析,文献[7-8]介绍了螺旋式无损伤医用微型机器人,并对机器人运行速度和悬浮的高度等进行了研究;张永顺等[9]设计了螺旋式肠道胶囊微型机器人,并对驱动原理和螺旋参数等进行了研究。利用螺旋外壳,以达到无损伤驱动目的时,螺旋外壳高速旋转运行所产生的动压力,人体是否能够承受,是否会损伤肠道,什么样的机器人结构参数能够减小动压力,都需要进一步分析研究和优化。

笔者设计了一种结构简单的单节螺旋式无线无创微型机器人。建立了肠道黏液的动力学控制方程,并借助计算流体力学(CFD)软件计算了机器人高速旋转运行时对人体肠道壁产生的压力,比较了不同机器人结构参数对肠道壁所受压力的影响,优化了结构参数。

1 螺旋式微型机器人的驱动机构

图1为螺旋式微型机器人内部驱动机构示意图。该机器人是一个带螺旋槽外壳的圆柱体,内部装有微电池、微电机、4根形状记忆合金SMA构成的转向机构、图像传输模块、无线收发与控制模块。微电机外表面与外壳内表面之间为紧配合,微电机外表面与外壳内表面之间无摩擦;当微电机转轴旋转时,将带动带螺旋槽的圆柱体外壳旋转。当正向接通微电机电源时,带螺旋槽外壳产生的轴向摩擦牵引力带动微型机器人前进;当反向接通微电机电源时,微型机器人后退。连接形状记忆合金(SMA)的两端可相对移动,通过控制4根SMA的伸缩状态和幅度实现任意转向。人体肠道中存在的黏液可看成是一层动压润滑黏液膜,它使微型机器人处于悬浮状态,该润滑膜能避免机器人与肠道壁发生直接接触。这样就达到了无创或微创驱动的目的。同时机器人内部带有电池和无线收发及控制装置,又可实现对机器人的无线控制。

2 肠道黏液的动力学控制方程

要研究机器人旋转运行对人体肠道壁产生的损伤,也就是要研究机器人和肠道之间黏液对肠道壁的压力,因此首先要建立肠道黏液的动力学控制方程。

虽然人体肠道内的黏液在低切变速率下多为黏弹性流体,但在中高切变速率下则可把它看作为牛顿流体[10],并且假设黏液的密度ρ为常数,以黏液中的某一微元体为研究对象,可得质量守恒方程:

根据动量守恒,可得方程:

式中,u、v、w分别为黏液微元体速度矢量在x、y、z方向的分量;μ为黏液动力黏度;p为黏液微元体上的压力;Fx、Fy、Fz为黏液微元体上的体力。

因为体力只有重力,加上重力方向与y轴相反,则Fx=Fz=0,Fy=—ρ g 。式(1)和式(2)即为肠道黏液的动力学控制方程,它是肠道黏液流场数值计算的数学模型。

3 影响肠道壁所受压力的机器人结构参数的优化研究

图2和图3是螺旋机器人、肠道和黏液三维简图。影响肠道壁所受压力的机器人结构参数主要有以下几个(图4):倾角α;槽面宽度a与螺距t之比β1;槽底宽度b与螺距t之比β2;螺旋槽槽深h与半径间隙c之比γ;螺纹升角 Φ;螺纹线数n。在数值计算中,假定机器人与肠道间隙中充满黏液,黏液密度为1.3g/cm3,动力黏度为1Pa˙s,肠道半径R为6mm,螺旋机器人半径r为4.5mm,正向和反向旋转速度均为1000r/min,机器人轴向长度为 15mm,初设参数 α=60°,β1=β2=0.2,γ=1,Φ=45°,n=6。

利用Fluent6.3计算流体动力学软件对机器人、肠道及黏液组成的系统进行三维数值模拟。首先,运用Pro/E wildfire5.0对机器人系统进行三维绘图,然后输出igs格式文件。利用CFD前置处理软件Gambit2.2导入刚刚输出的igs格式文件,对机器人系统进行网格划分和边界条件设置:机器人系统采用了非结构化四面体网格,机器人附近区域采用加密的计算网格;并设置肠道两端为压力进口和压力出口,设置机器人邻近区域流体类型为第一流体类型,设置肠道机器人附近区域之外的流体类型为第二流体类型,最后生成网格文件。利用Fluent6.3导入生成的网格文件,将单位转换为mm,对网格进行光滑和交换,数值分析将雷诺平均的NS方程作为控制方程,湍流模型为标准k—ε模型,近壁处流动采用标准壁面函数处理,压力和速度耦合方程采用标准SIMPLE算法求解。考虑到肠道壁的变形只引起肠道黏液流场区域的微小变化,并且机器人结构参数对肠壁损伤的影响也很小,因此忽略肠壁的柔性。为了模拟机器人邻近区域流体的运动,采用滑移网格方法进行处理,给定转速为1000 r/min(正转)或—1000r/min(反转)。解算收敛精度如下:肠道两端进出口的流量误差小于0.0001,x、y、z方向速度、k和ε的残差收敛精度均为0.0001。

图5所示为当螺旋机器人正向和反向旋转运行时,倾角α对肠道壁所受最大正压和最大负压的影响曲线。可以看出,随着α的变化,机器人正转和反转时肠道壁所受最大正压和最大负压的绝对值相差不大,但变化规律相反。图5中,最大正压力和最大负压力分别为 244.4Pa和—226.7Pa,这都在人体能够承受的范围内(肠道能够承受的最大负压力约为—3.7MPa[11])。

图6所示为当螺旋机器人正向和反向旋转运行时,参数β1对肠道壁所受最大正压力和最大负压力的影响曲线。可以看出,随着β1的增大,机器人正转和反转时肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值相差不大,不论正转和反转,肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值基本都随之减小。图6中,最大正压力和最大负压力分别为244.0Pa和—228.2Pa,这对人体肠道壁的影响是很小的。

图7所示为当螺旋机器人正向和反向旋转运行时,参数β2对肠道壁所受最大正压力和最大负压力的影响曲线。可以看出,随着β2的增大,机器人正转和反转时肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值相差不大,不论正转和反转,肠道壁所受最大正压力和最大负压力变化都很小。图7中,最大正压力和最大负压力分别为245.5Pa和—229.2Pa,这也在人体能够承受的范围内。

图8所示为当螺旋机器人正向和反向旋转运行时,参数γ对肠道壁所受最大正压力和最大负压力的影响曲线。可以看出,随着γ的增大,机器人正转和反转时肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值相差不大,不论正转和反转,肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值基本都随之增大。图8中,最大正压力和最大负压力分别为253.7Pa和—235.5Pa,这对人体肠道的影响是不大的。

图9所示为当螺旋机器人正向和反向旋转运行时,螺旋角Φ对肠道壁所受最大正压力和最大负压力的影响曲线。可以看出,随着Φ的增大,机器人正转和反转时肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值相差不大,不论正转和反转,肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值基本都随之先增大后减小。螺旋角 Φ为45°时,肠道壁所受最大正压力和最大负压力都最大,分别为243.3Pa和—227.1Pa,这都在人体能够承受的范围内。

图10所示为当螺旋机器人正向和反向旋转运行时,螺纹线数n对肠道壁所受最大正压和最大负压的影响曲线。可以看出,随着n的增大,机器人正转和反转时肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值相差不大,不论正转和反转,肠道壁所受最大正压力和最大负压力的绝对值基本都随之减小。螺纹线数n为6时,肠道壁所受最大正压力和最大负压力都最大,分别为243.3Pa和—227.1Pa。

4 结论

(1)所提出的螺旋微型机器人在人体肠道内悬浮运行时,肠道壁所受压力都是人体能够承受的,所以该机器人可对人体肠道实施无创或微创手术。

(2)不论正转和反转,肠道壁所受压力的大小相差不大,并且机器人结构参数 α、β1、β2和 γ对肠道壁所受最大正压力和最大负压力的影响都不大,螺旋角 Φ和螺纹线数n对肠道壁所受最大正压力和最大负压力的影响较大。机器人正转时,对于减小肠道壁所受最大正压力来说,参数α、β1取较大的值,β2、γ、Φ取较小的值,n取8;对于减小肠道壁所受最大负压力来说,参数α、γ、Φ取较小的值,β1取较大的值 ,β2取 0.3,n取 8。机器人反转时,对于减小肠道壁所受最大正压力来说,参数α、γ、Φ取较小的值,β1 取较大的值,β2 取 0.4,n取8;对于减小肠道壁所受最大负压力来说,参数 α、β1取较大的值,β2、γ、Φ取较小的值,n取 8。

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