一种新型医用精密镊子的结构设计与分析

苏长胜，徐小明，肖圣龙，禹 韬

（广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006）

0 引言

在过去20年中，微创手术（MIS）已经发展成为一种常见的外科手术，与传统的开放手术相比，微创手术只需在病人的身体上开一个或多个小切口。因此，人们在复杂手术中的皮肤切口尺寸显著减小，可有效降低病人病痛、缩短恢复周期、减少组织创伤和感染的风险［1］，所以微创手术已经被广泛应用于腹腔镜检查、腹腔镜手术、眼科手术等多方面。在现今的自然腔道内镜手术（NOTES）中，医用镊子应用最普遍的是精密V型镊子结构，但在手术中由于人体内部组织形状复杂且表面湿滑，该结构逐渐被发现存在夹紧力不足和仪器开口度小的问题［2］，导致手术可操作性和精度均降低，甚至引发人体大出血的医疗事故。本文将对传统V型镊子的夹紧力和开口度不足问题进行具体分析，并研究一种基于应力卸载原理的新型精密医用镊子，以提高镊子的夹紧力、增大开口度，从而改善仪器的操作性能。

1 传统V型镊子简化模型分析

传统V型镊子结构中上、下手臂对称，假设用夹紧力F模拟V型镊子抓取组织时的作用力，即根据材料力学知识将该模型进行简化，取镊子上手臂进行研究，简化为一端固定、另一端无约束的悬臂梁［3］，如图1所示。图1中，L为臂长，F为在M点的驱动力，α为手臂开口角度。由材料力学中挠曲线微分方程可求得末端的受力F与最大正应力σmax分别为：

其中：E为材料的弹性模量（该实验中材料选定为氧化锆）；I为梁惯性矩；Δ为镊子开口度的1／2；y为截面上任意一点到截面中性轴的距离（该参数本设计中暂不考虑）；［σ］为材料最大许用应力。

将式（1）代入式（2）中，可得到：

当手臂抓紧组织即挠度确定时，由式（1）和式（3）可得到两个结论：①手臂夹紧力的大小等于护套克服手臂变形时所需的外力F，F的大小与手臂材料的弹性模量E成正比，与手臂的长度L成反比；②手臂中最大正应力σmax发生在O点，该点最容易发生断裂失效。

图1 V型镊子手臂简化模型

由以上推论可得，若要增大V型镊子夹紧力，从理论上分析应使用弹性模量更大的材料、减小手臂长度L。又因手臂的长度L与精密镊子的开口度2Δ成正比，若想通过减小手臂长度L来获得更大的夹紧力，将造成精密镊子开口度2Δ的减小，显然这不符合实际使用要求。相反，要获得较大开口度2Δ，手臂长度L必须取理论最大值。

综上分析，本文中设计的医用精密镊子的设计存在两个主要矛盾：①单纯依靠改变手臂的长度L无法同时满足增大夹紧力和增大开口度的要求；②若增大手臂长度L，O点的正应力随之最大，易发生断裂失效。

2 新型机构设计与分析

2.1 机构设计原理

为解决以上的两个主要矛盾，本文设计一种基于应力卸载原理的新型医用精密镊子，该新型镊子的上臂机构设计如图2所示［4］。

图2（a）中包裹在镊子第一段L1的护套部分为仪器的驱动护套，随着护套向末端移动，驱动两手臂相互靠拢形成抓取动作，驱动原理符合微创手术中的柔性要求。当镊子进行抓取动作时如图2（b）所示，上、下手臂会在A点发生接触，接触后即可将A点当作手臂辅助基点进行分析，手臂内部应力情况随之发生改变。

图2 新型镊子结构及驱动原理

新型镊子横截面如图3所示。考虑到微创手术中精密性的要求，几何尺寸需满足方程（4）：

其中：t为手臂厚度；w为手臂高度；δhs为两手臂间间隙；ID为护套直径。

图3 新型镊子截面图

2.2 该新型结构的分析

由新型精密镊子结构的对称性，可只取上手臂进行原理分析，上手臂模型如图4所示。

当驱动两手臂运动并恰好发生接触时（假设此时力F加载于Lx处，Lx＜L＝L1＋L2），那么由梁的变形ωm＝δhs可求得接触点A的力FA和梁中最大正应力σmax分别为：

将式（5）代入式（6）中，可得到手臂中最大应力σmax与变形ωm的关系为：

当两手臂发生接触后继续驱动护套夹紧，由ωm＝Δ－δhs可求得克服L2段弹性变形的力F′和正应力σ′max分别为：

由F＝F′＋FA可得：

将式（8）代入式（9）中，可得到手臂中最大应力σmax与变形ωm的关系：

利用ANSYS软件进行建模并分析镊子未接触和接触两个夹紧过程，基于应力辅助卸载原理，手臂中最大应力随着上、下臂接触会发生改变，具体改变过程如图5所示。

图4 新型镊子上臂模型

图5 新型镊子最大应力变化曲线

2.3 两种结构对比分析

假设新型结构与传统V型结构整体长度L和手臂开口度2Δ取值相同。因为L3＝（L1＋L2）3≥L31＋L32，且α取值较小，当两手臂夹紧后分别比较方程（1）与方程（10）、方程（3）与方程（11），可以发现新型机构抓紧力大于传统V型结构的抓紧力，手臂内最大正应力小于传统V型结构内最大正应力。由此，经理论验证：当新型结构与传统V型结构整体长度L和手臂开口度Δ相同时，新型机构夹紧力大于传统V型机构夹紧力，所以在同等材料最大许用应力情况下，在保持相同夹紧力情况下，新型结构也更容易设计出开口度更大的新型医用精密镊子。

3 结论与展望

本文中设计的新型精密镊子结构经理论验证可成功解决传统V型结构的夹紧力和开口度不足的问题，且可随微创手术的需要进行具体优化设计，保证手术过程中满足使用要求。但由于国内在微创手术器械方面研究很少，且本人水平有限，这里只进行了一定的基础理论研究，产品更深入的需求调查、优化设计、实体建模并搭建试验平台等内容有待后续进行更深入研究。

［1］ Mostafa G，Matthews B D，Sing R F，et al.Mini－laparoscopic versus laparoscopic approach to appendectomy［J］.BMC Surgery，2001（1）：1－4.

［2］ Hussain A，Mahmood H.Notes：current status and expectations［J］.European Surgery，2008，40 （4）：176－186.

［3］ 刘鸿文.材料力学Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］ Milton E，Aguirre Jr.Design and optimization of narrowgauge contact－aided compliant mechanisms for advanced minimally invasive surgery［D］.Pennsylvania：The Pennsylvania State University，2011：18－22.