微创仿生载能刀具与软组织手术切削原理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51475029
项目类别：
面上项目
资助金额：
125.0万
负责人：
张德远
依托单位：
北京航空航天大学
学科分类：
E0507.机械仿生学与生物制造
结题年份：
2018
批准年份：
2014
项目状态：
已结题
起止时间：
2015-01-01 至2018-12-31

项目参与者：
张为远；吕建路；袁黎明；许勇刚；金娅；刘亚君；安宁；马协力；李晋生；
关键词：
仿生设计生物制造

项目摘要

Eletro and ultrasonic scalpel was mainly used to cutting tissue in minimally invasive surgery. As structural characteristics of such energy-based scalpel, dull knife was taken to stop bleeding and cut apart tissue, which commonly results in large tissue damage such as tissue carbonization, adhesion. To overcome drawback of energy-based dull knife, non-dull knife with bio-inspired tooth was proposed on basis of our recent research. Apart from investigation of morphology of natural creative mouthparts, its cutting mechanism is experimentally and theoretically studied to provide inspiration for scalpel tooth design. Moreover, tissue cutting mechanism will be built for improving minimally invasive surgery.

软组织微创手术多采用"钝型刃口"的高频电刀或超声刀，深止血与厚切削时易产生创面过烧，不利于创面愈合，易导致手术事故，引发并发症、后遗症。本课题组前期研究发现自然动物的牙口结构大量存在高效施能的"波型刃口"结构形式，因此，本项目提出一种"波型刃口"载能刀具的仿生设计方法，并对软组织载能手术切削原理进行深入研究，旨在提升微创手术载能刀具的安全止血与精细切削匹配性能，有望在微创载能精准手术切削效能上取得新的突破。针对钝型载能刀具切削软组织的创伤大、效率低等问题，尝试建立波型仿生载能切削新工艺、新理论，解决"载能与施能-刀具刃型-切削与止血"的匹配关系这一关键科学问题。开展典型动物牙齿或口器波型刃口特征与切削性能表征研究、微创载能刀具仿生设计研究，微创载能刀具仿生制造研究、软组织载能手术切削原理研究、微创仿生载能刀具在动物手术环境下的性能评价等研究工作，取得一批有影响力的研究成果。

结项摘要

软组织微创手术多采用“钝型刃口”的高频电刀或超声刀，深止血与厚切削时易产生创面过烧，不利于创面愈合，易导致手术事故，引发并发症、后遗症，因此精细安全的载能刀具设计与载能切削理论是微创手术器械技术的重要课题。自然生物在适应多样生存环境过程中逐渐进化形成了许多波形刃载能切割能力。通过对典型载能切割动物的优选，切叶蚁、蝈蝈等具有极其优异的载能切割和激振性能，是微创器械仿生载能切割的极佳生物样本。通过对切叶蚁和蝈蝈激振装置的结构和振动特性表征，探究了切叶蚁的软组织高效载能切割机理，揭示了蝈蝈仿生摩擦激振机理以及激振特性的调控机制，建立了仿生载能刀具的设计理论。以实现安全止血与精细切削为切入点，搭建软组织切削过程综合测试平台，对比分析了复合载能刀具的粘附力、粘附量、切割温度、热损伤区域等基本规律，建立了低损伤、快愈合的软组织载能精准手术新原理；通过改变复合载能刀具的结构参数、手术方式等因素，验证了动物手术环境下复合载能刀具在精细切割、安全止血等方面的有效性，建立了载能刀具性能指标的医学评价体系。