Объявление результатов

Мы революционно представили новый тип двунаправленной шарнирной трубки, основанной на структуре «блокировочной головоломки», обеспечивающей идеальное единство точного-прогиба в одной плоскости и высокого сопротивления изгибу. Эта конструкция, благодаря уникальной схеме лазерной-вырезки, ограничивает изгибающее движение одной плоскостью (направление вверх/вниз), сохраняя при этом осевое усилие и возможность передачи крутящего момента 1:1. Благодаря биомеханическим испытаниям точность угла отклонения новой шарнирной трубки достигает ±0,3 градуса, жесткость осевого сжатия увеличивается на 40%, а жесткость на кручение увеличивается на 35%. Это обеспечивает беспрецедентный уровень точности контроля при сложных внутриполостных операциях.

Основные проблемы исследований и разработок

Традиционная конструкция шарнирной трубки имеет три основных структурных недостатка. Во-первых, существует проблема соединения с несколькими-степенью--свободы. Большинство шарнирных трубок во время изгиба совершают ненужные боковые движения и вращения, что делает управление непредсказуемым. Во-вторых, существует противоречие между осевой жесткостью и гибкостью при изгибе. Повышение гибкости неизбежно приносит в жертву мощность передачи тяги и крутящего момента. В-третьих, усталостное разрушение происходит из-за концентрации напряжений. Традиционная схема резки образует точки концентрации напряжений в соединениях, становясь источником усталостных трещин. Инженерный анализ показывает, что традиционная шарнирная трубка спирального-разреза при изгибе создает боковой поворот до 15 градусов, а при работе в мелкоанатомической зоне может отклоняться от заданного на 3-5 миллиметров. Моделирование методом конечных элементов показывает, что коэффициент концентрации напряжений традиционной конструкции составляет 3,2–4,5, тогда как в новой конструкции блокировки можно снизить до 1,8–2,2.

Основные технологические инновации

1. Структура бионической взаимосвязанной головоломки:Вдохновленный фасеточными суставами человеческого позвоночника, был создан двусторонний-пазл,-похожий на разрезы. Каждый шарнирный узел состоит поочередно из выпуклых и вогнутых структур, при этом выпуклая часть встроена в вогнутую часть для образования механического соединения. Такая конструкция ограничивает движение в одной плоскости, одновременно распределяя напряжение за счет поверхностного контакта, снижая коэффициент концентрации напряжения на 55%. Зазор в суставе точно контролируется на уровне 15 ± 1 микрометра, что обеспечивает плавное и беспрепятственное движение.
2. Конструкция с градиентом переменной жесткости:По длине трубки предусмотрен градиент жесткости. В проксимальном сегменте используется структура высокой-жесткости (низкая плотность соединения и большая толщина стенок), обеспечивающая передачу тяги и крутящего момента; средний сегмент использует модель средней-жесткости, балансируя контроль и поддержку; в дистальном сегменте используется шаблон высокой-гибкости (высокая плотность соединений и небольшая толщина стенок), что позволяет добиться большого-углового отклонения. Благодаря параметрическому моделированию для оптимизации распределения жесткости устройство сохраняет оптимальную форму при прохождении по изогнутому анатомическому пути.
3. Встроенные направляющие каналы для проволоки:Внутри стенки трубы предусмотрен специальный направляющий канал для проволоки, образованный путем лазерной резки полу-закрытой направляющей. Внутренняя поверхность канала специально отполирована (Ra меньше или равна 0,05 микрометра), что снижает трение проволоки. Поперечное-сечение канала оптимизировано так, чтобы оно имело эллиптическую-подобную форму, образуя линейный контакт, а не точечный контакт с круглым проводом, что снижает коэффициент трения с 0,15 до 0,08. Направляющий канал обеспечивает постоянное движение проволоки по заданному пути, исключая боковое отклонение.

Механизм действия

Суть инновационного структурного проектирования заключается в «развязке и оптимизации». С точки зрения кинематической развязки, взаимосвязанная структура-головоломка устраняет боковые степени свободы из-за геометрических ограничений, обеспечивая чистое плоское движение; при затягивании проволоки выпуклая и вогнутая структуры сцепляются друг с другом, образуя жесткое соединение, передающее тягу и крутящий момент. С точки зрения механической оптимизации конструкция переменной жесткости позволяет инструменту адаптироваться к требованиям различных анатомических сегментов: в прямом сегменте (например, среднем сегменте мочеточника) для поддержания стабильности формы требуется высокая жесткость; в изогнутом сегменте (например, в месте соединения почечной лоханки-мочеточника) необходима соответствующая гибкость для соответствия анатомии; в целевой области (например, чашечке почки) для достижения большого-углового отклонения требуется высокая гибкость. Что касается динамики жидкости, оптимизированная схема резки снижает сопротивление потоку, увеличивая скорость потока на 25% в условиях перфузии и улучшая визуальную четкость.

Проверка эффективности

В симуляционных анатомических моделях новый тип шарнирной трубки показал себя исключительно хорошо: в симуляционной модели мочеточника вероятность успешного прохождения инструмента через изогнутую секцию увеличилась с 82% до 98%; в имитационной модели сердца время достижения катетером целевой точки сократилось на 35%; Проверка точности отклонения показала, что отклонение между заданным углом и фактическим углом составило всего 0.2 - 0.5 градуса, а точность повторяемости достигла 0,1 градуса. В ходе испытания на усталость при изгибе ±90 градусов и частоте 3 Гц срок службы новой конструкции составил 750 000 циклов, что в 2,5 раза больше, чем у традиционной конструкции. Многоцентровое клиническое исследование показало, что при чрескожной нефролитотомии частота входа чашечек почки увеличивалась с 76% до 92%; при лазерной энуклеации простаты эффективность резекции тканей повышалась на 30%; при аблационной хирургии фибрилляции предсердий стабильность адгезии катетера к тканям повышалась на 40%. Опрос опыта работы врачей показал, что 93% хирургов считают, что новая конструкция повысила точность и предсказуемость управления.

Стратегия и философия исследований и разработок

Мы отстаиваем инновационную концепцию «структура служит функции, дизайн берет свое начало из клинической практики» и создали замкнутую-систему исследований и разработок CDIO (клинический спрос - дизайн - реализация - эксплуатация). На этапе клинического спроса с помощью хирургического видеоанализа и интервью с врачами было выявлено 128 ключевых точек спроса; на этапе проектирования были приняты оптимизация топологии и генеративное проектирование для поиска оптимальной структуры при функциональных ограничениях; на этапе внедрения были проведены быстрые итерации прототипирования посредством аддитивного производства, при этом каждый цикл проектирования был сокращен до 2 недель; на этапе эксплуатации была создана база данных клинических отзывов для постоянной оптимизации конструкции. Мы установили партнерские отношения с 23 ведущими медицинскими центрами по всему миру, ежегодно собирая более 500 хирургических данных для разработки новых продуктов. В то же время мы разработали платформу виртуального тестирования на основе конечных элементов, которая позволяет прогнозировать характеристики продукта еще до начала производства, сокращая физические испытания на 70%.

Перспективы на будущее

Структурный дизайн будет развиваться в сторону интеллекта, адаптируемости и персонализации. Мы разрабатываем шарнирные трубки с «переменной жесткостью», которые могут обеспечить регулировку жесткости в-времени во время работы с помощью электроактивных материалов или сплавов с памятью формы; разработка «много-плоскостных» шарнирных трубок, которые могут независимо отклоняться в двух ортогональных плоскостях за счет комбинаций волочения проволоки; изучение «биологических перистальтических» структур для имитации кишечных перистальтических волн для самостоятельного-движения. В 2028 году мы выпустим интеллектуальные шарнирные трубки с «тактильной обратной связью», которые смогут определять силу контакта с тканью с помощью волоконно-оптических решетчатых датчиков и передавать информацию обратно на управляющую ручку. Заглядывая в будущее, можно сказать, что на основе 4D-печати станут возможными структуры «ростового типа». Инструменты могут адаптивно изменять свою форму в организме в соответствии с анатомической средой, достигая настоящей «интеллектуальной адаптации», внося революционные изменения в хирургию естественных полостей.