【摘 要】
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膀胱运动障碍(underactive bladder,UAB)患者由于膀胱在排尿过程中无法有效收缩出现排尿时间延长,膀胱排空不完全,导致严重的泌尿系统问题。UAB在老年人群体内有极高的发病率,其直接原因是膀胱壁内的逼尿肌无法正常收缩导致排尿过程中膀胱内压力无法主动升高。目前,尚无有效的治疗方法可以恢复膀胱的收缩能力。因此,设计一种人工逼尿肌提供机械辅助手段以重建膀胱收缩有望成为解决UAB的途径。新
【基金项目】
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华中科技大学创新基金(课题编号:2019kfyXKJC070):植入式磁控柔性人工逼尿肌关键技术研究;
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膀胱运动障碍(underactive bladder,UAB)患者由于膀胱在排尿过程中无法有效收缩出现排尿时间延长,膀胱排空不完全,导致严重的泌尿系统问题。UAB在老年人群体内有极高的发病率,其直接原因是膀胱壁内的逼尿肌无法正常收缩导致排尿过程中膀胱内压力无法主动升高。目前,尚无有效的治疗方法可以恢复膀胱的收缩能力。因此,设计一种人工逼尿肌提供机械辅助手段以重建膀胱收缩有望成为解决UAB的途径。新兴的磁控柔性机器人技术具有无绳操控,快速响应,输出力大,生物安全等优势,有望在植入式辅助排尿器件中发挥极大的作用。然而,利用磁控柔性机器人系统构建人工逼尿肌仍在功能实现,结构设计,仿真优化等方面存在许多挑战。本文提出了一个可定制化的植入式磁控柔性人工逼尿肌设计方法,通过压缩膀胱来增加膀胱内压来辅助排尿。以正常膀胱排尿的特点为参考并充分考量了植入患者体内后的应用需求,开展了磁控柔性人工逼尿肌系统的关键技术研究。首先,基于正常膀胱的形状及运动特点,将人工逼尿肌设计为与膀胱同形的磁驱动挤压腔,其磁响应运动方向与尿路方向一致。由于内嵌有坚硬磁颗粒的磁响应软材料具有较高的模量与密度,因此磁响应材料组成的驱动部件分布式地布置于人工逼尿肌的硅胶框架之上。为实现恢复病变膀胱的尿动力学参数的功能,预测人工逼尿肌挤压膀胱产生压力的核心功能数值,建立了液压-磁软体功能仿真分析技术来完善人工逼尿肌的设计。考虑到磁场中梯度磁场的对软体机器人位移移动的关键作用,并且系统体积过大,不宜采用电磁铁作为人工逼尿肌驱动磁场。明确使用永磁体作为人工逼尿肌驱动磁场后,对永磁体的外部磁场进行了理论计算,并集成到运动仿真的子程序中。在前期磁响应软材料的仿真技术的基础上,改进优化了Abaqus中的UEL仿真代码,实现了非均匀磁场中的磁控柔性机器人的运动仿真。最后,为预测磁控柔性机器人挤压膀胱时输出的压力,建立了优化后的水压-磁-软材料的多场耦合仿真模型。针对患者的排尿压力差异化需求,利用该技术完成人工逼尿肌高效轻量化结构的筛选优化。综上,这种可辅助膀胱排尿的磁控柔性机器人工逼尿肌,具有合理的结构与驱动方式,可以完成挤压尿液排出功能的替代。针对人工逼尿肌核心功能实现的设计与分析,完善了磁控软体机器人的仿真建模方法,实现了磁控机器人液压驱动力的计算。围绕患者的差异性需求,建立了一种可以以特定数值压力输出为目的的仿真优化设计方法,高效的获取最优的设计结果。
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