茎突剥离器的优化设计研究

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目的:针对经口入路手术治疗茎突综合征时出现的茎突分离暴露困难及茎突折断等问题,对传统茎突手术器械的形状和规格进行优化,设计一种适用于全麻方式、符合茎突及口腔解剖特征的手术器械,并从生物力学角度验证其优越性。方法:选取2021年8月至2022年1月期间就诊于大连医科大学附属第二医院耳鼻喉科,诊断为茎突综合征的患者36人。对以上患者于经口入路茎突手术体位下行多层螺旋CT(multislice computed tomography,MSCT)检查,利用MSCT的后处理功能及Mimics软件对茎突的长度、茎突根部的直径及茎突和口角标志点的坐标进行测量并统计,根据统计数据对传统手术器械的结构及参数进行优化设计。选取1例茎突综合症患者的茎突CT图像,利用Mimics软件识别边界,建立茎突和口唇的简化三维数值模型,利用Ug10.0对传统手术器械及优化后的茎突剥离器分别进行建模,利用Geomagic Studio软件进行网格医生、光滑、拟合曲面等处理,利用Solid Works软件对茎突-口唇模型及器械模型进行装配后导入Ansys软件进行有限元分析,动态分析模拟手术过程。对比传统器械及优化后茎突剥离器对茎突及口角的应力和茎突的大小,分析优化后茎突剥离器的优越性。最后,利用3D打印技术将设计好的茎突剥离器模型加工成品应用于临床。结果:1.通过测量、统计及计算得到茎突长度l、茎突根部直径d及茎突尖点B、口角点C、口外点D三个标志点坐标,求得平均值:l:32.03mm,d:4.83mm,B(13,10,25),C(64,-68,-48),D(-76,78,-74)。2.通过对影像资料的测量统计和临床设计,得到的优化后的茎突剥离器:优化后的茎突剥离器包括环形剥离圈、垂直操作杆、弧形操作杆和手柄四部分,垂直操作杆的一端垂直连接于环形剥离圈外壁,另一端与弧形操作杆相连,在弧形操作杆的末端连接同垂直操作杆平行的手柄。该剥离器的初始规格为:垂直操作杆为40mm,茎突剥离圈的内径为5mm,弧形操作杆的圆弧弧度为1.45,弧长为112.3mm。3.对装配好的两组茎突-口唇和器械模型施加相同的约束及载荷,对茎突根部予以固定约束,对器械施加沿茎突长轴方向5mm的移动距离,得到两组模型中器械作用于茎突及口角的最大Von-Mises值和茎突骨质的最大形变量:传统茎突手术器械作用于茎突的应力最大值为100.16MPa,作用于口角的应力最大值为0.01MPa,茎突的最大变形量为2.19mm;优化后的茎突剥离器作用于茎突的应力最大值为28.47MPa,作用于口角的应力最大值为0.0002MPa,茎突的最大变形量为0.54mm。结论:1.从生物力学角度而言,优化后的茎突剥离器更适用于全麻方式,在一定程度上避免了无法充分暴露茎突所致的切除长度不够以及术中折断茎突等风险,符合茎突及口腔解剖特征,适于临床应用。2.本实验利用有限元分析方法动态分析模拟手术过程,使整个操作变得可视化,清晰地展示了操作过程中模型应力及变形量的大小和分布,为手术器械的设计提供新的研究方法。同时,本研究提供了茎突器械开发所需的茎突相关参数,为临床设计提供了客观的数值依据。
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