蠕动内镜在摩擦力作用下胃肠道的大形变

　　随着微机电技术的发展,微机器人技术有望更替有创传统内窥镜,以实现主动介入、无创诊疗的目标[1,2].牵引运动机构是微机器人的关键技术,而胃肠道由于黏滑、脆弱、崎岖,对机构的灵活、柔软、有效性、安全性等提出了特殊的要求.因此,必须对胃肠道在受到牵拉作用力作用下的变形相关模型进行研究.

　　在胃肠道受到外力作用下的变形计算方面,国内外学者从不同层面进行了研究.在生物力学特性分析上,Fung[3]进行了动物活体生物组织的力学特性研究,但是动物胃肠道在摩擦作用下的形变没有涉及.Kwon等[4]构建了肠道内的生物力学特性测试系统,研究了摩擦力在速度、直径、步距、质量上的效应,其结论受到测试环境、测试手段等诸多因素的影响,并非一种通用模型.Accoto等[5]测试了离体肠道壁上的摩擦力,探索了摩擦力产生的机制,但是这种理论距离实际的作用模型误差很大.Woojin等[6]利用仿真方法研究了与肠道软组织的接触摩擦力模型,由于缺乏有效的测试方法,其可信性还有待验证.在软组织变形计算方面,Phee等[7]基于牛顿力学推导了简单的变形与受力关系.Arturo等[8]利用实验方法测算超弹性生物软组织的力学响应本构方程的参数,可进一步用于机器人和肠道的作用建模.

　　目前,基于粘弹性肠道软组织的力学本构关系进行变形量的计算还未见报道.本文认为介入器件在运动时,其阻力来源不仅包含摩擦力,而且包含肠道内粘膜与器件的黏附,在明确所有这些阻力来源以后,再建立与组织特性相应的粘弹性力学方程,进行变形量的理论计算.

　　1　阻力测试

　　1.1　测试平台

　　测试平台如图1所示.

　　图1中,电动机电枢电流通过采样电阻和采集卡获得,进入计算机处理.假设电动机匀速运动,则根据电磁转矩与摩擦力的平衡关系可得

　　式中:f为结肠对试块的摩擦力;Ia为电枢电流;r为线轮半径;i为减速器传动比;KT为电磁转矩常数,η为减速器效率;g为重力加速度.利用提升砝码模拟测试过程对常数部分进行标定.

　　测试台采用永磁直流有刷电动机,电动机额定电压为9 V,电枢电阻为7.63Ω,空载转速6 940 r/min,减速器的传动比为1∶784,效率为0.45.使用美国国家仪器(NI)有限公司的NI USB 6008多功能数据采集卡,最大采样频率10 kHz,A/D转换精度12位.采样电阻为1.2Ω.由于猪结肠和人体结肠在形态和结构上的相似性,故在试验中选取新鲜的猪大肠试验.将猪结肠剖开,使其内部粘膜作为滑动测试平面,结肠试样呈长条形,固定在试验台上.使用生理盐水冲洗,模拟临床上对组织的清肠状态.试验使用铝、铜两种材料,试块几何尺寸如图2所示.加载质量分别为10,20,30,50,60,70,100 g.对于不同几何表面形状进行研究,除平面外,其他分别为直齿状、三角齿状和半圆齿状.