Обявяване на резултатите

Революционно въведохме нов тип двупосочна шарнирна тръба, базирана на структурата на „заключващ пъзел“, постигайки перфектно единство на прецизно отклонение в една -равнина и висока устойчивост на огъване. Този дизайн чрез уникален модел на лазерно{2}}рязане ограничава движението на огъване до една равнина (посока нагоре/надолу), като същевременно поддържа аксиална тяга и възможност за предаване на въртящ момент 1:1. Чрез биомеханични тестове, точността на ъгъла на отклонение на новата шарнирна тръба достига ±0,3 градуса, аксиалната твърдост на компресия се увеличава с 40%, а твърдостта на усукване се увеличава с 35%. Това осигурява безпрецедентно ниво на контролна точност за сложни интракавитарни операции.

Основни предизвикателства за научноизследователска и развойна дейност

Традиционният дизайн на шарнирната тръба има три основни структурни недостатъка: Първо, съществува проблемът с множество-степени-на-свързване на свобода. Повечето шарнирни тръби показват ненужни странични движения и завъртания по време на огъване, което прави управлението непредвидимо. Второ, има противоречие между аксиалната твърдост и гъвкавостта на огъване. Увеличаването на гъвкавостта непременно жертва капацитета за предаване на тягата и въртящия момент. Трето, отказ от умора възниква поради концентрация на стрес. Традиционният модел на рязане образува точки на концентрация на напрежение в ставите, превръщайки се в източник на пукнатини от умора. Инженерният анализ показва, че традиционната спираловидно-рязана шарнирна тръба генерира странично завъртане до 15 градуса по време на огъване и когато работи във фината анатомична област, може да се отклони от целта с 3-5 милиметра. Симулацията с краен елемент показва, че коефициентът на концентрация на напрежението на традиционния дизайн е 3,2-4,5, докато новият блокиращ дизайн може да бъде намален до 1,8-2,2.

Основни технологични иновации

1. Бионична взаимосвързана структура на пъзела:Вдъхновен от фасетните стави на човешкия гръбначен стълб, беше проектиран двупосочен преплитащ се пъзел-, подобен на режещ модел. Всяка съвместна единица е съставена последователно от изпъкнали и вдлъбнати структури, като изпъкналата част е вградена във вдлъбнатата част, за да образува механично заключване. Този дизайн ограничава движението до една равнина, като същевременно разпръсква напрежението чрез повърхностен контакт, намалявайки коефициента на концентрация на напрежението с 55%. Междината на ставата се контролира прецизно на 15 ± 1 микрометра, осигурявайки плавно и безпрепятствено движение.
2. Градиентен дизайн с променлива твърдост:По дължината на тръбата е проектиран градиент на твърдост. Проксималният сегмент използва модел с висока -твърдост (ниска плътност на ставите и голяма дебелина на стената), осигуряващ предаване на тяга и въртящ момент; средният сегмент използва модел със средна-твърдост, контрол на баланса и опора; дисталният сегмент използва модел с висока-гъвкавост (висока плътност на ставите и малка дебелина на стената), постигайки голям-ъгъл на отклонение. Чрез параметрично моделиране за оптимизиране на разпределението на твърдостта, устройството поддържа оптимална форма при преминаване през извитата анатомична пътека.
3. Интегрирани проводникови канали:Вътре в стената на тръбата е проектиран специален канал за насочване на тел, оформен чрез лазерно рязане в полу-затворена водеща релса. Вътрешната повърхност на канала е специално полирана (Ra По-малко или равно на 0,05 микрометра), намалявайки триенето на проводника. Напречното-сечение на канала е оптимизирано да бъде елипсовидно-, образувайки линеен контакт, а не точков контакт с кръглия проводник, намалявайки коефициента на триене от 0,15 на 0,08. Водещият канал гарантира, че телта винаги се движи по предварително зададения път, елиминирайки страничното отклонение.

Механизъм на действие

Ядрото на иновативния структурен дизайн се крие в „отделянето и оптимизирането“. От гледна точка на кинематичното отделяне, взаимосвързаната структура на пъзела елиминира страничните степени на свобода чрез геометрични ограничения, което позволява чисто планарно движение; когато жицата се затегне, изпъкналата и вдлъбната структура се зацепват една с друга, образувайки твърда връзка, която предава тяга и въртящ момент. По отношение на механичната оптимизация, дизайнът с променлива твърдост позволява на инструмента да се адаптира към изискванията на различни анатомични сегменти: в правия сегмент (като средния сегмент на уретера) е необходима висока твърдост, за да се поддържа стабилността на формата; в извития сегмент (като бъбречното легенче-уретерно съединение) е необходима подходяща гъвкавост, за да се приспособи към анатомията; в целевата област (като бъбречната чашка) е необходима голяма гъвкавост, за да се постигне голям-ъгъл на отклонение. По отношение на динамиката на течността, оптимизираният модел на рязане намалява съпротивлението на потока, с 25% увеличение на скоростта на потока при условия на перфузия и подобрена визуална яснота.

Проверка на ефикасността

В симулационните анатомични модели новият тип шарнирна тръба се представи изключително добре: в модела на симулационния уретер процентът на успех на инструмента, преминаващ през извитата секция, се увеличи от 82% на 98%; в симулационния модел на сърцето, времето за достигане на катетъра до целевата точка е съкратено с 35%; тестът за точност на отклонението показа, че отклонението между зададения ъгъл и действителния ъгъл е само 0.2 - 0.5 градуса, а точността на повторяемост достига 0,1 градуса. При теста за умора, при условие на огъване на ±90 градуса и 3Hz, новият дизайн има живот от 750 000 цикъла, което е 2,5 пъти повече от традиционния дизайн. Многоцентровото клинично проучване показа, че при перкутанна нефролитотомия процентът на навлизане в бъбречната чашка се е увеличил от 76% на 92%; при лазерна енуклеация на простатата ефективността на тъканната резекция се увеличава с 30%; при операция за аблация на предсърдно мъждене, стабилността на адхезията на катетъра към тъканта се увеличава с 40%. Проучването на оперативния опит на лекарите показа, че 93% от хирурзите смятат, че новият дизайн подобрява точността и предвидимостта на контрола.

Стратегия и философия за научни изследвания и развитие

Ние подкрепяме новаторската концепция за „структурата служи на функцията, дизайнът произлиза от клиничната практика“ и създадохме CDIO (Клинично търсене - Дизайн - Изпълнение - Операция) затворена-система за научноизследователска и развойна дейност. В етапа на клинично търсене, чрез хирургичен видео анализ и интервюта с лекар, бяха извлечени 128 ключови точки на търсене; в етапа на проектиране бяха приети оптимизация на топологията и генеративен дизайн, за да се намери оптималната структура при функционални ограничения; в етапа на внедряване бяха извършени бързи повторения на прототипиране чрез адитивно производство, като всеки цикъл на проектиране беше съкратен до 2 седмици; в етапа на експлоатация беше създадена база данни с клинична обратна връзка за непрекъснато оптимизиране на дизайна. Установихме партньорства с 23 водещи медицински центъра по света, събирайки над 500 хирургични данни всяка година, за да стимулираме продуктовите итерации. В същото време разработихме платформа за виртуално тестване, базирана на крайни елементи, която може да предвиди производителността на продукта преди производството, намалявайки физическото тестване със 70%.

Бъдеща перспектива

Структурният дизайн ще се развие към интелигентност, адаптивност и персонализация. Ние разработваме шарнирни тръби с „променлива твърдост“, които могат да постигнат-регулиране на твърдостта в реално време по време на работа чрез електроактивни материали или сплави с памет на формата; разработване на "мулти-равнинни" шарнирни тръби, които могат независимо да се отклоняват в две ортогонални равнини чрез комбинации за теглене на тел; изследване на „биологични перисталтични“ структури за симулиране на чревни перисталтични вълни за само-задвижване. През 2028 г. ще пуснем интелигентни шарнирни тръби с „тактилна обратна връзка“, които могат да усетят силата на контакт с тъканите чрез сензори с оптична решетка и да подадат информацията обратно към дръжката за работа. Гледайки по-напред, на базата на 4D принтиране ще станат възможни структури от тип „растеж-“. Инструментите могат адаптивно да променят своите форми в тялото според анатомичната среда, постигайки истинска "интелигентна адаптация", внасяйки революционни промени в операциите с естествена кухина.