经皮冠状动脉手术操作平台的研制

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 3.2MB 54 页 15积分

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摘要

冠心病是严重威胁人类的一种心血管疾病，它的治疗方法有三种，其中介入

治疗是一种创伤小、痛苦少、恢复快、并发症少以及效果好的治疗方法，也是治

疗冠心病以及其他血管疾病的主要方法之一。

传统的介入治疗手术主要是由医生徒手操作完成。因此，手术中存在有很多

人为不确定因素，会影响手术质量，手术质量因人因地而异；手术是在射线环境

下完成，较长的手术时间对医生和病人身体造成不必要的损伤；而且手术没有统

一的操作规范和操作台。

针对以上问题国内外研制出了机器人系统，辅助医生完成手术，且已有产品

用于临床。但是，机器人系统还存在一些不足和缺陷，本研究经过临床调研，以

继承医生经验、惠及所有临床手术为目标，研制了一种手术操作台装置，来实现

辅助医生手术，提高手术质量的目的。

在方案设计方面，本研究以临床调研和文献调研为依据，结合工程技术知识，

利用三维软件设计操作台装置方案；借用有限元分析软件优选设计方案。操作台

样机采用数控机床加工完成，导丝夹采用激光快速成型加工完成。

在实验评估方面，本研究分别采用了实验室实验评估和临床动物实验评估两

种手段评估操作台。实验室评估方案，采用搭建模拟人体主冠脉和左状冠脉几何

模型的实验循环系统，模拟主要手术步骤来初步评估操作台装置的性能的方法，

并记录关键数据，并对操作台装置进行初步改进；动物评估方案，采用神经血管

介入手术为实验路径，模拟血管介入手术中球囊导管和导丝交换过程，评估操作

台装置的性能，记录关键数据，听取术者对操作台的使用感受和改进建议，得出

操作台装置的最后改进方案。

经过实验评估证明，操作台装置的主要参数都满足临床要求，包括尺寸设计、

结构设计、导丝夹夹紧力等，所以操作台装置的设计满足设计目标。希望操作台

装置经过后期改进后，能够更加适用于临床。

关键词：冠心病介入治疗操作台方案设计实验评估

ABSTRACT

Coronary artery disease is a serious threat to human cardiovascular disease, it's

treatment has 3 kinds, the intervention was a small trauma, less pain, rapid recovery,

less complications and good effect treatment method. Nowadays, it’s the main treatment

of coronary heart disease and other vascular disease .

The traditional intervention surgical is mainly completed by the doctor unarmed.

Therefore, there are many uncertain anthropic factors in the operation, which will influ-

ence surgery quality; Surgery has no unified operation norm and work station, accord-

ing to different person or ground, the surgery quality will be different; The operation

was completed in ray environment, longer operating time will cause unnecessary dam-

age to doctor and patient body.

According to the problems, the robots auxiliary system is developed at home and

abroad, it can assist doctors to complete the operation. But, robot system also has some

deficiencies and defects. After clinical research, in order to inheriting the doctor

experience, benefiting all clinical surgery, this study develop a auxiliary work station

device, to realizing the assist and improving the quality of surgery.

The clinical research and literature investigation are as the basis, combining with

engineering technology, using 3D software to design work station equipment ; Using

finite element analysis software and mechanical theory knowledge to choose the better

project. Prototype is respectively processed by numerical control machine tool and laser

rapid prototyping.

In the evaluation, this research uses two phased evaluation experiment ,including

the laboratory experiment evaluation and the clinical trials evalution. In the laboratory

and animal evaluation plan, simulating the process of exchanging the balloon catheter

and the guide wire in the intervention operation, recording the key data and listening to

the using experience, determining the last improvement plan of the work station.

After experimental evaluation certificates, the design of the work station meets the

design goal, main parameters are meetting clinical requirements, including size design,

structural design, the clamping force of the guid wire clip, etc. Hoping the work station

after improvement, be more applicable to clinical.

Keywords: coronary heart disease, operating platform, percutaneous

coronary intervention, schematic design, experimental

evaluation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

1.1 引言 ..................................................................................................................... 1

1.2 冠心病治疗方法 ................................................................................................. 1

1.3 国内外研究现状 ................................................................................................. 3

1.3.1 介入手术中的主要工具 ........................................................................... 3

1.3.2 辅助导管插入机器人 ............................................................................... 5

1.4 课题来源和研究目的及意义 ............................................................................. 8

1.4.1 课题来源 ................................................................................................... 8

1.4.2 研究目的及意义 ....................................................................................... 8

1.5 研究主要内容 ..................................................................................................... 9

第二章操作台及导丝夹的设计 ...................................................................................10

2.1 引言 ................................................................................................................... 10

2.2 临床分析 ........................................................................................................... 10

2.2.1 临床调研 ................................................................................................. 10

2.2.2 冠脉介入手术步骤 ................................................................................. 12

2.3 设计目标 ........................................................................................................... 12

2.4 方案设计 ........................................................................................................... 13

2.4.1 材料选择 ................................................................................................. 13

2.4.2 整体方案设计 ......................................................................................... 16

2.4.3 操作台方案设计 ..................................................................................... 16

2.4.4 导丝夹方案设计 ..................................................................................... 18

2.4.5 优选导丝夹设计 ..................................................................................... 20

2.5 本章小结 ........................................................................................................... 23

第三章样机加工与消毒 ...............................................................................................24

3.1 引言 ................................................................................................................... 24

3.2 样机加工 ........................................................................................................... 24

3.2.1 激光快速成型 ......................................................................................... 24

3.3 样机消毒 ........................................................................................................... 27

3.4 本章小结 .......................................................................................................... 28

第四章操作台及导丝夹的实验室验证 .......................................................................29

4.1 引言 ................................................................................................................... 29

4.2 材料和方法 ....................................................................................................... 29

4.2.1 实验材料及仪器 ..................................................................................... 29

4.2.2 体外循环系统的建立 ............................................................................. 32

4.2.3 操作台及导丝夹实验测试 ..................................................................... 34

4.3 讨论 ................................................................................................................... 35

4.3.1 实验模型建立的应用价值 ..................................................................... 35

4.3.2 测试结果 ................................................................................................. 36

4.3.3 本研究的不足和缺陷 ............................................................................. 37

4.4 结论 ................................................................................................................... 37

第五章临床动物实验验证 ...........................................................................................38

5.1 引言 ................................................................................................................... 38

5.2 材料与方法 ....................................................................................................... 39

5.2.1 材料及仪器 ............................................................................................. 39

5.2.2 实验过程 ................................................................................................. 39

5.2.2 实验结果 ................................................................................................. 42

5.3 讨论 ................................................................................................................... 44

5.4 结论 ................................................................................................................... 44

第六章总结与展望 .......................................................................................................45

6.1 课题总结 ........................................................................................................... 45

6.2 展望 ................................................................................................................... 46

参考文献 .........................................................................................................................47

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................51

致谢 .................................................................................................................................52

第一章绪论

1.1 引言

冠心病是心血管疾病中较常见的一种疾病,它是冠状动脉粥样硬化性心脏病的

简称,主要是指供给心脏营养物质的血管-冠状动脉发生严重粥样硬化或痉挛,使冠

状动脉狭窄或阻塞,以及形成血栓,造成管腔闭塞,导致心肌缺血缺氧或坏死的一种

心脏病,亦称缺血性心脏病,在临床上主要表现为心绞痛、心肌梗塞、心肌硬化、猝

死等[1]。目前，冠心病是严重危害人类健康的疾病之一，在美国和欧洲这些发达国

家由于疾病死亡的人中有 40%是死于冠心病[2],在我国属于较低发病的国家，但目

前发病率和死亡率开始上升[3]。相关调查显示：我国城市居民冠心病发病率约为

6%[4,5]。世界卫生组织的年度统计报告显示，2002 年我国冠心病的年龄标化死亡率

为69/10 万，年龄标化的伤残调整生命年为 356/10 万人年[6]。据专家预测未来 10

年，在我国中年群体中冠心病发病率女性将增加 19%，男性将增加 26% [7]。冠心

病发病率的不断攀高，将使急性心血管事件的死亡率升高，这将严重威胁人们的

健康。给予冠心病患者及时有效的治疗，有助于缓解症状，降低后续急性心血管

事件的发生率，提高患者生活质量，延长患者生命。

1.2 冠心病治疗方法

随着冠心病发病率的不断提高，冠心病治疗手术的推广普及也受到越来越多

医生、专家和相关人士的重视。目前,冠心病的治疗方法主要有药物治疗、外科搭

桥手术和介入治疗手术三种方式：

1. 药物治疗：这种方法可以缓解心绞痛症状和稳定病情,某些药物也可以延

缓或减轻冠状动脉粥样硬化的发展进程，是冠心病的基础疗法。

2. 外科搭桥手术（Coronary artery bypass grafting, CABG）：该方法是借用患

者自己的一段静脉或动脉血管，利用外科开胸手术的方法，将发生狭窄或

闭塞的冠状动脉的两端联接起来,建立起可恢复冠脉血流通过的旁路。这

种手术是开展最早、现今仍被广泛采用的外科治疗方法,但是它还存在着

明显的缺点，除了具有常规大手术显而易见的弊端外，其材料使用寿命亦

是限制因素（动脉搭桥平均寿命 10 年左右，静脉在 5年左右）。

3. 介入治疗手术：即经皮冠状动脉介入术（Percutaneous coronary intervention,

PCI）有别于心外科冠脉搭桥手术 ,是专门通过体外心导管操作进行冠心

经皮冠状动脉手术操作平台的研制

病诊断与治疗的一项新技术。纵观的发展史,可以看出,除了冠脉造影技术

外,大致经历了三个发展阶段①经皮冠状动脉腔内成形术(Percutaneous

transluminal coronary angioplasty,PTCA)的建立；②冠状动脉内支架（Coro-

nary artery stenting,CAS）的建立；③冠状动脉药物洗脱支架（Coronary drug

eluting stent,DES）的研制及应用。

a）经皮冠状动脉腔内成形术（PTCA）

PTCA 的研究始于 20 世纪 70 年代。1977 年9月,Andreas Gruentzing 首次

进行了 PTCA 实验,并于次年使 PTCA 临床试验获得成功。PTCA 因损伤

小、疗效好和操作相对简单而得到迅速发展。以美国为例,自Myles 和

Sterter 等于 1978 年将 PTCA 从欧洲引进美国后，经过 10 余年的推广应

用,取得了巨大成功。到 1990 年一年就完成了 PTCA 20 余万例；1991 年

达到 35 万例,与冠脉搭桥（CABG）例数相当；1992 年高达 40 余万例,

超过了 CABG 成为冠心病治疗的重要手段。目前，PTCA 已在全世界推

广应用，每年接受 PTCA 治疗的冠心病患者多达 200 余万例，成为冠心

病血运重建的主要方法。

b）冠状动脉内支架术(CAS)

尽管 PTCA 得到了广泛应用,但仍存在一些问题,其主要表现在术后再狭窄

率高约为(35%-45%)。导致 PCTA 再狭窄率高的因素有多种,大致可分为

两类其一是在 PTCA 过程中因严重的内膜撕裂及血管夹层而引发的急性血

管闭塞和血管壁的弹性回缩；其二是因冠脉内壁损伤而造成的亚急性血栓

形成和平滑肌细胞（SMC）过度增生与迁移。为此,自20 世纪 80 年代, 在

PTCA 基础上又研发出一些新的介入治疗技术如冠状动脉内支架置人术、

旋磨术、定向旋切术、抽吸术和激光血管成形术等。这些技术与 PTCA 相

辅相成,展现出冠心病介人治疗的广阔应用前景,其中得到广泛临床应用

的是冠状动脉支架术。临床实践表明,该技术能有效地解决 PTCA 过程出

现的急性血管闭塞和血管壁的弹回缩,可使 PTCA 术后再狭窄率由 35%-

45%降至 13%-18%[8]。

血管支架（Stent）是用于治疗冠心病等血管性疾病的一种植入血管狭窄性

病变区的金属丝网管状器械，它具有良好的可塑性和几何稳定性，于闭合

状态下经导管送至血管病变部位，再用气囊扩张的方法使之张开，从而起

到支撑血管壁的作用。冠状动脉内支架术的研究始于 1986 年Jucques 将支

架置入人的冠状动脉的实验。与此同时,美国 Cook 公司 Gianturco -Roubin

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摘要：

摘要冠心病是严重威胁人类的一种心血管疾病，它的治疗方法有三种，其中介入治疗是一种创伤小、痛苦少、恢复快、并发症少以及效果好的治疗方法，也是治疗冠心病以及其他血管疾病的主要方法之一。传统的介入治疗手术主要是由医生徒手操作完成。因此，手术中存在有很多人为不确定因素，会影响手术质量，手术质量因人因地而异；手术是在射线环境下完成，较长的手术时间对医生和病人身体造成不必要的损伤；而且手术没有统一的操作规范和操作台。针对以上问题国内外研制出了机器人系统，辅助医生完成手术，且已有产品用于临床。但是，机器人系统还存在一些不足和缺陷，本研究经过临床调研，以继承医生经验、惠及所有临床手术为目标，研制了一种手术操作...

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