Thông báo kết quả

Chúng tôi đã giới thiệu một cách mang tính cách mạng một loại ống bản lề hai chiều mới dựa trên cấu trúc "câu đố lồng vào nhau", đạt được sự thống nhất hoàn hảo về độ lệch mặt phẳng đơn-chính xác và khả năng chống uốn cao. Thiết kế này, thông qua kiểu cắt laser-độc đáo, hạn chế chuyển động uốn trong một mặt phẳng duy nhất (hướng lên/xuống), trong khi vẫn duy trì lực đẩy dọc trục và khả năng truyền mô-men xoắn 1:1. Thông qua thử nghiệm cơ sinh học, độ chính xác góc lệch của ống bản lề mới đạt ± 0,3 độ, độ cứng nén dọc trục tăng 40% và độ cứng xoắn tăng 35%. Điều này mang lại mức độ kiểm soát chính xác chưa từng có đối với các ca phẫu thuật nội sọ phức tạp.

Những thách thức nền tảng nghiên cứu và phát triển

Thiết kế ống bản lề truyền thống có ba sai sót lớn về cấu trúc: Thứ nhất, có vấn đề về khớp nối đa{0}}bậc{1}}tự do. Hầu hết các ống bản lề đều có những chuyển động và xoay ngang không cần thiết trong quá trình uốn, khiến cho việc điều khiển không thể đoán trước được. Thứ hai, có sự mâu thuẫn giữa độ cứng dọc trục và độ linh hoạt khi uốn. Việc tăng tính linh hoạt nhất thiết phải hy sinh khả năng truyền lực đẩy và mô-men xoắn. Thứ ba, hư hỏng mỏi xảy ra do sự tập trung ứng suất. Kiểu cắt truyền thống hình thành các điểm tập trung ứng suất tại các mối nối, trở thành nguồn gốc của các vết nứt mỏi. Phân tích kỹ thuật cho thấy rằng ống bản lề cắt xoắn ốc truyền thống-tạo ra chuyển động xoay ngang lên tới 15 độ trong khi uốn và khi vận hành ở vùng giải phẫu tinh tế, nó có thể lệch khỏi mục tiêu 3-5 mm. Mô phỏng phần tử hữu hạn chỉ ra rằng hệ số tập trung ứng suất của thiết kế truyền thống là 3,2-4,5, trong khi thiết kế khóa liên động mới có thể giảm xuống 1,8-2,2.

Đổi mới công nghệ cốt lõi

1. Cấu trúc câu đố lồng vào nhau Bionic:Lấy cảm hứng từ các khớp mặt của cột sống con người, một mô hình cắt giống như-câu đố lồng vào nhau{1}}hai chiều đã được thiết kế. Mỗi bộ phận khớp bao gồm các cấu trúc lồi và lõm xen kẽ nhau, với phần lồi được gắn vào phần lõm để tạo thành khóa liên động cơ học. Thiết kế này hạn chế chuyển động trong một mặt phẳng đồng thời phân tán ứng suất thông qua tiếp xúc bề mặt, giảm hệ số tập trung ứng suất xuống 55%. Khe hở khớp được kiểm soát chính xác ở mức 15 ± 1 micromet, đảm bảo chuyển động trơn tru và không bị cản trở.
2. Thiết kế gradient độ cứng thay đổi:Độ dốc độ cứng được thiết kế dọc theo chiều dài của ống. Đoạn gần sử dụng mẫu có độ cứng-cao (mật độ khớp thấp và độ dày thành lớn), cung cấp lực đẩy và truyền mô-men xoắn; đoạn giữa sử dụng mô hình có độ cứng-trung bình, kiểm soát và hỗ trợ cân bằng; đoạn xa sử dụng mẫu có độ linh hoạt-cao (mật độ mối nối cao và độ dày thành nhỏ), đạt được độ lệch góc-lớn. Thông qua mô hình tham số để tối ưu hóa phân bố độ cứng, thiết bị duy trì hình dạng tối ưu khi đi qua đường giải phẫu cong.
3. Kênh dẫn dây tích hợp:Kênh dẫn dây chuyên dụng được thiết kế bên trong thành ống, được tạo thành bằng cách cắt laze thành ray dẫn hướng bán kín. Bề mặt bên trong của kênh được đánh bóng đặc biệt (Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 micromet), giúp giảm ma sát của dây. Mặt cắt-của kênh được tối ưu hóa giống như hình elip-, tạo thành đường tiếp xúc thay vì điểm tiếp xúc với dây tròn, làm giảm hệ số ma sát từ 0,15 xuống 0,08. Kênh dẫn hướng đảm bảo dây luôn di chuyển dọc theo đường đã định trước, loại bỏ độ lệch ngang.

Cơ chế hoạt động

Cốt lõi của thiết kế kết cấu sáng tạo nằm ở việc "tách rời và tối ưu hóa". Về mặt tách rời động học, cấu trúc câu đố lồng vào nhau giúp loại bỏ bậc tự do ngang thông qua các ràng buộc hình học, cho phép chuyển động phẳng thuần túy; khi dây được siết chặt, các cấu trúc lồi và lõm lồng vào nhau, tạo thành một liên kết cứng, truyền lực đẩy và mômen quay. Về mặt tối ưu hóa cơ học, thiết kế có độ cứng thay đổi cho phép dụng cụ thích ứng với yêu cầu của các đoạn giải phẫu khác nhau: ở đoạn thẳng (chẳng hạn như đoạn giữa của niệu quản), cần có độ cứng cao để duy trì sự ổn định hình dạng; ở đoạn cong (chẳng hạn như chỗ nối bể thận-niệu quản), cần có độ linh hoạt thích hợp để phù hợp với giải phẫu; ở vùng mục tiêu (chẳng hạn như đài thận), cần có độ linh hoạt cao để đạt được độ lệch góc-lớn. Về mặt động lực học chất lỏng, kiểu cắt được tối ưu hóa giúp giảm lực cản dòng chảy, tăng 25% tốc độ dòng chảy trong điều kiện tưới máu và cải thiện độ rõ nét của hình ảnh.

Xác minh hiệu quả

Trong các mô hình giải phẫu mô phỏng, loại ống bản lề mới hoạt động rất xuất sắc: trong mô hình niệu quản mô phỏng, tỷ lệ thành công của dụng cụ đi qua phần cong tăng từ 82% lên 98%; trong mô hình tim mô phỏng, thời gian để ống thông đến điểm đích được rút ngắn 35%; Kiểm tra độ chính xác của độ lệch cho thấy độ lệch giữa góc yêu cầu và góc thực tế chỉ là 0.2 - 0.5 độ và độ chính xác lặp lại đạt 0,1 độ. Trong thử nghiệm độ mỏi, trong điều kiện uốn cong ±90 độ và tần số 3Hz, thiết kế mới có tuổi thọ 750.000 chu kỳ, gấp 2,5 lần so với thiết kế truyền thống. Nghiên cứu lâm sàng đa trung tâm cho thấy trong phẫu thuật lấy sỏi thận qua da, tỷ lệ vào đài thận tăng từ 76% lên 92%; trong phương pháp tạo mầm bằng laser tuyến tiền liệt, hiệu quả cắt bỏ mô tăng 30%; trong phẫu thuật cắt bỏ rung nhĩ, độ ổn định của độ bám dính của ống thông với mô tăng 40%. Cuộc khảo sát về kinh nghiệm vận hành của các bác sĩ cho thấy 93% bác sĩ phẫu thuật tin rằng thiết kế mới đã cải thiện độ chính xác và khả năng dự đoán của bộ điều khiển.

Chiến lược và triết lý nghiên cứu và phát triển

Chúng tôi ủng hộ khái niệm đổi mới về "cấu trúc phục vụ chức năng, thiết kế bắt nguồn từ thực hành lâm sàng" và đã thiết lập hệ thống R&D khép kín - Nhu cầu lâm sàng - Thiết kế - Triển khai -). Trong giai đoạn nhu cầu lâm sàng, thông qua phân tích video phẫu thuật và phỏng vấn bác sĩ, 128 điểm nhu cầu chính đã được trích xuất; trong giai đoạn thiết kế, tối ưu hóa cấu trúc liên kết và thiết kế tổng quát đã được áp dụng để tìm ra cấu trúc tối ưu dưới các ràng buộc về chức năng; trong giai đoạn triển khai, việc lặp lại nguyên mẫu nhanh được thực hiện thông qua sản xuất bồi đắp, với mỗi chu kỳ thiết kế được rút ngắn xuống còn 2 tuần; trong giai đoạn vận hành, cơ sở dữ liệu phản hồi lâm sàng đã được thiết lập để liên tục tối ưu hóa thiết kế. Chúng tôi đã thiết lập quan hệ đối tác với 23 trung tâm y tế hàng đầu trên toàn thế giới, thu thập hơn 500 dữ liệu phẫu thuật mỗi năm để thúc đẩy việc lặp lại sản phẩm. Đồng thời, chúng tôi đã phát triển nền tảng thử nghiệm ảo dựa trên các yếu tố hữu hạn, có thể dự đoán hiệu suất sản phẩm trước khi sản xuất, giảm 70% thử nghiệm vật lý.

Triển vọng tương lai

Thiết kế cấu trúc sẽ phát triển theo hướng thông minh, khả năng thích ứng và cá nhân hóa. Chúng tôi đang phát triển các ống bản lề "độ cứng có thể thay đổi", có thể điều chỉnh độ cứng theo thời gian thực- trong quá trình vận hành thông qua vật liệu điện động hoặc hợp kim nhớ hình dạng; phát triển các ống bản lề "đa{2}}mặt phẳng", có thể lệch độc lập trong hai mặt phẳng trực giao thông qua các tổ hợp kéo dây; khám phá các cấu trúc "nhu động sinh học" để mô phỏng các sóng nhu động ruột để tự đẩy. Vào năm 2028, chúng tôi sẽ ra mắt ống bản lề thông minh có "phản hồi xúc giác", có thể cảm nhận lực tiếp xúc với mô thông qua cảm biến cách tử sợi quang và cung cấp thông tin trở lại tay cầm vận hành. Nhìn về tương lai xa hơn, dựa trên công nghệ in 4D, các cấu trúc "loại{8}}tăng trưởng" sẽ trở nên khả thi. Các dụng cụ có thể thay đổi hình dạng một cách thích ứng trong cơ thể theo môi trường giải phẫu, đạt được “sự thích ứng thông minh” thực sự, mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho các ca phẫu thuật khoang tự nhiên.