Thông báo kết quả

Thiết kế dạng rãnh-đổi mới cho phép điều khiển cơ học chính xác-ống bán cứng phía dưới. Chúng tôi đã giới thiệu một cách mang tính cách mạng một loại ống phía dưới bán cứng hình rãnh -mới-dựa trên cấu trúc tổng hợp của "rãnh xoắn ốc có bước thay đổi" và "các gân cốt lồng vào nhau", đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ linh hoạt khi uốn và độ cứng dọc trục. Thông qua tính toán chính xác của mẫu rãnh, sự thay đổi độ dốc của độ cứng uốn được kiểm soát trong phạm vi 5%, độ cứng nén dọc trục tăng 45% và độ cứng xoắn được tăng cường 38%. Thông qua thử nghiệm cơ sinh học, khả năng dự đoán bán kính uốn của ống dưới mới đạt 98% và nó có thể trở lại đường viền thẳng trong vòng 0,1 giây sau khi giải phóng tải, mang lại mức độ kiểm soát chính xác chưa từng có cho việc điều hướng đường dẫn giải phẫu phức tạp.

Những thách thức nền tảng nghiên cứu và phát triển

Thiết kế khe truyền thống có ba sai sót lớn về cấu trúc: Thứ nhất, tính chất cơ học không thể đoán trước được. Hầu hết các thiết kế đều dựa trên công thức thực nghiệm và các thông số của khe (chiều rộng, chiều sâu, bước) có mối quan hệ không rõ ràng với các tính chất cơ học (độ cứng uốn, độ cứng xoắn, độ cứng dọc trục), dẫn đến dao động hiệu suất lên tới ± 20% giữa các lô; Thứ hai, sự tập trung ứng suất cục bộ. Các rãnh bước bằng-truyền thống có sự phân bổ ứng suất không đồng đều khi bị uốn cong và các đỉnh ứng suất hình thành ở các đầu rãnh, trở thành nguồn gốc của các vết nứt do mỏi; Thứ ba, chức năng duy nhất. Cùng một loại khe khó có thể đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu về lực phun, truyền mô-men xoắn và độ linh hoạt khi uốn. Phân tích phần tử hữu hạn cho thấy thiết kế khe xoắn ốc truyền thống tạo ra hệ số tập trung ứng suất lên tới 4,5 lần khi uốn cong, trong khi thiết kế composite mới có thể giảm xuống dưới 2,2. Phản hồi lâm sàng chỉ ra rằng tỷ lệ "thắt nút" thiết bị do thiết kế khe không hợp lý là khoảng 7% và tỷ lệ hỏng hóc khi vận hành ở các mạch máu quanh co tăng gấp ba lần.

Đổi mới công nghệ cốt lõi

• Thuật toán tối ưu hóa cấu trúc liên kết tham số:Phát triển nền tảng thiết kế thông minh dựa trên phân tích phần tử hữu hạn và thuật toán di truyền, nhập các đặc tính cơ học mục tiêu (phạm vi độ cứng uốn, độ cứng xoắn, độ cứng dọc trục) và thuật toán tự động tối ưu hóa các tham số khe. Nền tảng này chứa 127 biến thiết kế (chiều rộng khe, độ sâu khe, cao độ, góc, hình dạng, v.v.) và thông qua tối ưu hóa đa mục tiêu, nó tìm ra giải pháp tối ưu Pareto. Chu trình thiết kế được rút ngắn từ 4-6 tuần truyền thống xuống còn 3-5 ngày và tỷ lệ chính xác dự đoán hiệu suất là trên 95%.
• Thiết kế khe có độ dốc thay đổi:Thiết kế sáng tạo bước rãnh và độ sâu thay đổi dọc theo chiều dài của đường ống. Phần gần nhất (phần chèn) sử dụng bước lớn (2-3 mm) và độ sâu rãnh nông (30% độ dày thành), mang lại độ cứng dọc trục và truyền mô-men xoắn cao; phần giữa (phần chuyển tiếp) sử dụng bước trung bình (1-2mm) và độ sâu khe trung bình (50% độ dày thành), cân bằng lực phun và độ linh hoạt khi uốn; phần xa (phần làm việc) sử dụng bước nhỏ (0,5-1mm) và độ sâu khe sâu (70% độ dày thành), đạt được độ lệch góc lớn. Thông qua thay đổi độ dốc, sự phân bố ứng suất đồng đều hơn và ứng suất tối đa giảm 60%.
• Cấu trúc gia cố lồng vào nhau sinh học:Lấy cảm hứng từ các khớp mặt của cột sống con người, thiết kế các xương sườn gia cố lồng vào nhau vi mô giữa các khe. Các gân cốt có chiều cao bằng 10-15% độ dày thành và chiều rộng bằng 20-30% chiều rộng khe, tạo thành liên khóa cơ học. Khi ống uốn cong, các gân cốt thép tiếp xúc với nhau để chia sẻ tải trọng và tránh biến dạng quá mức; khi trở về vị trí thẳng, các gân cốt rời ra mà không ảnh hưởng đến độ hồi phục đàn hồi. Thiết kế này tăng độ cứng xoắn lên 35% trong khi vẫn duy trì độ linh hoạt khi uốn.

Cơ chế hoạt động

Cốt lõi của thiết kế khe cắm sáng tạo nằm ở việc "tách rời và tối ưu hóa cơ học". Ở cấp độ cơ học uốn, thiết kế bước thay đổi đạt được sự phân bố độ dốc độ cứng: đầu gần có độ cứng cao đảm bảo truyền lực phun hiệu quả, tránh "hiệu ứng dây đẩy"; đầu xa có độ linh hoạt cao thích ứng với việc uốn cong giải phẫu phức tạp, với bán kính uốn tối thiểu đạt 1,5 lần đường kính ống. Ở cấp độ cơ học xoắn, các gân tăng cường lồng vào nhau tạo thành đường truyền mô-men xoắn. Khi đầu gần quay, các bề mặt nghiêng của các gân tăng cường tiếp xúc với nhau, tạo ra lực tiếp tuyến, đạt được hệ số truyền mô-men xoắn 1:1, với góc trễ nhỏ hơn 1 độ. Ở cấp độ cơ học mỏi, bán kính cong cuối rãnh được tối ưu hóa (R0,05-0,1mm) và phân bổ ứng suất được tối ưu hóa, giảm hệ số tập trung ứng suất từ ​​3,5-4,5 của thiết kế truyền thống xuống 2,0-2,5 và tăng tuổi thọ mỏi lên 3-4 lần. Mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán cho thấy loại khe được tối ưu hóa giúp giảm lực cản dòng chảy, với tốc độ dòng chảy tăng 30% trong điều kiện tưới máu và độ rõ của tầm nhìn được cải thiện.

Xác minh hiệu quả

Trong mô hình giải phẫu mô phỏng, ống thông-loại khe mới hoạt động cực kỳ tốt: trong mô hình mô phỏng đoạn siphon của động mạch cảnh trong, tỷ lệ thành công của dụng cụ đi qua phần cong tăng từ 85% lên 99%; trong mô hình mô phỏng động mạch vành xuống trước trái, thời gian đến của ống thông được rút ngắn 40%; Kiểm tra độ cứng uốn cho thấy mức độ tuyến tính của gradient độ cứng R2 lớn hơn 0,99 và sai số dự đoán góc uốn nhỏ hơn 2%. Trong thử nghiệm độ mỏi, trong điều kiện uốn cong ±90 độ và tần số 4Hz, thiết kế mới có tuổi thọ 1,5 triệu chu kỳ, gấp ba lần so với thiết kế truyền thống. Nghiên cứu lâm sàng đa trung tâm cho thấy trong các phẫu thuật can thiệp thần kinh, tỷ lệ xoắn microcatheter ở các mạch máu quanh co giảm từ 6,8% xuống 0,9%; trong phẫu thuật lấy sỏi thận qua da, hiệu suất của lực tiêm dụng cụ tăng 42%; trong các ca phẫu thuật cắt bỏ rung nhĩ, độ ổn định khi tiếp xúc của ống thông với mô tăng 35%. Khảo sát kinh nghiệm phẫu thuật của bác sĩ chỉ ra rằng 94% bác sĩ phẫu thuật tin rằng thiết kế mới đã cải thiện độ chính xác và khả năng dự đoán của bộ điều khiển, đồng thời thời gian học tập được rút ngắn 50%.

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 thiết lập một hệ thống R&D khép kín - Nhu cầu lâm sàng - Thiết kế - Thực hiện -). Trong giai đoạn nhu cầu lâm sàng, thông qua phân tích video phẫu thuật và phỏng vấn bác sĩ, 156 điểm nhu cầu chính được trích xuất và định lượng thành 23 thông số kỹ thuật; 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 tạo mẫu nhanh thông qua sản xuất bồi đắp đã được tiến hành, giảm thời gian mỗi chu kỳ thiết kế xuống còn 2 tuần; trong giai đoạn vận hành, cơ sở dữ liệu phản hồi lâm sàng đã được thiết lập, thu thập hơn 800 dữ liệu phẫu thuật mỗi năm, thúc đẩy việc lặp lại sản phẩm. Chúng tôi đã thiết lập quan hệ đối tác với 28 trung tâm y tế hàng đầu trên toàn thế giới, hình thành cơ chế phản hồi hai chiều về "kỹ thuật{11}}lâm sàng". 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 75% thử nghiệm vật lý.

Triển vọng tương lai

Thiết kế khe cắm sẽ phát triển theo hướng thông minh, khả năng thích ứng và đa{0}}chức năng. Chúng tôi đang phát triển các khe "độ cứng thay đổi", có thể điều chỉnh độ cứng theo thời gian thực- trong quá trình vận hành thông qua hợp kim nhớ hình dạng hoặc polyme điện động; phát triển các khe "đa{3}}chế độ", có thể bị lệch độc lập trong nhiều mặt phẳng thông qua điều khiển kết hợp dây; khám phá các khe "được dẫn động bằng chất lỏng", có thể thay đổi hình dạng của khe bằng áp suất thủy lực hoặc khí nén để đạt được thao tác không cần đến dây. Vào năm 2028, chúng tôi sẽ ra mắt các ống thông minh phía dưới với "nhận thức cơ học", có thể theo dõi sự phân bố biến dạng trong thời gian thực bằng cách sử dụng cảm biến cách tử sợi quang và đưa thông tin trở lại tay cầm vận hành để đạt được khả năng kiểm soát phản hồi lực. Trong tương lai xa hơn, dựa trên tính năng in 4D, các vị trí "loại{10}}tăng trưởng" sẽ trở nên khả thi. Các dụng cụ có thể thay đổi các thông số khe một cách thích ứng theo môi trường giải phẫu bên trong cơ thể, đạt được "sự thích ứng thông minh" thực sự, mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho các ca phẫu thuật lỗ tự nhiên.