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可降解血管吻合器的结构设计与实验验证

医用生物力学 2024年第3期39卷 518-523页

作者：徐凯悦蔡雪胡钟欣高钦贤邢绪坡宋成利毛琳上海理工大学健康科学与工程学院现代微创医疗器械及技术教育部工程研究中心上海200093

目的设计一种新型可降解血管吻合器,探究施压距离与吻合口生物力学性能之间的关系,以提高血管端端吻合的效率与质量。方法设计吻合器的三维结构,并采用挤压态高纯镁为材料进行样机加工;通过建立血管端端吻合的有限元模型,研究在不同... 详细信息

目的设计一种新型可降解血管吻合器,探究施压距离与吻合口生物力学性能之间的关系,以提高血管端端吻合的效率与质量。方法设计吻合器的三维结构,并采用挤压态高纯镁为材料进行样机加工;通过建立血管端端吻合的有限元模型,研究在不同施压距离(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mm)下,血管吻合端面应力分布情况及其变化规律;通过离体组织吻合实验,对有限元结果的合理性及该吻合器的可行性与有效性进行验证。结果当施压距离为0.6 mm时,吻合口力学性能最优,此时撕脱力为(11.79±0.64) N,爆破压为(39.32±2.99) kPa,满足临床上对组织吻合口强度的要求,同时组织的机械损伤较小。结论本文所设计的新型可降解血管吻合器可以通过调节施压距离对组织进行吻合,能够有效提高组织吻合效率,减小组织机械损伤,从而提高吻合质量。研究结果为可降解血管吻合器的设计提供重要参考。

关键词：可降解高纯镁血管吻合器端端吻合施压距离

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基于STM32的抑制帕金森震颤电刺激器设计

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电子科技 2024年

作者：李雨嘉朱博婷殷东明周宇宋成利上海理工大学现代微创医疗器械及技术工程研究中心

针对帕金森患者上肢静止性震颤的发病机理和震颤机制以及分析临床常用的治疗参数问题，文中设计了一款经外周神经电刺激器系统来有效抑制帕金森病患者的上肢静止性震颤。该系统采用STM32F103C8T6作为硬件系统设计的核心，充电电路、升... 详细信息

针对帕金森患者上肢静止性震颤的发病机理和震颤机制以及分析临床常用的治疗参数问题，文中设计了一款经外周神经电刺激器系统来有效抑制帕金森病患者的上肢静止性震颤。该系统采用STM32F103C8T6作为硬件系统设计的核心，充电电路、升压电路、脉冲调制电路、模拟开关电路和串口触摸屏等模块分别与主控通讯，使用RT-Thread编写单片机程序实现对上述模块的智能控制。设置触摸屏参数产生幅值、频率、脉宽及时间均可连续调节的方波电刺激脉冲，对正中神经和桡神经进行精准刺激。实验结果表明，该电刺激器系统具有较好的稳定性，系统能够产生预定强度的电刺激信号，保持恒压性能良好，为静止性震颤的电刺激治疗提供了支持。

关键词：帕金森病静止性震颤外周神经电刺激单片机连续可调节方波稳定性

单线型低温等离子消融电极的结构设计与实验验证

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国际生物医学工程杂志 2024年第2期47卷 101-107页

作者：徐群宋成利毛琳陈留晓吴桐刘洋志忻麟上海理工大学健康科学与工程学院教育部微创医疗器械工程研究中心上海200093

目的设计一种单线型低温等离子消融电极,解决传统电极难以生成均匀、连续和稳定微气泡的问题,提高低温等离子体的消融与切割效果。方法在SolidWorks 2021三维建模软件中对低温等离子三线型电极与单线型电极结构进行建模,并通过3D打印制... 详细信息

目的设计一种单线型低温等离子消融电极,解决传统电极难以生成均匀、连续和稳定微气泡的问题,提高低温等离子体的消融与切割效果。方法在SolidWorks 2021三维建模软件中对低温等离子三线型电极与单线型电极结构进行建模,并通过3D打印制作样机。通过COMSOL Multiphysics 6.1软件对2种电极消融过程进行电场和温度场的有限元分析,并通过温度测试实验验证有限元仿真模型的有效性和正确性;通过组织消融实验和低温等离子体激发实验分别比较2种电极的消融效果和等离子体激发过程。结果有限元分析结果显示三线型与单线型电极的表面最高温度分别为70.2、63.3℃,其中单线型电极的表面温度更加理想,2种电极的表面最大电场强度均超过了1.0×10^(7) V/m,达到了微气泡被击穿的电场条件。三线型电极工作电极2端的电场强度远高于其余区域,而单线型电极的电场强度则无明显突变与波动。2种电极表面和距离电极表面1 cm处温度的实验值与仿真值基本一致,拟合度良好,相对误差为3.2%。单线型电极作用在猪脂肪上的消融温度最高为46.8℃,消融后,形态上无焦化区域,在1 s内可达到0.5 mm的组织切割深度。接入能量平台后,单线型电极工作电极表面会产生微气泡;通电6 ms时,工作电极表面完全被微气泡覆盖;通电9 ms时,低温等离子体被激发,可以看到呈蓝紫色光的等离子体;通电25 ms时,产生的微气泡依然规则、稳定。结论设计了一种单线型低温等离子消融电极,可以生成均匀、连续和稳定的微气泡,实现了比传统电极更好的消融与切割效果。

关键词：电极低温等离子体组织消融微气泡热损伤

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电磁弹射式内镜缝合器的设计和实验研究

国际生物医学工程杂志 2024年第1期47卷 10-16页

作者：殷东明李雨嘉胡钟欣耿钊宁顾倩芸宋成利上海理工大学健康科学与工程学院教育部微创医疗器械工程研究中心上海200093

目的设计一种新型的用于内镜缝合的电磁弹射器,以实现缝合钉的连续发射。方法依据电磁弹射的基本原理,设计缝合钉结构和电磁弹射装置,并制作样机;构建电磁弹射装置的有限元模型,研究电枢-线圈中心距和不同驱动电压对缝合钉出射速度的影... 详细信息

目的设计一种新型的用于内镜缝合的电磁弹射器,以实现缝合钉的连续发射。方法依据电磁弹射的基本原理,设计缝合钉结构和电磁弹射装置,并制作样机;构建电磁弹射装置的有限元模型,研究电枢-线圈中心距和不同驱动电压对缝合钉出射速度的影响;搭建电磁弹射速度实验平台,采用高速摄影机对出射速度进行检测;搭建缝合钉嵌入实验平台,测量不同电压下发射速度对嵌入胃壁组织的影响;搭建缝合钉拔出力实验平台,对不同驱动电压下缝合钉嵌入组织的效果进行拔出力评估。结果设计了缝合钉结构和电磁弹射装置,并制作了样机。出射速度随着电枢-线圈中心距的增大,先增加后降低,且在中心距为18 mm时,出射速度最大,为15.81 m/s。中心距为18 mm时,电压与出射速度呈线性关系,缝合钉实验值与仿真值基本吻合。驱动电压为150~180 V时,缝合钉均可成功嵌入组织中,且180 V电压组的嵌入程度更深。120、150、180和210 V电压下缝合钉的拔出力分别为(0.49±0.19)、(1.14±0.19)、(1.23±0.15)、(1.85±0.31)N。结论设计了一种新型的电磁弹射式内镜缝合器,能够实现缝合钉连续发射,为智能化微创外科手术器械提供了一种新的远距离驱动方式。

关键词：内镜缝合器电磁弹射微创手术建模与仿真离体实验

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胆囊三维建模与运动功能分析

医用生物力学 2022年第6期37卷 1133-1137页

作者：张智惠宋成利张凯胡海上海理工大学医疗器械与食品学院现代微创医疗器械及技术教育部工程研究中心上海200093 同济大学附属东方医院胆石中心上海200120

目的考虑在健康和病理情况下的胆囊特性,研究胆囊壁生物力学和胆汁流体力学特性,以及胆囊运动功能与胆结石成因的关系。方法利用CT影像数据构建胆囊三维结构模型,建立有限元模型模拟胆囊运动和胆汁流动过程,分析不同的流固耦合条件下... 详细信息

目的考虑在健康和病理情况下的胆囊特性,研究胆囊壁生物力学和胆汁流体力学特性,以及胆囊运动功能与胆结石成因的关系。方法利用CT影像数据构建胆囊三维结构模型,建立有限元模型模拟胆囊运动和胆汁流动过程,分析不同的流固耦合条件下胆囊的运动模式以及对胆结石形成的影响。结果在相同边界条件下,结石性胆汁流速(1.1 cm/s)比正常胆汁流速(2.3 cm/s)低;胆囊运动功能异常与否不会改变胆汁的流型,而胆汁成分改变使得流型更加曲折。运动功能较弱的胆囊整体所受最大应力为1.079 kPa、最大形变为0.931 mm,均远小于健康胆囊相对应的最大应力(4.318 kPa)和最大形变(3.725 mm)。在受力方面,胆汁成分异常并未对胆囊造成太大影响。结论胆囊运动功能和生物力学特性密切相关。胆囊受损或衰退后,其收缩量会大幅减少,胆汁流动不畅,更易导致结石产生。胆囊的三维模型和运动功能分析可为胆结石手术治疗提供必要的理论基础和技术手段。

关键词：胆囊三维建模流固耦合胆结石生物力学

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微创肛瘘封堵器的结构设计与实验研究

医用生物力学 2023年第5期38卷 1024-1030页

作者：李来福宋成利刘颖刘贞宽上海理工大学教育部现代微创医疗器械及技术工程研究中心上海200093 山东成武赛诺医疗器械有限公司济南274201

目的设计一种适用于肛瘘内口闭合手术的封堵器,研究封堵器的结构设计以及植入物与组织的相互作用,评估内口封堵性能。方法对封堵器进行整体结构设计与样机制作;建立封堵有限元模型,研究封堵过程中组织的应力分布及损伤面积;搭建组织穿... 详细信息

目的设计一种适用于肛瘘内口闭合手术的封堵器,研究封堵器的结构设计以及植入物与组织的相互作用,评估内口封堵性能。方法对封堵器进行整体结构设计与样机制作;建立封堵有限元模型,研究封堵过程中组织的应力分布及损伤面积;搭建组织穿刺实验平台对仿真模型及结果进行验证;搭建拔出力实验平台对内口封堵效果进行评估。结果封堵过程中,进给机构的最大扭矩为36 mN·m,组织的最大应力为19.75 MPa,其损伤面积为1.35 cm^(2)。有限元理论模型与实验结果基本吻合,最大拔出力达到5.11 N。结论封堵过程中的组织损伤面积满足肛瘘的微创治疗要求。设计的微创肛瘘封堵器可实现内口的有效封堵,有助于医生更加便捷、快速、有效地完成肛瘘的微创手术。

关键词：微创手术肛瘘封堵器结构设计有限元仿真离体实验

基于改进V型网络的磁共振图像前列腺区域分割

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生物医学工程学杂志 2023年第2期40卷 226-233页

作者：高铭远闫士举宋成利朱泽华解尔泽方博雅上海理工大学健康科学与工程学院上海200093 上海市第十人民医院上海200072

磁共振(MR)成像技术是前列腺癌诊断的重要工具,通过计算机辅助诊断技术准确分割磁共振前列腺区域对于前列腺癌的诊断具有重要意义。本文使用深度学习方法,对传统V型网络(V-Net)网络进行了改进,提出了一种改进的端到端的三维图像分割网络... 详细信息

磁共振(MR)成像技术是前列腺癌诊断的重要工具,通过计算机辅助诊断技术准确分割磁共振前列腺区域对于前列腺癌的诊断具有重要意义。本文使用深度学习方法,对传统V型网络(V-Net)网络进行了改进,提出了一种改进的端到端的三维图像分割网络,以期提供更精确的图像分割结果。本文首先将软注意力机制融合进传统V-Net的跳跃连接中,结合短跳跃连接、小卷积核进一步提升网络分割精度。然后使用前列腺MR图像分割评估2012年挑战赛(PROMISE 12)数据集,针对前列腺区域进行了分割,使用戴斯相似系数(DSC)和豪斯多夫距离(HD)对模型进行了评估,分割模型的DSC值和HD值分别可达到0.903和3.912 mm。实验结果表明,本文算法能够提供更准确的三维分割结果,可以准确高效地分割前列腺MR图像,为临床诊断和治疗提供可靠的依据。

关键词：磁共振注意力机制 V型网络图像分割前列腺

新型射频组织焊接电极的设计、仿真与实验研究

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医用生物力学 2023年第3期38卷 601-607页

作者：邢绪坡胡钟欣韩正一宋成利毛琳上海理工大学健康科学与工程学院上海200093

目的设计一种新型射频组织焊接电极,提高吻合口生物力学强度的同时减少组织热损伤。方法设计表面存在镂空结构的新型电极(梅花形电极),以环形电极作为对照组,在射频能量作用下完成肠道组织焊接,通过撕脱力和爆破压测试研究焊接吻合口的... 详细信息

目的设计一种新型射频组织焊接电极,提高吻合口生物力学强度的同时减少组织热损伤。方法设计表面存在镂空结构的新型电极(梅花形电极),以环形电极作为对照组,在射频能量作用下完成肠道组织焊接,通过撕脱力和爆破压测试研究焊接吻合口的生物力学特性,采用有限元电-热-力多场耦合仿真分析和热电偶探针研究焊接过程中的组织热损伤,并对微观组织结构进行检查。结果当焊接功率120 W、焊接时间8 s、压合压强20 kPa时,肠道吻合口呈现最优的生物力学特性。与环形电极对照组相比,梅花形电极组吻合口生物力学强度更高,撕脱力和爆破压分别从(8.62±1.22)N、(81.7±3.36)mmHg增加到(9.54±1.24)N、(89.4±4.15)mmHg,且组织热损伤显著减少,组织微观结构连接更为紧密。结论该新型电极在提高吻合口生物力学强度的同时可减少组织热损伤,进而实现更好的吻合效果。研究结果可为实现人体管腔组织的无缝连接提供参考。

关键词：射频组织焊接新型电极肠道吻合组织热损伤

水冷式射频组织焊接电极的多物理场仿真与实验研究

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上海理工大学学报 2023年第6期45卷 653-660页

作者：陈通涂良勇陈留晓涂明玉毛琳宋成利上海理工大学健康科学与工程学院上海200093

为了降低射频组织焊接中高温造成的热损伤,设计了一种创新的水冷式射频组织焊接电极,使用COMSOL Multiphysics软件对猪小肠的体外焊接过程进行了多物理场仿真,结合焊接和爆破压实验对生物组织的焊接温度与效果进行了分析。结果表明:仿... 详细信息

为了降低射频组织焊接中高温造成的热损伤,设计了一种创新的水冷式射频组织焊接电极,使用COMSOL Multiphysics软件对猪小肠的体外焊接过程进行了多物理场仿真,结合焊接和爆破压实验对生物组织的焊接温度与效果进行了分析。结果表明:仿真使用“温度阈值”方法解决了现有模型中生物组织水分的可逆蒸发问题;在相同实验条件下水冷电极的最大焊接温度为139.8℃,平均焊接温度为112.5℃,较典型金属电极明显得到控制;水冷电极作用下生物组织爆破压达到62.3±13.7 mmHg,满足焊接要求。仿真模型预测的温度与实验结果拟合良好,且水冷电极有效焊接了组织,控制了焊接温度。

关键词：射频电流组织焊接水冷式电极温度多物理场仿真