面向脑血管快速再通的微型自感知振动搅拌器研究

Ischemic stroke brings high risk of physical disability or even death in a short time, and the only effective therapy for saving patient’s life is to reopen the occluded cerebral vessel quickly and safely. In this research project, we introduce a novel micro-stirrer based on vibration for stirring the blood clot and accelerating the clot’s dissolution. More than that, the stirrer has the function of real-time detection of thrombus dissolution in the blood vessel. The ultimate goals of this research are to propose the design method of the micro-stirrer for obtaining desired vibration which has safe bending vibration at the end effector only in the narrow, curving and fragile cerebral vascular, and investigate the theoretical method for detecting dissolving effect of thrombus in the blood vessel. The research contents include in the followings: 1) Explore a new configure plan of the transducer and a transmission method of exciting vibration energy under the condition of complex vessel environment for effectively transferring energy at a fixed point in the cerebral vascular; 2) On the basis of vibration motion conversion method, investigate the dynamic structure design of the micro-stirrer, and realize the miniaturization and high efficiency output of the stirrer by optimizations of numerical computation and multi-physics filed simulation; 3) Considering the self-sensing effect of the piezoelectric transducer, propose a new detecting method of intravascular thrombus dissolution in real time through the feedback electric impedance, and build the evaluation algorithm of the dissolution effect and establish the evaluation index. This interdisciplinary research project, combined mechanical engineering with medicine, tries to investigate the new basic theory and research method for mechanical thrombectomy, which has great theoretical value and practical significance.

缺血性脑卒中患者极易在短时间内致死致残，唯一有效的治疗方法是快速安全地打通阻塞血管，本项目提出一种能在脑血管内实现振动碎溶栓且具备实时检测溶栓效果的微型搅拌器。最终研究目的在于探索能够在狭窄、弯曲且易损伤的脑血管内定点产生安全弯曲振动的微型搅拌器的设计方案和血管内实时检测溶栓效果的理论方法。具体而言：1）基于脑血管内复杂环境，研究换能器的配置和激振能量的传输方案，实现脑血管内激振能量的高效定点传输；2）基于振动模式转换理论，提出在且仅在血栓处产生安全弯曲碎栓振动的搅拌器动力学结构设计方案，通过数值计算和多物理场仿真手段进行小型化高性能输出搅拌器的动力学结构优化设计研究;3）基于压电驱动元件的自感知效应，提出基于阻抗反馈信息的血管内溶栓效果检测评价方法，建立评价算法并制定评价指标。本课题为机械工学和医学的交叉学科研究项目，为机械碎溶栓提供了全新的途径和方法，具有重要的理论和实用价值。

1.研究背景.脑卒中是世界首要的致死病因之一。缺血性脑卒中由于血栓阻塞血管，从而引起语言肢体障碍甚至死亡。唯一有效的治疗方法是快速安全地打通血管。本项目研究了一种振动碎溶栓且具备实时检测溶栓效果的微型搅拌器，为机械式祛栓提供了全新的途径，具有重要的理论和实用价值。.2.主要研究内容.（1）基于脑血管内复杂环境，研究换能器配置和激振能量传输的方案，实现脑血管内激振能量的高效定点传输；（2）基于振动模式转换理论，提出在且仅在血栓处产生安全弯曲碎栓振动的搅拌器动力学结构设计方案，通过数值计算和多物理场仿真手段进行小型化高性能输出搅拌器的动力学结构优化设计研究;（3）基于压电元件的自感知效应，提出基于阻抗反馈信息的血管内溶栓效果检测评价方法，建立评价算法。.3.主要成果、关键数据及其科学意义.（1）根据脑血管的复杂环境，研究了弹性波的传递效率，制定了换能器配置和激振能量传输的方案，实现了弹性波从股动脉到脑血管的远距离高效传输；.（2）基于斯奈尔定律，研究了在狭窄弯曲脑血管中纵向振动向横向振动模式转换方法，成功设计了剪刀型搅拌器动力学结构，实现了在直径≤2mm的小血管中使用；.（3）建立了搅拌器的动力学模型，研究了其优化设计方法，实现了在20V电压激励下产生1.75e-4mm剪刀型振幅，该振幅可调并满足小血管中碎溶栓的高功率需求； .（4）建立了血液浓度与压电阻抗映射关系的数学模型，建立了基于灰狼优化算法的支持向量机回归预测模型，实现了血管内溶栓效果的检测。相对于传统的支持向量机回归算法，其均方误差降低了48.75%，决定系数从94.52%提升至了97.19%；.（5）研究了搅拌器的破碎效果和热效应，证明了剪刀型振动的高效性以及搅拌器尖端热效应具有提高局部溶栓药剂活性并加速溶栓的潜力； .（6）设计了一款配合血管搅拌器使用的血管介入导丝输送装置和血栓碎片捕捉的保护装置；.（7）设计搭建了血管介入模拟和搅拌器模态测试平台，为下一步产业化前的深入研究奠定了坚实的基础。