05-基于战场创伤的快速加压止血给药及微系统设计_1_10_translate

纸莎墙开放接入快速压力止血给药和基于战场创伤的微系统设计引用本文：苏文婷等人，2023 J。. . 物理学。: ConfSer2478 122071请在线查看该文章以获得更新和增强功能。你也可能喜欢<a href="https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/abd1bb">-低温大气气压等离子体的研究综述 止血与国际标准化</a>坂田浩美，清水哲二和池原元<a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-605X/aa9b3e">-大出血的疗效比较</a><a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-605X/aa9b3e">控制的 小说 介孔生物活性玻璃与两种商用止血剂的比较</a>作者，卡德里，泽马兰等。<a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/aa945e">-在低温环境下使用的好处</a><a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/aa945e">血浆治疗到伤口护理和</a><a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/aa945e">从物理学的角度来止血 病理</a>清水哲司和池原元<img src="/media/202408//1724856367.73193.jpeg" />该内容已于2024年10月01日02：35从IP地址185.248.186.156下载物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071基于战场创伤的快速压力止血给药及微系统设计苏文婷1，易孙1,2，SinniLv1博赫1,2和楼文忠1,2,*1北京理工学院，北京，中国2北京理工学院重庆创新中心，重庆，中国Louwz2020@163.com摘要战场快速压力止血微系统使止血效率最大化。战场伤口具有失血量快、表面不规则的特点，需要在很短的时间内进行治疗。现有的快速止血方法效率较差，没有杀菌和消毒效果。因此，我们报道了一种基于快速化学反应生成的气体的伤口压力止血微系统。在使用该设备之前，该设备中的两种化学物质将被隔离。在止血过程中，将柔性装置应用于伤口表面，并将装置中的两种化学物质混合并进行化学反应。而反应产生的大量气体导致装置内的气球膨胀，并对伤口表面施加横向和纵向压力，使伤口迅速闭合。同时，装置内的药物储存单元承受压力，将药物释放到创面。此外，该装置的化学反应具有吸热效应，可以迅速冷却伤口表面。. 通过数值模拟分析了柔性微系统在止血过程中的横向和纵向压力。在实验中，最大纵向压力达到270mmHg，满足了伤口表面止血的要求。1.介绍大出血是导致战场上可预防的战斗死亡的主要原因。大出血一直是常规战争中战斗伤亡的重要原因，约占所有战斗伤亡的30%~50%。大出血和由此产生的低血容量性休克是战斗伤口治疗的关键因素之一。因此，美国的战术战斗伤亡护理（战术战斗伤亡护理）TCCC)将止血放在战斗伤口控制[1-5]的首位。根据文献综述分析，在朝鲜战争中，在1136名在战斗中丧生的士兵中，有32.4%死于出血，仅次于主要器官损伤；大出血也是西南边境的主要死亡原因之一，约占受管制援助站死亡人数的50%。根据美国越战损耗的数据，在对伤员死亡原因的分析中，约9%是严重创伤和大出血。2001年至2011年在阿富汗和伊拉克死亡的4596名伤员中，24.3%被认为是可存活的（n=976），90.9%的可预防的死亡原因是大出血。在时间分布上，大出血和失血性休克是导致早死的重要原因。伤员失去的血越多，休克的速度就越快。根据对前苏联在阿富汗战争中464起地雷伤亡病例的分析，统计数据显示<img src="/media/202408//1724856368.040413.png" />本作品的内容可根据知识共享署名3.0许可的条款使用。该作品的任何进一步分发必须保持归属于作者(s)和作品的标题，期刊引用和DOI。由IOP出版有限公司授权出版1物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071结果显示，早期死亡的主要原因是重要器官损伤、大出血、脑损伤伴颅内高压和休克，占总死亡人数的49.57%。20.43%死于10~30 min，21。50%死于30~60 min范围内，73例。11%在4~-6h内死亡。目前主要的止血方法分为物理止血和化学止血：(1)新型止血带和战备钳，用于腹股沟动脉出血，具有良好的止血效果[6]-[8]，但不能应用于深腔伤口。吉纳维芙·米勒等人。俄勒冈生物医学工程研究所开发了一种名为“XStat”的新型注射器样医疗设备，用于治疗不可压缩出血[9]引起的边缘性损伤。钱学森空间技术实验室的李孟提出了一种用于战场穿透伤[10]的快速止血装置。采用展开结构的弹性膨胀支撑止血材料填充穿透创面，达到压缩止血效果，但物理方法不能有效识别创面，容易引起感染。石墨烯基海绵是一种新兴的创伤性止血材料，具有多级孔隙结构、液体吸收能力快、表面功能化容易等特点，对创伤性[7]具有良好的止血效果。(2)化学止血主要包括纤维蛋白、壳聚糖或聚乙酰氨基葡萄糖等，可通过激活血小板和凝血因子[11-13]加速凝血。低温保存是一种新型的微创手术技术，低温具有组织缓冲、止血灭菌发生不良反应发生率低的特点。Deng中山等。[13-15]研究了血管在冷冻过程中的影响。. 然而，低温制冷面临着设备大、功耗大的问题，不能用于应急环境。高温止血作为一种传统的止血方法，早在2000多年前就已经采用了[17]。新技术在高温止血领域的应用，催生了一种电凝和止血的新方法。2014年，Mark R.布林ton等人。来自美国的[18]-[21]提出了一种微型电动势止血系统。通过电刺激实验表明，微型电动脉冲电动血管系统可以在几秒钟内缩小股动脉，但该系统体积大，需要较高的驱动能量。传统的理化止血方法具有创面大、时间长、止血效率低、难以考虑消除的功能。传统的高温止血方法可以产生煅烧、组织和附带损伤，如二次伤口，本文基于化学反应（与碳酸氢钠固态硫酸铝溶液反应）快速压力大伤口快速止血小沙技术，采用化学反应原理的紧急环境影响的技术特点时间短，止血快，止血消除效率有望大大提高，根据碳酸氢钠和硫酸铝的化学吸热反应原理，可以冷却较大的创面。快速止血消除微系统可以在创面实现定向接触精确止血，创面周围组织温度为常温，大大减少了创面周围的二次损伤。2.快速压力止血的机理研究及模型设计2.1.伤口面压力止血的研究本文设计的压力止血微系统主要从两个方面出发：(1)止血通过膨胀气体产生化学反应，由于该系统应用于皮肤表面，可在伤口表面产生变大压力，(2)采用直接压力和释放硫酸铝和碳酸盐反应吸热效应，降低伤口表面温度对伤口降温。为了得到创面血管组织的变形规律，将外吸热源的截面做圆，吸热源的截面在物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071与血管伤口表面接触动脉血管由三层组成。. 由于最内层的内膜是由非常薄的弹性蛋白组成的，其厚度可忽略不计，因此该模型设计的动脉血管是双层的。外层为由胶原纤维束组成的胶原纤维层，内层为弹性纤维层，易于拉伸。在临床实践中，很难通过体内实验获得血管组织的热变形的数据，但Niemz [22]给出的生物组织热效应与临界温度的关系可以作为血管组织热变形的基础。外边界温度作用下血管伤口的生物热传导方程为：Pc(∂T / ∂t) = ▽(k.▽T) + Qb+ Q网(1)	P为维管组织密度，c为热容，k为维管组织的导热系数，Qb是血液灌注项和Q吗网. 代谢产热温度是由于时间短造成的吗不考虑高温缝合、代谢性生热作用的止血作用，另外，Q. b，作为血液灌注项，表示传热过程中的散热，可以通过施加边界热流来实现，即：Qb=hl(Text— T)(2)其中，hl表示不同的散热系数，和hl由于体内动脉血管深度的不同，其值也有所不同。文本代表室温，而T代表外部温度源。采用多物理场模拟的方法分析了外吸热环境下创面血管的压力止血情况。在研究过程中，血管组织的密度、热容和导热系数等物理参数随组织中含水量、有机质和温度的变化而变化。内膜主要由弹性纤维组成，杨氏模量较小，为（3 ~ 6）×106dyn/cm2. 我们采取6×106dyn/cm2. ，外膜主要由胶原纤维组成，杨氏模量可达4.3×1010dyn/cm2, i.e.4.3GPa.生物组织的泊松比V为0.4。数据如表1所示。表1。室温下内外血管膜的材料参数。<table><tr><td></td><td>单元</td><td>内层</td></tr><tr><td>密度(ρ)</td><td>kg/m3</td><td>1050</td></tr><tr><td>杨氏模量(E)</td><td>海上巡逻飞机</td><td>0.6</td></tr><tr><td>泊松比(v)</td><td></td><td>0.4</td></tr><tr><td>导热系数(k)</td><td>W/(m.℃)</td><td>0.48</td></tr><tr><td>热容量(c)</td><td>J/（kg.℃）</td><td>3850</td></tr><tr><td>热膨胀系数(α)</td><td>℃-1</td><td>1×10-5</td></tr><tr><td>含水量(ωn/ωw)</td><td></td><td>0.8</td></tr></table>第二步是建立伤口面压力止血模型，进行多物理场模拟。在多物理场模拟分析软件中，采用增广拉格朗日方法计算表面接触，并进行模拟分析压力止血系统，如图1(a)和(b).所示结果得到，当安全气囊内的压力达到1时。1atm对皮肤的下压力为12.5kpa，达到最小值物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071止血压力要求为10 kPa。同时，应用程序对损伤表面施加切向拧紧压力，如图1(d)(e)所示。<img src="/media/202408//1724856368.208871.png" />图1。(a)(b)仿真模型结构(c)中央安全气囊膨胀微系统压力模拟图(d)(e)创伤表面切向压力模拟图第三步是建立伤口模型，并对伤口模型进行压力止血的模拟分析由于人体不同部位的血管直径不同，对流传热系数也不同，不同血管的内外层厚度基本相同，这些关键因素在临床试验中需要考虑压力止血。人体血液对流传热系数一般为0.5W/m2*K。通过数值模拟，我们发现随着血管直径的增加，压力下血管伤口第一次“闭合”时间越长，这可能是由于血管周长的增加导致压缩变形时间延长，从而使伤口愈合时间变长。同时，我们也可以发现血液的对流传热系数，即散热条件对压力的影响物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071止血方法几乎不存在。表2为建立创面血管破裂模型的相关参数，模型如图2所示。表2。与血管和伤口模型相关的参数。<table><tr><td>名称</td><td>价值</td><td>描述</td></tr><tr><td>S_l (mm)</td><td>0.5</td><td>伤口宽度</td></tr><tr><td>S_h (mm)</td><td>4</td><td>伤口长度</td></tr><tr><td>S_z (mm)</td><td>0</td><td>温度源位置</td></tr><tr><td>T_b (degC)</td><td>37</td><td>温度</td></tr><tr><td>h_l (W/m2*K)</td><td>5</td><td>散热系数</td></tr><tr><td>ωn</td><td>0.8</td><td>内层含水量</td></tr><tr><td>ωw</td><td>0.5</td><td>外层含水量</td></tr><tr><td>D (mm)</td><td>6</td><td>血管直径</td></tr><tr><td>Thickness_w（毫米）</td><td>1</td><td>外层厚度</td></tr></table><img src="/media/202408//1724856368.4224808.jpeg" />图2。血管伤口的长度和宽度对伤口压力“缝合”止血的影响在压力止血中，通过加压100mmHg来分析伤口形状对血管伤口“缝合”止血的影响也至关重要。由于血管创面呈扁平的橄榄形，我们分别分析了在37℃高温下，伤口长度S_l和宽度S_h的变化对创面“缝合”速度的影响。当伤口宽度S_h = 0.5mm时，对伤口长度S_l进行参数扫描，当伤口长度S_l = 4mm时，对伤口宽度S_h进行参数扫描，如图2所示。从图2中的信息中，我们可以看出，随着伤口的长度和宽度的增加，伤口物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071“缝合”的时间在压力下会变得更长。同时，我们也发现，随着相同振幅的增加，长度S_l的变化对血管伤口“缝合”止血的影响大于宽度S_h。因此，当创面长度变化较大时，需要改变温度或截面尺寸，甚至改变温度源的位置。但是，当伤口的宽度发生变化时，它不能根据实际情况进行改变。2.2.系统结构设计在压力止血微系统的设计中，表面微系统主要由三个部分组成：压力产生装置、给药装置和检测反馈装置。该微系统的作用机理如图3所示。<img src="/media/202408//1724856368.5357811.jpeg" />图3。快速压力止血微系统示意图生压装置的原理是用碳酸氢钠固体和硫酸铝溶液进行化学反应，反应式如下：纳赫科3+ Al2（所以4)3== 3Na2所以4+2Al（哦）3↓ +6CO2↑ (3)	化学反应产生的二氧化碳气体，气动压缩出血产生的气压止血，同时将表面大创伤快速减压止血药物在监测系统中通过减压至创面进行止血消毒消毒，系统结构图如图所示图4 (a)，系统原理图如图4 (b).所示物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071<img src="/media/202408//1724856368.60272.png" />图4。(a)系统结构图(b)系统原理图2.3.药物给药技术的研究在压力停止出血的同时，药物储存装置位于球囊表面和创面上，并在压力下将药物释放到创面部位。图中研究了不同储能单元在相同压力下的变形情况。5.经分析，凸形储药单元的变形最大，达到1.35mm，符合在伤口表面释放药物的要求。<img src="/media/202408//1724856368.762187.png" />图5。凸起、四边形、六边形、半球形的变形分析3.结果通过对表面型创伤压力止血的研究，对设计的止血微系统进行加工制造，通过3D打印制作关键设备“压力气囊”，如图6所示。物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071<img src="/media/202408//1724856368.8248472.png" />图6。压力气囊图4描述了快速压力止血微系统的原理和结构，并进行了硬件回路仿真实验。理论原型如图7所示：<img src="/media/202408//1724856369.003585.png" />图7。(a)原理原型(b)反应后1分钟的压力检测通过对主原型进行仿真分析，压力达到270mmHg，满足创面压力止血的要求。4.结论本文的创新点：(1)通过研究创面血管破裂模型，研究了压力下血管的变形规律。(2)针对传统高温止血方法造成的灼烧、二次伤口等附带损害问题，设计了碳酸氢钠与硫酸铝的化学吸热反应原理，以实现大伤口的冷却。快速止血小沙微系统可实现创伤表面接触精确定位，周围组织表面温度在常温下，急剧降低到二次周围物理学杂志：会议系列2478（2023）122071 doi：10。1088/1742-6596/2478/12/122071损伤(3)主要原型实验，在表面径向应力下已达到270 mmHg，满足压力止血的要求，并能满足压力容器的变形要求。