刘晓敏，万露通，陈 亮

（福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350116）

随着电刀和激光等高温设备在外科手术的广泛应用，肿瘤类疾病治愈率得以提高。手术瞬间产生的高温会造成细胞内容物以烟雾形式扩散至手术室，人长时间吸入会引发肺部毒性感染甚至致癌。

目前，各国众多研究机构建议使用手术排烟装置。Lee 等［1］通过实验验证了手术排烟装置能有效减少有害物质浓度。Martin 等［2］对排烟系统排烟效率进行研究，使得手术烟雾溢出量降低了99%。Kisch 等［3］设计的反馈模式排烟系统能进一步减少手术烟雾的溢出。Zeitz 等［4］提出一种能为手术病人腹腔提供二氧化碳的多功能排烟系统。

上述研究虽然能减少手术烟雾溢出，但排烟效率低，净化后气体不能被循环使用［5］。为此，对外科手术排烟装置进行创新设计，以便为手术室人员创造更加健康的工作环境。

1 装置基本原理及功能分析

1.1 基本原理

外科手术排烟装置主要作用是捕集和净化手术烟雾，其工作原理如图1 所示。将集烟罩置于手术部位上方3~5 mm，由电机提供动力驱动叶片旋转产生负压，手术烟雾在负压作用下被聚拢到集烟罩覆盖区域，经集烟管运输到过滤器，再由过滤介质对手术烟雾中有害物质进行吸附和分解，最终将净化后的气体排出。

图1 外科手术排烟装置工作原理Fig.1 The working principle of the surgical smoke exhaust device

1.2 功能分析

将外科手术排烟装置总功能确定为吸除手术烟雾。对其总功能进行分解，得到捕集、导流、过滤净化、动力供应、控制、辅助等分功能。结合其工作原理，建立外科手术排烟装置功能结构模型，如图2所示。外科手术排烟装置排烟效率受电机、集烟管和集烟罩等影响，过滤介质对有害化合物的吸附、分解功能不足。要解决该问题，需对上述相关结构进行改进设计。

图2 手术排烟装置功能结构模型Fig.2 Functional structure model of surgical smoke exhaust device

2 主要结构形式确定

在装置吸取手术烟雾过程中，集烟罩、集烟管的位置既要固定也要变换，不能完全收集手术烟雾，形成一对物理矛盾；大功率的电机有利于增大负压力，但同时产生的噪声增大，提高排烟效率和降低噪声构成一对技术矛盾；电机功率既要增大也要减小，形成一对物理矛盾。为此，应用TRIZ［6］工具有效解决上述矛盾，并获得相应求解方案。

利用系统分离原理，将集烟管设计成万向管结构，集烟罩设计成可扩张收缩的罩口结构，使捕集结构具有伸缩悬停特性；通过查找冲突矩阵，采用分割原理2，将单台大功率电机由2 台小型电机代替，以降低装置噪声；采用时间分离原理，在手术烟雾量较小时只开启一台电机，在手术烟雾量较大时保持全开状态，以适应不同手术强度，降低能耗。

根据功能分析，集烟管结构改进设计能进一步提高捕集能力。利用物-场分析法建立集烟管捕集手术烟雾的物-场模型，如图3所示。为了增强系统性能，采用“毛细孔和多孔结构物质”标准解，在集烟管进气口附近开设多个矩形进气孔，周向均匀分布在集烟管表面。

图3 集烟管捕集手术烟雾的物-场模型Fig.3 Smoke collecting pipe to transport surgical smoke object-field model

过滤介质功能作用不足易造成过滤材料堵塞，导致过滤效率降低。如图4所示，可采用“引入另一个场向并联式复合场转换”标准解，在过滤器中添加紫外光模块，在过滤介质中添加氧化物等催化剂，使过滤器能够自清洁，同时增强了手术烟雾净化功能。

图4 过滤器过滤手术烟雾的物-场模型Fig.4 Object-field model for filtering surgical smoke of filter

3 产品方案设计与评价

3.1 形态学矩阵构建

结合图2 及上述功能元得到的原理解，构建手术排烟装置形态学矩阵，如图5 所示。考虑各功能元载体之间的兼容性，最终从图5 多种组合方案中选出7种可行性较高的设计方案，如表1所示。

表1 组合设计方案Tab.1 Combination design

图5 手术排烟装置形态学矩阵Fig.5 Morphological matrix of surgical smoke exhaust device

3.2 方案评价与优选

采用非合作-合作博弈理论［7］对上述方案进行评价优选。确定决策目标集为噪声、捕集能力、过滤净化效率、成本和可操作性，并依次用符号Q1、Q2、Q3、Q4、Q5表示。由专家对形态学矩阵中各功能元原理解及其与决策目标之间的关系进行评分，评分数值从1、2、3、4、5 中选取，依次表示为不相关、一般相关、中等相关、密切相关和非常密切相关［8］。将各功能元原理解与决策目标的关系值进行汇总，求得平均值如表2所示。

表2 功能元原理解与决策目标的相关性Tab.3 Relevance between the original understanding of functional element and the decision-making goal

（1）聚类分析。

计算模糊相似矩阵R1：

式中：t=5 且x，y=A，B，…，I；rxqk、ryqk为表3 功能元x或y对应决策目标Qk的相关值；r1xy为功能元x与功能元y的相似性。

利用Python 3.7 计算出R1的模糊等价矩阵R*=R4，且满足R8=R4；利用λ截矩阵Rλ对表3中各功能元进行分类，由于决策目标有5 个，取λ=0.92，对R*进行整理，得到矩阵R0.92：

由R0.92得到聚类分析结果，其中｛A，B，C｝∈Q1，｛D，E｝∈Q2，｛F｝∈Q3，｛G｝∈Q4，｛H，I｝∈Q5。

（2）构造方案决策矩阵。

根据聚类结果，从专家评分中选取相应功能元原理解评分值进行汇总并求出平均值，如表3所示。

表3 分类后功能元原理解与决策目标的相关性Tab.3 Relevance between the original understanding of functional element and the decision-making goal after classification

由表4 建立上述7 种组合设计方案的决策矩阵R：

（3）非合作博弈方案决策。

计算每个功能元与相应决策目标之间的满意度T（r）：

式中：rqn为各功能元N在所属决策目标Q中的最大评分值，即rmaxqn=5；rij为决策矩阵R中Si的第j功能元对应的相关值。

计算每个决策目标与相应功能元的关系值Rqi及其收益值Uqk：

在非合作博弈过程中，每个参与博弈的决策目标总是使自身收益最大化，以阻碍其他参与博弈的决策目标获得收益。为了平衡各决策目标收益，计算非合作博弈过程中各方案的综合收益值Δp：

将求得的各方案决策目标收益值及各方案综合收益值进行汇总，得到各方案非合作博弈收益如表4所示。

表4 非合作博弈收益Tab.4 Non-cooperative game gains

取Δp≥0.011 为满足纳什均衡的方案，由表5可得出S3、S4、S5和S6方案的各决策目标收益达到纳什均衡。

（4）合作博弈最优方案决策。

合作博弈目的是使合作博弈收益值χv最大，即通过降低成本和噪声的收益值，提高捕集能力、过滤净化效率和可操作性的收益值。

计算上述4 种纳什均衡方案的合作博弈收益值χv：

上述4 种纳什均衡方案合作博弈收益值结果如表5所示。

表5 各方案合作博弈值Tab.5 The cooperative game value of each scheme

由表4 和表5 可知，S3方案的合作博弈值最大，所以外科手术排烟装置最佳设计方案为S3，其整机模型如图6所示。

图6 外科手术排烟装置整机模型Fig.6 Complete machine model of surgical smoke exhaust device

3.3 捕集结构仿真分析

为验证最优方案捕集结构性能，对其仿真分析。利用SolidWorks 建立原方案与最佳方案捕集结构几何模型，如图7 所示。几何模型高度为390 mm，集烟罩口直径为60 mm，集烟管内径为22 mm，矩形进气孔数量为12 个，长、宽、高分别为5、3、6 mm，其中与大气连通的计算域为直径500 mm、高为100 mm 的圆柱体，进气孔入口与中间轴线夹角θ初始值为45°。

图7 捕集结构简化模型Fig.7 Simplified model of capture structure

将上述2种结构模型导入COMSOL Multiphysics 5.4中进行网格划分，并对最佳方案捕集结构的进气孔网格进行细化处理；设置边界条件的出口负压为-630 Pa，进气孔进气速度为19 m/s，计算域表面为压力入口，取标准大气压值，壁面设置无滑移状态。

为获得捕集结构更好的流场模拟效果，采用标准k-ε湍流模型，得到仿真结果如图8 和图9 所示。最优方案捕集结构内产生的负压和吸力比原方案大，随着轴线高度上升，流速逐渐增大，最优方案捕集结构的速度增加更快，在集烟罩口产生的吸入速度和负压均大于原方案。结果表明，优选方案捕集结构优于原结构。

图8 轴线高度与压力变化曲线Fig.8 Axis height and pressure change curve

图9 轴线高度与气流速度变化曲线Fig.9 Change curve of axis height and air velocity

受集烟管内径和数量的制约，对倾斜角在0~70°范围内的集烟罩口气压和流速变化进行分析，得到结果如图10 所示。当进气孔倾斜角小于20°时，捕集结构的性能基本不受影响；随着倾斜角的增大，罩口吸入气流获得的横向切速度逐渐增大，卷吸强度逐渐增强，罩口负压和流速逐渐增大；在倾斜角为60°时，罩口负压和流速最大，此时在罩口覆盖区域产生了类似“龙卷风”的卷吸效果，卷吸强度最为稳定。由此表明，倾斜角为60°时捕集结构吸取烟雾能力最好。

图10 进气孔倾斜角对罩口压力/流速影响曲线Fig.10 The influence curve of the inclination angle of the air inlet on the pressure/velocity of the cover

4 结语

本文分析了外科手术排烟装置基本原理，建立了功能结构模型。采用TRIZ 理论对捕集结构和过滤器进行改进设计，提高了装置的排烟和过滤效率，增加了过滤器寿命。本文构建了装置形态学矩阵，利用非合作-合作博弈理论选出最佳设计方案S3，通过仿真验证了最佳方案捕集结构的性能，当进气孔倾斜角为60°时装置排烟能力最好。