基于计算流体力学的负压取石流场模拟与优化：结石大小、位置与鞘管几何形状

这对肾结石患者为何重要

肾结石常见且疼痛难忍，现代微创手术通常可以将它们击碎成小碎片。但如何安全、彻底地清除这些碎片仍然具有挑战性。本研究使用先进的计算机模拟来观察可用于可弯曲肾结石手术的吸引管，提出一个对患者和外科医生都很实际的问题：如何通过调整管道形状、吸力以及碎石的大小和位置，来提高一次性清除结石的效率并减少并发症？

如何用温和吸引清除结石

目前许多取石手术通过一根细长的可弯曲内镜经由称为输尿管通道鞘的中空管进入，从膀胱到肾脏。内镜释放激光能量以击碎结石，同时向肾脏注入冲洗液，而鞘管连接到吸引源，将水和碎片抽出。临床上，外科医生会发现有些碎片很容易被带走，而另一些则顽固地滞留甚至反复被冲击。到目前为止，这些现象多靠经验和反复试验来解释，而缺乏对鞘管内流体与碎片实际运动的详细理解。

用虚拟手术看见不可见之处

研究者建立了一个三维计算模型，包含通道鞘、可弯曲内镜、尿道通路以及理想化的直径在1到3毫米之间的球形结石碎片。他们模拟了当内镜端口向外喷出冲洗液并同时通过鞘管负压回收时的水流。通过改变结石大小、吸力强度、鞘管直径以及结石距内镜端口的距离，研究人员能够预测作用在每个碎片上的力，并判断碎片是被吸向鞘口还是被推离。该虚拟方法使他们得以探索在患者体内难以直接测量的复杂流场。

结石大小与位置的真实影响

模拟表明，结石的大小和距内镜端口的距离强烈影响吸引效果。直径1毫米的微小碎片在距内镜端口约5毫米处受到的拉力最强。直径2毫米的中等碎片具有一个更远的“最佳”位置，约在45毫米处，且当它们非常靠近端口时会被外向的冲洗流体推开。直径3毫米的较大碎片总体上承受最大的拉力，峰值出现在距端口约15毫米，但它们也会引起更多混沌流动，导致运动跳跃且不稳定。在每个碎片后方都会形成涡旋低压区，这些区域既能帮助推动碎片移动，也会使其路径更难预测。

体内的“高效”区域

通过比较多种组合，研究团队识别出一个实际的工作窗口，长度仅为几毫米，大致位于内镜端口前方5到15毫米之间，在此处吸引驱动的碎石输运最为可靠。在该区域内，流动更趋于有序，石块两侧的压差排列有利于将碎片拉入鞘管。超出此范围，尤其是在端口极近或远上游位置时，冲洗流、湍流和涡旋可能抵消或使碎片运动不稳。模拟还表明，一种常用的鞘管尺寸（12/14 French）提供了较好的平衡：足够大以有效清除碎片，但不至于使流动极度不稳定或对周围组织潜在不安全。

这对未来取石治疗意味着什么

对患者而言，这项工作不会立即改变手术室的现行做法，但为改进提供了科学依据。研究表明，外科医生可以通过调整碎石的破碎与定位，使其进入高效区而不是正好位于内镜端口或太远，从而提高无结石率。研究还为更智能的鞘管设计和可适应不同结石大小的吸引系统指明了方向。尽管模型简化了真实的解剖结构和体内运动，但它为未来的器械和指南提供了路线图，可能使取石手术更安全、更快捷，并更有可能在一次操作后使患者真正无石。

引用: Tian, C., Liu, J., Di, Q. et al. Computational fluid dynamics-based flow field simulation and optimization of negative-pressure stone removal: stone size, position, and sheath geometry. Sci Rep 16, 11265 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41399-1

关键词: 肾结石, 可弯曲输尿镜, 负压吸引, 计算流体力学, 输尿管通道鞘设计