中文摘要：

经直肠内镜显微手术（Transanal Endoscopic Microsurgery,TEM）是一种有效的直肠肿瘤和早期直肠癌的局部治疗新术式，但由于该手术中采用CO2充气膨胀直肠所直接带来的潜在危险及其间接造成的TEM手术系统价格昂贵、操作困难等缺陷成为了制约其推广和应用的瓶颈。本项目拟研制基于镍钛形状记忆合金的免充气直肠扩张装置，利用其形状记忆效应和超弹性扩张直肠，并进一步实现可针对直肠弹性的个体差异自动控制直肠的最优扩张程度, 以提供更加安全、可靠、充分的病灶暴露，提高TEM在临床上的可应用性和可推广性；同时，以该应用为例，深入探讨镍钛形状记忆合金在医学应用中的系统设计方法，包括如何借助仿真技术确定更为全面的设计指标和优化设计方案、以及在复杂工作环境下的准确驱动控制等关键性技术问题的研究，从而为开发更多类似的创新性的医学器械提供设计理念和技术方法上的参考借鉴。

结论摘要：

本项目针对目前经直肠内镜显微手术中采用CO2充气膨胀直肠方法存在的问题，开展了利用镍钛形状记忆合金的功能性质研制免充气直肠扩张装置的系统研究。具体包括获取了人体腹部影像资料，完成直肠模型的建立及初步的扩张仿真；根据分析结果确定了基本设计要求，提出了两种以镍钛双程形状记忆合金丝和镍钛形状记忆合金弹簧为驱动器、由镍钛超弹条构成扩张部分的免充气直肠扩张装置的设计方案。应用曲梁、细长柱的屈曲变形理论及记忆合金弹簧设计理论完成了各部件的具体设计及参数确定；研制了热机械训练装置，并进行了镍钛双程形状记忆合金丝和弹簧的训练实验与方法探讨；测试分析了镍钛形状记忆合金弹簧的非线性迟滞行为特点，提出了一种基于改进的KP磁滞模型与选择性参数自适应律的控制方案，结合自适应温度控制器，可通过调节电流控制记忆合金弹簧的驱动长度，并采用计算机仿真与实时控制测试验证了该控制方案对多种目标轨迹的跟踪准确性、预测驱动能限的准确性及鲁棒性；设计了局部热处理装置，开展了消除形状记忆合金弹簧端部记忆效应的实验研究；制备了多个基于形状记忆合金的免充气直肠扩张装置原型样机，采用猪直肠进行了扩张性能测试分析。研究结果表明，利用形状记忆合金的记忆效应和超弹性可实现对直肠的扩张，结合基于磁滞补偿的自适应控制方案可准确控制其扩张程度，具有应用潜力。同时，本研究在形状记忆合金器件设计制作所涉及的仿真分析、准确驱动控制、双程记忆合金训练等关键性技术方面取得的进展，可用于指导开发更多的基于形状记忆合金的微创手术器械。