本研究由东京医科齿科大学（Tokyo Medical and Dental University）生物医学信息系的Yoshikazu Nakajima、Rina Suzuki、Yutaro Suzuki、Takaaki Sugino、Toshihiro Kawase、Shinya Onogi，心血管外科的Haruna Seki、Tatsuki Fujiwara，以及先进外科技术系的Katsuhiro Ouchi共同完成。该论文发表于International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery（国际计算机辅助放射学与外科杂志）2020年第15卷，页码为1653至1664。

研究背景方面，该工作属于腹腔镜肝脏手术器械领域。在现有临床实践中，外科医生使用腹腔镜手术钳抓持并操纵肝脏，但不恰当的抓持力可能导致肝脏损伤或严重出血，抓持不稳定也会造成操作不安全或切割面波动。为了提高腹腔镜肝脏切除手术中肝脏操作的稳定性与无创性，作者提出了一种基于负压吸附固定（suction fixation）和刚度调节（stiffness tuning）的辅助手术器械。

该研究的工作流程包括器械设计、理论力学分析、样机制作以及多项实验验证。器械由两根软梁（soft beam）、一个腔室海绵（chamber sponge）、覆盖器械上部的薄膜、周边伸出的翼膜（extrusion wing membrane）、一根真空管和三根供钳抓持的横杆（to-be-grasped bar）组成。两根梁内嵌不可拉伸的线材，使其不可伸长但易于弯曲。器械在未施加真空时处于低刚度状态，两根梁可自由滑动；当器械底部贴附肝脏表面并抽真空后，外部大气压力将两根梁压紧，使其等效为一根厚度加倍的整体梁，弯曲刚度理论上提高四倍。根据材料力学推导，单梁弯曲刚度为EI_single_beam = E(bh³/12)，未约束双梁刚度为EI_unconstrained_beams = E(bh³/6)，而约束后双梁刚度为EI_constrained_beams = E(2bh³/3)，即理论上刚度提升四倍。设计上还分析了弯曲正应力和剪切应力分布，正应力在梁的上下表面最大，剪应力在两根梁的接触界面处最大，据此采用了波浪形基底与硅胶填充的结构，以兼顾弯曲柔性和界面抗滑能力。横杆设计为三角形布局，以适应不同腹腔镜手术入路角度。

实验部分包括形状顺应性测试、吸附固定力测试、刚度弯曲测试、肝脏损伤测试以及肝脏切除可用性测试。形状顺应性测试使用曲率半径分别为30、35、45、55、65 mm的硅胶涂层黄铜模型，在−80至−20 kPa真空压力下各重复50次。吸附固定力测试使用离体猪肝，通过力计测定垂直提升力和水平剪切力，并在每次失败后切除部分肝脏以逐步找到最大可提升重量。弯曲刚度测试采用三点弯曲法，将器械底部密封后支撑两端，用力计在中间施压，记录不同真空压力下的力-位移关系。侵入性测试对离体猪肝分别进行1、5、10、20分钟的持续吸附，记录停止吸附即刻、5、10、30分钟后的外部和内部出血情况。可用性测试在腹部模型和猪肝上进行，使用腹腔镜钳和剪刀完成抓持、定位、牵张和切割操作，每种手术操作在三次肝脏切除试验中重复超过30次。

主要实验结果显示，在形状顺应性方面，真空压力为−80 kPa时，器械对35 mm曲率半径表面的顺应成功率为100%，对30 mm则为0%；而−60 kPa时35 mm曲率半径成功率为78%，−40 kPa时为36%，−20 kPa时为0%；对于45 mm及以上曲率半径，所有压力条件下的成功率均为100%。根据肝模型曲率分析，肝脏表面大部分区域曲率半径在50至400 mm之间，因此该器械的形状顺应性可以满足实际肝脏表面需求。在吸附固定力方面，−80 kPa时垂直提升力为2.43 N，−40 kPa时为1.43 N，水平剪切力在所有情况下均超过4.90 N。在弯曲刚度方面，未约束梁状态下的刚度为0.17 N，而−80 kPa时约束梁刚度为0.94×10⁻⁶ Nm²，−20 kPa时为0.65×10⁻⁶ Nm²，约束状态刚度分别是未约束状态的5.48倍和3.78倍，且t检验显示p<0.001，说明该刚度提升具有统计学显著性，实际刚度提升倍数超过了理论四倍。在肝脏损伤方面，未观察到外部出血，但吸附区域出现一定程度的内部出血，且在本实验中未见明显恢复。在可用性测试中，使用该器械时肝脏切割面平整，未出现波动性切割，且横杆能够被腹腔镜钳从多个角度稳定抓持，肝脏张力能够均匀传递到肝表面；相比之下，不使用该器械时切割面出现起伏，且两次出现手术视野盲区。

研究结论指出，该吸附固定手术器械在肝脏表面形成隆起，能够顺应肝脏表面形状并牢固吸附，刚度调节机制可有效传递手术钳的操作力至肝脏表面。在腹腔镜肝脏切除中，传统手术钳抓持肝脏可能出现操作困难，引入该器械能够降低此类风险并为外科医生提供良好的操作条件。该器械在可用性和低侵入性方面的表现说明其具备应用于实际腹腔镜手术的可行性。

本研究的亮点包括：提出并实现了一种基于负压吸附和双梁气动锁定的刚度可调手术器械；通过波浪形梁基底和硅胶层的复合结构设计，实际刚度切换倍数达到5.48倍，超过了均匀梁理论预测的四倍；并且器械无需在手术中更换腹腔镜工具即可实现从柔性顺应到刚性传力的状态转换。作者同时指出，目前器械宽度和高度为15×17 mm，需通过29 mm切口引入腹腔，未来需进一步缩小尺寸；所用原型含铅焊料，需去除毒性材料并进行生物相容性测试；肝脏损伤评估仅进行到20分钟，且为离体猪肝，未来应在活体标本上进行更长时间的评估，并采用视觉模拟量表等定量方法进行可用性评估。