智能流体-固体耦合阴道扩张系统的生物力学评估：提升宫颈癌筛查舒适度的创新设计

为改善传统阴道扩张器使用不适、操作繁琐等问题，上海科研团队设计了一种结合刚柔技术的智能阴道扩张系统。通过流体-固体耦合有限元模拟（FSI）和体外实验验证，该系统扩张位移达30.49±0.05 mm，阴道壁压力分布更均匀（605.91 kPa），较传统鸭嘴扩张器显著提升舒适度，为宫颈癌筛查(colposcopy)提供新方案。

　　

宫颈癌作为威胁全球女性健康的第四大恶性肿瘤，其早期筛查依赖阴道镜(colposcopy)检查，但传统鸭嘴扩张器因刚性结构易造成局部压力过高，导致患者强烈不适。尽管澳大利亚Veda-scope等新型设备尝试改进，仍存在体积庞大、成本高昂或气囊破裂风险。这一临床痛点亟待兼具安全性与舒适度的技术创新。

上海市科学技术委员会资助的研究团队提出了一种革命性解决方案——智能流体-固体耦合阴道扩张系统。该系统创造性融合柔性辅助袖套（充液结构）与刚性支撑装置，通过流体-固体耦合有限元方法(FSI)模拟扩张过程，采用医用硅橡胶超弹性材料模型，设定流体域压力入口1.5 kPa。体外实验显示，该系统最大扩张位移30.49±0.05 mm，与仿真结果32.2 mm高度吻合，且压力分布较传统器械均匀性提升40%。

关键技术方法
研究采用三维建模构建阴道-扩张器复合体系，通过FSI模拟流体在柔性袖套中的流动特性（含涡流压差分析），并建立超弹性材料本构方程。体外实验采用高精度位移传感器和压力分布膜，对比测试智能系统与鸭嘴扩张器的生物力学参数。

有限元模拟结果
流体动力学可视化显示，袖套前端因回流形成高压区（红色区域达1.5 kPa），中部涡流导致低压区（蓝色0.3 kPa）。固体域分析表明，医用硅橡胶的应变能密度峰值出现在袖套褶皱处，验证了材料选择的合理性。

体外实验发现
在等效扩张直径下，智能系统接触面积较鸭嘴扩张器增加2.8倍，平均压力降至传统器械的1/3。压力分布图显示，传统器械在轴向产生>900 kPa的局部高压点，而新系统全域压力维持在400-600 kPa区间。

讨论与临床价值
该设计通过流体压力传导实现"面接触"扩张，避免传统器械"线接触"的应力集中问题。值得注意的是，系统顺应阴道生理结构（中部狭窄特性），在30mm扩张时仍保持完整结构强度，克服了FemSpec设备易破裂的缺陷。

这项发表于《Medical Engineering》的研究标志着宫颈癌筛查器械进入智能化时代——其模块化设计可兼容现有阴道镜系统，92%的受试者偏好度数据预示良好临床转化前景。未来通过集成实时压力反馈模块，将进一步实现个性化扩张控制，为全球每年50万宫颈癌新发病例提供更人性化的筛查体验。