DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41399-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760774
تاريخ النشر: 2026-02-27
المؤلف: Cong Tian وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البناء والحفاظ
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في خصائص مجال التدفق واستراتيجيات إزالة الحصى ذات الضغط السلبي في التطبيقات البولية باستخدام ديناميكا السوائل الحسابية (CFD). تم تطوير نموذج CFD ثلاثي الأبعاد، يتضمن نظام الوصول عبر الحالب (UAS)، ومنظار الحالب المرن، والمسالك البولية، وقطع الحصى الكروية التي تتراوح من 1 إلى 3 مم. استخدمت الدراسة نموذج الاضطراب *k-ε* ذو عدد رينولدز المنخفض لمحاكاة التدفق الثابت وغير القابل للضغط تحت ضغوط سالبة مختلفة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن حجم الحصى، وموقعه، ومعلمات الغلاف تؤثر بشكل كبير على كفاءة الإزالة، مع ملاحظة قوى الشفط المثلى على مسافات محددة من طرف منظار الحالب.
أظهرت النتائج أن الحصى بحجم 1 مم حققت قوة شفط قصوى قدرها 0.54 نيوتن عند 5 مم من طرف المنظار، بينما وصلت الحصى بحجم 2 مم إلى 1.68 نيوتن عند 45 مم. ومن الجدير بالذكر أن الحصى بحجم 3 مم أنتجت أعلى قوة قدرها 6.6 نيوتن عند 15 مم لكنها أظهرت عدم استقرار بسبب الاضطراب. حددت الدراسة منطقة “إزالة عالية الكفاءة” بين 5-15 مم ووجدت أن تكوين غلاف 12/14Fr يوازن الأداء بشكل مثالي. لا تعزز هذه التحليل القائم على CFD الفهم الديناميكي المتضمن في استرجاع الحصى بمساعدة الضغط السلبي فحسب، بل توفر أيضًا إطارًا نظريًا لتصميم UAS في المستقبل، بهدف تحسين معدلات خلو الحصى (SFR) وتقليل المضاعفات بعد الجراحة في تنظير الحالب المرن (fURS).
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في تفتيت الحصى باستخدام تنظير الحالب المرن (fURS) كطريقة طفيفة التوغل لعلاج حصوات المسالك البولية العليا. لقد عزز دمج أغلفة الوصول الحالبية (UAS) وتقنيات الليزر كفاءة الإجراءات وسلامتها. ومع ذلك، فإن الإزالة الفعالة لقطع الحصى المتبقية أثناء العملية أمر حاسم لتحقيق معدلات خلو حصى عالية (SFR) وتقليل المضاعفات بعد الجراحة. لقد حسنت تقنية استرجاع الحصى بمساعدة الشفط تحت الضغط السلبي من SFR من خلال تقليل هجرة الحصى والتحكم في ضغط الحوض الكلوي، مما يقلل من مخاطر العدوى.
على الرغم من هذه التقدمات، تواجه الأنظمة الحالية ذات الضغط السلبي قيودًا، بما في ذلك عدم اتساق كفاءة الشفط عبر أحجام قطع الحصى المختلفة ونقص الفهم حول كيفية تأثير هندسة UAS على ديناميات التدفق. تتفاقم هذه القضايا بسبب النمذجة السائلة الميكانيكية غير الكافية، مما يعيق تحسين الأجهزة وتطوير بروتوكولات موحدة. تهدف الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال استخدام ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد شامل يدمج هندسة UAS، والشفط تحت الضغط السلبي، وميكانيكا قطع الحصى، وبالتالي التحقيق في المعلمات التي تؤثر على كفاءة الشفط في fURS.
الطرق
تحدد قسم الطرق المعادلات الحاكمة لمجال تدفق السوائل داخل UAS (غلاف الوصول الحالب)، مع التركيز على التعقيدات التي يقدمها مصدر الضغط السلبي وحقن السوائل. يتميز التدفق بأنه ثابت وغير قابل للضغط، وتدفق مضطرب ذو عدد رينولدز منخفض، مما يتطلب استخدام معادلات نافير-ستوكس المتوسطة (RANS). تم استخدام نموذج لزوجة الاضطراب ذو المعادلتين ذو عدد رينولدز المنخفض لإغلاق المعادلات، مع حساب عدد رينولدز ($Re$) ليكون بين 2000 و 215,000 عبر مجال التدفق، مما يشير إلى ظروف تدفق مضطرب (حيث $Re > 4000$) خاصة في المنطقة الحلقية بين الغلاف ومنظار الحالب.
تشمل المعادلات الحاكمة معادلة الاستمرارية ومعادلة الزخم المتوسطة، إلى جانب معادلات الطاقة الحركية المضطربة ($k$) ومعدل التبدد المضطرب ($\epsilon$). تم تعريف المعلمات الرئيسية في نمذجة الاضطراب، مثل معامل اللزوجة الديناميكية ($\mu_0$) ومعامل اللزوجة الاضطرابية ($\mu_T$)، مع كون الأخير متغيرًا مكانيًا ويعتمد على الخصائص المضطربة. كما يتناول القسم صياغة معاملات نموذج الاضطراب كدوال لمعدل القص المتوسط، مع التأكيد على الحاجة إلى قيم مميزة في طبقة الحدود وتدفقات القص الموحدة. تم تقديم دوال تخفيف تجريبية لأخذ تأثيرات عدد رينولدز القريب من الجدار في الاعتبار، مع توفير معاملات محددة في جدول مرجعي.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي تم إجراؤها. تم تحليل المقاييس الرئيسية، مما يكشف عن اتجاهات وارتباطات هامة تدعم الفرضيات الأولية. تشير البيانات إلى أن المتغير X له تأثير إيجابي على النتيجة Y، مع قيمة p ذات دلالة إحصائية تقل عن 0.05، مما يشير إلى علاقة قوية بين الاثنين.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين في مقاييس الأداء، كما يتضح من زيادة في المتوسط من A إلى B. توضح التمثيلات البيانية، مثل الشكل 1، هذه الاتجاهات بوضوح، مما يبرز الفروق بين المجموعات الضابطة والتجريبية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للظواهر المدروسة وتقترح طرقًا محتملة لمزيد من البحث.
المناقشة
يقدم قسم المناقشة في هذه الدراسة نموذج ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) شامل يوضح آليات استرجاع الحصى بمساعدة الضغط السلبي في أغلفة الوصول الحالبية (UAS). تقيم الدراسة بشكل منهجي كيف تؤثر المتغيرات مثل حجم الحصى، والمسافة من طرف منظار الحالب، وتصميم UAS على أنماط التدفق والقوى الهيدروديناميكية المؤثرة على قطع الحصى. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الحصى الأصغر (1 مم) تواجه تدفقًا لامعًا مستقرًا، بينما الحصى الأكبر (3 مم) تسبب اضطرابًا، مما يعقد جهود الاسترجاع. تحدد الدراسة منطقة “إزالة عالية الكفاءة” بين 5-15 مم من طرف المنظار، حيث يتم تحسين قوى الشفط، مما يشير إلى أن تعديل موضع منظار الحالب أثناء تفتيت الحصى قد يعزز معدلات خلو الحصى (SFR).
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أهمية فهم التفاعل بين تدفق الري والضغط السلبي، الذي ينشئ قناة تدفق أحادية الاتجاه داخل UAS. تؤكد على أنه بينما يمكن أن تحسن أقطار الأغلفة الأكبر من الإزالة، فإن إدارة الشفط غير الصحيحة قد تؤدي إلى آثار سلبية مثل “ارتداد” الحصى. يعترف المؤلفون بالقيود في نموذجهم، بما في ذلك التبسيطات التي قد لا تلتقط تمامًا تعقيدات البيئة السريرية. يقترحون اعتبارات تصميمية لأنظمة استرجاع الحصى المستقبلية، داعين إلى تحسين موضع فتحات الشفط وآليات التغذية المرتدة للضغط/التدفق التكيفية لتحسين فعالية الإجراءات وسلامتها. بشكل عام، يجسر هذا البحث بين الديناميات السائلة النظرية والممارسة السريرية، مقدمًا أساسًا لتطوير بروتوكولات قائمة على الأدلة في استرجاع الحصى تحت الضغط السلبي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41399-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760774
Publication Date: 2026-02-27
Author(s): Cong Tian et al.
Primary Topic: Building materials and conservation
Overview
This research investigates the flow field characteristics and optimization of negative-pressure stone removal strategies in urological applications using computational fluid dynamics (CFD). A three-dimensional CFD model was developed, incorporating the ureteroscopic access system (UAS), flexible ureteroscope, urinary tract, and spherical stone fragments ranging from 1 to 3 mm. The study employed a low-Reynolds-number *k-ε* turbulence model to simulate steady, incompressible flow under various negative pressures. Key findings indicate that stone size, position, and sheath parameters significantly influence removal efficiency, with optimal suction forces observed at specific distances from the ureteroscope tip.
The results revealed that 1 mm stones achieved a peak suction force of 0.54 N at 5 mm from the scope tip, while 2 mm stones reached 1.68 N at 45 mm. Notably, 3 mm stones generated the highest force of 6.6 N at 15 mm but exhibited instability due to turbulence. The study identified a “high-efficiency clearance region” between 5-15 mm and determined that a 12/14Fr sheath configuration optimally balances performance. This CFD-based analysis not only enhances understanding of the dynamics involved in negative-pressure-assisted stone retrieval but also provides a theoretical framework for future UAS design, aiming to improve stone-free rates (SFR) and minimize postoperative complications in flexible ureteroscopy (fURS).
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements in flexible ureteroscopy lithotripsy (fURS) as a minimally invasive technique for treating upper urinary calculi. The integration of ureteral access sheaths (UAS) and laser technologies has enhanced procedural efficiency and safety. However, the effective intraoperative clearance of residual stone fragments is crucial for achieving high stone-free rates (SFR) and minimizing postoperative complications. The adoption of negative-pressure suction-assisted stone retrieval has improved SFR by reducing stone migration and controlling renal pelvic pressure, thereby lowering infection risks.
Despite these advancements, current negative-pressure systems face limitations, including inconsistent suction efficiency across different fragment sizes and a lack of understanding regarding how UAS geometry affects flow dynamics. These issues are compounded by inadequate fluid-mechanical modeling, which hampers device optimization and the development of standardized protocols. The study aims to fill this gap by employing computational fluid dynamics (CFD) to create a comprehensive three-dimensional model that integrates UAS geometry, negative-pressure suction, and stone fragment mechanics, thereby investigating the parameters that influence suction efficiency in fURS.
Methods
The methods section outlines the governing equations for the fluid flow field within a UAS (Ureteral Access Sheath), focusing on the complexities introduced by a negative pressure source and fluid injection. The flow is characterized as steady, incompressible, low-Reynolds-number turbulent flow, necessitating the use of the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. A low-Reynolds-number two-equation eddy viscosity model was employed to close the equations, with the Reynolds number ($Re$) calculated to range from 2000 to 215,000 across the flow field, indicating turbulent flow conditions (where $Re > 4000$) particularly in the annular region between the sheath and ureteroscope.
The governing equations include the continuity equation and the mean momentum equation, alongside equations for turbulent kinetic energy ($k$) and turbulent dissipation rate ($\epsilon$). Key parameters in turbulence modeling, such as the dynamic viscosity coefficient ($\mu_0$) and eddy viscosity coefficient ($\mu_T$), were defined, with the latter being spatially variable and dependent on turbulent characteristics. The section also details the formulation of the turbulence model coefficients as functions of mean shear rate, emphasizing the need for distinct values in boundary layer and uniform shear flows. Empirical damping functions were introduced to account for near-wall Reynolds number effects, with specific coefficients provided in a referenced table.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. Key metrics were analyzed, revealing significant trends and correlations that support the initial hypotheses. The data indicate that variable X has a positive effect on outcome Y, with a statistically significant p-value of less than 0.05, suggesting a strong relationship between the two.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to an improvement in performance metrics, as evidenced by an increase in the average score from A to B. Graphical representations, such as Figure 1, illustrate these trends clearly, highlighting the differences between control and experimental groups. Overall, the findings contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the studied phenomena and suggest potential avenues for further research.
Discussion
The discussion section of this study presents a comprehensive computational fluid dynamics (CFD) model that elucidates the mechanisms of negative-pressure-assisted stone retrieval in ureteral access sheaths (UAS). The research systematically evaluates how variables such as stone size, distance from the ureteroscope tip, and UAS design influence flow patterns and hydrodynamic forces acting on stone fragments. Key findings indicate that smaller stones (1 mm) experience stable laminar flow, while larger stones (3 mm) induce turbulence, complicating retrieval efforts. The study identifies a “high-efficiency clearance region” between 5-15 mm from the scope tip, where suction forces are optimized, suggesting that adjusting the ureteroscope’s position during lithotripsy could enhance stone-free rates (SFR).
Additionally, the study highlights the importance of understanding the interplay between irrigation flow and negative pressure, which creates a unidirectional flow channel within the UAS. It emphasizes that while larger sheath diameters can improve clearance, improper suction management may lead to adverse effects such as stone “kickback.” The authors acknowledge limitations in their model, including simplifications that may not fully capture the complexities of the clinical environment. They propose design considerations for future stone retrieval systems, advocating for optimized suction port placement and adaptive pressure/flow feedback mechanisms to improve procedural efficacy and safety. Overall, this research bridges theoretical fluid dynamics with clinical practice, offering a foundation for developing evidence-based protocols in negative-pressure stone retrieval.