面向活檢取樣的生物組織振動輔助切削機理及切削特性研究.pdf

1、由于介入治療具有創(chuàng)傷小、簡便、安全、有效、并發(fā)癥少和明顯縮短住院時間等特點，受到廣大患者的青睞得以在短時間內(nèi)快速發(fā)展。隨著介入治療學的興起與快速發(fā)展，對經(jīng)皮穿刺技術(shù)的要求也越來越高。與手術(shù)提取體內(nèi)疑似組織相比，經(jīng)皮穿刺活檢技術(shù)具有創(chuàng)傷小、恢復快和感染率低等優(yōu)點，是目前提取癌癥疑似組織并進行的細胞學診斷的主要方式。然而在活檢取樣過程中由于針尖受到不均勻的作用力而產(chǎn)生彎曲變形，同時在穿刺過程中器官組織受力發(fā)生變形、移動或者轉(zhuǎn)動導致病灶區(qū)域偏

2、離穿刺路徑。諸多因素導致了取樣過程中取樣精度不高、取樣性能不穩(wěn)定等問題，進而導致誤診的例子時有發(fā)生。振動輔助穿刺技術(shù)通過在活檢針穿刺過程輔助軸向振動可減小穿刺力、減小針尖彎曲變形、增加取樣量、提高取樣精度等，是一種極具潛力的活檢穿刺技術(shù)。本文研究了振動輔助穿刺過程中穿刺針與軟組織交互作用機理，研究了不同速度和不同振動類型對穿刺過程中針受力、軟組織斷裂性能和穿刺取樣性能的影響，優(yōu)化了取樣工藝參數(shù)。
　　針對振動輔助切削軟組織進行理論

3、研究，深入研究振動輔助穿刺過程中針與軟組織間交互作用機理，對針與組織之間運動學和力學進行分析并建立相關(guān)模型。對穿刺過程中活檢針進行運動學分析，推導出無振動輔助和有振動輔助穿刺過程中針尖速度、針尖位移隨時間變化的公式，分析了振動輔助穿刺過程中產(chǎn)生回退再切割的條件。理論分析表明，當振動速度大于進給速度時，活檢針切割軟組織存在回退再切割過程;當振動速度小于進給速度時，不存在回退再切割過程。通過迭代法求得活檢針回退再切割時針尖速度。將活檢針穿刺

4、取樣過程簡化為三個階段，對每一個階段活檢針受力進行分析并建立力學模型。將活檢針穿刺第二階段針切割軟組織階段分成空心針穿刺與實心針穿刺兩種情況，分別進行分析并建立力學模型。針對空心針穿刺軟組織情況，結(jié)合金屬切削機理，推導出針尖速度與活檢針受力關(guān)系式。理論分析表明，針尖速度增加導致針尖組織變形速率增加進而使活檢針受力增加?；贚uGre摩擦模型分析了軟組織與活檢針之間摩擦力情況。理論分析結(jié)果表明，無振動輔助穿刺時摩擦力隨相互運動速度增加而增

5、加，振動輔助穿刺條件下摩擦力隨穿刺速度和振動參數(shù)之間關(guān)系而變化。振動輔助穿刺條件下，對于給定的進給速度v1，當|v1|＜ωA時，增加振動頻率或者增大振動振幅可以降低摩擦力;當|v1|＞ωA時，增加振動頻率或者增大振動振幅會增加庫倫摩擦，進而增加摩擦力。分析了振動輔助活檢穿刺對軟組織斷裂性能影響。推導出基于能量法計算振動輔助刀具切割軟組織斷裂韌性公式。結(jié)合沖擊載荷和波對裂紋的影響，分析了振動輔助穿刺對軟組織裂紋處應力強度因子的影響。理論分

6、析表明，當振動輔助活檢穿刺的振動方式為縱振動時，軟組織裂紋處應力強度因子隨振動頻率的增加先增大后減小。
　　以明膠假體和豬肝為試驗對象，研究了不同穿刺速度對穿刺過程中穿刺阻力和穿刺摩擦力的影響。試驗結(jié)果表明，當空心針刺入軟組織和明膠假體的穿刺速度增加時，穿刺力增大。穿刺過程中摩擦力與相對運動速度呈冪函數(shù)關(guān)系，摩擦力隨穿刺速度增加而增大。通過單元刀具切割明膠假體研究了穿刺速度對軟組織動態(tài)斷裂韌性的影響。試驗結(jié)果表明，軟組織的動態(tài)斷裂

7、韌性隨切割速度的增加而增加，當切割速度較小時斷裂韌性增加速度較快，當切割速度較大時斷裂韌性的增加速度較慢。通過不同速度下空心活檢針穿刺豬肝并對穿刺孔進行分析，研究了穿刺速度對取樣性能的影響。試驗結(jié)果表明，穿刺速度增加，穿刺孔面積先減小后增大。穿刺速度對區(qū)域圓度影響不十分明顯。
　　搭建了的振動輔助穿刺取樣裝置并對其性能進行了測試，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)當輸入電壓相同時，振動輔助取樣裝置的振幅隨頻率增加而降低。當振動頻率相同時，振幅隨輸入電壓

8、增加而增大。在確定普通振動參數(shù)的同時基于仿生學原理提取了仿生振動參數(shù)。通過振動輔助穿刺明膠假體分別研究了普通振動和仿生振動對最大穿刺力及摩擦力的影響。試驗結(jié)果表明，普通振動輔助穿刺條件下，振幅相同時，最大穿刺力隨振動頻率的增加而增大。仿生振動條件下，最大穿刺力隨明膠假體厚度增加而增加;不同穿刺速度條件下，仿生振動對最大穿刺力的影響規(guī)律不同。仿生振動對穿刺摩擦力的影響規(guī)律與理論分析結(jié)果一致。通過不同普通振動條件下單元刀具切割明膠研究振動頻

9、率對動態(tài)斷裂韌性影響。試驗結(jié)果表明，當振動振幅不變，振動頻率增加時，動態(tài)斷裂韌性變化不明顯。使用不同頻率振動輔助穿刺豬肝研究振動頻率對取樣特性的影響，試驗結(jié)果表明，當振動頻率增加時，動態(tài)強度因子先增大后減小，因此穿刺孔面積和裂紋長度先增大后減小。研究了振動輔助穿刺明膠時，不同振動頻率對針尖彎曲變形量的影響。研究表明，當振動頻率增加時，針尖彎曲變形量隨振動頻率的增加而減小，因此振動輔助穿刺有利于提高取樣精度。
　　搭建了超聲振動取樣

10、平臺并檢測了超聲振動取樣裝置性能，超聲振動系統(tǒng)輸入電壓越高，超聲振動系統(tǒng)功率越大，振動振幅越大。通過研究超聲振動輔助穿刺皮膚過程，基于斷裂力學建立力學模型并探討了振動振幅對穿刺力及試樣性能的影響。試驗結(jié)果表明，當超聲振動頻率不變，振幅增加時，最大穿刺力和摩擦力分別降低;材料動態(tài)斷裂韌性減小;裂紋長度增加。超聲振動振幅對剪切力和擴展力的合力影響較小。以明膠假體和豬肝為實驗對象，研究了超聲振動輔助穿刺對最大穿刺力和取樣性能的影響。試驗結(jié)果表

11、明，相同電壓條件下，隨著振動頻率的增加，超聲振動振幅減小，最大穿刺力增加。相同電壓條件下，超聲振動輔助穿刺的穿刺孔面積隨頻率的增加有降低的趨勢，穿刺孔區(qū)域圓度隨頻率增加而增加。
　　通過設(shè)計正交試驗并用極差分析法和方差分析法分析穿刺試驗結(jié)果，研究了穿刺速度，振動頻率，針直徑和針尖曲面數(shù)對最大穿刺力、摩擦力和穿刺孔面積的影響規(guī)律，得到了實現(xiàn)各單一指標最優(yōu)的參數(shù)組合，確定了各試驗因素對各指標影響的顯著程度。通過驗證試驗，驗證了最優(yōu)參數(shù)