斜角柔性針穿刺的摩擦與切割模型的研究.pdf

1、近年來(lái),微創(chuàng)手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)的研究成為了醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。由于經(jīng)皮穿刺微創(chuàng)手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)在活體切片、靶向注射、短程放射性治療以及神經(jīng)外科手術(shù)等方面有著極為重要的應(yīng)用,特別是在癌癥早期診斷和治療領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn),使之成為了微創(chuàng)手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)目前研究的焦點(diǎn)與前沿。作為經(jīng)皮微創(chuàng)手術(shù)最有力的核心技術(shù),經(jīng)皮穿刺斜角柔性針的控制技術(shù)能夠在諸多方面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性針穿刺技術(shù)。
　　在斜角柔性針穿刺的過(guò)程中,由于針尖斜面的存在,使

2、得組織對(duì)針尖斜面產(chǎn)生側(cè)向作用力,加之柔性針自身的剛度很低,致使針體產(chǎn)生彎曲。柔性針在組織中的軌跡完全受控于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)輸入:軸向進(jìn)給和周向轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使得針體跟隨預(yù)定軌跡,需要轉(zhuǎn)動(dòng)針軸來(lái)改變針尖斜面的方向,這會(huì)使得針體和組織之間有摩擦力的作用。鑒于此,本文首先分析了柔性針穿刺過(guò)程中影響針體彎曲曲率以及針體和組織之間摩擦力大小的因素。假設(shè)針軸在組織中是直線軌跡,運(yùn)用力學(xué)基本原理對(duì)針軸直線進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)針體和針尖處的受力情況分別作了詳細(xì)的理論分

3、析,同時(shí)也考慮了針軸整體的受力情況。
　　在柔性針穿刺的過(guò)程中,為了使得針尖更精確的到達(dá)病灶靶點(diǎn),對(duì)斜角針切割組織的過(guò)程進(jìn)行研究相當(dāng)重要。斜角針與組織之間的切割機(jī)理借助材料的斷裂機(jī)理同時(shí)結(jié)合能量守恒定律進(jìn)行研究。為了使得針體跟隨預(yù)定軌跡,基座處的轉(zhuǎn)向裝置需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。由于針尖處的尺寸小于針體的尺寸,針尖被組織夾緊,組織對(duì)針尖斜面有正壓力的作用。軸向轉(zhuǎn)動(dòng)使得柔性針刃部勢(shì)必對(duì)劈開(kāi)組織產(chǎn)生絞動(dòng),導(dǎo)致組織產(chǎn)生嚴(yán)重的變形甚至破壞。同時(shí)