面向活檢取樣的生物組織振動(dòng)輔助切削機(jī)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(shí)間等特點(diǎn)，受到廣大患者的青睞得以在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展。隨著介入治療學(xué)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(fù)快和感染率低等優(yōu)點(diǎn)，是目前提取癌癥疑似組織并進(jìn)行的細(xì)胞學(xué)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(shí)在穿刺過程中器官組織受力發(fā)生變形、移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致病灶區(qū)域偏

2、離穿刺路徑。諸多因素導(dǎo)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(jìn)而導(dǎo)致誤診的例子時(shí)有發(fā)生。振動(dòng)輔助穿刺技術(shù)通過在活檢針穿刺過程輔助軸向振動(dòng)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(dòng)輔助穿刺過程中穿刺針與軟組織交互作用機(jī)理，研究了不同速度和不同振動(dòng)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(dòng)輔助切削軟組織進(jìn)行理論

3、研究，深入研究振動(dòng)輔助穿刺過程中針與軟組織間交互作用機(jī)理，對針與組織之間運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)進(jìn)行分析并建立相關(guān)模型。對穿刺過程中活檢針進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出無振動(dòng)輔助和有振動(dòng)輔助穿刺過程中針尖速度、針尖位移隨時(shí)間變化的公式，分析了振動(dòng)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(dāng)振動(dòng)速度大于進(jìn)給速度時(shí)，活檢針切割軟組織存在回退再切割過程;當(dāng)振動(dòng)速度小于進(jìn)給速度時(shí)，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(shí)針尖速度。將活檢針穿刺

4、取樣過程簡化為三個(gè)階段，對每一個(gè)階段活檢針受力進(jìn)行分析并建立力學(xué)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(shí)心針穿刺兩種情況，分別進(jìn)行分析并建立力學(xué)模型。針對空心針穿刺軟組織情況，結(jié)合金屬切削機(jī)理，推導(dǎo)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(dǎo)致針尖組織變形速率增加進(jìn)而使活檢針受力增加。基于LuGre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(dòng)輔助穿刺時(shí)摩擦力隨相互運(yùn)動(dòng)速度增加而增

5、加，振動(dòng)輔助穿刺條件下摩擦力隨穿刺速度和振動(dòng)參數(shù)之間關(guān)系而變化。振動(dòng)輔助穿刺條件下，對于給定的進(jìn)給速度v1，當(dāng)|v1|＜ωA時(shí)，增加振動(dòng)頻率或者增大振動(dòng)振幅可以降低摩擦力;當(dāng)|v1|＞ωA時(shí)，增加振動(dòng)頻率或者增大振動(dòng)振幅會(huì)增加庫倫摩擦，進(jìn)而增加摩擦力。分析了振動(dòng)輔助活檢穿刺對軟組織斷裂性能影響。推導(dǎo)出基于能量法計(jì)算振動(dòng)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(dòng)輔助穿刺對軟組織裂紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。理論分

6、析表明，當(dāng)振動(dòng)輔助活檢穿刺的振動(dòng)方式為縱振動(dòng)時(shí)，軟組織裂紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子隨振動(dòng)頻率的增加先增大后減小。
　　以明膠假體和豬肝為試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)空心針刺入軟組織和明膠假體的穿刺速度增加時(shí)，穿刺力增大。穿刺過程中摩擦力與相對運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)斷裂韌性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，軟組織的動(dòng)態(tài)斷裂

7、韌性隨切割速度的增加而增加，當(dāng)切割速度較小時(shí)斷裂韌性增加速度較快，當(dāng)切割速度較大時(shí)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(jìn)行分析，研究了穿刺速度對取樣性能的影響。試驗(yàn)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(dòng)輔助穿刺取樣裝置并對其性能進(jìn)行了測試，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓相同時(shí)，振動(dòng)輔助取樣裝置的振幅隨頻率增加而降低。當(dāng)振動(dòng)頻率相同時(shí)，振幅隨輸入電壓

8、增加而增大。在確定普通振動(dòng)參數(shù)的同時(shí)基于仿生學(xué)原理提取了仿生振動(dòng)參數(shù)。通過振動(dòng)輔助穿刺明膠假體分別研究了普通振動(dòng)和仿生振動(dòng)對最大穿刺力及摩擦力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，普通振動(dòng)輔助穿刺條件下，振幅相同時(shí)，最大穿刺力隨振動(dòng)頻率的增加而增大。仿生振動(dòng)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(dòng)對最大穿刺力的影響規(guī)律不同。仿生振動(dòng)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(dòng)條件下單元刀具切割明膠研究振動(dòng)頻

9、率對動(dòng)態(tài)斷裂韌性影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)振幅不變，振動(dòng)頻率增加時(shí)，動(dòng)態(tài)斷裂韌性變化不明顯。使用不同頻率振動(dòng)輔助穿刺豬肝研究振動(dòng)頻率對取樣特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)頻率增加時(shí)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)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(dòng)輔助穿刺明膠時(shí)，不同振動(dòng)頻率對針尖彎曲變形量的影響。研究表明，當(dāng)振動(dòng)頻率增加時(shí)，針尖彎曲變形量隨振動(dòng)頻率的增加而減小，因此振動(dòng)輔助穿刺有利于提高取樣精度。
　　搭建了超聲振動(dòng)取樣

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

11、明，相同電壓條件下，隨著振動(dòng)頻率的增加，超聲振動(dòng)振幅減小，最大穿刺力增加。相同電壓條件下，超聲振動(dòng)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(jì)正交試驗(yàn)并用極差分析法和方差分析法分析穿刺試驗(yàn)結(jié)果，研究了穿刺速度，振動(dòng)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(shí)現(xiàn)各單一指標(biāo)最優(yōu)的參數(shù)組合，確定了各試驗(yàn)因素對各指標(biāo)影響的顯著程度。通過驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了最優(yōu)參數(shù)