微創(chuàng)手術(shù)縫合針與軟組織交互作用行為研究.pdf

1、醫(yī)療縫合是一項(xiàng)耗時(shí)多、偏繁雜、具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。醫(yī)生在縫合過程中常常會遇到縫合空間和自由度不足等問題，特別是在縫合傷口過大和急需快速縫合的情況下，這些情況不僅會促使醫(yī)生產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞感進(jìn)而大大降低縫合效率，同時(shí)會增大損傷軟組織的幾率。自動化縫合技術(shù)可以代替醫(yī)生進(jìn)行自動手術(shù)縫合，提高縫合效率，降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。而自動縫合技術(shù)要求機(jī)器人能夠自動識別縫合過程中針的受力情況，以此來規(guī)劃好縫合路徑。此外，由于在縫合過程中經(jīng)常遇到縫合針變形，彎曲甚至折

2、斷等情況，如何安全有效地操作它們，不僅要求醫(yī)生掌握足夠的縫合技能，還必須對針-軟組織之間的交互行為理解透徹。這些力學(xué)數(shù)據(jù)對于縫合針的設(shè)計(jì)和選型都有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。
　　通過研究國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，我們利用生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(HY0580)，選取了豬肝臟、豬皮、兔大/小腸、兔肝臟五種離體軟組織進(jìn)行了多組針刺實(shí)驗(yàn)，分析了微創(chuàng)手術(shù)縫合針與軟組織間交互作用行為以及影響兩者間相互作用力的因素，通過編寫MATLAB程序建立了入刺過程第一階

3、段針刺力與針刺位移、針刺速度之間的非線性模型，揭示了縫合過程中針-組織間交互作用的一些基本規(guī)律。主要結(jié)論如下:
　　1.縫合針刺入組織的過程可以分為兩個階段。刺破前階段為第一階段，針尖主要受到軟組織的反作用力，我們稱之為彈力。刺破后階段為第二階段，針主要受到周圍組織的切削力及其與組織間的摩擦力。其中，刺破瞬間的力，我們稱之為刺破力。刺破力的大小與針刺條件密切相關(guān)。隨著針刺速度的增大，刺破力逐漸減小，刺破時(shí)間逐漸縮短;隨著入刺角度的

4、增大，刺破力增大;相同工況條件下，針尖截面為三角形的縫合針產(chǎn)生的刺破力大于圓形截面的縫合針;直徑越大，產(chǎn)生的刺破力越大。同時(shí)，用豬皮作為實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)，產(chǎn)生的刺破力以及彈力是豬肝臟、兔大/小腸、兔肝臟組織的十倍左右。結(jié)果表明，縫合過程中，采取不同的入針方式，會產(chǎn)生不同的交互作用效果。
　　2.刺破第一階段，針刺力與針刺位移、針刺速度有著密切的聯(lián)系，基于最小二乘法的MATLAB建模分析，我們建立了三者間的非線性模型。模型的殘差值約為0.

5、012,顯示較好的擬合效果，另外，我們通過比較選取的十組實(shí)測數(shù)據(jù)與由擬合模型得到的數(shù)值的差值來粗淺驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
　　3.建立刺破前、后兩個階段的能量平衡方程，并基于能量平衡方程和特定的試驗(yàn)方法，計(jì)算出針刺過程中，針尖刺破周圍軟組織所消耗的能量。加快設(shè)定的入刺速度，消耗的能量越多;同等速度和直徑條件下，三角形截面縫合針刺破組織消耗的能量明顯大于圓形截面縫合針;同等速度和截面形狀條件下，直徑越大，裂紋擴(kuò)散所需的能量越大。