活检针内壁加工工艺及其对取样长度的影响

摘要

目前，活体组织检查（简称活检）是准确性最高的癌症检查和诊断方法。提高活检检查结果的准确性对于制定合适有效的治疗方案具有重要意义。增大活检取样的样本长度可以提高检查准确性，减少活检穿刺的次数，减小病人的痛苦。活检针内壁表面质量是影响活检样本长度的重要因素之一。目前临床诊断使用的活检针管内壁比较粗糙，活检样本在针管内会受到很大的摩擦阻力，严重制约了活检针管取得较长样本的能力。因此，本文使用磁性磨粒抛光和磨粒流抛光两种工艺分别加工活检针管内壁，降低其表面粗糙度，减小针管内壁摩擦力，增大取样长度。本文通过分析抛光针管内壁的表面形貌及纹理方向，并测量针管内壁摩擦力和取样长度，研究磁性磨粒抛光和磨粒流抛光对针管的取样性能的影响，为针管内壁抛光工艺的选择和工艺路线的制定提供依据。论文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)本文首先提出了一种空心针管内壁摩擦力的测量方法。本方法通过刺穿多个长度的样品将刺入力的三个分量分离，分别得到针尖切削力Fc，针管内壁摩擦力Fl和针管外壁摩擦力Fo。首先使用刺穿各长度样品的方法测量Fo。然后将Fo从最大刺入力中分离并得到针尖即将穿出样品时的Fc+Fl值。假设在不同长度样品中Fc相同并且Fl与样品长度l成正比，那么Fc+Fi与l的拟合直线的斜率为单位长度内壁摩擦力ffi，在Fc+Fi轴的截距为Fc。使用该方法可以测量具有不同内壁表面质量的针管的内壁摩擦力，进而研究针管内壁加工工艺对针管内壁摩擦力的影响。
　　(2)为了能够得到稳定、可重复性好的针管内壁摩擦力测量结果，本文使用模拟组织材料PVC溶胶作为被刺材料。为了使PVC溶胶材料的性质更接近于生物组织材料并且具有更大的使用范围，本文通过改变PVC溶胶材料的成分参数（软化剂与PVC液体塑料的质量比，矿物油的质量分数，以及玻璃微珠的质量分数）调节其力学性质和医学成像性质。使用实验设计的方法，制作具有不同成分参数的PVC溶胶样品并测试其性质。通过回归分析，建立了PVC溶胶材料的性质与其成分参数之间的回归模型，并验证了回归模型的准确性。使用该模型可以根据PVC溶胶材料的成分参数预测其力学和医学成像性质，也可以根据特定的物理性质设计PVC溶胶材料的成分参数。
　　(3)为了降低针管内壁摩擦力，本文使用磁性磨粒抛光工艺降低针管内壁表面粗糙度。通过控制抛光时间得到MAF-10（十个抛光行程）和MAF-2（两个抛光行程）针管。通过对MAF-10、MAF-2和MAF-0（未抛光）三种针管的内壁表面微观形貌的测量，计算内壁表面形貌纹理参数Str，βx，βy，分析表面微观形貌纹理的方向性。由于在抛光过程中，磁性磨粒在针管圆周方向的速度明显高于其沿针管轴线方向的速度，因此其产生的表面纹理方向沿针管圆周方向。为了得到具有另一种表面形貌纹理方向的针管内壁，本文使用低粘性磨粒流抛光工艺抛光针管内壁。通过工艺实验确定了抛光工艺参数。经过不同的抛光时间得到AFP-3200(3200个抛光行程)和AFP-800(800个抛光行程)针管。通过计算AFP-3200、AFP-800和AFP-0（未抛光）针管的内壁微观表面形貌纹理参数Str，βx和βy发现使用低粘性磨粒流抛光工艺加工针管内壁得到的表面纹理方向性不明显，其产生的表面形貌的方向趋向于与针管轴线方向平行。
　　(4)使用本文提出的测量针管内壁摩擦力的方法，在不同实验材料和刺入速度下测量MAF-10、MAF-2和MAF-0针管的内壁摩擦力，均发现MAF-10针管的ffi最小，MAF-2针管的ffi最大，MAF-0针管的ffi居中。根据PVC溶胶材料样本在针管中的变形可以计算得到样本与针管内壁之间的摩擦系数μr。MAF-10针管的μr最小，MAF-2针管的μr最大，MAF-0针管的μr居中。根据棘齿原理建立了基于表面微观形貌计算表观摩擦系数的模型。计算得到的三种针管内壁表观摩擦系数μa与实验得到的μr接近。根据摩擦系数的计算结果分析得出，短时间磁性磨粒抛光(MAF-2)得到的垂直于针管轴线方向的表面纹理会增大针管内壁摩擦力。当针管内壁表面粗糙度充分降低后，纹理方向对针管内壁摩擦力产生的不利影响将不再显著。此时针管内壁表面粗糙度是影响针管内壁摩擦力的主要因素。因此，使用磁性磨粒抛光加工针管内壁应进行较长时间抛光，充分降低针管内壁的表面粗糙度，避免短时间抛光形成的表面纹理对内壁摩擦力的不利影响。在PVC溶胶材料和猪肝、鸡胸肉组织中测量磁性磨粒抛光得到的三种针管的取样长度结果表明MAF-10针管的取样长度最大，MAF-2针管的取样长度最小，MAF-0针管的取样长度居中。取样长度随针管内壁摩擦力值的增大而减小。
　　(5)使用本文提出的测量针管内壁摩擦力的方法，在PVC溶胶材料中测量磨粒流抛光得到的三种针管的内壁摩擦力。结果表明，AFP-3200针管的ffi最小，AFP-800针管的ffi居中，AFP-0针管的ffi最大。由于磨粒流抛光工艺得到的抛光表面形貌的纹理方向性不明显，趋向于样本运动方向，因此表面纹理方向不会对针管内壁摩擦力造成不利影响。磨粒流抛光得到的针管的ffi随表面粗糙度Ra的减小而减小。在PVC溶胶材料中测量磨粒流抛光得到的三种针管的取样长度得出AFP-3200针管的取样长度最大，AFP-800针管的取样长度略小于AFP-3200针管，AFP-0针管的取样长度最小。使用磨粒流抛光工艺形成的针管内壁表面纹理方向有利于减小针管内壁摩擦力，增大取样长度。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 针刺活检的分类和应用

1．1．2 针刺活检装置

1．1．3 活检针的取样性能

1．2 活检针的设计与制造研究现状

1．2．1 活检针取样性能评价实验和方法

1．2．2 活检针取样长度研究

1．2．3 活检针刺入力测量及分析

1．2．4 活检针制造工艺及存在问题

1．3 课题的来源、研究目的及意义

1．4 本文主要研究内容与思路

2 活检针内壁摩擦力及取样长度测量方法

2．1 活检针内壁摩擦力测量方法

2．1．1 活检针内壁摩擦力测量方法概述

2．1．2 在模拟组织材料中测量活检针内壁摩擦力

2．1．3 在动物组织中测量活检针内壁摩擦力

2．1．4 活检针内壁摩擦力测量方法准确性验证

2．2 活检针取样长度测量方法

2．2．1 在模拟组织材料中测量活检针的取样长度

2．2．2 在动物组织中测量活检针的取样长度

2．3 本章小结

3 活检穿刺实验中模拟组织材料制备及性能测试

3．1 PVC溶胶材料样品制备

3．1．1 PVC溶胶的成分调节与实验设计

3．1．2 PVC溶胶样品

3．2 PVC溶胶材料的力学和医学成像性质测试

3．2．1 弹性模量测试

3．2．2 针刺过程摩擦特性测试

3．2．3 PVC溶胶在超声成像中的性质测试

3．3 PVC溶胶性质回归模型及实验验证

3．3．1 回归模型建立

3．3．2 回归模型的实验验证

3．4 本章小结

4 活检针内壁抛光工艺研究

4．1 活检针内壁磁性磨粒抛光

4．1．1 磁性磨粒抛光方法及实验装置

4．1．2 磁性磨粒抛光实验

4．1．3 抛光表面形貌分析

4．2 活检针内壁磨粒流抛光

4．2．1 磨粒流抛光方法及实验装置

4．2．2 磨粒流抛光实验

4．2．3 抛光表面形貌分析

4．3 本章小结

5 抛光工艺对活检针内壁摩擦力及取样长度的影响

5．1 磁性磨粒抛光对活检针内壁摩擦力及取样长度的影响

5．1．1 针管内壁摩擦力的测量与分析

5．1．2 摩擦系数计算及表面微观形貌对其影响的建模与分析

5．1．3 取样长度的测量结果及分析

5．2 磨粒流抛光对活检针内壁摩擦力及取样长度的影响

5．2．1 针管内壁摩擦力的测量与分析

5．2．2 摩擦系数计算及表面微观形貌对其影响分析

5．2．3 取样长度的测量结果及分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介