面向活检取样的生物组织振动辅助切削机理及切削特性研究

摘要

由于介入治疗具有创伤小、简便、安全、有效、并发症少和明显缩短住院时间等特点，受到广大患者的青睐得以在短时间内快速发展。随着介入治疗学的兴起与快速发展，对经皮穿刺技术的要求也越来越高。与手术提取体内疑似组织相比，经皮穿刺活检技术具有创伤小、恢复快和感染率低等优点，是目前提取癌症疑似组织并进行的细胞学诊断的主要方式。然而在活检取样过程中由于针尖受到不均匀的作用力而产生弯曲变形，同时在穿刺过程中器官组织受力发生变形、移动或者转动导致病灶区域偏离穿刺路径。诸多因素导致了取样过程中取样精度不高、取样性能不稳定等问题，进而导致误诊的例子时有发生。振动辅助穿刺技术通过在活检针穿刺过程辅助轴向振动可减小穿刺力、减小针尖弯曲变形、增加取样量、提高取样精度等，是一种极具潜力的活检穿刺技术。本文研究了振动辅助穿刺过程中穿刺针与软组织交互作用机理，研究了不同速度和不同振动类型对穿刺过程中针受力、软组织断裂性能和穿刺取样性能的影响，优化了取样工艺参数。
　　针对振动辅助切削软组织进行理论研究，深入研究振动辅助穿刺过程中针与软组织间交互作用机理，对针与组织之间运动学和力学进行分析并建立相关模型。对穿刺过程中活检针进行运动学分析，推导出无振动辅助和有振动辅助穿刺过程中针尖速度、针尖位移随时间变化的公式，分析了振动辅助穿刺过程中产生回退再切割的条件。理论分析表明，当振动速度大于进给速度时，活检针切割软组织存在回退再切割过程;当振动速度小于进给速度时，不存在回退再切割过程。通过迭代法求得活检针回退再切割时针尖速度。将活检针穿刺取样过程简化为三个阶段，对每一个阶段活检针受力进行分析并建立力学模型。将活检针穿刺第二阶段针切割软组织阶段分成空心针穿刺与实心针穿刺两种情况，分别进行分析并建立力学模型。针对空心针穿刺软组织情况，结合金属切削机理，推导出针尖速度与活检针受力关系式。理论分析表明，针尖速度增加导致针尖组织变形速率增加进而使活检针受力增加。基于LuGre摩擦模型分析了软组织与活检针之间摩擦力情况。理论分析结果表明，无振动辅助穿刺时摩擦力随相互运动速度增加而增加，振动辅助穿刺条件下摩擦力随穿刺速度和振动参数之间关系而变化。振动辅助穿刺条件下，对于给定的进给速度v1，当|v1|＜ωA时，增加振动频率或者增大振动振幅可以降低摩擦力;当|v1|＞ωA时，增加振动频率或者增大振动振幅会增加库伦摩擦，进而增加摩擦力。分析了振动辅助活检穿刺对软组织断裂性能影响。推导出基于能量法计算振动辅助刀具切割软组织断裂韧性公式。结合冲击载荷和波对裂纹的影响，分析了振动辅助穿刺对软组织裂纹处应力强度因子的影响。理论分析表明，当振动辅助活检穿刺的振动方式为纵振动时，软组织裂纹处应力强度因子随振动频率的增加先增大后减小。
　　以明胶假体和猪肝为试验对象，研究了不同穿刺速度对穿刺过程中穿刺阻力和穿刺摩擦力的影响。试验结果表明，当空心针刺入软组织和明胶假体的穿刺速度增加时，穿刺力增大。穿刺过程中摩擦力与相对运动速度呈幂函数关系，摩擦力随穿刺速度增加而增大。通过单元刀具切割明胶假体研究了穿刺速度对软组织动态断裂韧性的影响。试验结果表明，软组织的动态断裂韧性随切割速度的增加而增加，当切割速度较小时断裂韧性增加速度较快，当切割速度较大时断裂韧性的增加速度较慢。通过不同速度下空心活检针穿刺猪肝并对穿刺孔进行分析，研究了穿刺速度对取样性能的影响。试验结果表明，穿刺速度增加，穿刺孔面积先减小后增大。穿刺速度对区域圆度影响不十分明显。
　　搭建了的振动辅助穿刺取样装置并对其性能进行了测试，经过测试发现当输入电压相同时，振动辅助取样装置的振幅随频率增加而降低。当振动频率相同时，振幅随输入电压增加而增大。在确定普通振动参数的同时基于仿生学原理提取了仿生振动参数。通过振动辅助穿刺明胶假体分别研究了普通振动和仿生振动对最大穿刺力及摩擦力的影响。试验结果表明，普通振动辅助穿刺条件下，振幅相同时，最大穿刺力随振动频率的增加而增大。仿生振动条件下，最大穿刺力随明胶假体厚度增加而增加;不同穿刺速度条件下，仿生振动对最大穿刺力的影响规律不同。仿生振动对穿刺摩擦力的影响规律与理论分析结果一致。通过不同普通振动条件下单元刀具切割明胶研究振动频率对动态断裂韧性影响。试验结果表明，当振动振幅不变，振动频率增加时，动态断裂韧性变化不明显。使用不同频率振动辅助穿刺猪肝研究振动频率对取样特性的影响，试验结果表明，当振动频率增加时，动态强度因子先增大后减小，因此穿刺孔面积和裂纹长度先增大后减小。研究了振动辅助穿刺明胶时，不同振动频率对针尖弯曲变形量的影响。研究表明，当振动频率增加时，针尖弯曲变形量随振动频率的增加而减小，因此振动辅助穿刺有利于提高取样精度。
　　搭建了超声振动取样平台并检测了超声振动取样装置性能，超声振动系统输入电压越高，超声振动系统功率越大，振动振幅越大。通过研究超声振动辅助穿刺皮肤过程，基于断裂力学建立力学模型并探讨了振动振幅对穿刺力及试样性能的影响。试验结果表明，当超声振动频率不变，振幅增加时，最大穿刺力和摩擦力分别降低;材料动态断裂韧性减小;裂纹长度增加。超声振动振幅对剪切力和扩展力的合力影响较小。以明胶假体和猪肝为实验对象，研究了超声振动辅助穿刺对最大穿刺力和取样性能的影响。试验结果表明，相同电压条件下，随着振动频率的增加，超声振动振幅减小，最大穿刺力增加。相同电压条件下，超声振动辅助穿刺的穿刺孔面积随频率的增加有降低的趋势，穿刺孔区域圆度随频率增加而增加。
　　通过设计正交试验并用极差分析法和方差分析法分析穿刺试验结果，研究了穿刺速度，振动频率，针直径和针尖曲面数对最大穿刺力、摩擦力和穿刺孔面积的影响规律，得到了实现各单一指标最优的参数组合，确定了各试验因素对各指标影响的显著程度。通过验证试验，验证了最优参数组合的正确性，达到了参数优化的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究背景

1．2 经皮穿刺活检技术国内外研究现状

1．2．1 针穿刺过程力学研究

1．2．2 软组织变形及断裂

1．2．3 针尖弯曲变形预测及路径规划

1．2．4 穿刺工艺

1．3 课飚研究目的和意义

1．4 课题来源及主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要研究内容

第2章 振动辅助切削工具与组织接触界面交互作用机理

2．1 针穿刺运动学分析

2．1．1 针尖运动学分析

2．1．2 针尖再切割速度分析

2．2 活检穿刺力学分析

2．2．1 生物软组织力学性能

2．2．2 软组织刺破前活检针受力分析

2．2．3 活检针切割软组织力学分析

2．2．4 活检针与组织间摩擦力分析

2．3 组织断裂性能研究

2．3．1 能量法计算断裂韧性

2．3．2 振动对应力强度因子影响

2．4 本章小结

第3章 针穿刺过程中的动态性能研究

3．1 实验平台的搭建

3．1．1 取样系统进给机构

3．1．2 取样针及切割刀具

3．1．3 实验材料

3．1．4 固定装置

3．1．5 力学数据采集装置

3．2 穿刺速度对穿刺力影响

3．2．1 穿刺速度对明胶穿刺力影响

3．2．2 穿刺速度对猪肝穿刺力影响

3．3 穿刺速度对摩擦力影响

3．3．1 穿刺速度对明胶摩擦力影响

3．3．2 穿刺速度对猪肝摩擦力影响

3．4 切割速度对断裂性能影响

3．4．2 试验结果及分析

3．5 穿刺速度对取样性能影响

3．5．1 试验设计及过程

3．5．2 试验结果及分析

3．6 本章小结

第4章 振动辅助活检穿刺规律及分析

4．1 振动系统建立和测试

4．1．1 振动取样装置搭建

4．1．2 振动系统性能测试

4．1．2 振动参数的选取

4．2 振动辅助穿刺对穿刺力的影响

4．2．1 普通振动对最大穿刺力的影响

4．2．2 仿生振动对最大穿刺力的影响

4．3 振动对摩擦力的影响

4．4 振动对断裂性能的影响

4．5 振动对取样性能的影响

4．5．1 试验设计

4．5．2 试验结果及讨论

4．6 振动对针弯曲变形的影响

4．7 本章小结

第5章 超声振动对活检穿刺影响规律及成因分析

5．1．1 超声振动取样装置设计

5．1．2 超声振动取样针透气孔加工

5．1．3 超声振动系统测试

5．2 超声振动辅助穿刺力学模型及验证

5．2．1 超声振动辅助穿刺力学模型

5．2．2 超声振动辅助穿刺实验

5．2．3 超声振动辅助穿刺实验结果及讨论

5．2．4 超声振动辅助穿刺力学模型验证

5．3 超声振动辅助空心针穿剌对穿刺力影响

5．3．1 超声振动辅助对猪肝穿刺影响

5．3．2 超声振动辅助对明胶假体穿刺影响

5．4 超声振动辅助对取样性能的影响

5．4．1 实验设计

5．4．2 实验结果及分析

5．5 本章小结

第6章 振动辅助活检穿刺取样参数优化

6．1 正交试验设计

6．1．1 正交试验表格

6．1．2 正交试验结果分析方法

6．2 最大穿刺力单目标优化

6．3 摩擦力单目标优化

6．4 穿剌孔面积单目标优化

6．5 本章小结

7．1 结论

7．2 本文研究创新点

7．3 思考和展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表