活检取样过程中取样针挠曲变形特性研究

摘要

当今世界，恶性肿瘤等慢性非传染性疾病严重威胁着人类的健康，阻碍着社会的发展。受限于目前的医疗水平，恶性肿瘤并不能彻底根治，“早发现早治疗”十分重要。经皮活检穿刺术是近距离放射治疗和介入治疗学的基础，具有创伤小，疼痛轻，恢复快等优点，广泛应用于细胞学活检诊断，局部组织麻醉，药物递送，血液采样和机体抽取组织样品等临床实践，是目前最常用的癌症检测治疗方法。为了有效的医疗诊断和病变治疗，穿刺针必须到达预期的组织耙点，然而活检穿刺的穿刺精度和取样率并不高，原因之一是由于软组织内部的血管粘膜错综复杂，穿刺针与软组织之间的不均匀作用力导致针体发生挠曲变形，远离原始路径。在经皮穿刺手术中，穿刺精度和取样效率不高，不仅会影响医生的诊断，造成不必要的时机延误，还会使患者痛苦加剧，造成巨大的生理和心理伤害，最终导致手术失败。因此，研究穿刺针与软组织之间的相互作用机制，构建穿刺力学模型，并分析穿刺针的挠曲机理和穿刺规律对优化取样参数，提高手术成功率具有十分重要的意义。
　　一个精准的穿刺针受力挠曲模型是研究针挠特性的基础。本文以提高穿刺精度为目标，将穿刺针类比为针端固定的悬臂梁，基于欧拉-伯努利梁理论和叠加理论，运用准静态平衡思想，在2D平面上构建悬臂梁力学模型，研究斜面针挠曲机理，推导出了挠曲量计算公式。用不同针杆片段的支反力和弯矩表征挠曲特性，计算挠曲挠度，其理论结果表明，针的挠曲量与支反力和弯矩有关，随着支反力和弯矩的增加，挠曲量逐渐变大。
　　以明胶假体为实验对象，引入压电振动系统，搭建了振动辅助穿刺挠曲测量平台。经过测试，当频率相同时，压电陶瓷振动器的振幅随输入电压的增大而增大且呈线性关系;当输入电压相同时，压电陶瓷振动器的振幅随频率的增大而减小。通过振动辅助穿刺明胶假体实验研究了仿生振动参数和普通振动频率对针尖挠曲量的影响。仿生振动实验中，仿生振动振幅对支反力、针座弯矩和挠曲量的影响规律不明显，而仿生振动频率有减小针挠曲的效果。普通振动实验中，固定振幅，增加频率至200Hz，穿刺针进给相同深度后，支反力、弯矩和挠曲量随频率的增加逐渐降低。提出了一种新方法对针穿刺挠曲量进行测量:首先使用CorelPHOTO-PAINT X8将针穿刺挠曲图片与无穿刺图片合成，然后用加权平均法将图片转化为灰度图，接着用最大类间方差法(Ostu算法)将图像二值化处理并通过Robert算子进行边缘检测，得到清晰图像，最后用Digimizer软件测量出穿刺针挠度。
　　以明胶假体作为穿刺对象，研究了进给深度、穿刺速度、针直径、针尖曲面、针尖倾斜角等动静态参数对穿刺针挠曲特性的影响。实验结果表明，随着穿刺进给深度的增加，穿刺针受到的径向支反力和针座处测得的弯矩逐渐增加并且在70mm后上升速率明显加快，而挠曲量随着穿刺深度的增加线性增加;当进给深度相同时，随着穿刺速度的增加，针尖挠曲量逐渐减小，而支反力和弯矩的变化规律并不十分明显;对于具有相同倾斜角的非对称单斜面针，随着针直径的增大，支反力和针座弯矩逐渐增大，挠曲量逐渐减小;对于具有相同直径的穿刺针，非对称单斜面针的挠曲量最大，其次是非对称三斜面针，对称双斜面针的挠曲量最小;对于具有相同直径的单斜面针，不同的倾斜角度会改变针的切割进角，倾斜角度越大，径向挠曲量越小。以明胶假体和猪肝作为穿刺对象，研究了明胶质量比对穿刺针挠曲特性的影响，实验发现，随着明胶质量比的增加，支反力，弯矩和挠曲量逐渐增加。
　　设计正交实验研究了振动频率f，穿刺速度υ0，针直径φ和明胶质量比对针尖挠曲特性的影响规律，用极差分析法和Minitab主效应图分析验证了实验结果，分别得到了各自指标下的最优参数组合，确定了各指标的影响程度，三者的影响程度各不相同。实验发现，当针直径取不同水平时，针座弯矩极差值最大，其影响程度最大，排在第二位的是明胶质量比，其次是振动频率，穿刺速度的影响程度最小;当针直径取不同水平时，支反力极差值最大，其影响程度最大，其次是明胶质量比，再其次是穿刺速度，振动频率的影响最小;当明胶质量比取不同水平时，挠曲量极差值最大，其影响变化最明显，排在第二位的是针直径，再其次是振动频率，穿刺速度的影响最小，排在第四位。实验结果表明，穿刺速度和振动频率作为动态参数，对针插入起辅助作用，其对挠曲特性的影响程度不及针直径和明胶质量比等静态参数。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 针穿刺过程受力模型研究

1．2．2 活检针转向性能研究及穿刺路径规划

1．2．3 活检针辅助穿刺工艺减少针挠曲

1．2．4 针端跟踪监测技术

1．3 课题研究目的及意义

1．4 课题来源及主要研究内容

第2章 穿刺针受力挠曲变形机理

2．1 针受力分析

2．1．1 欧拉-伯努利梁和叠加理论

2．1．2 活检针受力分析

2．2 悬臂梁模型构建

2．3 悬臂梁挠度测量

2．4 振动辅助穿刺运动学分析

2．5 本章小结

第3章 振动辅助穿刺针挠曲规律及分析

3．1 振动系统简介及频率-电压-振幅测量

3．2 振动实验平台搭建

3．2．1 实验台简介

3．2．2 实验材料

3．2．3 活检针挠度测量

3．3 仿生振动参数对针挠曲特性的影响

3．3．1 实验设计

3．3．2 实验结果及分析

3．4 普通振动频率对针挠曲特性的影响

3．4．1 实验设计

3．4．2 实验结果及分析

3．5 本章小结

第4章 动静参数对针挠曲特性影响规律研究

4．1 穿刺深度对挠曲特性的影响

4．1．1 实验设计

4．1．2 实验结果及数据分析

4．2 穿刺速度对挠曲特性的影响

4．2．2 实验结果及数据分析

4．3 针直径和针尖曲面数对挠曲特性的影响

4．3．1 实验设计

4．3．2 实验结果及数据分析

4．4 针尖倾斜角对挠曲特性的影响

4．4．1 实验设计

4．4．2 实验结果及数据分析

4．5 明胶质量比对挠曲特性的影响

4．5．1 实验设计

4．5．2 实验结果及数据分析

4．6 本章小结

第5章 穿刺针挠曲影响参数优化研究

5．1 正交实验简介

5．2 正交实验设计

5．3 正交实验设计分析方法

5．4 实验因素对针穿刺静止后针座弯矩的影响

5．5 实验因素对针穿刺静止后支反力的影响

5．6 实验因素对针穿刺静止后挠曲量的影响

5．7 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文