【摘要】：為了研究介入穿刺手術(shù)中針與組織的耦合過(guò)程和穿刺對(duì)組織形變的影響,通過(guò)分析穿刺過(guò)程中針桿上力的分布建立了一種柔性針的懸臂梁預(yù)測(cè)模型,并基于針與組織間的相互作用關(guān)系提出了有限元耦合模型的分析方法,結(jié)合針的預(yù)測(cè)模型以及耦合模型在ABAQUS軟件中進(jìn)行了穿刺仿真,對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)中組織內(nèi)設(shè)定標(biāo)志的位移數(shù)據(jù),分析穿刺過(guò)程對(duì)組織形變的影響。結(jié)果表明:穿刺過(guò)程對(duì)組織的形變影響主要是軸向的,針的預(yù)測(cè)模型結(jié)合有限元分析方法在仿真穿刺耦合過(guò)程的可行性也通過(guò)了驗(yàn)證。該研究結(jié)果可以給未來(lái)機(jī)器人輔助穿刺提供理論參考,也為實(shí)際手術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。
【圖文】：

與仿真的對(duì)比結(jié)果最終驗(yàn)證了上述耦合模型在模擬穿刺過(guò)程對(duì)組織形變影響的可行性。1柔性針模型的建立1.1針的受力分析在穿刺過(guò)程中，柔性針的針桿和針尖都會(huì)受到組織的作用力，而針尖斜面受到的剪切力是使針彎曲的主要原因［10－12］。軟組織材料受肌肉纖維生長(zhǎng)方向不同的影響具有各向異形的特性，穿刺過(guò)程中針的受力不太穩(wěn)定難以分析，所以使用各向同性且均質(zhì)的假體材料進(jìn)行研究，將柔性針刺入軟組織的部分所受的徑向擠壓力近似視為三角分布載荷，針在勻速進(jìn)針過(guò)程中始終處于受力平衡狀態(tài)，針的受力分析如圖1所示，在穿刺過(guò)程中的任意時(shí)刻，針軸向和徑向的受力平衡方程如式(1)所示。圖1針的受力分析示意圖Fig.1Schematicdiagramoftheforceanalysisoftheneedle∑Fx=FX－FCsinθ－Ftcosθ－Ff=0∑Fy=－Ftsinθ－q0(L－L0)/2+FCcosθ=0∑M=MXY+q0(2L2－3L0L2+L03)/［6(L－L0)］－FCLcosθ=0(1)其中:θ是針尖的角度，設(shè)定θ為20°，F(xiàn)X為針沿x方向的進(jìn)針力，F(xiàn)f為針桿所受摩擦力，F(xiàn)C為垂直于針尖斜面的剪切力，F(xiàn)t為作用于針尖斜面的摩擦力，q0為三角分步載荷的最大值;L為柔性針的總長(zhǎng)度，L0為未刺入軟組織內(nèi)的針長(zhǎng)，MXY為x－y面內(nèi)針基座的力矩。75

5)所示，針尖的偏轉(zhuǎn)角度如式(6)所示。ω(x)=FCcosθL－q0(2L2－3L0L2+L03)6(L－L0[])·x22EI+［0.5(L－L0)q0－FCcosθ］·20x3－q0(x－L0)5L－L0120EI(5)φ=ω'(x)=FCcosθL－q0(2L2－3L0L2+L03)6(L－L0[])·xEI+［0.5(L－L0)q0－FCcosθ］·60x2－5q0(x－L0)4L－L0120EI(6)圖2耦合過(guò)程組織單元受力分析Fig.2Forceanalysisofsofttissueunitincoupling當(dāng)x=L時(shí)，ωx=L=ω(FC，q0)，即為針尖處的撓度大小，φx=L=φ(FC，q0)，即為針尖處的偏轉(zhuǎn)角。由于針桿所受摩擦力Ff=μ·q0(L－L0)/2，，穿刺針與軟組織間的摩擦系數(shù)μ設(shè)定為0.5，通過(guò)式(1)可轉(zhuǎn)化為ωx=L=ω(FX，MXY)和φx=L=φ(FX，MXY)。對(duì)穿刺過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，將整個(gè)針桿刺入的過(guò)程視為多個(gè)離散針段依次刺入的過(guò)程，針段之間由節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)每個(gè)針段進(jìn)行單獨(dú)分析，將針與組織之間的相互作用轉(zhuǎn)化為針桿節(jié)點(diǎn)與軟組織單元節(jié)點(diǎn)間的相互作用。軟組織發(fā)生位移形變主要受針與組織間的摩擦力影響導(dǎo)致的，且摩擦力的大小和方向是不斷變化的，分析過(guò)程如圖2所示。Ffi為第i段針段所受摩擦力，F(xiàn)XPi(i+1)和FYPi(i+1)分別表示第i段針段節(jié)點(diǎn)作用在軟組織單元內(nèi)的力沿x和y方向的分力。可以看出，柔性針每進(jìn)針一段距離dx，針尖在y方向發(fā)生偏離位移dω。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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