【摘要】：為了研究介入穿刺手術中針與組織的耦合過程和穿刺對組織形變的影響,通過分析穿刺過程中針桿上力的分布建立了一種柔性針的懸臂梁預測模型,并基于針與組織間的相互作用關系提出了有限元耦合模型的分析方法,結合針的預測模型以及耦合模型在ABAQUS軟件中進行了穿刺仿真,對比仿真與實驗中組織內(nèi)設定標志的位移數(shù)據(jù),分析穿刺過程對組織形變的影響。結果表明:穿刺過程對組織的形變影響主要是軸向的,針的預測模型結合有限元分析方法在仿真穿刺耦合過程的可行性也通過了驗證。該研究結果可以給未來機器人輔助穿刺提供理論參考,也為實際手術提供數(shù)據(jù)支撐。
【圖文】：

與仿真的對比結果最終驗證了上述耦合模型在模擬穿刺過程對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程中，柔性針的針桿和針尖都會受到組織的作用力，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方向不同的影響具有各向異形的特性，穿刺過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，針在勻速進針過程中始終處于受力平衡狀態(tài)，針的受力分析如圖1所示，在穿刺過程中的任意時刻，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，設定θ為20°，F(xiàn)X為針沿x方向的進針力，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為柔性針的總長度，L0為未刺入軟組織內(nèi)的針長，MXY為x－y面內(nèi)針基座的力矩。75

5)所示，針尖的偏轉角度如式(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耦合過程組織單元受力分析Fig.2Forceanalysisofsofttissueunitincoupling當x=L時，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設定為0.5，通過式(1)可轉化為ωx=L=ω(FX，MXY)和φx=L=φ(FX，MXY)。對穿刺過程進行準靜態(tài)分析，將整個針桿刺入的過程視為多個離散針段依次刺入的過程，針段之間由節(jié)點連接，對每個針段進行單獨分析，將針與組織之間的相互作用轉化為針桿節(jié)點與軟組織單元節(jié)點間的相互作用。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致的，且摩擦力的大小和方向是不斷變化的，分析過程如圖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)點作用在軟組織單元內(nèi)的力沿x和y方向的分力�？梢钥闯�，柔性針每進針一段距離dx，針尖在y方向發(fā)生偏離位移dω。

【參考文獻】

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本文編號：2671247