【摘要】：目前,在微創(chuàng)介入手術(shù)中靶向穿刺通常采用剛性針,無法繞過障礙實(shí)現(xiàn)靶向穿刺,而帶有斜尖的柔性針可以在穿刺的過程中發(fā)生彎曲,實(shí)現(xiàn)避障的作用,具有很強(qiáng)的理論與臨床應(yīng)用價(jià)值。本文針對柔性針穿刺軟組織手術(shù)中存在的問題,對柔性針以及軟組織的力學(xué)特性、針-組織相互作用力以及彎曲變形進(jìn)行了研究并建立了數(shù)學(xué)模型。為實(shí)現(xiàn)柔性針靶向穿刺控制提供了理論基礎(chǔ)。首先,采用鎳鈦合金作為柔性針的材料,并進(jìn)行了彎曲實(shí)驗(yàn),測出了柔性針彎曲半徑與彎曲力之間的關(guān)系;通過比較現(xiàn)有常用的仿生組織的力學(xué)特性,選取與人體肌肉較為接近的瓊脂膠作為實(shí)驗(yàn)的軟組織材料,并做了壓縮實(shí)驗(yàn),測出瓊脂的力學(xué)參數(shù);然后通過針與組織的滑動(dòng)實(shí)驗(yàn),測出了針-組織相互作用的摩擦系數(shù);柔性針和軟組織的力學(xué)特性研究,為后期的針-組織力學(xué)建模提供了必要的力學(xué)參數(shù)。其次,通過對柔性針穿刺軟組織過程中的受力分析,并考慮了支撐摩擦力和組織抵抗摩擦力等因素的影響,依次對柔性針受到的夾緊摩擦力、切割力以及組織抵抗力進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并進(jìn)一步分析建立了柔性針穿刺所受的側(cè)向力模型;利用一維和六維傳感器分別測出針根部和端部支撐點(diǎn)的受力,運(yùn)用MATLAB對各個(gè)作用力進(jìn)行了解算。然后,根據(jù)所建立的力學(xué)模型,通過分析現(xiàn)有懸臂梁理論存在的不足,采用大變形理論對柔性針穿刺軟組織的彎曲變形進(jìn)行建模研究,進(jìn)而建立了基于力學(xué)模型和大變形理論的柔性針彎曲變形模型。最后,搭建柔性針穿刺實(shí)驗(yàn)臺(tái),對柔性針穿刺軟組織彎曲變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,將理論計(jì)算的彎曲變形與穿刺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比,系統(tǒng)最大誤差在2mm以內(nèi),驗(yàn)證了本文提出模型的準(zhǔn)確性。本文主要應(yīng)用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)研究方法,建立了柔性針穿刺軟組織的受力以及彎曲變形的數(shù)學(xué)模型,并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,為柔性針靶向穿刺手術(shù)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318.01
【圖文】：

(a) 剛性針穿刺 (b) 柔性針避障穿刺圖 1-1 鋼針與柔性針的比較Fig.1-1 Comparison between traditional needle and flexible needle.2 課題研究的目的和意義

到的穿刺靶點(diǎn)位置[1, 3 ,4]。 圖1-2為柔性針穿刺受力變形示意圖,圖1-3為斜尖柔性針的曲線穿刺機(jī)理。圖 1-2 柔性針穿刺受力變形 圖 1-3 柔性針的曲線穿刺機(jī)理Fig.1-2 Force and deformation Fig.1-3 Mechanism of curve puncture ofof flexible needle puncture flexible needle在柔性針穿刺的過程中，柔性針的受力以及彎曲變形的機(jī)理研究，對手術(shù)的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。因此利用實(shí)驗(yàn)研究穿刺力以及彎曲變形的規(guī)律，具有重要的意義，能夠?yàn)楦呔鹊陌邢虼┐淌中g(shù)提供理論基礎(chǔ)。由于柔性針的大變形，在實(shí)驗(yàn)分析過程中，柔性針進(jìn)給支撐件對柔性針產(chǎn)生的影響，是有必要考慮在力學(xué)模型中的。并且針對柔性針的彎曲大變形，應(yīng)用更加符合柔性針實(shí)際變形情況的大變形理論也是具有很大的現(xiàn)實(shí)意義的。柔性針穿刺的力學(xué)建模和彎曲變形建模的研究，對提升靶向穿刺手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性具有重要的意義和作用。這里所研究的柔性針這一幾何非線性大變形問題也是目前力學(xué)、機(jī)械及航空航天等多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題之一[5]，此研究成果將為工程大變形領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀哥倫比亞大學(xué)的 DiMaio

到的穿刺靶點(diǎn)位置[1, 3 ,4]。 圖1-2為柔性針穿刺受力變形示意圖,圖1-3為斜尖柔性針的曲線穿刺機(jī)理。圖 1-2 柔性針穿刺受力變形 圖 1-3 柔性針的曲線穿刺機(jī)理Fig.1-2 Force and deformation Fig.1-3 Mechanism of curve puncture ofof flexible needle puncture flexible needle在柔性針穿刺的過程中，柔性針的受力以及彎曲變形的機(jī)理研究，對手術(shù)的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。因此利用實(shí)驗(yàn)研究穿刺力以及彎曲變形的規(guī)律，具有重要的意義，能夠?yàn)楦呔鹊陌邢虼┐淌中g(shù)提供理論基礎(chǔ)。由于柔性針的大變形，在實(shí)驗(yàn)分析過程中，柔性針進(jìn)給支撐件對柔性針產(chǎn)生的影響，是有必要考慮在力學(xué)模型中的。并且針對柔性針的彎曲大變形，應(yīng)用更加符合柔性針實(shí)際變形情況的大變形理論也是具有很大的現(xiàn)實(shí)意義的。柔性針穿刺的力學(xué)建模和彎曲變形建模的研究，對提升靶向穿刺手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性具有重要的意義和作用。這里所研究的柔性針這一幾何非線性大變形問題也是目前力學(xué)、機(jī)械及航空航天等多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題之一[5]，此研究成果將為工程大變形領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀哥倫比亞大學(xué)的 DiMaio

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2799697