基于有限元的套管柔性针穿刺软组织弯曲建模研究

发布时间：2021-11-06 03:31

　　套管柔性针作为柔性针的一个重要分支,与其他传统的柔性针相比,在针体路径矫正、穿刺灵活性以及斜尖转角控制精度等方面具有巨大的优势。为深入研究套管柔性针穿刺机理,建立基于有限元的穿刺弯曲模型。分析软组织的生物力学特性,建立了精确的软组织模型;对套管柔性针穿刺软组织进行受力分析,建立力学模型;在力学模型的基础上,建立套管柔性针穿刺软组织的弯曲模型,进行仿真研究。最后通过实验得到穿刺力-时间曲线和针弯曲变形曲线,并与仿真曲线进行比较。结果表明,仿真结果符合实验穿刺力的变化趋势,系统弯曲误差在2 mm以内,满足医学上的要求,验证了套管柔性针穿刺软组织的力学模型以及弯曲模型的正确性和合理性,为路径规划及控制奠定理论基础。 

【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

应力与应变

在仿真过程中,需要构建合适模型以反映软组织的生物特性。一般情况下是采用施加的压力及其产生的应变之间的关系来进行描述。当振幅很小时,活体组织会表现出黏性和弹性的性质。在实际的穿刺手术中,组织变化的情况很复杂,纯黏弹性的模型的假设已经不再适用,且在穿刺过程中会伴随其他的现象出现,如摩擦作用、渗透作用等,造成很多难以测量的物理几何参数,导致难以建立相应的模型。因此,需要寻求一个近似的模型来进行仿真。在ABAQUS软件中,采用Gosline和Hayward提出的模型,如图2所示,该模型是在并联的弹簧与阻尼器的基础上增加了一个非线性的单元,来近似表示实际的软组织所具有的黏性、弹性和滑性。当柔性针进去组织时,滑动占主导作用,由滑动速度决定模型的行为。2 针穿刺软组织力学建模

式中:α为针尖角度;Ft为作用在针尖斜面上的摩擦力;Fc是作用在套管针上的切割力;L是套管针长度;F外以及力矩M通过六维力/力矩传感器测得。2)套管针在组织中运行阶段。如图4所示,针受到切割力(侧向力)Fc、摩擦力Fn、抵抗力Fs的作用。由于套管的存在,本文不考虑扭转的情况。通过受力分析,可以得到平衡方程如下:


本文编号：3479079