基于ABAQUS的柔性针穿刺软组织耦合过程仿真
发布时间：2020-05-19 17:43
【摘要】：为了研究介入穿刺手术中针与组织的耦合过程和穿刺对组织形变的影响,通过分析穿刺过程中针杆上力的分布建立了一种柔性针的悬臂梁预测模型,并基于针与组织间的相互作用关系提出了有限元耦合模型的分析方法,结合针的预测模型以及耦合模型在ABAQUS软件中进行了穿刺仿真,对比仿真与实验中组织内设定标志的位移数据,分析穿刺过程对组织形变的影响。结果表明:穿刺过程对组织的形变影响主要是轴向的,针的预测模型结合有限元分析方法在仿真穿刺耦合过程的可行性也通过了验证。该研究结果可以给未来机器人辅助穿刺提供理论参考,也为实际手术提供数据支撑。
【图文】：
与仿真的对比结果最终验证了上述耦合模型在模拟穿刺过程对组织形变影响的可行性。1柔性针模型的建立1.1针的受力分析在穿刺过程中，柔性针的针杆和针尖都会受到组织的作用力，而针尖斜面受到的剪切力是使针弯曲的主要原因［10－12］。软组织材料受肌肉纤维生长方向不同的影响具有各向异形的特性，穿刺过程中针的受力不太稳定难以分析，所以使用各向同性且均质的假体材料进行研究，将柔性针刺入软组织的部分所受的径向挤压力近似视为三角分布载荷，针在匀速进针过程中始终处于受力平衡状态，针的受力分析如图1所示，在穿刺过程中的任意时刻，针轴向和径向的受力平衡方程如式(1)所示。图1针的受力分析示意图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是针尖的角度，设定θ为20°，FX为针沿x方向的进针力，Ff为针杆所受摩擦力，FC为垂直于针尖斜面的剪切力，Ft为作用于针尖斜面的摩擦力，q0为三角分步载荷的最大值;L为柔性针的总长度，L0为未刺入软组织内的针长，MXY为x－y面内针基座的力矩。75
5)所示，针尖的偏转角度如式(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)图2耦合过程组织单元受力分析Fig.2Forceanalysisofsofttissueunitincoupling当x=L时，ωx=L=ω(FC，q0)，即为针尖处的挠度大小，φx=L=φ(FC，q0)，即为针尖处的偏转角。由于针杆所受摩擦力Ff=μ·q0(L－L0)/2，，穿刺针与软组织间的摩擦系数μ设定为0.5，通过式(1)可转化为ωx=L=ω(FX，MXY)和φx=L=φ(FX，MXY)。对穿刺过程进行准静态分析，将整个针杆刺入的过程视为多个离散针段依次刺入的过程，针段之间由节点连接，对每个针段进行单独分析，将针与组织之间的相互作用转化为针杆节点与软组织单元节点间的相互作用。软组织发生位移形变主要受针与组织间的摩擦力影响导致的，且摩擦力的大小和方向是不断变化的，分析过程如图2所示。Ffi为第i段针段所受摩擦力，FXPi(i+1)和FYPi(i+1)分别表示第i段针段节点作用在软组织单元内的力沿x和y方向的分力。可以看出，柔性针每进针一段距离dx，针尖在y方向发生偏离位移dω。
【图文】：
与仿真的对比结果最终验证了上述耦合模型在模拟穿刺过程对组织形变影响的可行性。1柔性针模型的建立1.1针的受力分析在穿刺过程中，柔性针的针杆和针尖都会受到组织的作用力，而针尖斜面受到的剪切力是使针弯曲的主要原因［10－12］。软组织材料受肌肉纤维生长方向不同的影响具有各向异形的特性，穿刺过程中针的受力不太稳定难以分析，所以使用各向同性且均质的假体材料进行研究，将柔性针刺入软组织的部分所受的径向挤压力近似视为三角分布载荷，针在匀速进针过程中始终处于受力平衡状态，针的受力分析如图1所示，在穿刺过程中的任意时刻，针轴向和径向的受力平衡方程如式(1)所示。图1针的受力分析示意图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是针尖的角度，设定θ为20°，FX为针沿x方向的进针力，Ff为针杆所受摩擦力，FC为垂直于针尖斜面的剪切力，Ft为作用于针尖斜面的摩擦力，q0为三角分步载荷的最大值;L为柔性针的总长度，L0为未刺入软组织内的针长，MXY为x－y面内针基座的力矩。75
5)所示，针尖的偏转角度如式(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)图2耦合过程组织单元受力分析Fig.2Forceanalysisofsofttissueunitincoupling当x=L时，ωx=L=ω(FC，q0)，即为针尖处的挠度大小，φx=L=φ(FC，q0)，即为针尖处的偏转角。由于针杆所受摩擦力Ff=μ·q0(L－L0)/2，，穿刺针与软组织间的摩擦系数μ设定为0.5，通过式(1)可转化为ωx=L=ω(FX，MXY)和φx=L=φ(FX，MXY)。对穿刺过程进行准静态分析，将整个针杆刺入的过程视为多个离散针段依次刺入的过程，针段之间由节点连接，对每个针段进行单独分析，将针与组织之间的相互作用转化为针杆节点与软组织单元节点间的相互作用。软组织发生位移形变主要受针与组织间的摩擦力影响导致的，且摩擦力的大小和方向是不断变化的，分析过程如图2所示。Ffi为第i段针段所受摩擦力，FXPi(i+1)和FYPi(i+1)分别表示第i段针段节点作用在软组织单元内的力沿x和y方向的分力。可以看出，柔性针每进针一段距离dx，针尖在y方向发生偏离位移dω。
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 白辉全;高德东;王珊;李强;郑浩峻;;基于图像形态学的软组织变形测量方法研究[J];图学学报;2015年05期
2 朱侗;高德东;赵广伟;;针穿刺软组织实验假体的制备与选择[J];科技视界;2015年17期
3 郭煜;秦t
本文编号：2671247
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