柔性针穿刺软组织受力及弯曲变形建模研究

发布时间：2020-08-21 18:13

【摘要】：目前,在微创介入手术中靶向穿刺通常采用刚性针,无法绕过障碍实现靶向穿刺,而带有斜尖的柔性针可以在穿刺的过程中发生弯曲,实现避障的作用,具有很强的理论与临床应用价值。本文针对柔性针穿刺软组织手术中存在的问题,对柔性针以及软组织的力学特性、针-组织相互作用力以及弯曲变形进行了研究并建立了数学模型。为实现柔性针靶向穿刺控制提供了理论基础。首先,采用镍钛合金作为柔性针的材料,并进行了弯曲实验,测出了柔性针弯曲半径与弯曲力之间的关系;通过比较现有常用的仿生组织的力学特性,选取与人体肌肉较为接近的琼脂胶作为实验的软组织材料,并做了压缩实验,测出琼脂的力学参数;然后通过针与组织的滑动实验,测出了针-组织相互作用的摩擦系数;柔性针和软组织的力学特性研究,为后期的针-组织力学建模提供了必要的力学参数。其次,通过对柔性针穿刺软组织过程中的受力分析,并考虑了支撑摩擦力和组织抵抗摩擦力等因素的影响,依次对柔性针受到的夹紧摩擦力、切割力以及组织抵抗力进行了数学建模,并进一步分析建立了柔性针穿刺所受的侧向力模型;利用一维和六维传感器分别测出针根部和端部支撑点的受力,运用MATLAB对各个作用力进行了解算。然后,根据所建立的力学模型,通过分析现有悬臂梁理论存在的不足,采用大变形理论对柔性针穿刺软组织的弯曲变形进行建模研究,进而建立了基于力学模型和大变形理论的柔性针弯曲变形模型。最后,搭建柔性针穿刺实验台,对柔性针穿刺软组织弯曲变形进行了实验研究,将理论计算的弯曲变形与穿刺实验的结果进行对比,系统最大误差在2mm以内,验证了本文提出模型的准确性。本文主要应用理论计算与实验相结合的科学研究方法,建立了柔性针穿刺软组织的受力以及弯曲变形的数学模型,并且通过实验验证了模型的准确性,为柔性针靶向穿刺手术应用提供理论基础。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.01
【图文】：

柔性,课题研究,避障,刚性

(a) 刚性针穿刺 (b) 柔性针避障穿刺图 1-1 钢针与柔性针的比较Fig.1-1 Comparison between traditional needle and flexible needle.2 课题研究的目的和意义

受力变形,柔性

到的穿刺靶点位置[1, 3 ,4]。图1-2为柔性针穿刺受力变形示意图,图1-3为斜尖柔性针的曲线穿刺机理。图 1-2 柔性针穿刺受力变形图 1-3 柔性针的曲线穿刺机理Fig.1-2 Force and deformation Fig.1-3 Mechanism of curve puncture ofof flexible needle puncture flexible needle在柔性针穿刺的过程中，柔性针的受力以及弯曲变形的机理研究，对手术的准确性起着至关重要的作用。因此利用实验研究穿刺力以及弯曲变形的规律，具有重要的意义，能够为高精度的靶向穿刺手术提供理论基础。由于柔性针的大变形，在实验分析过程中，柔性针进给支撑件对柔性针产生的影响，是有必要考虑在力学模型中的。并且针对柔性针的弯曲大变形，应用更加符合柔性针实际变形情况的大变形理论也是具有很大的现实意义的。柔性针穿刺的力学建模和弯曲变形建模的研究，对提升靶向穿刺手术的准确性和安全性具有重要的意义和作用。这里所研究的柔性针这一几何非线性大变形问题也是目前力学、机械及航空航天等多领域研究的热点难点问题之一[5]，此研究成果将为工程大变形领域提供理论基础。1.3 国内外研究现状哥伦比亚大学的 DiMaio

柔性,机理,曲线

【参考文献】