针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模.pdf

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1、第32卷第3期青海大学学报(自然科学版)V01．32No．32014年6月JournalofQinghaiUniversity(NaturalScienceEdition)Jun．2014针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模郭菁莘，高德东，李丽荣3(1．青海大学机械工程学院，青海西宁810016；2．浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310027；3．青海广播电视大学，青海西宁810008)摘要：通过针穿刺软组织实验，得出针穿刺软组织过程中穿刺力随位移变化的数据。在分析穿刺力与位移之间关系的基础上，选取非线性弹簧模型和二阶多项式模型对穿刺力进行最小二乘法拟合

2、，得到穿刺力的力学模型。关键词：针穿刺；穿刺力；力学模型；最小二乘法中图分类号：0302文献标志码：A文章编号：1006—8996(2014)03—0037—06DoI：10．13901／j．cnki．qhwxxbzk．2014．03．008ExperimentationandinsertionforcemodelingofneedleinsertionintosofttissueGUOJingshen，GAODedong’，LILirong(1．SchoolofMechanicalEngineering，QinghaiUniversity，Xining810016，C

3、hina；2．StateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China3．QinghaiRadio＆TelevisionUniversity，Xining810008，China)Abstract：Intheexperimentofneedleinsertionintosofttissue，theinsertionforcesVSdisplacementisobtained．Basedontheanalysisoftherelationship

4、betweenneedleinsertionforcesanddisplace—ment，acombinationofthenonlinearspringmodelandthesecond—orderpolynomialisexploitedtomodeltheinsertionforcewiththeleastsquaresmethod．Keywords：needleinsertion；insertionforce；forcemodel；leastsquaresmethod针穿刺是一种复杂的微创手术过程，大量外科诊断、治疗和实验研究都需要针穿刺到特定的靶点(病灶点)，

5、其中大多数的穿刺靶点都集中在软组织器官上(如肾、肝脏、前列腺等)]。随着机器人技术的发展，机器人辅助针穿刺方法吸引了越来越多的研究者的关注。在针穿刺的过程中，长柔性针的穿刺很容易导致靶点周围软组织的变形或损坏I4J，这样会使病人感到不适，延长病人的恢复时间，甚至会引起严重的并发症j。同时，在穿刺过程中长柔性针也会因为受到软组织不均匀的作用力而产生挠曲，使穿刺的精度大大降低。为了使穿刺结果更加准确，我们需要研究针穿刺软组织过程中针与软组织之间的相互作用力与针的挠曲以及组织变形之间的关系，并进行测量，将之反馈出来。穿刺针与软组织之间的相互作用力在避障和击中靶点过程中起到非常

6、重要的作用。而对于实验和建模来说也需要准确的测量穿刺针与软组织之间的相互作用力。如今已有许多的方法和设备用于测量针的穿刺力]。有研究者已经做了许多关于刚性针刺入均匀软组织(或者仿真软组织)的前期研究。Okamura等将针穿刺过程分为预穿刺(pre—puncture)阶段和穿刺后(post—puncture)阶段。在预穿刺阶段，针的穿刺力在大小上等于其受到阻力即背膜阻力(stiffnessforce)。在穿刺后阶段，针穿刺力由摩擦力和切割力组成。Okamura等利用非线性弹簧模型和修正的Karnopp模型对背膜阻力和摩擦力进行建模。收稿日期：2013—12—10基金项目：

7、国家自然科学基金资助项目(51165040)作者简介：郭菁莘(1991一)，男，安徽亳州人，青海大学在读硕士研究生。通信作者第3期郭菁莘等：针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模39位移直流电机驱动器控制。2实验分析与结果2．1针穿刺受力分析在以前的许多研究中，针穿刺过程看作是一个准静态过程。然而，实际上针穿刺过程是一个涉及能量转换的动态过程。包括能量的积累、吸收和存储3个过程。针穿刺力提供的能量主要用于软组织变形和针的挠曲变形。软组织的厚度、针的长度和穿刺深度的关系如图3_9所示。参考平面软组织／图3针穿刺软组织示意图Fig．3Diagram