一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法技术

本发明专利技术提供一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法，其包括下列步骤：1)建立夹紧摩擦力模型；2)建立切割力模型；3)建立组织抵抗力模型；4)根据建立的力学模型，得出各个力的侧向分力并求和，将侧向合力代入大变形理论中来求解柔性针的弯曲变形。本发明专利技术的柔性针力学及弯曲变形建模方法，考虑了支撑摩擦力和组织抵抗摩擦力等相关因素的影响，并且选取更加符合柔性针弯曲变形实际情况的大变形理论来研究柔性针的弯曲变形，因此使得柔性针的力学及弯曲变形模型更加完善合理。

A mechanical and bending deformation modeling method for soft tissue with flexible needle puncture

【技术实现步骤摘要】
一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法
本专利技术涉及一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法。
技术介绍
微创介入医疗是近年来迅速发展起来的一门崭新的医疗技术，是介于外科、内科之间的新兴医疗方法，靶向穿刺技术是应用前景最广阔的医疗手段之一。而传统穿剌手术采用的是刚性针，无法对针尖位置进行有效的控制，由于在穿刺时针尖受力不均匀和组织形变等导致针尖偏离预定目标，导致穿剌失败；因此，针对传统穿刺针的缺点，国外的学者提出采用柔性针操控技术，柔性针采用细长针管，能够减小组织切口，降低不适感，加快术后的康复，更重要的是，柔性针可以实现弯曲轨迹。本文采用的穿刺针是镍钛合金材质，并且针尖处具有不对称斜角的斜尖柔性针；在穿刺的过程中，针体受到组织的作用力以及不对称的针尖处受到的作用力，共同决定了柔性针穿刺的轨迹，因而直接影响着柔性针穿刺的精度，这也是穿刺手术能否成功的关键；因此，有必要深入研究柔性针在穿刺过程中，柔性针和组织之间的各个相互作用力，建立各个力的数学模型；由于柔性针的弯曲变形建模时大都采用的基本梁理论，存在忽略了曲率公式中一阶导数的平方的缺陷，所以，基于建立的力学模型，采用大变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法，其特征在于，以柔性针穿刺的进给方向为x轴的正方向，以垂直于x轴向上方向为y轴的正方向，以柔性针末端的横截圆面的圆心为原点，建立直角坐标系；将柔性针与软组织之间产生的相互作用力分类为：柔性针的末端进给力Fp、夹紧摩擦力Ff、组织抵抗力Fr、针尖处的切割力Ft以及由于组织抵抗力产生的抵抗摩擦力Fr,f和由于柔性针进给支撑件产生的支撑件摩擦力f支撑；选取镍钛合金材质的柔性针作为实验用针，该专利技术方法包括以下步骤：1)建立夹紧摩擦力模型；2)建立切割力模型；3)建立组织抵抗力模型；4)根据建立的力学模型，得出各个力的侧向分力并求和，将侧向合力代入大变形理...

【技术特征摘要】
1.一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法，其特征在于，以柔性针穿刺的进给方向为x轴的正方向，以垂直于x轴向上方向为y轴的正方向，以柔性针末端的横截圆面的圆心为原点，建立直角坐标系；将柔性针与软组织之间产生的相互作用力分类为：柔性针的末端进给力Fp、夹紧摩擦力Ff、组织抵抗力Fr、针尖处的切割力Ft以及由于组织抵抗力产生的抵抗摩擦力Fr,f和由于柔性针进给支撑件产生的支撑件摩擦力f支撑；选取镍钛合金材质的柔性针作为实验用针，该发明方法包括以下步骤：1)建立夹紧摩擦力模型；2)建立切割力模型；3)建立组织抵抗力模型；4)根据建立的力学模型，得出各个力的侧向分力并求和，将侧向合力代入大变形理论中来求解柔性针的弯曲变形。2.根据权利要求1所述的力学及弯曲变形建模方法，其特征在于，步骤1)中，夹紧摩擦力的建模过程如下：ff为柔性针沿着针轴方向的单位长度夹紧摩擦力，针体角度φ(xb)定义为柔性针的中心轴线与针尾坐标系的xb轴之间的夹角；利用这个角度，单位长度夹紧摩擦力可以分解为：对公式(1)进行积分，可以得到柔性针所受到的夹紧摩擦力Ff在xb轴和yb轴方向上的分力：公式(2)中，L为柔性针穿刺的总深度，l为柔性针当前的穿刺深度；因此，需要先求出单位长度夹紧摩擦力ff的大小，然后通过对其积分求出所需要的夹紧摩擦力Ff；当柔性针直线进给完全穿透假体组织之后，因为柔性针并未发生弯曲变形，因此可以把此时柔性针根部的作用力看做是柔性针所受到的夹紧摩擦力；无论柔性针在穿刺软组织过程中是否发生弯曲变形，只要穿刺的速度、穿刺的深度以及柔性针的几何参数相同，则穿刺排开组织的体积也相同，因此柔性针所受到的的单位长度的夹紧摩擦力也基本相同；因此，可以通过柔性针穿透软组织的直线进给实验，测出单位长度上的夹紧摩擦力；为了提高实验的准确性和精度，需要制备三组不同厚度(分别为20mm、40mm和60mm)的仿生组织块，利用柔性针实验台分别进行三组穿刺实验；当柔性针的针尖完全穿出仿生组织块时，针根部的单维传感器测得的力即为夹紧摩擦力Ff；利用公式(3)，可以求出每组实验对应的单位长度上的夹紧摩擦力ff，其中T为仿生组织块的厚度；当柔性针穿透实验样块时，测出此时柔性针的根部力值；根据实验中所测得的力学数据，并利用公式(3)，最终可以求得每组单位长度的夹紧摩擦力ff；求出柔性针穿刺软组织的单位长度平均夹紧摩擦力ff，如果已知柔性针弯曲时针轴与进给方向的夹角φ(xb)；结合公式(1)和公式(2)，可以求出柔性针在穿刺过程中，当穿刺深度为xb时，对应的夹紧摩擦力Ff在x轴上的分力Ff,x以及在y轴上的分力Ff,y。3.根据权利要求1所述的力学及弯曲变形建模方法，其特征在于，步骤2)中，切割力的建模过程如下：柔性针穿刺软组织的过程中，针尖的斜面由于切割组织，会受到组织的反作用力，这个作用力我们称为切割反力；当柔性针的几何形状(直径、针尖斜角)与柔性针穿刺速度以及组织的刚度恒定时，根据前人的研究结果，可以把柔性针斜角劈开软组织的力即切割力看做一个常数，这样有利于简化建立力学模型的过程；切割力Ft与其分力Ft,x存在公式(4)关系，其中柔性针针尖的倾斜角α为已知；柔性针弯曲时针轴与进给方向的夹角φ(xb)，可以利用MATLAB软件，通过求取柔性针穿刺软组织路径曲线的拟合函数倾斜角而获得；利用穿刺实验台可以进行求取切割力的实验，即通过实验测得Ft,x，进而利用柔性针穿刺曲线的几...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕江，黄磊，张永德，胡海龙，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23