一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法技术

本发明专利技术提供一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法，其包括下列步骤:1)建立夹紧力及夹紧摩擦力模型、切割反力模型、组织抵抗力及抵抗摩擦力模型，根据建立的力学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型和柔性针回弹位移建模；2)根据建立的力学模型，得到柔性针单弯曲与双弯曲模型。本发明专利技术的考虑针尖回弹的柔性针建模方法，在建立的柔性针力学模型基础上，得到作用于针轴与针尖的受力模型，在受力模型基础上，利用弹性力学理论建立柔性针回弹位移模型，在前两个模型基础上建立柔性针穿刺过程中的弯曲模型。的弯曲模型。的弯曲模型。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法


[0001]本专利技术涉及一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法

技术介绍

[0002]微创介入是近年来迅速发展起来的一门崭新的医疗技术，在临床手术中广泛应用，并成为热点学科。它有很多优点像创伤小、快疗效、安全性高、定位准确，成为当代医疗界的焦点。靶向穿刺技术是微创介入中应用最为广泛的医疗手段，是癌症等重大疾病的重要诊断和治疗手段，其主要的应用方面在人体软组织器官中，如前列腺、乳腺、肝脏、肺脏和大脑等的活体组织取样检查、短距离放射性治疗和冷热消融等手术中。由于人体组织在穿刺过程中出现的漂移和变形，以及在手动穿刺过程中，医生操作手法的不确定性，传统的刚性针穿刺技术是不够优秀的，很难实现精确定位控制，更不可能绕过人体各种组织，实现人体局部的靶向穿刺。采用“柔性针”来代替传统的“刚性针”是一个开创性的思维，克服了刚性针存在的上述弊端。
[0003]本文采用的穿刺针是镍钛合金材质，具有超级的柔性。柔性针的针尖一般带有斜面，称作斜尖柔性针，利用穿刺时针尖斜面与组织之间的侧向作用力使针轴产生弯曲变形，从而修正偏差和绕过障碍，实现精确的靶向穿刺。因此有必要深入研究柔性针在穿刺过程中，柔性针与组织间的相互作用力，建立各个力的数学模型；并根据建立的数学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型，在受力模型基础上，利用弹性力学理论建立柔性针回弹位移模型，在前两个模型基础上建立柔性针穿刺过程中的弯曲模型。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法，根据建立的力学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型，在受力模型基础上，利用弹性力学理论建立柔性针回弹位移模型，在前两个模型基础上建立柔性针穿刺过程中的弯曲模型。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案中，一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法，其特征在于，在柔性针穿刺过程中，将针与组织之间的作用力包括为：柔性针的末端进给力F
p
、夹紧力F
c
、夹紧摩擦力F
cf
、抵抗力F
r
、抵抗摩擦力F
rf
、以及切割反作用力F
t
作用，他们共同耦合作用产生了柔性针在组织中的弯曲。φ(x)为柔性针弯曲时针轴与水平方向的夹角，选取镍钛合金材质的柔性针，该专利技术方法包括以下步骤：
[0006]1)建立夹紧力及夹紧摩擦力模型、切割反力模型、组织抵抗力及抵抗摩擦力模型，根据建立的力学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型和柔性针回弹位移建模；
[0007]2)根据建立的力学模型，得到柔性针单弯曲与双弯曲模型。
[0008]优选地，步骤1)中建立夹紧力及夹紧摩擦力、切割反力、组织抵抗力及抵抗摩擦力模型，根据建立的力学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型和柔性针回弹位移的建模过程如下：
[0009]F
c
为针在穿刺过程中组织被压缩进而会对针施加的一个夹紧力，单位摩擦力F
cf
表
示的是组织作用在单位长度针段上的摩擦力，其与夹紧摩擦力F
cf
的关系为：
[0010][0011]式中：l
input
表示组织内部针段的长度；
[0012]由式(1)可知，只要求得单位摩擦力f
cf
便可确定穿刺任何长度下的夹紧摩擦力F
cf
，通过力传感器得到F
cf
,根据所得的夹紧摩擦力可以求出单位摩擦力：
[0013][0014]夹紧力可以表示为：
[0015][0016]切割反力作用于斜面上，方向与斜面垂直。本文设定针尖沿直线对组织进行切割且将切割反力视为针尖斜面上的三角分布载荷均布载荷χ可以表示为：
[0017]χ＝K
t
η
ꢀꢀꢀ
(4)
[0018]式中：K
t
为组织刚度系数；η为载荷作用方向；
[0019]因此，作用于针尖的切割反力为：
[0020][0021]式中：b针尖斜面长度，可以用针轴直径d和针尖斜角a表示：
[0022][0023]根据受力平衡，可以建立柔性针穿刺组织的水平方向受力表达式为：
[0024]F
p
‑
F
c,x
‑
F
cf,x
‑
F
t,x
+F
r,x
‑
F
rf,x
＝0
ꢀꢀꢀ
(7)
[0025]其中组织抵抗力分力F
r，x
、抵抗摩擦力分力F
rf，x
与抵抗力的关系为：
[0026]F
r,x
＝F
r sinφ(x)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0027]F
rf,x
＝μF
r cosφ(x)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0028]式中：柔性针弯曲时针轴与水平方向的夹角φ(x)为：
[0029][0030]式中：v
pol
为柔性针穿刺软组织的弯曲曲线；
[0031]夹紧力的分力F
c，x
可以根据公式(3)中所建立的夹紧力模型得到，夹紧力水平分力表达式为：
[0032][0033]根据公式(1)建立的夹紧摩擦力模型可以得到夹紧摩擦力的分力F
cf，x
表达式为：
[0034]F
cf,x
＝f
cf
l
input cosφ(x)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0035]切割反力分力F
t，x
可以根据公式(5)中所建立的切割反力模型得到，表达式为：
[0036][0037]抵抗摩擦力表达式：
[0038]F
r,f
＝μF
r
ꢀꢀꢀ
(14)
[0039]根据针
‑
组织摩擦力实验测得的摩擦系数μ；
[0040]在公式(5)中得到了切割反力F
t
模型，由于切割反力垂直作用于针尖斜面，柔性针针尖角α已知，可以得到穿刺过程中不同时刻切割反力F
t
的分力F
t，y
；
[0041]F
t,y
(x)＝F
t cosα
ꢀꢀꢀ
(15)
[0042]根据公式(3)夹紧力模型以及公式(5)建立的切割反力模型，建立力学平衡方程式：
[0043][0044]式中：F
p
为柔性针针尾处电机提供的进给力，可以有力传感器测得。根据针
‑
组织摩擦力实验测得的摩擦系数μ；
[0045]对针穿刺软组织过程中的回弹位移的建模过程如下：
[0046]柔性针往往需要通过针尖的旋转来避开障碍，但穿刺过程中第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑针尖回弹的柔性针建模方法，其特征在于，在柔性针穿刺过程中，将针与组织之间的作用力包括为：柔性针的末端进给力F
p
、夹紧力F
c
、夹紧摩擦力F
cf
、抵抗力F
r
、抵抗摩擦力F
rf
、以及切割反作用力F
t
作用，他们共同耦合作用产生了柔性针在组织中的弯曲；φ(x)为柔性针弯曲时针轴与水平方向的夹角，选取镍钛合金材质的柔性针，该发明方法包括以下步骤：1)建立夹紧力及夹紧摩擦力模型、切割反力模型、组织抵抗力及抵抗摩擦力模型，根据建立的力学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型和柔性针回弹位移建模；2)根据建立的力学模型，得到柔性针单弯曲与双弯曲模型。2.根据权利要求1所述的考虑针尖回弹的柔性针建模方法，其特征在于，步骤1)中建立夹紧力及夹紧摩擦力、切割反力、组织抵抗力及抵抗摩擦力模型，根据建立的力学模型，得到作用于针轴与针尖的受力模型和柔性针回弹位移的建模过程如下：F
c
为针在穿刺过程中组织被压缩进而会对针施加的一个夹紧力，单位摩擦力F
cf
表示的是组织作用在单位长度针段上的摩擦力，其与夹紧摩擦力F
cf
的关系为：式中：l
input
表示组织内部针段的长度；由式(1)可知，只要求得单位摩擦力f
cf
便可确定穿刺任何长度下的夹紧摩擦力F
cf
，通过力传感器得到F
cf
,根据所得的夹紧摩擦力可以求出单位摩擦力：夹紧力可以表示为：切割反力作用于斜面上，方向与斜面垂直。本文设定针尖沿直线对组织进行切割且将切割反力视为针尖斜面上的三角分布载荷均布载荷χ可以表示为：χ＝K
t
η
ꢀꢀ
(4)式中：K
t
为组织刚度系数；η为载荷作用方向；因此，作用于针尖的切割反力为：式中：b针尖斜面长度，可以用针轴直径d和针尖斜角a表示：根据受力平衡，可以建立柔性针穿刺组织的水平方向受力表达式为：F
p
‑
F
c,x
‑
F
cf,x
‑
F
t,x
+F
r,x
‑
F
rf,x
＝0
ꢀꢀ
(7)其中组织抵抗力分力F
r，x
、抵抗摩擦力分力F
rf，x
与抵抗力的关系为：F
r,x
＝F
r
sinφ(x)
ꢀꢀ
(8)F
rf,x
＝μF
r
cosφ(x)
ꢀꢀ
(9)
式中：柔性针弯曲时针轴与水平方向的夹角φ(x)为：式中：v
pol
为柔性针穿刺软组织的弯曲曲线；夹紧力的分力F
c，x
可以根据公式(3)中所建立的夹紧力模型得到，夹紧力水平分力表达式为：根据公式(1)建立的夹紧摩擦力模型可以得到夹紧摩擦力的分力F
cfx
表达式为：F
cf,x
＝f
cf
l
input
cosφ(x)
ꢀꢀ
(12)切割反力分力F
t，x
可以根据公式(5)中所建立的切割反力模型得到，表达式为：抵抗摩擦力表达式：F
r,f
＝μF
r
ꢀꢀ
(14)根据针
‑
组织摩擦力实验测得的摩擦系数μ；在公式(5)中得到了切割反力F
t
模型，由于切割反力垂直作用于针尖斜面，柔性针针尖角α已知，可以得到穿刺过程中不同时刻切割反力F
t
的分力F
t，y
；F
t,y
(x)＝F
t
cosα
ꢀꢀ
(15)根据公式(3)夹紧力模型以及公式(5)建立的切割反力模型，建立力学平衡方程式：式中：F
p
为柔性针针尾处电机提供的进给力，可以有力传感器测得。根据针
‑
组织摩擦力实验测得的摩擦系数μ；对针穿刺软组织过程中的回弹位移的建模过程如下：柔性针往往需要通过针尖的旋转来避开障碍，但穿刺过程中第二段弯曲会对第一段弯曲产生干涉，导致第一段弯曲路径发生非线性位移，即柔性针的回弹现象。将柔性针穿刺软组织过程中针段NMQ定义为柔性针的回弹针段，利用该针段建立柔性针回弹位移模型；为便于模型建立及求解，将针段NMQ回弹方向接触的组织视为一个长方形，并以N点为原点建立对应的坐标系，长方形宽为2r，其长为：式中：a为针尖旋转后的进针长度；φ(x
n
)为N点处针轴与水平方向的夹角；根据步骤1)回弹受力分析，可以得到夹紧力及抵抗力的均布载荷p的表达式为：垂直作用于针轴的切割反力分力F
t,y
可表示为：F
t,y<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕江，侯卓辰，张永德，刘文伟，文超，张鹤，刘德强，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：