第 2 章 软组织针穿刺有限元建模
2.4 仿真与实验
浙江大学博士学位论文 第 2 章 软组织针穿刺有限元建模
Initializaiton of properties of needle and tissue, boundaries and meshing
the tissue model Start
Coupling the needle-tissue Stiffness matrix with Eqs.2.15 and 2.21 Assingning the forces for the nodes with
the method in section 2.4.2
Solving the equation with Eq.(23)
Post-processing Finish
Generating the parameters with Newmark method
Get to the destinated insertion depth?
Yes No
Updating nodal points of needle track
Interactive calculation Pre-processing
图 2.11 针与软组织交互作用仿真流程图
2.4.1 实验设备与材料
穿刺有限元模型验证实验平台如图 2.12a所示。实验装置主要包括两个线性平移台、高
(a) 针刺软组织实验装置 (b) 图像记录示意图 图 2.12 针穿刺有限元验证实验平台
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速相机、力/力矩传感器、水凝胶假体、穿刺针和 LED 光源等。实验过程中，使用长度约为 13cm、针尖带有 20◦
− 30
◦斜角，直径为 0.58− 1.20mm 的 PTC（percutaneous transhepatic
cholangiogram, PTC）穿刺针，由巴德公司（Bard Peripheral Vascular,Inc.）公司制造。穿刺 针针座端采用专用夹具固定，由 2 自由度的高精密线性平移台驱动刺入水凝胶假体，线性 平移台由普爱纳米位移技术（上海）有限公司生产，型号为 ML01.4A1，运动性能平稳。穿 刺过程中，针与软组织上作用力由 ATI 公司生产的型号为 Nano17SI− 50− 0.5 六维力/力
矩传感器记录，其力的分辨率为 0.0125N，力矩分辨率为 0.0625N· mm；测得的力/力矩数
据通过 NI 数据采集卡（PCI 6220）传送到上位机并存储。图像采集采用型号为 TXG12C 的 Baumer 相机、型号为 H0514-MP2 的 Computar 镜头和型号为 BT-200×300W 的 OSe 背
光源等组成；相机和背光源均通过支架固定在光学实验台上。如图 2.12b示意，柔性针在 平面 A′B
′C
′D
′内运动。镶嵌在组织假体内部的标识物都位于平面 A′B
′C
′D
′内，为确保采 集图片的清晰度，需要光源发出的光均匀地照在组织假体上，因此尽量保持 LED 光源垂 直于平面 A′B
′C
′D
′。实验中采用的水凝胶假体（PVA-H phantom）为材料特性与猪肝性能相近的一种模拟 材料。实验中制备假体所需设备包括恒温制冷冰箱、搅拌器、精密天平和假体成型盒，具 体如图 2.13所示。冰箱采用 FYL-YS-30L 型车载冰箱，其可控温度为 -25䶂⎧བྷᆖ⺅༛ᆖս䇪᮷ ㅜ ㄐ 䪸クࡪっᇊᙗ◦C
− 10
◦C。搅拌䖖䖭ߠ㇡
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图 2.13 PVA 假体组织制备设备
器采用 85-2 型恒温磁力搅拌器，其恒温精度为
±1
◦C。精密电子天平型号为 JM-B302T，最 大称重量 300g，分度值为 0.01g，PVA 假体成型盒用亚克力板制成。32
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假体材料制备过程中，将聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）在 90◦C
− 100
◦C 温度范 围内搅拌完全溶解到二甲基亚砜（Dimethyl sulfoxide，DMSO）和去离子水的混合溶剂中 形成透明的聚乙烯醇水溶液；再将聚乙烯醇水溶液倒入预制尺寸的器皿（通常其容积与假 体尺寸一致）中冷却至室温，然后放入冰箱内冷却至 -20◦C 并在此温度下持续冷却 8 小时 以上，最后取出冷冻的水凝胶解冻至室温（约两小时，若需要可多次冷却多次解冻），形 成所需的水凝胶假体。聚乙烯醇和二甲基亚砜的含量和循环冷却次数均影响着假体材料 的硬度和透明度。实验过程中，通过控制聚乙烯醇质量（g）、去离子水体积（ml）和二甲基亚砜体积
（ml）三种成分配比来控制组织假体材料的硬度和透明度；在保持去离子水体积（ml）和 二甲基亚砜体积（ml）两种成分含量比不变，通过改变聚乙烯醇 PVA 来改变假体材料特 性。潘育松等通过实验表明，PVA 假体材料的拉伸强度和弹性模量随着聚乙烯醇 PVA 含 量增加而增大[128]；课题组通过反复试验表明，当去离子水体积（ml）和二甲基亚砜体积
（ml）两种成分含量比为 2 : 3 时，其材料特性与肝脏组织较为相近。因此，本实验中制备 的水凝胶假体成分配比为 8 : 40 : 60，其杨氏模量取值范围为 10KPa
− 50KPa，泊松比为
0.49。而猪肝的杨氏模量取值范围为 10KPa− 70KPa，泊松比为 0.49。而实际上，猪肝性
质具有一定的非匀质和非线性特性，水凝胶假体不能完全反映这些属性。但，水凝胶假体 具有较好的线弹性和透明度，既能模拟线弹性组织材料也有利于清晰地记录假体内部标 识物的运动情况。2.4.2 穿刺力实验
基于上述穿刺装置和材料，设计了两组实验来验证图 2.4中的穿刺作用力模型和针的 悬臂梁模型。首先，制备不同的 PVA-H 假体来测试假体的材料性能。实验中，采用柔性 针重复刺入 PVA-H 假体和猪肝的同一位置 6 次，其穿刺力与时间曲线如图 2.14所示。从 图中可看出，对水凝胶（图 2.14a）而言，首次穿刺与其余穿刺过程没有明显区别；而对 于猪肝材料（图 2.14b）而言，首次穿刺的切割力有着明显的作用。对于两种材料，针体 上摩擦力随着刺入深度稳定增长，与退针过程中的摩擦系数较为接近。图 2.14中穿刺力与 时间的曲线与图 2.4中的模型吻合地较好，在摩擦力线性度和重复度方面，二者均有较好 的性质。因此，PVA-H 水凝胶材料的摩擦系数可根据图 2.14计算得到。
上文2.2.2小节中，针体上径向（y 轴方向）作用力与针挠曲量之间的正比例系数 k2需 要实验中确定。实验过程中，针尖位移由高速相机记录采集，径向作用力由 ATI 六维力/力 矩传感器测量。采用最小二乘法对针尖径向位移（即针挠曲量）与径向作用力进行拟合，
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点位移情况。
实验开始前，将柔性针停留在距离假体样本表面上方的 1cm 处，目的是保证针到达 假体样本表面时的速度和进入组织内部的速度一致。针刺入假体的实验过程包括三个过 程：启动穿刺程序使针尖接触到假体表面速度达到预定值并刺入假体、匀速刺入至深度 6cm 处并停留、保持匀速从假体中退针。进针和退针的速度均为 3mm/s。每次穿刺实验过 程中，CCD 摄像机连续拍摄 54 张图片，所采集图片为 1292
× 960 分辨率的 RGB 彩色图
像。通过图像形态学算法提取图片中每个标识物的位置信息并进行测量，得到所有标识物 的穿刺轨迹。图像处理过程中，采用边缘检测、图像膨胀和腐蚀等形态学算法来提取水凝 胶假体内部标识物的增强图像，计算标识物的重心位移，从而获得穿刺过程中每个标识物 的位移情况；对比实验表明，图像处理得到的标识物的位移误差小于 0.7mm[129]，图像处 理方法的详细步骤见附录 A。2.4.4 仿真实验准备
采用二维动态针穿刺软组织有限元模型与实验结果对比，说明所提出的柔性针与软 组织耦合模型的有效性。仿真过程中的软组织和针材料参数均与实验一致，如表 2.1列出。
软组织假体材料特性通过实验测试得到，其杨氏模量和泊松比均通过压缩实验获得[130]。
表 2.1 仿真过程中参数列表
仿真参数 参数取值
软组织的尺寸 120
× 80mm
2 组织杨氏模量 15KPa针的杨氏模量 2.1GPa 组织的泊松比 0.49 软组织面密度 24kg/m2 接触点的坐标 [0, 0]mm 针尖斜角角度 20◦
柔性针惯性矩 0.7854mm4 针穿刺的速度 3mm/s
二甲基亚砜含量为 50%，聚乙烯醇含量为 8% 的 PVA-H 水凝胶假体的杨氏模量值处于 10KPa
− 30KPa 取值范围；造成杨氏模量值波动的主要原因是加热搅拌时间和冷冻时间的
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控制的不稳定。
多次试验结果得到其杨氏模量的平均值约为 15KPa，实验中泊松比值较为稳定约为 0.49，作为仿真过程中杨氏模量和泊松比的取值。实验中准备了尺寸为 120mm
× 80mm ×
30mm 的亚克力器皿用于盛放聚乙烯醇水溶液，经冷冻和解冻后即形成同样尺寸的水凝胶 假体。而对于二维仿真而言，软组织模型即为 120mm× 80mm 的平面几何模型。软组织
面密度直接由质量和平面面积计算得到。实验中采用长度为 13cm，针尖斜角角度为 20◦， 直径为 0.58mm 的 20G 型号的 PTC 穿刺针，穿刺速度为 3mm/s，进入组织假体的长度为 6cm。实验和仿真过程中，以针尖接触到软组织假体表面为 0 时刻参考点，标识物在 0 时 刻的位置为初始位置。实验过程中，组织假体底部粘结固定在实验平台上；仿真过程中，组织下端边界节点采用全位移约束。
为实现有限元仿真与穿刺实验过程形成对比，特选择图 2.16 中的 10 个标识物来研究
Flexible needle Markers
(a) 有限元仿模型中标识物位置
x y
(b) 水凝胶假体中标识物位置
图（a）中∗ 表示仿真过程中标识物位置；图（b）中 ◦ 表示实验过程中标识物位置。
图 2.16 实验和仿真过程中的对比标识物
软组织变形及所提算法的有效性。图 2.16a和图 2.16b中标识物位置是相对应的，实验中跟 踪标识物的位移并与仿真结果相对比。选择的 10 个标识物分别代表不同组织节点的位移 运动。其中，1 号、2 号、7 号和 8 号表示距离软组织平面较近的组织节点；1 号、2 号、3 号、4 号、5 号和 6 号代表距离针体较近的组织节点；5 号、6 号、9 号和 10 号代表距离边 界较近的组织节点；7 号、8 号、9 号和 10 号代表距离针体较远的组织节点。这些节点由 于位置不同受到柔性针与软组织交互作用的影响也不同。
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