针穿刺作用机理

穿刺过程中的针受力分析能够为机器人辅助针穿刺提供反馈信息，是实现穿刺路径 精确闭环控制的基础。Okamura 等以软组织背膜穿刺时刻为界，将穿刺过程分为预穿刺

（Pre-puncture）和穿刺后（Post-puncture）两个状态，定义穿刺过程中针插入力由摩擦力

（Friction force）、切割力（Cutting force）和背膜阻力（Stiffness force）组成；同时研究了针 尖结构、针体直径和穿刺速度对针受力的影响，并建立了相关的针受力模型^[30,31]。Simone

第 1 章 绪 论 浙江大学博士学位论文

浙江大学博士学位论文 第 1 章 绪 论

最后接触病灶所在器脏组织。因此，测量和确定多样性软组织性能参数成为针穿刺过程需 要关心的问题。Liu 等采用展成机械图像方法测量了猪肝软组织的力学特性^[41]。Azar 和 Hayward 应用断裂力学方法为软组织建模来预测软组织刺入力；并将软组织变形过程分为 变形（deformation）、稳态刺入（insertion）、组织放松（relaxation）和回退（extraction）四 个过程，如图 1.3b所示^[34,42]，并近似估计了组织的断裂韧性。Mahvash 和 Dupont 研究穿 刺速度与软组织-针挤压力及变形功之间的关系，发现高速针穿刺可以降低针穿刺功，减 小软组织变形^[43]。Gao 和 Lei 搭建了软组织图像测量平台，基于能量分析法建立了软组织 表面形变量的数学模型^[44]；并构建了基于 MedSAFE 磁定位和三维 B 型超声的软组织变 形测量平台，对组织内敏感点进行位移监测^[45]。其他研究机构使用超声波方法和粘弹组 织变形测量仪对软组织生物材料性能进行了测量，并研制了测量组织变形、扩张和与器械 作用力的设备^[46–48]。

1.2.1.3 软组织变形建模

穿刺过程中的软组织形变引起靶点和障碍物在原来位置上发生移动，从而影响针穿刺 精度^[26]。组织靶点及周围障碍物运动均受到组织性能影响，因此需要建立合适的力学模 型来描述软组织材料性能及其变形机理。

软组织力学建模，即在几何建模基础上赋予实体模型变形和力学特性。文献报道模型 包括基于几何变换的非物理模型、质量弹簧模型、基于有限元的物理模型和混合模型等 四种。基于几何变换的非物理模型形变速度快，能够达到实时仿真，但由于没有考虑物体 形变规律，难以对非规则的人体器官（如肝脏）进行建模^[49]。质量弹簧模型是由许多无 质量的弹簧和节点组成，将软组织物理特性离散到各个节点及节点间弹簧上，能够很好模 拟软组织的粘弹性和非线性，但其参数设置无理论依据，不能真实反映生物组织的物理特

性^[50–53]。在针穿刺软组织方面，Glozman 等采用虚拟弹簧模型模拟软组织对针的挤压力，

但精确度不够^[54]，高德东等对该模型进行了简化和改进^[55]。毕德学等采用简化的质量-弹 簧-阻尼模型模拟软组织变形的动态性能^[52]；Mahvash 等建立改进的开尔文模型对粘弹性 生物材料变形力进行预测^[43]。

有限元模型是研究最为广泛的一种方法，可得到几何和力学上都较为精确的结果^[56]。 DiMaio 等基于弹性本构建立了软组织变形的有限元模型，并用于变形预测^[19]。Sedeh 等 建立针穿刺猪肝的有限元模型，对穿刺进针位置进行优化^[16]。Misra 等详细地讨论了软组 织器官几何形状、周围约束条件和材料属性对软组织变形的影响，并以前列腺为例建立了 各种约束条件下的有限元模型^[27]，如图 1.4所示。Lei 和 Gao 等提出了基于粘滑理论的针

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影响器脏软组织变形的因素包括：器官几何尺寸、边界条件和材料属性。图中器官几何形状分为圆形 和正方形两种，边界条件分为部分约束（从左至右第 1 和 3 幅）和固定约束（第 2 和 4 幅）两种，材

料属性分为线弹性和高弹性两种^[27]。 图 1.4 考虑约束条件的前列腺有限元模型

穿刺有限元模型，对单层和多层软组织穿刺过程进行了仿真^[57]；基于改进的局部约束法建 立了针体-软组织耦合模型，建立了针穿刺有限元模型，并进行了实验验证^[58]。Kobayashi 等提出了一种猪肝的有限元模型，可较好地重复猪肝材料的非线性和粘弹性响应^[59]。文 献报道的针与软组织作用有限元模型，其组织材料模型多采用线弹性模型，针与组织之间 采用接触模型或粘滑模型[16,19,27,57]。但，软组织呈高度非线性和粘弹性，有限元在处理这 类问题时易出现网格畸变，且计算量大，无法满足图形实时性（30Hz）和力反馈实时性

（1000Hz）的要求^[60]。Nienhuys 等研究结果表明，均匀网格占有大量存储空间而使计算代 价较高，通过细化局部感兴趣区域网格，可降低计算需求^[61]。混合模型一定程度上可解决 这种矛盾，上海交通大学的 Zhu 等提出一种基于边界元和质量弹簧的混合模型来计算软 组织和手术器械之间的交互作用^[62]。

在物理建模方面，生物组织的非线性建模是当前的研究方向，粘弹性和超弹性特征 已被应用到软组织有限元模型中^[63–65]。有限元方法在软组织建模方面拥有较高的精度 和良好的可视化效果，但需要付出较高的计算代价，无法满足视觉和力反馈的实时性要

求^[60,66,67]。如何建立一个高精度实时性的软组织针穿刺模型依然是一个挑战。