斜角柔性針穿刺的摩擦與切割模型的研究.pdf

1、近年來,微創(chuàng)手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)的研究成為了醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的熱點與難點。由于經(jīng)皮穿刺微創(chuàng)手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)在活體切片、靶向注射、短程放射性治療以及神經(jīng)外科手術(shù)等方面有著極為重要的應(yīng)用,特別是在癌癥早期診斷和治療領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn),使之成為了微創(chuàng)手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)目前研究的焦點與前沿。作為經(jīng)皮微創(chuàng)手術(shù)最有力的核心技術(shù),經(jīng)皮穿刺斜角柔性針的控制技術(shù)能夠在諸多方面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性針穿刺技術(shù)。
　　在斜角柔性針穿刺的過程中,由于針尖斜面的存在,使

2、得組織對針尖斜面產(chǎn)生側(cè)向作用力,加之柔性針自身的剛度很低,致使針體產(chǎn)生彎曲。柔性針在組織中的軌跡完全受控于兩個運動輸入:軸向進(jìn)給和周向轉(zhuǎn)動。為了使得針體跟隨預(yù)定軌跡,需要轉(zhuǎn)動針軸來改變針尖斜面的方向,這會使得針體和組織之間有摩擦力的作用。鑒于此,本文首先分析了柔性針穿刺過程中影響針體彎曲曲率以及針體和組織之間摩擦力大小的因素。假設(shè)針軸在組織中是直線軌跡,運用力學(xué)基本原理對針軸直線進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運動時針體和針尖處的受力情況分別作了詳細(xì)的理論分

3、析,同時也考慮了針軸整體的受力情況。
　　在柔性針穿刺的過程中,為了使得針尖更精確的到達(dá)病灶靶點,對斜角針切割組織的過程進(jìn)行研究相當(dāng)重要。斜角針與組織之間的切割機(jī)理借助材料的斷裂機(jī)理同時結(jié)合能量守恒定律進(jìn)行研究。為了使得針體跟隨預(yù)定軌跡,基座處的轉(zhuǎn)向裝置需要轉(zhuǎn)動一定的角度。由于針尖處的尺寸小于針體的尺寸,針尖被組織夾緊,組織對針尖斜面有正壓力的作用。軸向轉(zhuǎn)動使得柔性針刃部勢必對劈開組織產(chǎn)生絞動,導(dǎo)致組織產(chǎn)生嚴(yán)重的變形甚至破壞。同時