[发明专利]多平面锥形针接触受力的建模方法

说明书

本发明公开一种通用的多平面锥形针接触受力的建模方法，属于生物力学领域。该方法根据软组织的弹性变形特点，推导得出多平面锥形针的接触受力。本发明的主要特征为：首先选取多平面锥形针为研究对象，根据弹性接触理论分析多平面锥形针与弹性组织的相互作用特点，建立多平面锥形针的接触模型；并对多平面锥形针的接触受力问题进行分析，通过参数变换，研究不同针尖外形平面锥形针接触受力的变化特点。因此本发明所提出的分析方法能够为平面锥形针针的外形优化，穿刺性能的改善提供指导依据。

技术领域

本发明涉及生物力学领域，阐述了一种多平面锥形针接触受力的建模方法。

背景技术

随着临床医疗技术向高、准、细方向发展，微创穿刺手术在临床治疗过程中扮演着越来越重要的角色。当前微创穿刺手术是医学领域新兴的一种诊治手段，代表着临床医学发展的新方向。穿刺针作为微创穿刺手术的常用工具，其穿刺性能的好坏决定了微创手术的成败。作为一类常见的穿刺针，平面穿刺针广泛应用于临床实践中，在活检取样、局部麻醉、血样抽取和药物注射等过程中都起到了重要作用。在针的穿刺过程中，由于受到组织粘弹性和非线性的影响，针在接触过程中的受力分析受到相关制约。

目前，国内外学者根据弹性组织的变性特点和相关边界条件，对圆锥体、圆柱体、球体等相关规则体的接触受力进行了详细分析，建立相关规则体的弹性接触模型。由于规则体对组织接触作用所造成的变形呈现一定的规律性，这为相关规则体的接触建模分析提供了依据。但早期接触力学研究的对象大都局限于圆锥体、圆柱体、球体等相关规则体，但随着实践应用范围的不断扩大，许多不规则体之间的接触受力问题成为当前接触力学研究的难题。对于临床诊治过程中常用的多平面锥形针，由于其几何外形不是规则的轴对称形体，在分析穿刺针的接触受力时，不能直接采用上述相关规则体的接触分析模型。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题针对软组织接触阶段的受力变化特点，提出了一种通用的多平面锥形针接触受力的建模方法。

本发明为解决上述技术问题采用了以下技术方案：

一种多平面锥形针接触受力的建模方法，用以反映多平面锥形针对组织穿刺时的受力，包括以下步骤：

(1)将组织穿刺过程分为未穿刺阶段，接触变形阶段和刺穿后阶段；其中，在接触变形阶段，由于受到多平面锥形针的接触作用，弹性组织发生变形；

(2)以多平面锥形针的穿刺方向为引导，建立空间直角坐标系；把多平面锥形针与弹性组织开始接触时的点作为坐标原点，以多平面锥形针穿刺弹性组织的方向为Z轴负方向，并以坐标原点作垂直于Z轴的平面为XY平面；

(3)对多平面锥形针与弹性组织的接触变形分析，根据多平面锥形针的外形特点，当针与弹性组织发生接触作用时，弹性组织变形时的截面外形轮廓是由多条相同的双曲线包围而成；其中锥形针的成型平面数等于组织变形时截面外形轮廓中双曲线的条数；

(4)设置多平面锥形针弹性接触模型的参数，包括多平面锥形针尖与组织的穿刺深度D；为针尖与组织的接触深度h；平面针的成型平面与针轴线的夹角即半顶角θ；多平面锥形针受到的法向力F；组织变形截面内原点到双曲线的最小距离a；变形截面内原点到双曲线的最大距离b；

(5)根据对称体的平底压头和棱体压头接触问题，并采用功的互等定律原理建立得到多平面锥形针的接触模型，并推导得出多平面锥形针法向力F的表达式；

(6)进行参数变换，当平面锥形针与组织发生接触时，组织变形截面内双曲线的弯曲程度随穿刺深度的变化而变化，由于双曲线的离心率在接触模型中不能直观表示，故定义变形截面内最小距离a与最大距离b的比值为参数κ对多平面锥形针弹性接触模型进行分析；经过参数变换最终得到多平面锥形针的法向力随参数κ的变化特点。