[发明专利]一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法

说明书

本发明提供一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法，其包括下列步骤：1)建立夹紧摩擦力模型；2)建立切割力模型；3)建立组织抵抗力模型；4)根据建立的力学模型，得出各个力的侧向分力并求和，将侧向合力代入大变形理论中来求解柔性针的弯曲变形。本发明的柔性针力学及弯曲变形建模方法，考虑了支撑摩擦力和组织抵抗摩擦力等相关因素的影响，并且选取更加符合柔性针弯曲变形实际情况的大变形理论来研究柔性针的弯曲变形，因此使得柔性针的力学及弯曲变形模型更加完善合理。

技术领域

本发明涉及一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法。

背景技术

微创介入医疗是近年来迅速发展起来的一门崭新的医疗技术，是介于外科、内科之间的新兴医疗方法，靶向穿刺技术是应用前景最广阔的医疗手段之一。而传统穿剌手术采用的是刚性针，无法对针尖位置进行有效的控制，由于在穿刺时针尖受力不均匀和组织形变等导致针尖偏离预定目标，导致穿剌失败；因此，针对传统穿刺针的缺点，国外的学者提出采用柔性针操控技术，柔性针采用细长针管，能够减小组织切口，降低不适感，加快术后的康复，更重要的是，柔性针可以实现弯曲轨迹。

本文采用的穿刺针是镍钛合金材质，并且针尖处具有不对称斜角的斜尖柔性针；在穿刺的过程中，针体受到组织的作用力以及不对称的针尖处受到的作用力，共同决定了柔性针穿刺的轨迹，因而直接影响着柔性针穿刺的精度，这也是穿刺手术能否成功的关键；因此，有必要深入研究柔性针在穿刺过程中，柔性针和组织之间的各个相互作用力，建立各个力的数学模型；由于柔性针的弯曲变形建模时大都采用的基本梁理论，存在忽略了曲率公式中一阶导数的平方的缺陷，所以，基于建立的力学模型，采用大变形理论研究柔性针的弯曲变形情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法，解决现存的力学模型大都进行了简化，并未完全考虑穿刺过程中主要作用力影响的力学建模不完整性的问题；克服柔性针的弯曲变形建模时所采用的基本梁理论，忽略了曲率公式中一阶导数的平方的缺陷。

为达到上述目的，本发明的技术方案中，一种柔性针穿刺软组织的力学及弯曲变形建模方法，其特征在于，以柔性针穿刺的进给方向为x轴的正方向，以垂直于x轴向上方向为y轴的正方向，以柔性针末端的横截圆面的圆心为原点，建立直角坐标系；将柔性针与软组织之间产生的相互作用力分类为：柔性针的末端进给力F_p、夹紧摩擦力F_f、组织抵抗力F_r、针尖处的切割力F_t以及由于组织抵抗力产生的抵抗摩擦力F_r,f和由于柔性针进给支撑件产生的支撑件摩擦力f_支撑；选取镍钛合金材质的柔性针作为实验用针，该发明方法包括以下步骤：

1)建立夹紧摩擦力模型；

2)建立切割力模型；

3)建立组织抵抗力模型；

4)根据建立的力学模型，得出各个力的侧向分力并求和，将侧向合力代入大变形理论中来求解柔性针的弯曲变形。

优选地，步骤1)中，夹紧摩擦力建模过程如下：

f_f为柔性针沿着针轴方向的单位长度夹紧摩擦力，针体角度φ(x_b)定义为柔性针的中心轴线与针尾坐标系的x_b轴之间的夹角；利用这个角度，单位长度夹紧摩擦力可以分解为：

对公式(1)进行积分，可以得到柔性针所受到的夹紧摩擦力F_f在x_b轴和y_b轴方向上的分力：

公式(2)中，L为柔性针穿刺的总深度，l为柔性针当前的穿刺深度；