孫春生，劉子豪，魏鵬鵬，張勤河，張洪才

（ 山東大學(xué)機械工程學(xué)院，高效潔凈機械制造教育部重點試驗室，機械工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東濟南250061 ）

活檢穿刺是臨床醫(yī)學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于前列腺癌和乳腺癌的診斷和治療，和傳統(tǒng)的手術(shù)取樣相比，具有微創(chuàng)性、術(shù)后并發(fā)癥少、恢復(fù)期短及費用較低等優(yōu)點[1-3]，是臨床上診斷一些腫瘤的首選方法，但也存在取樣量較少、取樣精度不足等問題。 造成上述問題的主要原因有兩個[4-5]：一是組織內(nèi)的纖維結(jié)締組織及筋膜等對活檢針的阻力過大和不均衡，造成活檢針彎曲變形，偏離了預(yù)定的方向；二是在穿刺過程中，活檢針對目標(biāo)組織的作用力使組織發(fā)生形變，靶組織隨之移動。 因此，力是導(dǎo)致取樣路徑偏移、 造成取樣精度不足的根本原因，如果減小組織與活檢針之間的摩擦力，就可有效地提高活檢取樣的準(zhǔn)確度。

為了減小穿刺過程中的摩擦力、提高活檢取樣的精度，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并建立了多個摩擦模型。 Haessig 等[6]將活檢針與組織的接觸表面看作是眾多彈性鬃毛之間的接觸，從微觀層面上描述了接觸面間接觸點的接觸狀態(tài)，建立了鬃毛模型，該模型雖然體現(xiàn)了微觀摩擦的隨機性，但其計算復(fù)雜，耗時較長。 Goodwin 等[7]提出了 LuGre 模型，該模型借鑒了鬃毛模型的思想，是一種基于鬃毛平均變形來建模的模型， 可反映Stribeck 效應(yīng)和描述摩擦滯后現(xiàn)象。 Kobayashi 等[8]提出了一種用于穿刺仿真的摩擦力模型，以此研究了低穿刺速度時的摩擦現(xiàn)象，并設(shè)計實驗驗證了該模型的正確性。

在超聲振動的減摩特性方面，常穎等[9]從質(zhì)點微觀振動和聲懸浮力學(xué)角度兩方面對超聲振動狀態(tài)的物體表面的摩擦磨損特性進(jìn)行了深入研究，并通過實驗得到了超聲振動參數(shù)與摩擦系數(shù)的關(guān)系。譚磊、郭妥當(dāng)?shù)萚10-11]都以明膠為實驗材料研究了振動頻率對摩擦力的影響， 前者的實驗數(shù)據(jù)顯示：振動頻率為500 Hz 時的摩擦力比50 Hz 時的摩擦力大17.9%，后者測量了不同振動頻率下的摩擦力，得到低頻振動頻率對摩擦力的影響規(guī)律，即當(dāng)振動頻率小于50 Hz 時，摩擦力隨著振動頻率的增大而減?。划?dāng)振動頻率為50～500 Hz 時，摩擦力隨著振動頻率的增大而增大。

為了提高取樣精度，國內(nèi)外學(xué)者還提出采用多種輔助技術(shù)及設(shè)備減小穿刺過程中的摩擦力。Khalaji[12]等提出了一種振動輔助穿刺技術(shù)，以離體的生物軟組織為實驗材料，使用18G 活檢針探究了振動頻率對摩擦力的影響，得知穿刺過程中的總摩擦力隨著振動頻率的增大而減小。 Barnett 等[13]設(shè)計了一種可在一定振幅和頻率范圍內(nèi)減小摩擦力的實驗裝置，并通過實驗證明了該振動輔助裝置最多可減小35%的摩擦力。

綜上所述，振動輔助活檢穿刺可有效地減小穿刺過程中的摩擦力。 但目前大多數(shù)研究都集中于低頻振動領(lǐng)域， 對超聲振動的減摩特性的探究卻很少。 本文將以新鮮的離體豬肝和具有生物軟組織力學(xué)特性的明膠假體為實驗材料，使用超聲振動裝置輔助穿刺，探究振動頻率和穿刺速度對穿刺過程中摩擦力的影響。

1 實驗裝置、材料和流程

1.1 實驗裝置

1.1.1 超聲振動裝置

超聲振動裝置是由超聲振子和超聲電源組成的。 實驗采用的超聲振子由換能器、 變幅桿和18G活檢針組成；超聲電源為PDUS200 型產(chǎn)品。

1.1.2 振幅測量裝置

超聲振動的振幅大小由電壓決定，為得到不同頻率下振幅與電壓的對應(yīng)關(guān)系，搭建了如圖1 所示的超聲振幅測量實驗臺，通過高精度超聲振動振幅測量儀測出振幅。實驗參數(shù)及測量結(jié)果見表1。為使測量結(jié)果能更直觀地表達(dá)不同頻率下振幅與電壓的關(guān)系，將測量結(jié)果表達(dá)成如圖2 所示的曲線。

1.1.3 實驗平臺

為便于夾持與固定豬肝、 明膠以及測量摩擦力，實驗自行設(shè)計搭建了圖3 所示的實驗平臺。 超聲振子與旋轉(zhuǎn)盤連接， 高度由Z 方向的導(dǎo)軌調(diào)節(jié)；豬肝和明膠由組織夾持盤夾持，該夾持盤由兩個直徑150 mm、厚度3 mm 的鋁合金圓盤組成，為便于進(jìn)行多次實驗，在圓盤上制作了9 個直徑25 mm 的圓孔，通過轉(zhuǎn)動圓盤可調(diào)節(jié)圓孔位置；夾持盤通過中心孔固定在支架的螺栓上，其位置通過X、Y 方向的導(dǎo)軌調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是高精度的六分量力/力矩測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)摩擦力的動態(tài)測量；進(jìn)給系統(tǒng)是HS01-23×86 直線電機，其結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、運動部件摩擦小且速度偏差小，滿足本實驗要求。

1.2 實驗材料

臨床上，活檢穿刺通常應(yīng)用于人體的肝臟等組織。 豬肝與人體的肝臟組織的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)高度相似，因此采用豬肝作為活檢穿刺的實驗材料來進(jìn)行離體實驗。 實驗所用的豬肝組織是從屠宰場直接購買，以冷藏方式運輸，從離體到實驗結(jié)束不足4 小時， 從而盡可能地保證了豬肝的組織活性。為了便于夾持組織和測量摩擦力，將豬肝切成厚度為15 mm、直徑為140 mm 的薄片。

為了排除實驗結(jié)果僅適用于肝臟組織的情況，本文還采用明膠作為實驗材料， 再增做了一組實驗。 明膠是一種常見的仿生材料，與一般生物組織的力學(xué)特性相似，而且制備簡單、價格低廉，常作為生物組織的替代物進(jìn)行生物組織力學(xué)性能研究。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對不同配比明膠的力學(xué)性能所做研究的結(jié)果[14-16]，實驗采用的明膠配比為：明膠固體顆粒與水的質(zhì)量比為12∶88，并將配好的明膠冷卻12 小時后再使用。

1.3 實驗流程

實驗流程見圖4，具體步驟為：第一步，搭建實驗平臺（圖3），固定振子并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)盤使其水平；第二步，對實驗材料進(jìn)行預(yù)處理后，將其固定在夾持盤上；第三步，將直線電機的運動參數(shù)輸入PC 端控制軟件；第四步，設(shè)置超聲電源的實驗參數(shù)；第五步， 調(diào)節(jié)好各個導(dǎo)軌的方向使活檢針剛好穿透組織，然后調(diào)零傳感器，開始穿刺實驗；第六步，通過調(diào)節(jié)各個導(dǎo)軌，對圓盤的不同孔中的組織重復(fù)進(jìn)行4 次穿刺實驗；第七步，更換振子后，回到第三步做其他頻率下的實驗；最后，做一組無振動條件下的對比實驗。

2 超聲振動頻率對穿刺過程中摩擦力的影響實驗

2.1 實驗方法和實驗參數(shù)設(shè)置

為研究超聲振動頻率對組織穿刺過程中摩擦力的影響，設(shè)計以頻率為變量的單因素實驗進(jìn)行驗證分析。 以超聲振動頻率為變量，保持其他參數(shù)不變，設(shè)置穿刺速度為1 mm/s、振幅為8 μm，該振幅在不同頻率下對應(yīng)的電壓值由圖2 所示曲線得到。

實驗分為五組進(jìn)行：第一組至第四組是在振動頻率分別為 30、40、50、60 kHz 且振幅為 8 μm 條件下進(jìn)行的穿刺速度為1 mm/s 的實驗，每組實驗重復(fù)3 次； 第五組是在無振動條件下進(jìn)行的穿刺速度為1 mm/s 的實驗，該組實驗重復(fù)3 次。 實驗參數(shù)設(shè)置情況見表2。

表2 實驗參數(shù)設(shè)置

實驗中直線電機的運動曲線見圖5。 設(shè)穿刺速度為1 mm/s， 遠(yuǎn)端停留時間為10 s； 回針?biāo)俣葹? mm/s，近端停留時間為10 s。

2.2 實驗結(jié)果及分析（豬肝）

為減少隨機誤差，取四次重復(fù)實驗數(shù)據(jù)的平均值作為穿刺過程中的摩擦力，不同頻率下的穿刺過程中的摩擦力見圖6。可以明顯看到，附加超聲振動后的摩擦力明顯減小， 但當(dāng)頻率從30 kHz 增大到60 kHz 時，摩擦力減小的情況并不明顯；摩擦力在穿刺過程中波動嚴(yán)重，因為豬的肝臟組織不是均一性的，加上受超聲振動的影響活檢針與肝臟組織之間的摩擦系數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)圖6，將相對穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值作為該頻率下的摩擦力，得到的摩擦力隨著超聲振動頻率變化的曲線見圖7。可見，穿刺過程中摩擦力隨著超聲振動頻率的增大而減小，且大致呈指數(shù)為負(fù)的冪函數(shù)形式減小。

2.3 實驗結(jié)果及分析（明膠假體）

參照上一小節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法，得到不同頻率下明膠與活檢針之間的摩擦力情況見圖8。 總體上可見，摩擦力隨著超聲振動頻率變化的規(guī)律與豬肝材料的規(guī)律基本一致，不同點在于，以明膠為實驗材料時，摩擦力曲線無劇烈波動。 這是因為，豬肝組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不均勻，導(dǎo)致摩擦力曲線劇烈波動，而明膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單，其摩擦力曲線較平滑。隨著超聲振動頻率的增加，以明膠為實驗材料時的摩擦力會明顯減少，這同樣是因為明膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單，使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

選取圖8 所示范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，取其平均值作為該頻率下的摩擦力，得到的摩擦力隨著超聲振動頻率變化的曲線見圖9。比較圖8 和圖9 可知：以明膠為實驗材料得出的規(guī)律與以豬肝為實驗材料的規(guī)律基本一致，隨著超聲振動頻率的增大，摩擦力大致呈指數(shù)為負(fù)的冪函數(shù)的形式減小。 上述對比實驗說明：這種規(guī)律不僅適用于豬肝組織，而且具有更廣泛的適用性。

3 穿刺速度對穿刺過程中摩擦力影響實驗研究

3.1 實驗方法和實驗參數(shù)設(shè)置

為避免實驗規(guī)律的偶然性，本研究設(shè)置了不同超聲振動頻率及振幅條件下穿刺速度對摩擦力影響的多組實驗。

實驗分成三組進(jìn)行：第一組，在振動頻率為30 kHz，振幅分別為 5、18、38 μm 條件下進(jìn)行穿刺速度分別為 1、10、20 mm/s 的 9 小組實驗，每組實驗重復(fù)3 次；第二組，在振動頻率為40 kHz，振幅分別為5、18、38 μm 條件下分別進(jìn)行穿刺速度分別為 1、10、20 mm/s 的 9 小組實驗， 每組實驗重復(fù) 3 次； 第三組，在不加振動的條件下分別進(jìn)行穿刺速度分別為1、10、20 mm/s 的 3 小組實驗， 每組實驗重復(fù) 3 次。實驗參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 穿刺速度對超聲振動減摩影響實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)直線電機總行程為15 mm，穿刺速度分別為1、10、20 mm/s，遠(yuǎn)端停留時間 5 s，之后以 5 mm/s 的回轉(zhuǎn)速度返回原點，近端停留時間10 s。 采樣頻率設(shè)置見表4。

表4 采樣頻率設(shè)置

3.2 實驗結(jié)果及分析（豬肝）

以豬肝為實驗材料，在不同的超聲振動條件下得到的摩擦力隨著穿刺速度變化的曲線分別見圖10 和圖 11。 可知，附加 30 kHz 和 40 kHz 超聲振動后，摩擦力均明顯減??；隨著穿刺速度的增大，摩擦力基本呈線性增加， 且摩擦力-速度變化曲線的斜率隨著振幅的增大而減小。

3.3 實驗結(jié)果及分析（明膠假體）

為避免實驗結(jié)果僅適用于肝臟組織并擴大影響規(guī)律的使用范圍， 本文還以明膠為穿刺實驗材料，探究穿刺速度對摩擦力的影響規(guī)律，得到的不同超聲振動條件下摩擦力隨著速度變化的情況見圖12 和圖13。可見，此時不同振動條件下穿刺過程中的摩擦力均隨著穿刺速度的增大而呈現(xiàn)線性增大，且變化曲線的斜率隨著振幅的增大而減小。

綜上所述，當(dāng)穿刺速度增大時，摩擦力基本上呈現(xiàn)線性增加，這一趨勢對于豬肝和明膠材料都適用，且得出的規(guī)律具有一般適用性。

4 結(jié)束語

本文通過實驗得到了超聲振動頻率與穿刺速度對穿刺過程中摩擦力的影響規(guī)律。 為了證明這種規(guī)律具有一般適用性，采用豬肝和明膠假體兩種實驗材料，均得出了相同的結(jié)論：超聲振動使穿刺過程中的摩擦力減小， 且隨著超聲振動頻率的增大，摩擦力呈指數(shù)為負(fù)的冪函數(shù)形式減??；無論是否附加超聲振動或在不同振動條件下，摩擦力均隨著穿刺速度的增大而增大， 且摩擦力-速度變化曲線斜率隨著振幅的增大而減小。 本文也存在一定局限性：僅以豬肝和明膠假體為實驗材料，未對其他生物軟組織進(jìn)行研究；采取體外實驗，與體內(nèi)實驗相比，組織活性不夠，會對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。