[发明专利]一种医用穿刺活检针界面交互力学性能一体化测试方法

说明书

本发明提供了一种医用穿刺活检针界面交互力学性能一体化测试方法，包括有若干个电阻应变片的贴片位置与布片方式，其针尖端部A点和斜面端部B点分别粘贴三枚应变片构成的45°直角应变花，轴向方向应变片旁侧粘贴相应周向温度补偿片，同一横向切面沿周向方向120°均布粘贴另两枚应变片构成等边三角形；穿刺活检针穿刺过程中界面交互力学性能测试及表征方法含主应力及主方向、弯矩、扭矩、偏移量；各表征方法对应电阻应变片的接桥方式。本发明将参数表征与信号控制电路进行一体化设计，具备易于实现、临床应用价值高等优点，可灵活方便集成于穿刺活检针，准确全面的获取穿刺过程界面交互动态力学性能，有利于穿刺机器人核心技术突破等研究。

技术领域

本发明属于医工交叉技术领域，涉及传感器设计及应用，具体地，涉及一种医用穿刺活检针界面交互力学性能一体化测试方法。

背景技术

甲状腺结节、肺结节等是近年来危害人体健康且病变发生率持续走高的疾病，其中恶性甲状腺结节，即甲状腺癌，已成为发病率第三的恶性肿瘤疾病，且在女性中已成为头号杀手；恶性肺结节，即肺癌，已成为世界上发病率和死亡率最高的癌症之一。随着体检知识的普及以及低剂量CT的广泛应用，使得人们对健康的要求与日俱增，甲状腺或肺结节的早期诊断、筛查和临床治疗具有重要意义。到目前为止，由于影像学、生物学标志物等检查很难确定甲状腺或肺结节性质，穿刺活检仍是临床应用上确诊结节良恶性或肿瘤病理组织的金标准。由于肺或甲状腺器官含有丰富的神经、血管，以及毗邻一些关键组织、其它器官等，人工穿刺不仅精度难以保证，对医生经验的依赖性也较强，而且并发症发生率、严重程度均较高，这使得机器人辅助穿刺技术成为国内外迫切需要解决的研究热点之一。

虽然机器人辅助穿刺技术在甲状腺、前列腺、肺、肝、肾和脊髓等病灶生物组织上进行取样活检、局部麻醉、药物放置、消融治疗等方面已取得了重大的进步，但并不成熟，高/超高穿刺精度与高效低成本仍是机器人辅助穿刺技术走向完全成熟所追求的目标。追本溯源，机器人辅助穿刺介入手术过程蕴含着复杂的生物力学规律，准确解释其界面交互力学机理是该技术成为一项完全成熟技术的关键与难点。与此同时，穿刺过程中的界面交互力学性能分析能够提供反馈信息，是实现穿刺路径精准闭环控制的基础。因此实时准确获取穿刺过程中生物组织与穿刺活检针的界面交互动态力学性能，对于提高穿刺精确度、增加手术安全性和可靠性、探索全自动控制等，具有重要的科学价值与实际意义。

通常配置夹具的穿刺活检针，安装在穿刺手术机器人的末端，中间连接有力传感器。经检索，目前对穿刺过程界面交互力学性能的测试，主要包括穿刺力和针尖偏移量2个参数。其中穿刺力测试可通过力传感器获得；而对针尖偏移量的测试，大多是特定对象、有条件、有限，如Y.Wang等在2020年《Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part H:Journal of Engineering in Medicine》期刊发表的题为《Experimental study of the optimum puncture pattern of robot-assisted needleinsertion into hyperelastic materials》论文中，涉及针尖偏移量的测试，通过制备临床整形手术用的高透明人造皮肤试样，基于数字图像处理方法开发了一个MATLAB程序来分析捕获视频图像，用于测试每个实验过程中的针尖偏移量；P.Li等在2015年《Journal ofthe Mechanical Behavior of Biomedical Materials》期刊发表的题为《Biomaterialcharacteristics and application of silicone rubber and PVA hydrogels mimickedin organ groups for prostate brachytherapy》论文中，涉及人造组织位移量的测试，通过制备透明PVA水凝胶和硅胶来分别代替人的前列腺组织和肌肉，采用CCD相机和标记参考点，对人造组织各参考点的位移量进行了分析，间接研究了针尖偏移量。