超声振动辅助活检穿刺对取样性能影响的研究

蔡晨需 ，魏鹏鹏 ，谭 磊 ，张洪才 ，张勤河 ，Albert J.Shih

（1.山东大学机械工程学院，高效洁净机械制造教育部重点试验室，机械工程国家级实验教学示范中心，山东济南250061；2.Department of Mechanical Engineering，and Department of Biomedical Engineering，University of Michigan，Ann Arbor，MI 48109 ）

穿刺针广泛用于医疗手术，如活检、局部药物输送、放射性种子放置、注射、血液取样等[1]。一些手术需要高穿刺精度来达到干预效果，从而提高穿刺手术成功率。在穿刺过程中，针尖与组织间会产生作用力，作用力增大会增加患者痛苦并降低穿刺精度[2]。穿刺精度用穿刺针针尖到达位置的偏差大小来表示。针尖位置产生偏差的原因包括：器官的不均匀导致的力不对称[3]、针尖几何形状引起的力不对称[4]及穿刺过程中较大的穿刺力造成的针弯曲[5]。目前已有一些方法用于降低穿刺力，如：旋转刺入、振动针插入、微针和改善针头几何形状[6]。Meltsner采用立体新鲜鸡肉作为材料进行旋转针穿刺实验，结果表明，穿刺力降低10%，但会导致更多的组织损伤[7]。Moore研究了穿刺针几何形状与穿刺力之间的关系，结果表明，通过优化穿刺针几何形状，有助于减小穿刺力、提高穿刺精度[8]。

超声振动现已广泛应用于铣削、车削等传统加工中。这些应用表明在工具和工件之间产生振动，有助于减小切削力并改善表面光洁度[9]。振动切削也已应用于医学以改善组织的切削，如超声手术刀可缩短手术持续时间，明显减少失血量并减轻术后疼痛[10]。最近的超声针穿刺研究也表明，穿刺针增加振动可大幅降低穿刺力[11]，但目前该项研究缺乏对振动参数如何影响组织切割的确切理解。已有的研究通过有限元分析及实验数据分析，建立了振动条件下针穿刺力的模型[12]；同时，一些研究解释了针的振动是如何对针上的摩擦力造成影响的[13]。然而，目前还没有研究表明振动对组织取样性能的影响。

本文搭建了穿刺实验台，研究了超声振动的频率和振幅（即激励电压）对组织取样性能的影响，分别在不同的超声振动频率（20、30、50、60、70 kHz）、相同的电压 （80 V）和不同的激励电压（0、20、40、60、80 V）、相同的频率（50 kHz）条件下，使用 16G空心针穿刺新鲜猪肝，通过对包含针孔的组织样块进行处理，并制作HE染色切片，将其放在显微镜下观察，对比穿刺孔的面积、裂纹长度等特征，并计算区域圆度，比较取样性能。

1 实验设备与方法

1.1 实验设备

实验搭建的超声振动辅助取样装置见图1a。其中，丝杠滑动台有X、Y两个方向的自由度，通过旋动手轮可调整待切削组织位置。实验采用的取样针规格为常用型号16G、倾角20°的单面中空活检针，取样针在直线电机作用下可沿X方向进给，同时施加沿进给方向的振动，完成组织穿刺。振动激励脉冲由信号发生器产生，功率放大后通过压电陶瓷转化为机械振动。

实验采用显微演示装置观察穿刺孔的形貌，该显微演示装置主要包括：电子目镜、高清数字摄像机、XZJ-2030B型正置金相显微镜（图1b）。

1.2 实验方法

实验时，穿刺对象为新鲜猪肝组织，穿刺速度为1 mm/s，穿刺距离为30 mm。实验分二组进行：第一组的固定电压（即激励电压）保持为80 V，设振动频率分别为 20、30、50、60、70 kHz；第二组的固定频率为 50 kHz，设激励电压（即振幅）分别为 0、20、40、60、80 V。

图1 实验设备

在超声辅助取样装置上对猪肝组织进行穿刺后，用通用墨水EP-Dye做标记，并将猪肝组织从圆盘夹具上取下，切取各边尺寸在1～2 cm之间且包含针孔的立方体组织样块（图2），再经组织石蜡包埋切片后做HE染色封片。然后，将制作完成的组织切片放到显微演示装置下进行观察照相，并比较穿刺孔的形态和裂纹长度，计算区域圆度，从而得出不同实验条件下的取样性能。

图2 组织样块

2 实验结果及分析

由于空心针内取下的组织较小，后续处理及制作生物切片难度较大，故以研究空心针穿刺猪肝组织后留下的穿刺孔形貌特征替代直接研究针取下的软组织。本文主要研究超声振动的两个要素（振幅和频率）对组织取样性能的影响，因此设置了两组实验，分别通过改变频率和振幅来观察、对比取样孔的形貌和裂纹长度，从而得出两个实验因素对穿刺取样性能的影响规律。实验中，分别设置状态参数完成组织取样，经后续处理后观察记录组织形貌。图3、图4分别是不同频率、不同激励电压下的组织的穿刺孔形态。

图3 不同振动频率下组织的穿刺孔形态

图4 不同激励电压下组织的穿刺孔形态

图5是在相同电压、不同超声振动频率条件下穿刺猪肝组织后留下的穿刺孔参数。可见，穿刺孔的面积随着超声振动频率的增加呈现减小的趋势，表明取下组织的截面积随着振动频率的增加而减小；裂纹长度（即穿刺孔的周长）随着振动频率的增加也呈现减小的趋势，这是由于随着振动频率增加，超声振动系统功率降低，在以相同穿刺速度进给时，接触的时间相同，而超声振动系统通过活检针传递到组织的能量相差很大，根据断裂力学理论，裂纹处传递能量越多，产生的裂纹长度越长。

图5 不同振动频率下的裂纹长度与穿刺孔面积

图6是在相同频率、不同激励电压条件下穿刺猪肝组织后留下的穿刺孔参数。可见，随着激励电压（即振幅）的增加，穿刺孔的面积和裂纹长度均呈先减小、后增大的趋势，且在激励电压约为60 V时达到最小，这对今后的穿刺研究有一定借鉴意义。

图6 不同激励电压下的裂纹长度与穿刺孔面积

在临床医学中，取出的样本越饱满、越接近圆柱形，后续的病理切片越能提供更详细的细胞组织信息，比如能提供更多的从病变细胞到正常细胞变化过程的信息。区域圆度是一个物体接近最平滑的形状（圆）的定量描述。通过测得的穿刺孔裂纹长度和面积，根据式（1）可计算出各穿刺孔对应的区域圆度：

式中：C为区域圆度；P为裂纹长度，即穿刺孔周长；A为穿刺孔面积。

图7、图8分别是不同振动频率和不同激励电压下的穿刺孔区域圆度。可看出，区域圆度随着振动频率、激励电压的增加而变大，说明穿刺孔接近圆的程度在降低，即取样的组织与圆接近的程度在降低，取样性能在变差。

图7 不同振动频率下的区域圆度

图8 不同激励电压下的区域圆度

3 结束语

本文主要研究了超声辅助穿刺的振动频率、振动幅度对穿刺孔形貌的影响。设各组实验中其他无关参数相同，分别改变振动频率和激励电压，在显微镜下比较穿刺孔的形态和裂纹大小，计算穿刺孔区域圆度。实验结果表明，随着振动频率增加，穿刺孔面积减小、裂纹长度缩短；随着振动幅度（即激励电压）增加，穿刺孔面积和裂纹长度先减小、后增大；两个实验因素的增加都会使取样孔的区域圆度增大。