超声振动辅助活检穿刺过程的摩擦特性研究

孙春生，刘子豪，魏鹏鹏，张勤河，张洪才

（ 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 ）

活检穿刺是临床医学中的一个重要环节，广泛应用于前列腺癌和乳腺癌的诊断和治疗，和传统的手术取样相比，具有微创性、术后并发症少、恢复期短及费用较低等优点[1-3]，是临床上诊断一些肿瘤的首选方法，但也存在取样量较少、取样精度不足等问题。 造成上述问题的主要原因有两个[4-5]：一是组织内的纤维结缔组织及筋膜等对活检针的阻力过大和不均衡，造成活检针弯曲变形，偏离了预定的方向；二是在穿刺过程中，活检针对目标组织的作用力使组织发生形变，靶组织随之移动。 因此，力是导致取样路径偏移、 造成取样精度不足的根本原因，如果减小组织与活检针之间的摩擦力，就可有效地提高活检取样的准确度。

为了减小穿刺过程中的摩擦力、提高活检取样的精度，国内外学者进行了大量的研究，并建立了多个摩擦模型。 Haessig 等[6]将活检针与组织的接触表面看作是众多弹性鬃毛之间的接触，从微观层面上描述了接触面间接触点的接触状态，建立了鬃毛模型，该模型虽然体现了微观摩擦的随机性，但其计算复杂，耗时较长。 Goodwin 等[7]提出了 LuGre 模型，该模型借鉴了鬃毛模型的思想，是一种基于鬃毛平均变形来建模的模型， 可反映Stribeck 效应和描述摩擦滞后现象。 Kobayashi 等[8]提出了一种用于穿刺仿真的摩擦力模型，以此研究了低穿刺速度时的摩擦现象，并设计实验验证了该模型的正确性。

在超声振动的减摩特性方面，常颖等[9]从质点微观振动和声悬浮力学角度两方面对超声振动状态的物体表面的摩擦磨损特性进行了深入研究，并通过实验得到了超声振动参数与摩擦系数的关系。谭磊、郭妥当等[10-11]都以明胶为实验材料研究了振动频率对摩擦力的影响， 前者的实验数据显示：振动频率为500 Hz 时的摩擦力比50 Hz 时的摩擦力大17.9%，后者测量了不同振动频率下的摩擦力，得到低频振动频率对摩擦力的影响规律，即当振动频率小于50 Hz 时，摩擦力随着振动频率的增大而减小；当振动频率为50～500 Hz 时，摩擦力随着振动频率的增大而增大。

为了提高取样精度，国内外学者还提出采用多种辅助技术及设备减小穿刺过程中的摩擦力。Khalaji[12]等提出了一种振动辅助穿刺技术，以离体的生物软组织为实验材料，使用18G 活检针探究了振动频率对摩擦力的影响，得知穿刺过程中的总摩擦力随着振动频率的增大而减小。 Barnett 等[13]设计了一种可在一定振幅和频率范围内减小摩擦力的实验装置，并通过实验证明了该振动辅助装置最多可减小35%的摩擦力。

综上所述，振动辅助活检穿刺可有效地减小穿刺过程中的摩擦力。 但目前大多数研究都集中于低频振动领域， 对超声振动的减摩特性的探究却很少。 本文将以新鲜的离体猪肝和具有生物软组织力学特性的明胶假体为实验材料，使用超声振动装置辅助穿刺，探究振动频率和穿刺速度对穿刺过程中摩擦力的影响。

1 实验装置、材料和流程

1.1 实验装置

1.1.1 超声振动装置

超声振动装置是由超声振子和超声电源组成的。 实验采用的超声振子由换能器、 变幅杆和18G活检针组成；超声电源为PDUS200 型产品。

1.1.2 振幅测量装置

超声振动的振幅大小由电压决定，为得到不同频率下振幅与电压的对应关系，搭建了如图1 所示的超声振幅测量实验台，通过高精度超声振动振幅测量仪测出振幅。实验参数及测量结果见表1。为使测量结果能更直观地表达不同频率下振幅与电压的关系，将测量结果表达成如图2 所示的曲线。

1.1.3 实验平台

为便于夹持与固定猪肝、 明胶以及测量摩擦力，实验自行设计搭建了图3 所示的实验平台。 超声振子与旋转盘连接， 高度由Z 方向的导轨调节；猪肝和明胶由组织夹持盘夹持，该夹持盘由两个直径150 mm、厚度3 mm 的铝合金圆盘组成，为便于进行多次实验，在圆盘上制作了9 个直径25 mm 的圆孔，通过转动圆盘可调节圆孔位置；夹持盘通过中心孔固定在支架的螺栓上，其位置通过X、Y 方向的导轨调节；数据采集系统是高精度的六分量力/力矩测量系统，可实现摩擦力的动态测量；进给系统是HS01-23×86 直线电机，其结构简单、运动平稳、运动部件摩擦小且速度偏差小，满足本实验要求。

1.2 实验材料

临床上，活检穿刺通常应用于人体的肝脏等组织。 猪肝与人体的肝脏组织的力学性能和微观结构高度相似，因此采用猪肝作为活检穿刺的实验材料来进行离体实验。 实验所用的猪肝组织是从屠宰场直接购买，以冷藏方式运输，从离体到实验结束不足4 小时， 从而尽可能地保证了猪肝的组织活性。为了便于夹持组织和测量摩擦力，将猪肝切成厚度为15 mm、直径为140 mm 的薄片。

为了排除实验结果仅适用于肝脏组织的情况，本文还采用明胶作为实验材料， 再增做了一组实验。 明胶是一种常见的仿生材料，与一般生物组织的力学特性相似，而且制备简单、价格低廉，常作为生物组织的替代物进行生物组织力学性能研究。 根据相关文献对不同配比明胶的力学性能所做研究的结果[14-16]，实验采用的明胶配比为：明胶固体颗粒与水的质量比为12∶88，并将配好的明胶冷却12 小时后再使用。

1.3 实验流程

实验流程见图4，具体步骤为：第一步，搭建实验平台（图3），固定振子并调节旋转盘使其水平；第二步，对实验材料进行预处理后，将其固定在夹持盘上；第三步，将直线电机的运动参数输入PC 端控制软件；第四步，设置超声电源的实验参数；第五步， 调节好各个导轨的方向使活检针刚好穿透组织，然后调零传感器，开始穿刺实验；第六步，通过调节各个导轨，对圆盘的不同孔中的组织重复进行4 次穿刺实验；第七步，更换振子后，回到第三步做其他频率下的实验；最后，做一组无振动条件下的对比实验。

2 超声振动频率对穿刺过程中摩擦力的影响实验

2.1 实验方法和实验参数设置

为研究超声振动频率对组织穿刺过程中摩擦力的影响，设计以频率为变量的单因素实验进行验证分析。 以超声振动频率为变量，保持其他参数不变，设置穿刺速度为1 mm/s、振幅为8 μm，该振幅在不同频率下对应的电压值由图2 所示曲线得到。

实验分为五组进行：第一组至第四组是在振动频率分别为 30、40、50、60 kHz 且振幅为 8 μm 条件下进行的穿刺速度为1 mm/s 的实验，每组实验重复3 次； 第五组是在无振动条件下进行的穿刺速度为1 mm/s 的实验，该组实验重复3 次。 实验参数设置情况见表2。

表2 实验参数设置

实验中直线电机的运动曲线见图5。 设穿刺速度为1 mm/s， 远端停留时间为10 s； 回针速度为5 mm/s，近端停留时间为10 s。

2.2 实验结果及分析（猪肝）

为减少随机误差，取四次重复实验数据的平均值作为穿刺过程中的摩擦力，不同频率下的穿刺过程中的摩擦力见图6。可以明显看到，附加超声振动后的摩擦力明显减小， 但当频率从30 kHz 增大到60 kHz 时，摩擦力减小的情况并不明显；摩擦力在穿刺过程中波动严重，因为猪的肝脏组织不是均一性的，加上受超声振动的影响活检针与肝脏组织之间的摩擦系数发生变化。根据图6，将相对稳定区间内的数据取平均值作为该频率下的摩擦力，得到的摩擦力随着超声振动频率变化的曲线见图7。可见，穿刺过程中摩擦力随着超声振动频率的增大而减小，且大致呈指数为负的幂函数形式减小。

2.3 实验结果及分析（明胶假体）

参照上一小节的数据处理方法，得到不同频率下明胶与活检针之间的摩擦力情况见图8。 总体上可见，摩擦力随着超声振动频率变化的规律与猪肝材料的规律基本一致，不同点在于，以明胶为实验材料时，摩擦力曲线无剧烈波动。 这是因为，猪肝组织内部结构复杂且不均匀，导致摩擦力曲线剧烈波动，而明胶内部结构较简单，其摩擦力曲线较平滑。随着超声振动频率的增加，以明胶为实验材料时的摩擦力会明显减少，这同样是因为明胶内部结构较简单，使测量数据更加准确。

选取图8 所示范围内的数据，取其平均值作为该频率下的摩擦力，得到的摩擦力随着超声振动频率变化的曲线见图9。比较图8 和图9 可知：以明胶为实验材料得出的规律与以猪肝为实验材料的规律基本一致，随着超声振动频率的增大，摩擦力大致呈指数为负的幂函数的形式减小。 上述对比实验说明：这种规律不仅适用于猪肝组织，而且具有更广泛的适用性。

3 穿刺速度对穿刺过程中摩擦力影响实验研究

3.1 实验方法和实验参数设置

为避免实验规律的偶然性，本研究设置了不同超声振动频率及振幅条件下穿刺速度对摩擦力影响的多组实验。

实验分成三组进行：第一组，在振动频率为30 kHz，振幅分别为 5、18、38 μm 条件下进行穿刺速度分别为 1、10、20 mm/s 的 9 小组实验，每组实验重复3 次；第二组，在振动频率为40 kHz，振幅分别为5、18、38 μm 条件下分别进行穿刺速度分别为 1、10、20 mm/s 的 9 小组实验， 每组实验重复 3 次； 第三组，在不加振动的条件下分别进行穿刺速度分别为1、10、20 mm/s 的 3 小组实验， 每组实验重复 3 次。实验参数设置见表3。

表3 穿刺速度对超声振动减摩影响实验参数设置

设直线电机总行程为15 mm，穿刺速度分别为1、10、20 mm/s，远端停留时间 5 s，之后以 5 mm/s 的回转速度返回原点，近端停留时间10 s。 采样频率设置见表4。

表4 采样频率设置

3.2 实验结果及分析（猪肝）

以猪肝为实验材料，在不同的超声振动条件下得到的摩擦力随着穿刺速度变化的曲线分别见图10 和图 11。 可知，附加 30 kHz 和 40 kHz 超声振动后，摩擦力均明显减小；随着穿刺速度的增大，摩擦力基本呈线性增加， 且摩擦力-速度变化曲线的斜率随着振幅的增大而减小。

3.3 实验结果及分析（明胶假体）

为避免实验结果仅适用于肝脏组织并扩大影响规律的使用范围， 本文还以明胶为穿刺实验材料，探究穿刺速度对摩擦力的影响规律，得到的不同超声振动条件下摩擦力随着速度变化的情况见图12 和图13。可见，此时不同振动条件下穿刺过程中的摩擦力均随着穿刺速度的增大而呈现线性增大，且变化曲线的斜率随着振幅的增大而减小。

综上所述，当穿刺速度增大时，摩擦力基本上呈现线性增加，这一趋势对于猪肝和明胶材料都适用，且得出的规律具有一般适用性。

4 结束语

本文通过实验得到了超声振动频率与穿刺速度对穿刺过程中摩擦力的影响规律。 为了证明这种规律具有一般适用性，采用猪肝和明胶假体两种实验材料，均得出了相同的结论：超声振动使穿刺过程中的摩擦力减小， 且随着超声振动频率的增大，摩擦力呈指数为负的幂函数形式减小；无论是否附加超声振动或在不同振动条件下，摩擦力均随着穿刺速度的增大而增大， 且摩擦力-速度变化曲线斜率随着振幅的增大而减小。 本文也存在一定局限性：仅以猪肝和明胶假体为实验材料，未对其他生物软组织进行研究；采取体外实验，与体内实验相比，组织活性不够，会对实验数据产生一定的影响。