基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法技术方案

基于矫正力微创介入治疗系统，包括导向限位机构、穿刺针、矫正力导针器和丝杠滑台，丝杠滑台的滑动部沿X轴方向运动，丝杠滑台的滑动部安装有力传感器，所述矫正力导针器设置在力传感器上；综上所述，本发明专利技术提出的基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法，解决了临床环境下术中将术中织杨氏模量获取困难的问题，将识别出的组织样式模量值带入建立的针尖挠曲形变预测模型中，获取针尖挠曲值，提高了模型的预测精度。提高了模型的预测精度。提高了模型的预测精度。

【技术实现步骤摘要】
基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法


[0001]本专利技术属于微创医疗器械
，具体涉及一种基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法。
[0002]
技术介绍

[0003]微创介入治疗技术是近年来迅速发展起来的一门崭新外科医疗技术，在医学影像设备的引导下，将特制的针、导管、导丝等精密器械引入人体，对体内病变进行诊断和局部治疗。它具有创伤小、安全易行、定位准确、疗效快、副作用少、费用低等明显优于传统手术疗法的优点，因此备受当代医疗界的青睐，被广泛应用于活体组织病理检查、局部组织和器官的药物定向投送和手术等。微创医疗将成为未来外科临床医学发展的必然趋势。在治疗过程中，穿刺针（属于半柔性针）的针尖和针体与穿刺的组织相互作用，针与组织的相互作用会导致在穿刺过程中针发生挠曲形变，导致针尖无法到达到规划的位置,穿刺精度低。医生需要拔出穿刺针重新进行穿刺，对患者造成二次伤害。
[0004]随着机器人技术的发展，机器人辅助医生穿刺技术已得到飞快发展，通过建立针与组织的相互作用模型，得到针挠曲形变预测模型，但当前针对穿刺针由于受到力发挥的主导效用而发生挠曲情况设立的预测模型，建模主要集中在基于力学模型的针挠曲形变预测模型，该方法需要将组织杨氏模量作为模型输入参数，由于穿刺过程受限或干扰每次手术的标准手术程序，在外科手术之前或期间、在临床环境中可能难以获得杨氏模量，严重影响预测精度。
[0005]
技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法，以解决现有临床环境中将术中组织杨氏模量难以获取、严重影响预测精度的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所提供的基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法的技术方案是：基于矫正力微创介入治疗系统，包括导向限位机构、穿刺针、矫正力导针器和丝杠滑台，丝杠滑台的滑动部沿X轴方向运动，丝杠滑台的滑动部安装有力传感器，所述矫正力导针器设置在力传感器上；所述的穿刺针依次穿过导向限位机构和矫正力导针器，导向限位机构用于限定穿刺针在Z轴方向运动，当丝杠滑台的滑动部带动矫正力导针器沿X轴方向运动时，所述的矫正力导针器施力于穿刺针，该施力为矫正力，且矫正力的方向沿X轴;上述的X轴和Z轴相互垂直。
[0008]进一步的，所述的矫正力导针器具有通过孔，该矫正力导针器的通过孔内壁设置有凸起环，所述的矫正力由凸起环施力于穿刺针。
[0009]采用基于矫正力微创介入治疗系统进行组织杨氏模量识别方法，包括以下步骤:S1、将穿刺针依次穿过导向限位机构和矫正力导针器，接着操作穿刺针超目标组织沿Z轴方向进针，当进针距离为d
s
时停止进针；S2、启动丝杠滑台，通过丝杠滑台带动矫正力导针器沿X轴方向移动，使得矫正力导针器对穿刺针针体施加矫正力F1，该矫正力F1由力传感器测得，并且记录丝杠滑台的滑动部沿X轴方向移动的距离u(c2)，即穿刺针在B点的偏移距离，穿刺针发生偏移，穿刺针针体对周围组织进行压缩；S3、计算穿刺针
‑
组织系统的总能量以及矫正力对穿刺针所做功。
[0010]进一步的，步骤S3中计算系统的总能量与矫正力对穿刺针针体所做功的步骤如下：穿刺针
‑
组织系统的总能量为，在穿刺针
‑
组织系统处于平衡状态下，可得：
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(1)式（1）中：是穿刺针弯曲产生的弹性势能，是穿刺针穿刺组织使得组织被压缩产生的压缩势能,是矫正力做功产生的能量；S31、计算穿刺针弹性势能；穿刺针在穿刺过程中由于针尖受力不均发生弯曲，而穿刺针的轴向弯曲可以忽略不计，只考虑穿刺针的径向弯曲，穿刺针弯曲所产生的弹性势能可以表示为：
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(2)式中（2）：为穿刺针杨氏模量；为转动惯量；为穿刺针长度；为拟合的针挠曲形变模型，其中的取值范围为0到；S32、计算组织压缩势能；当穿刺针刺入组织以后，穿刺针发生挠曲形变并占据原有组织的空间，穿刺针周围的组织会被穿刺针挤压，被压缩的组织中的能量表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中（3）: 为矫正力施加前针尖的挠曲值，由于矫正力的施加方向垂直于针尖挠曲平面，因此假设在组织杨氏模量的识别阶段的值为0，则有：
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(4)S33、计算矫正力对穿刺针所做功；矫正力导针器对针体施加矫正力F
l
时，在位置点B处(z=c2)针体的位移和所受矫正力F
l
为稳定状态（即为常数），因此矫正力所做的功可表示为：
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(5)式中: 表示穿刺针在B点的偏移距离，即矫正力导针器移动的距离；S34、把公式(2)、(4)、(5)带入公式(1)中可得：
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(6)对公式(6)进行简单的重新表述，杨氏模量K为：
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(7)式中：E为针的弹性模量；I为针的惯性矩；l为针长，三者为已知量，未知量为F
l
、u(c2)和u
k
(z)，计算组织的杨氏模量，需要获取F
l
、u(c2)的数值大小和u
k
(z)的函数表达式；
F
l
通过力传感器获取数值大小，u(c2)的大小为丝杠滑台的位移值，采用三阶多项式表达针挠曲模型，使用布拉格光栅传感器获取穿刺过程中针体的位置坐标，通过三阶拟合获取针挠曲模型u
k
(z)。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法，解决了临床环境下术中将术中织杨氏模量获取困难的问题，将识别出的组织样式模量值带入建立的针尖挠曲形变预测模型中，获取针尖挠曲值，提高了模型的预测精度。
[0012]附图说明
[0013]图1为本专利技术所提供的基于矫正力微创介入治疗系统及组织杨氏模量识别方法的示意图；附图标记说明：1、导向限位机构；2、力传感器；3、丝杠滑台；4、矫正力导针器；5、穿刺针；F
l
、矫正力；、穿刺针在B点的偏移距离；l、针长；d
s
、停止进针时的距离；u0(z)、施加矫正力前穿刺针的位置；u(z)、施加矫正力后穿刺针的位置。
[0014]具体实施方式
[0015]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术，即所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0016]因此，以下对在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于矫正力微创介入治疗系统，其特征在于，包括导向限位机构、穿刺针、矫正力导针器和丝杠滑台，丝杠滑台的滑动部沿X轴方向运动，丝杠滑台的滑动部安装有力传感器，所述矫正力导针器设置在力传感器上；所述的穿刺针依次穿过导向限位机构和矫正力导针器，导向限位机构用于限定穿刺针在Z轴方向运动，当丝杠滑台的滑动部带动矫正力导针器沿X轴方向运动时，所述的矫正力导针器施力于穿刺针，该施力为矫正力，且矫正力的方向沿X轴;上述的X轴和Z轴相互垂直。2.根据权利要求1所述的基于矫正力微创介入治疗系统，其特征在于，所述的矫正力导针器具有通过孔，该矫正力导针器的通过孔内壁设置有凸起环，所述的矫正力由凸起环施力于穿刺针。3.组织杨氏模量识别方法，其特征在于，该组织杨氏模量识别方法采用权利要求2所述的基于矫正力微创介入治疗系统进行，包括以下步骤:S1、将穿刺针依次穿过导向限位机构和矫正力导针器，接着操作穿刺针超目标组织沿Z轴方向进针，当进针距离为d
s
时停止进针；S2、启动丝杠滑台，通过丝杠滑台带动矫正力导针器沿X轴方向移动，使得矫正力导针器对穿刺针针体施加矫正力F1，该矫正力F1由力传感器测得，并且记录丝杠滑台的滑动部沿X轴方向移动的距离u(c2)，即穿刺针在B点的偏移距离，穿刺针发生偏移，穿刺针针体对周围组织进行压缩；S3、计算穿刺针
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组织系统的总能量以及矫正力对穿刺针所做功。4.根据权利要求3所述的组织杨氏模量识别方法，其特征在于，步骤S3中计算系统的总能量与矫正力对穿刺针针体所做功的步骤如下：穿刺针
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组织系统的总能量为，在穿刺针
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组织系统处于平衡状态下，可得：
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(1)式（1）中：是穿刺针弯曲产生的弹性势能，是穿刺针穿刺组织使得组织被压缩产生的压缩势能,是矫正力做功产生的能量；S31、计算穿刺针弹性势能；穿刺针在穿刺过程中由于针尖受力不均发生弯曲，而穿刺针的轴向弯曲可以忽略不计，只考虑穿刺针的径向弯曲，穿刺针弯曲所产生的弹性势能可以表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：代雪松，孙跃，张永德，蔡昕宇，王婧雯，
申请(专利权)人：无锡学院，
类型：发明
国别省市：