孫春生，劉子豪，魏鵬鵬，張勤河，張洪才

（ 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，機(jī)械工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東濟(jì)南250061 ）

活檢穿刺是臨床醫(yī)學(xué)中的一個(gè)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(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)[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(gè)[4-5]：一是組織內(nèi)的纖維結(jié)締組織及筋膜等對(duì)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(duì)目標(biāo)組織的作用力使組織發(fā)生形變，靶組織隨之移動(dòng)。 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(gè)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(diǎn)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(jī)性，但其計(jì)算復(fù)雜，耗時(shí)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(shí)的摩擦現(xiàn)象，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。

在超聲振動(dòng)的減摩特性方面，常穎等[9]從質(zhì)點(diǎn)微觀振動(dòng)和聲懸浮力學(xué)角度兩方面對(duì)超聲振動(dòng)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(shí)驗(yàn)得到了超聲振動(dòng)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(shí)驗(yàn)材料研究了振動(dòng)頻率對(duì)摩擦力的影響， 前者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：振動(dòng)頻率為500 Hz 時(shí)的摩擦力比50 Hz 時(shí)的摩擦力大17.9%，后者測(cè)量了不同振動(dòng)頻率下的摩擦力，得到低頻振動(dòng)頻率對(duì)摩擦力的影響規(guī)律，即當(dāng)振動(dòng)頻率小于50 Hz 時(shí)，摩擦力隨著振動(dòng)頻率的增大而減??；當(dāng)振動(dòng)頻率為50～500 Hz 時(shí)，摩擦力隨著振動(dòng)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(dòng)輔助穿刺技術(shù)，以離體的生物軟組織為實(shí)驗(yàn)材料，使用18G 活檢針探究了振動(dòng)頻率對(duì)摩擦力的影響，得知穿刺過程中的總摩擦力隨著振動(dòng)頻率的增大而減小。 Barnett 等[13]設(shè)計(jì)了一種可在一定振幅和頻率范圍內(nèi)減小摩擦力的實(shí)驗(yàn)裝置，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該振動(dòng)輔助裝置最多可減小35%的摩擦力。

綜上所述，振動(dòng)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(dòng)領(lǐng)域， 對(duì)超聲振動(dòng)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(shí)驗(yàn)材料，使用超聲振動(dòng)裝置輔助穿刺，探究振動(dòng)頻率和穿刺速度對(duì)穿刺過程中摩擦力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料和流程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 超聲振動(dòng)裝置

超聲振動(dòng)裝置是由超聲振子和超聲電源組成的。 實(shí)驗(yàn)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(cè)量裝置

超聲振動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，搭建了如圖1 所示的超聲振幅測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過高精度超聲振動(dòng)振幅測(cè)量儀測(cè)出振幅。實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測(cè)量結(jié)果見表1。為使測(cè)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(cè)量結(jié)果表達(dá)成如圖2 所示的曲線。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為便于夾持與固定豬肝、 明膠以及測(cè)量摩擦力，實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)搭建了圖3 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 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(gè)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(shí)驗(yàn)，在圓盤上制作了9 個(gè)直徑25 mm 的圓孔，通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)摩擦力的動(dòng)態(tài)測(cè)量；進(jìn)給系統(tǒng)是HS01-23×86 直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)部件摩擦小且速度偏差小，滿足本實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料來進(jìn)行離體實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)所用的豬肝組織是從屠宰場(chǎng)直接購買，以冷藏方式運(yùn)輸，從離體到實(shí)驗(yàn)結(jié)束不足4 小時(shí)， 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(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果僅適用于肝臟組織的情況，本文還采用明膠作為實(shí)驗(yàn)材料， 再增做了一組實(shí)驗(yàn)。 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(jiǎn)單、價(jià)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(duì)不同配比明膠的力學(xué)性能所做研究的結(jié)果[14-16]，實(shí)驗(yàn)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(shí)后再使用。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程見圖4，具體步驟為：第一步，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖3），固定振子并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)盤使其水平；第二步，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)輸入PC 端控制軟件；第四步，設(shè)置超聲電源的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；第五步， 調(diào)節(jié)好各個(gè)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(shí)驗(yàn)；第六步，通過調(diào)節(jié)各個(gè)導(dǎo)軌，對(duì)圓盤的不同孔中的組織重復(fù)進(jìn)行4 次穿刺實(shí)驗(yàn)；第七步，更換振子后，回到第三步做其他頻率下的實(shí)驗(yàn)；最后，做一組無振動(dòng)條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 超聲振動(dòng)頻率對(duì)穿刺過程中摩擦力的影響實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為研究超聲振動(dòng)頻率對(duì)組織穿刺過程中摩擦力的影響，設(shè)計(jì)以頻率為變量的單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。 以超聲振動(dòng)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(duì)應(yīng)的電壓值由圖2 所示曲線得到。

實(shí)驗(yàn)分為五組進(jìn)行：第一組至第四組是在振動(dòng)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(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次； 第五組是在無振動(dòng)條件下進(jìn)行的穿刺速度為1 mm/s 的實(shí)驗(yàn)，該組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線見圖5。 設(shè)穿刺速度為1 mm/s， 遠(yuǎn)端停留時(shí)間為10 s； 回針?biāo)俣葹? mm/s，近端停留時(shí)間為10 s。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（豬肝）

為減少隨機(jī)誤差，取四次重復(fù)實(shí)驗(yàn)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?？梢悦黠@看到，附加超聲振動(dòng)后的摩擦力明顯減小， 但當(dāng)頻率從30 kHz 增大到60 kHz 時(shí)，摩擦力減小的情況并不明顯；摩擦力在穿刺過程中波動(dòng)嚴(yán)重，因?yàn)樨i的肝臟組織不是均一性的，加上受超聲振動(dòng)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(duì)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(dòng)頻率變化的曲線見圖7?？梢姡┐踢^程中摩擦力隨著超聲振動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)頻率變化的規(guī)律與豬肝材料的規(guī)律基本一致，不同點(diǎn)在于，以明膠為實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，摩擦力曲線無劇烈波動(dòng)。 這是因?yàn)?，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(dòng)，而明膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其摩擦力曲線較平滑。隨著超聲振動(dòng)頻率的增加，以明膠為實(shí)驗(yàn)材料時(shí)的摩擦力會(huì)明顯減少，這同樣是因?yàn)槊髂z內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使測(cè)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(dòng)頻率變化的曲線見圖9。比較圖8 和圖9 可知：以明膠為實(shí)驗(yàn)材料得出的規(guī)律與以豬肝為實(shí)驗(yàn)材料的規(guī)律基本一致，隨著超聲振動(dòng)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)穿刺過程中摩擦力影響實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

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

實(shí)驗(yàn)分成三組進(jìn)行：第一組，在振動(dòng)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(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次；第二組，在振動(dòng)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(shí)驗(yàn)， 每組實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3 次； 第三組，在不加振動(dòng)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(shí)驗(yàn)， 每組實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3 次。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 穿刺速度對(duì)超聲振動(dòng)減摩影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)直線電機(jī)總行程為15 mm，穿刺速度分別為1、10、20 mm/s，遠(yuǎn)端停留時(shí)間 5 s，之后以 5 mm/s 的回轉(zhuǎn)速度返回原點(diǎn)，近端停留時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（豬肝）

以豬肝為實(shí)驗(yàn)材料，在不同的超聲振動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（明膠假體）

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅適用于肝臟組織并擴(kuò)大影響規(guī)律的使用范圍， 本文還以明膠為穿刺實(shí)驗(yàn)材料，探究穿刺速度對(duì)摩擦力的影響規(guī)律，得到的不同超聲振動(dòng)條件下摩擦力隨著速度變化的情況見圖12 和圖13?？梢?，此時(shí)不同振動(dòng)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(shí)，摩擦力基本上呈現(xiàn)線性增加，這一趨勢(shì)對(duì)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(shí)驗(yàn)得到了超聲振動(dòng)頻率與穿刺速度對(duì)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(shí)驗(yàn)材料，均得出了相同的結(jié)論：超聲振動(dòng)使穿刺過程中的摩擦力減小， 且隨著超聲振動(dòng)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(dòng)或在不同振動(dòng)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(shí)驗(yàn)材料，未對(duì)其他生物軟組織進(jìn)行研究；采取體外實(shí)驗(yàn)，與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比，組織活性不夠，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。