基于仿真的活检工具优化

利用大量仿真数据进行设计优化：真空辅助活检工具设计案例研究

林志伦
国立成功大学机械工程系，台湾台南市大学路一号，邮编 701，电子邮件：linc@mail.ncku.edu.tw
戴恩·科菲
华特迪士尼幻想工程，加利福尼亚州格伦代尔花街 1401号，CA91201，电子邮件：dcoffey86@gmail.com
丹尼尔·基菲
计算机科学与工程系，明尼苏达大学，明尼阿波利斯东南联合街200号，MN 55455，电子邮件：keefe@cs.umn.edu
亚瑟·厄德曼
美国机械工程师学会会员，明尼苏达大学机械工程系，明尼阿波利斯东南教堂街111号，MN 55455，电子邮件：agerdman@umn.edu

引言

计算仿真越来越多地被用于辅助工程设计过程。然而，目前提供的用于仿真的软件工具并未很好地配合人类的创造性设计过程。当前仿真工具中存在的两个缺陷是：（1）设计师难以理解、比较并基于大量相关仿真结果中的各种方案做出决策；（2）需要关注诸如边界条件等底层细节，这会分散设计师对其目标的注意力。这些细节往往只有精通计算方法的专家才能理解和指导。

拖拽设计（DBD）是一种交互式软件工具，旨在解决上述主要障碍[1]。在之前研究的基础上，本文展示了一个具有更高仿真复杂度和更大设计空间的高级案例研究，以探索最优设计。所评估的空间是真空辅助活检（VAB）工具的虚拟设计。本节提供了系统性综述，以帮助理解当前VAB的临床问题以及可用于开发仿真模型的科学数据。

真空辅助活检技术旨在为乳腺癌诊断提供比其他现有穿刺活检技术更大的核心组织样本。通过使用旋转切割方法[2]，该技术可以切除钙化组织等坚韧组织。然而，该技术存在不足之处和局限性。医疗机构进行的回顾性研究[3–6]报告了真空辅助活检样本在乳腺癌诊断中的低估率。这些研究结果表明，使用8号针和11号针的低估率分别为8.1%和13.0%。此外，一些研究报道了样本量不足和空白样本采集[7,8]。在这些研究中，部分真空辅助活检（VAB）的切割机制强度不足以穿透致密组织。在其他研究中，当取样软组织（如脂肪组织）时仅获得微小的组织样本。偶尔会发生“干攻丝”，表明组织样本未完全与主组织分离。在这种情况下，取样序列中获取的组织体积为零，患者必须接受再次活检。

模拟真空辅助活检组织取样过程的能力对于评估真空辅助活检工具的设计至关重要。特别是，在取样过程中组织的切割力是衡量工具切割能力的关键指标。基于这些信息，设计人员可以选择最佳的切割速度配置和合适的输入动力源，同时保持良好的工具人机工程学性能和合理的部件成本。

真空辅助活检（VAB）的旋转切割方法涉及一个空心圆柱形内切割刀，在驱动下同时旋转和平移以切割组织。该方法在组织表面施加法向和切向方向的力。其切割行为类似于使用刀具或线切器进行切片[9–11]。引入切向力是提高组织切割性能的关键。切割速度的切向分量与切割速度的法向分量之比，称为“切推比”，是影响切割力的主要因素[12]。在平移切割速度固定的情况下，增加切推比可显著降低切割力。

为了开发针头切割软组织的计算模型，文献中提供了描述三种主要乳腺组织（脂肪、纤维腺体和肿瘤）机械变形的材料模型[13–17]。脂肪和纤维腺体组织的超弹性模型有新胡克形式和多项式形式，而肿瘤组织的杨氏模量则被近似处理。

稿件于2018年1月14日收到；最终稿件于2018年3月26日收到；2018年5月4日在线发布。副编辑：丽塔·M·帕特森。

方法

拖拽设计中的设计方法论

本节总结了我们之前的研究，以提供背景信息，帮助读者理解本文所述的设计研究。有关DBD算法和实现的全面描述，请参阅参考文献[1]。

拖拽设计用户界面。拖拽设计是一种用于探索具有多个输入参数的大型设计空间的软件工具。通过采样复杂有限元分析（FEA）模型的解，建立一个连续的设计空间。该DBD界面的内部算法在用户与设计空间进行交互时，在这些解之间进行插值。DBD具备直观的用户交互和数据可视化功能，使用户能够在正向（确定输入参数选择对应的設計结果）和逆向（确定最接近期望设计结果的潜在设计参数集）两个方向上寻找设计方案。拖拽是探索设计空间和调整设计参数所需的主要用户操作。内部算法根据用户的拖拽操作来解读其意图。这种解读可在可视化中引发多种响应，例如修改设计的几何形状或调整输出场。每次拖拽操作都会返回关于设计空间的新信息，用户可通过逐步导航被引导至最优解。此类设计探索涉及用户与数据之间的大量交互，但这些交互通过最少的常规任务完成。人类设计师在每个探索阶段的决策均得以体现，从而使其专业知识能够指导每一阶段的搜索过程。因此，人类设计师始终对最优搜索过程保持充分了解并掌握控制权。

通过可视化进行直接操作。在DBD环境中，用户可以直接在数据可视化上执行拖拽操作。这种交互方式被称为直接操作，它支持正向设计和逆向设计方法。正向设计允许用户拖动几何特征以进行设计更改。用户可以根据所拖动的几何特征及其希望探索其他解决方案的方向，来修改几何参数。内部算法会解释用户的意图，以确定应增加或减少哪个参数。

本研究的重点是展示DBD逆向设计的强大功能，该功能允许用户直接操控空间分布的输出场（例如应力场）。通过内部算法在预计算仿真结果之间连续重塑输出场，从而实现逆向设计。

图1展示了遍历乳腺活检针系统的设计空间的一个示例，其中应力场被修改为输入参数的函数。在正向设计中，用户拖动套管上开口窗的一条边，将其移向对边以缩短窗口长度。在逆向设计中，用户操控由于垂直载荷施加于针尖所产生的应力场。目标是确定当前设计方案中应力最高的区域已从开口窗的角落移开的设计方案，以降低潜在的应力集中失效的影响。

组织切割过程仿真

本研究以真空辅助活检工具的设计问题为例。设计任务是找到工具在切割性能、人机工程学和部件成本之间的平衡。为了便于理解其中涉及的权衡，对真空辅助活检的组织切割机制（图2）进行了研究。该虚拟原型设计的目标是确定电机、切割速度和孔径大小的最优解，以确保在最短时间内实现适当的组织切割，同时保持手柄重量和平衡的人机工程学特性。

为了启动切割过程，内切割刀在接触组织前会加速至所需的旋转和平移速度。接触后，内切割刀以恒定速度切割组织。在成功的情况下，组织将被持续切割，直到组织样本完全与其他乳腺组织分离。

在本研究中，开发了一种两步仿真流程，用于评估真空辅助活检工具在不同切割条件下的性能。第一步通过建模组织切割来预测组织反作用力和扭矩、组织变形以及组织断裂；第二步则利用第一步的结果计算工具在完整操作周期内的性能属性。

针对这两个步骤，均构建了仿真模块以计算所需数值。其中，第一步采用了有限元分析模块，第二步建立了MATLAB程序。

考虑了以下四个设计变量作为仿真的输入参数：平移切割速度(v)、切推比(r)、乳腺组织类型(b)和旋转电机选择(m)。值得注意的是，通过控制前两个变量，可以生成多种旋转和平移的切割速度组合。定义了以下五个性能属性作为仿真的输出参数：总手术时间(tp)、组织采样率(s)、电机最大过载因子(Kmax)、机械系统重量(w)和组件成本(c)。tp与患者在手术过程中经历的焦虑程度相关。s是切割性能和提取组织总体积的指标。Kmax决定了所选电机为防止过热而在两次采样序列之间所需的休息时间。w是手柄中所有设计部件的总重量，必须尽量减轻以实现单手操作。

组织切割的有限元建模

建立了一个显式动态有限元模型，用于仿真真空辅助活检术(VAB)中提取乳腺组织样本的过程。在仿真的初始时间步，针孔内已被真空吸入适量的乳腺组织。建立了局部乳腺区域的有限元模型，而非整个乳房。

图4显示了装置和组织组件的初始装配位置，包括外护套、内切割刀以及局部乳腺组织部分。

在仿真中，内切割刀以预设的旋转和平移速度接近组织。接触后，组织逐渐发生变形并断裂。仿真的输入参数为v、r和b。在每个时间增量中，计算了组织变形、组织应力分布以及组织反作用扭矩T(t)。在这些输出变量中，T(t)成为电机仿真模块的输入变量，而组织变形和组织应力分布则是用于构建三维（3D）数据可视化的空间分布场，以实现直接操作。

工具操作仿真

该仿真通过分析完整的操作循环以获取五个组织样本，来计算真空辅助活检工具的性能属性。在每个采样序列中，内切割刀承受由T(t)引起的变化负载，所选的旋转电机作为内切割刀的驱动装置必须克服该负载。

首先，我们将每个采样序列视为一次短期电机操作。通过计算采样序列中电机的Kmax，以确定两个采样序列之间的最小休息时间，防止所选电机过热。随后，计算了整体工具的性能属性tp、s、w和c。仿真模块中实现了基于马科森电机选择指南的一系列电机方程。仿真的输入参数为电机特性m和T(t)。

填充设计空间

指定了设计变量的水平以生成900个设计点（表1）。选择了三种平移切削速度，其中最低速度接近临床针插入速率，最高速度比最低速度快十倍。指定r的范围以覆盖最大约3000转/分钟的旋转切削速度。此外，r的水平分布是非均匀的。当r < 2时，设定较小的增量0.1，因为此前已确定该范围是组织反作用扭矩的快速变化区[12]。当2 < r < 10时，增量增加至1。上述三种乳腺组织类型均被包含。从Maxon直流电机产品中选出了五种电机型号，零件编号分别为：118,536、315,174、352,932,226,748和110,066。

设计变量	水平	层数
v	10, 50, 100 mm/s	n = 3
r	0, 0.1, …, 1, 2, …, 10	n = 20
b	脂肪、纤维腺体、肿瘤	n = 3
m	1, 2, …, 5	n = 5

使用900个设计点稀疏填充一个四维设计空间，该空间包含超过10⁶种可能的解（当v和r的增量为0.1时）。这些设计点在明尼苏达超级计算研究所提供的高性能计算集群上进行仿真。每个仿真任务均在一个8核Sandy Bridge E5-2670 2.6GHz处理器上运行。将900个仿真输出数据集转换为NetCDF数据格式[19]，以支持DBD高效地计算设计空间采样。计算了所有设计点对之间的相对距离和平滑过渡（即图像变形），以实现构型间的插值，并支持正向和逆向设计。

利用大量仿真数据进行设计优化：真空辅助活检工具设计案例研究

结果

已将900个设计点加载到DBD中，以创建一个空间填充的设计空间。在每对设计点之间计算了变形，以描绘冯·米塞斯应力场从一个点到另一个点的平滑过渡。 展示了DBD的图形用户界面。右侧的雷达图控件显示了输入和输出设计配置。上方图表中的辐条代表输入参数选择，下方图表中的辐条代表输出性能属性。每个参数的最小值位于图表中心，而最大值位于图表边缘。当前每个设计点及其对应的设计结果集由红色多边形表示。为了探索设计空间，用户可以拖动输入雷达图（上方）的辐条以快速切换设计点，或拖动输出雷达图（下方）的辐条以指定设计结果并搜索匹配的设计点。左侧较大的矩形区域是可视化面板，它以常规视图（底部）和放大截面视图（顶部）显示空间分布的输出场。在该面板中，组织区域上的冯·米塞斯应力在常规视图和放大截面视图中均有显示（显示在切割平面上，该平面将外部套管和组织均分为两个对称部分）。

搜索条件

在执行逆向设计任务之前，使用雷达图控件设置搜索条件。雷达图中的所有参数根据其对总体设计目标的相对重要性分配权重，从而指示DBD系统实时计算填充设计空间的设计点之间的相对距离。因此，具有较高权重的参数在响应用户交互时更不容易发生变化。 展示了后续三个研究案例所使用的加权条件。在输入雷达图中，组织类型和时间步长被赋予无限权重，以将其固定在选定值（即脂肪组织和最终时间步长），从而在切割脂肪组织并在切割过程后评估所产生的应力数据时，实现可行方案的探索。在搜索过程中，其余三个权重为零的设计变量可自由变化。在输出雷达图中，三个权重为1的性能属性只允许发生轻微变化，而另外两个具有零权重标签的参数则可能发生显著变化。因此，在输出雷达图控件上的设置确保了返回的设计点符合用户在应力可视化上的拖动操作，且c、w和s值与其当前设定值相近。这展示了一种强大的决策策略，而这种策略在传统最优设计搜索过程中是不可用的，因为在那些过程中用户未参与循环。

案例1

研究表明，与单纯按压相比，按压式切片（线性位移）是切割软材料更高效的方法[9,12]。在按压式切片过程中，垂直于切割表面方向的切割力显著降低，材料断裂更可能由剪切力引起。这一结果有利于提高真空辅助活检的效率。轴向切割力的降低使得组织轴向位移减小，从而可以获得更大的组织样本（如图7所示的有限元分析仿真结果）。这对真空辅助活检工具的设计是有利的。选择合适的平移速度和旋转切割速度组合，对于产生足够的剪切力和合理较低的轴向力至关重要。

此外，切割速度的选择还会影响电机、手柄的重量和成本要求。

采用逆向设计以减少图8(a)所示设计中组织的轴向位移，因为在切割过程完成时组织被推压过强，导致其前缘与针尖底部接触（外层套管和内切割刀已被隐藏）。根据图6设定的权重，我们开始进行调控变形的组织形状的应力可视化。我们在前缘的某个位置右键点击，显示了三个预览气泡（此功能的说明见图1）。值得注意的是，每个预览气泡都是基于预定义权重所查找的设计点的局部放大区域。中间的预览气泡显示了一个设计点，其前缘明显向后移动。随后，我们通过拖动以命中气泡中心来查看该设计点（图8(b)）。最终到达新的设计点，且组织的轴向位移显著减小（图8(c)）。重新检查输入雷达图表明，r应从0.7增加到4.0，而v应保持不变。

案例2

“干攻丝”是指由于组织样本未完全从其他乳腺组织中分离而导致的组织取样失败。该问题在我们与介入放射科医生的访谈中被提及。为了使乳腺组织被切割刀切断，必须满足最大剪切或最大拉伸损伤准则。我们在组织切割仿真中观察到了一种“虚拟干抽”现象。在虚拟干抽的情况下，直到切割仿真完成时仍未满足任何材料损伤准则。最终组织变形过大，导致数值求解器无法处理，并发生了网格穿透（即切割刀穿透了组织而非将其切断）。尽管网格穿透是一种数值误差，但它也是干攻丝的一个指示标志，因为它表明所选设计方案无法提供足够的力以达到破坏组织所需的损伤准则。

在图9(a)所示的设计点中检测到了干攻丝。通过逆向设计解决此问题的策略是将连接组织（红色）替换为空区域（蓝色）。我们在红色区域中的某个位置右键单击，五个预览气泡随即显示在点击点附近（图9(b)）。如前所述，这些预览气泡是由DBD算法根据预定义权重寻找的设计方案。其中一个预览气泡（用红色圈出）显示了消除组织连接的可能设计点。我们切换到相关的设计点进行进一步检查，结果显示干攻丝问题已得到解决（图9(c)）。值得注意的是，这并非唯一解。通过从其他右键点击位置请求更多预览气泡，可以找到更多的设计方案。此案例说明了该仿真工具的强大功能，可避免选择可能导致乳腺活检工具在使用过程中失效的设计参数（本例中为电机选择）。

案例3

在评估有限元分析仿真结果时，应力集中区域的位置通常是关注的重点。例如，在设计带孔板时，高应力区域会根据加载条件围绕孔移动。对于此类评估，工程师不仅需要检查应力值，还必须查看应力可视化结果，以确认应力集中的位置和大小。逆向设计是此类设计活动中有用的工具。在此案例中，我们演示了如何通过可视化直接操作来缩小高应力区，从而找到最优设计方案。我们假设，在切割器‐组织界面周围具有更集中高应力区的情况下切割组织，能够实现更干净的切割，从而有助于制备高质量的组织样本。因此，本案例中以切割尖端周围的高应力区大小作为性能指标。图10(a)显示了一个起始设计点，其中r = 0.4且v = 50 mm/s。本案例中，我们在切割早期阶段（切割刀已完成总行程距离的三分之一）评估仿真结果。目标是使高应力区域（红色区域）缩小并集中。首先，我们在下方红色区域的某位置单击右键，请求生成预览气泡以获取设计建议。两个预览气泡出现在点击位置附近（图10(b)）。左侧气泡表明红色区域的前缘向左下方移动，可能导致更窄的高应力区。因此，我们切换到该设计点，并获得一个设计方案：r = 0.6且v = 10 mm/s（图10(c)）。

结果表明，通过略微增加r，采用降低的平移和旋转切割速度的更低成本设计可能获得更好的切割性能。这种见解无法通过使用当前可用搜索方法的设计优化工具获得，因为所需的性能指标是可视化应力轮廓，无法以显式或隐式函数形式表示。然而，通过在DBD中使用逆向设计，我们可以直接操控等值线并快速达到理想解。

讨论与结论

继此前报道的DBD软件开发之后，本研究将DBD的设计方法应用于涉及复杂工具–组织相互作用的真空辅助活检工具的实际优化设计问题。共对900个设计点（包含不同的切割条件和电机选择）进行了仿真。仿真结果用于稀疏填充一个大规模的四维设计空间，且DBD软件能够在该设计空间中实时插值这些解，引导用户遍历大型设计空间。

我们专注于逆向设计，其中包括两个关键工具：雷达图控件和可视化直接操作。雷达图控件用于为输入和输出参数分配权重，并指示DBD系统计算每对设计点之间的关系。通过使用可视化直接操作，我们与应力等值线进行交互，利用拖动功能移动组织的高应力区域和前缘，从而确定理想的设计方案。

在第一个案例中，我们通过将组织样本的前缘向后拖动，改善了切割性能，从而减少了组织在轴向上的总位移量，并获得了一个更倾向于由剪切力主导组织断裂的优选方案。在第二个案例中，通过拖动连接组织的区域至一个设计方案，解决了干攻丝问题。此次实时操作提出的设计建议是提高切推比，同时保持平移切割速度不变。在第三个案例中，我们通过将该区域的前缘向内移动，确定了一个具有更集中高应力区域的更有效设计方案，并建议采用成本更低的电机以提升手柄的切割性能。

这三个案例均展示了在可视化辅助下，人类参与设计回路并与大型设计空间进行直接交互的过程。在每一次交互步骤中，用户的知识都被融入到设计过程中。在某些情况下，设计过程采取主动模式，推动设计远离某种性能并趋向期望性能；在其他情况下，用户根据可视化结果观察到意外现象，并利用预览气泡在设计空间中移动到新的位置。通过这些交互所获得的洞察使用户能够借助强大的DBD软件逼近最优且符合需求的设计方案。