仿真优化活检针设计参数

使用仿真技术帮助确定真空辅助穿刺活检系统的设计参数

1 引言

穿刺活检是一种常见的微创手术，用于提取组织样本以诊断癌症或其他疾病[1–3]。迄今为止，已有多种活检设备在临床应用中得到研究[4,5]。同轴针系统由外cannula和内芯针组成，如图1所示。外cannula是一个带有尖锐尖端和远端壁上开窗（孔径）的空心圆筒。内针尖端具有锋利的切削刃，可向前推进以切割组织样本。

典型的活检过程如下：首先，在手持超声影像引导下，将针系统插入目标病灶组织。接着，真空将组织吸入孔径内，并通过内针将组织样本从主要病灶组织中分离出来。最后，利用真空将组织样本输送至样本收集器。

为了做出正确的诊断，获取大块且连续的组织样本至关重要。穿刺活检所获取组织样本的质量在很大程度上取决于针头施加的切割力。较大的切割力会导致更严重的组织变形，并使组织样本难以保持连续。因此，研究影响切割力的因素非常重要。研究表明，针尖角度直接影响轴向力[5–7]。外cannula远端壁上的孔径大小也会对切割力产生重要影响，因为它决定了目标组织的大小。阿博哈桑尼等人[8]研究了在乳房活检设备的切割针进行线性推进过程中，针体旋转如何影响轴向力。由于沿针轴向的摩擦力减小，针体旋转可降低针的轴向力和组织变形。然而，目前尚未有关于旋转式活检针各种因素之间相互作用的研究，包括针尖角度、孔径大小、旋转‐推进比等。在缺乏对活检针各个设计参数进行全面而清晰研究的情况下，设计者很难确定最佳针形以及平移和旋转电机的选择。

本研究探讨了针尖角度、孔径尺寸和切推比对穿刺活检切割力的影响。目的是预测当活检针形状或速度改变时切割力的大小。本研究的结果将作为规划旋转针活检以及设计旋转针活检设备和针具的基础。

2 材料与方法

2.1 几何结构

同轴针系统的几何结构在SolidWorks 2013中创建，并作为两个独立部件导入 ABAQUS CAE：外cannula和内切割器。外cannula的外径为3.58 mm，内径为2.97 mm。内针是空心圆柱体，针的外径为2.77 mm，针的内径为2.16 mm（数据来自BARDVR MAGNUMVR INSTRUMENT NEEDLES）。

本研究包含三个模型。第一个是二维活检系统，由内切割器（针尖角度为15度、45度）和外cannula（针尖角度为15度、45度）组成，用于帮助理解针尖角度对组织切割过程的影响，并验证组织材料特性与损伤准则，如图2(a)所示。第二个有限元分析（FEA）模型包含空心针和目标组织，用于验证切推比对提取过程的影响，如图2(b)所示。在第三个模型中，构建了两个远端壁孔径长度L相同但宽度分别为W1和W2的cannula。该仿真的研究重点是孔径大小和切推比对切割过程的影响，如图2(c)所示。

2.2 网格

使用三维八节点六面体单元（C3D8R）[9,10]对整个模型进行网格划分。该连续单元适用于显式动力学模型，与四面体单元相比，可在保证等效精度的同时降低计算成本。当指定合适的单元尺寸时，六面体单元在处理大变形方面也更具优势。网格尺寸设置为不超过0.3毫米，并对接触区域进行了细化。

2.3 材料属性

针被定义为各向同性的刚体。软组织被指定为新胡克超弹性材料[11,12]。本构模型的参数如表1所示。结果包括组织提取过程中的应力应变分布和轴向力变化。

参数	数值
弹性模量（kPa）	26.472
C10(kPa)	4.415
D1(kPa)	0.5192
损伤准则	0.8

注 ：C10,材料因子；D1,与压缩性能相关的参数。

2.4 边界条件

2.4.1 针角度对组织提取过程的影响

该分析重点在于模拟组织沿其切割表面进行提取的过程。为了保持目标组织固定，将组织底部边缘处X轴和Y轴的自由度（DOFs）固定。同时固定针顶部的X轴方向，以保持针体笔直。提取速率为5mm/s [13–15]。

2.4.2 切推比k对提取过程的影响

空心针被定义为刚体，其运动被限制在针远端中心的一个参考点上。组织的X轴和Y轴自由度以及针顶部的X轴自由度被固定。给针施加2 mm/s的平移速度[15]。分别在参考点上施加0、2和4 mm/s的切削速度，使得切推比k分别为0、1和2。在仿真过程中，目标组织背面被固定。

2.4.3 组织宽度和切推比k对切割过程的影响

本分析中的活检系统包括组织、外cannula和内切割器。通过对外cannula和切割器施加刚性约束来设定条件，限制它们的运动仅限于其参考点的运动。参考点分别位于外cannula和切割器圆柱体的远端环形表面中心。

仿真过程中，外cannula保持固定。内针参考点的X轴和Y轴自由度被固定。进给速度为10mm/s。针的切割速度设置为0、5和10mm/s，以控制切推比k在0到2范围内变化。

3 结果

3.1 针尖角度对提取过程的影响

变形软组织的等效应力云图如图3所示。变形软组织的最大主应变云图如图4所示。由于15度针尖角度和45度针尖角度的最大应力均超过了组织屈服应力的范围，因此组织可被切割。最大应力和应变在切削刃处按预期分布。45deg的针尖角度比15deg的针尖角度更有利于切割组织，因为最大应力和应变在针尖处更加集中。

轴向力会在软组织被切割时出现斜率的突变（如图5所示），之后逐渐增加。15deg针尖角度的最大轴向切割力为0.431 N。45deg针尖角度的最大轴向切割力为0.323 N。增大针头尖端角度更容易切割组织。

针尖角度15度 和 (b) 针尖角度45度)

针尖角度15度 和 (b) 针尖角度45度)

3.2 切推比k对提取过程的影响

图6显示了针插入时在k = 0、1和2情况下的力‐位移曲线。无旋转针的轴向阻力大于平移和旋转两者。这与参考文献[13]中的结果相似，因此该模型是正确的。

图7显示了变形软组织在k = 0、1和2时的冯·米塞斯应力等值线。应力和变形随k的变化而不同。峰值应力在k = 2，且最大应力集中在切削刃处。随着切推速率的增加，软组织的变形增大。因此，必须优化k值以实现有效组织切除。切割效率与组织参数以及长度、厚度和材料属性等物理值相关。

3.3 组织宽度和切推比k对切割过程的影响

图8显示了不同组织宽度下切割过程的力‐位移曲线。我们发现，两种矩形组织开口之间存在显著差异。增加组织口宽度会增大组织反作用力，符合预期。

由图9可知，增大切推比可降低组织轴向力，且当切推比k在0到1之间时，降低效果更为显著。当k小于1时，组织轴向反作用力变化较快；当k达到1.5时，组织轴向反作用力则缓慢下降甚至略有增加。因此，k值的选择是有效组织切除的重要影响因素。

4 讨论与结论

本研究探讨了针尖角度、孔径大小和切推比对穿刺活检针切割力的影响。开发了一种用于计算组织反作用力趋势的活检组织切割器有限元分析模型。首次活检模拟结果表明，在提取过程中，针尖角度是影响组织反作用力的最重要因素之一。随着针尖角度的增大，针轴向的组织反作用力逐渐减小，且应力和应变更集中于针尖处。

通过比较组织反作用力和扭矩的趋势线，研究了切推比对提取过程的影响。结果表明，增大切推比可以降低组织反作用力，但会增加所需的扭矩。较高的切推比可能导致切削刃处更高的峰值应力集中以及更大的组织变形，这对有效组织切除具有重要意义。

在核心针切割过程中，随着切推比的增加，组织反作用力显著降低，这与提取过程的结果[15]相似。但研究发现，当k小于1时，组织轴向反作用力变化较快，而当k达到1.5时，开始缓慢减小甚至略有上升。该结果总体上与韩和艾曼[15]此前的研究一致，其实验结果显示，当切推比在0到1之间时，组织反作用力的减小显著，但当切推比大于2时，这种减小变得微不足道。然而，两项研究之间仍存在一些差异，可能由以下因素导致：（1）组织材料属性和本构模型的定义存在一定差异；（2）先前的研究中，组织仅由一个空心圆柱体进行简单切割，而我们使用的是外cannula，其远端壁上设有用于捕获组织并限制其移动的开口；并且由于孔径大小的影响，所捕获的目标组织可能并未完全充满空心圆柱体的内腔；（3）仿真的平移速度高于韩和艾曼实验[15]中所采用的速度。

孔径大小的变化也会由于核心样本的尺寸而影响切割过程。当外cannula远端壁上的孔径变宽时，组织反作用力显著增加，且切割过程变得更加不稳定。

当然，选择不同的组织类型可能会改变所产生的轴向力预测。例如，在乳房中，软组织和较硬组织的比例可能更高或更低，具体取决于脂肪组织、纤维化组织和钙化组织所占的百分比。

本工作的局限性在于：（1）本文主要基于有限元分析关注切割力的影响因素。这些分析结果缺乏实验验证。由于某些仪器限制，未进行实验；（2）较大的应力可能会损坏针尖，但在分析中将针设置为刚体，因此无法获得针上的应力；（3）本研究中的所有分析仅针对一类产品，缺乏与其他产品的比较。未来需要建立更多模型进行分析。

本研究的结果将作为规划旋转针活检以及设计旋转针活检设备和针具的基础。改进的活检设备将提高组织样本的质量，并提升诊断的准确性。