CN104783841A - 一种仿生振动活检取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学工程领域，是一种仿生振动活检取样装置。它包括进给装置、活检针夹具、活检针；进给装置包括手持把手、压电陶瓷致动器，压电陶瓷致动器固定在手持把手内部，并通过活检针夹具与活检针连接，使活检针取样过程伴随着特定频率和振幅的振动，压电陶瓷致动器控制端口与外接控制器相连。活检针外侧表面设置有轴向通槽及横向限位槽，与针芯固连的滑动扳手可以在轴向通槽内滑动并可以拨至横向限位槽，针芯尾部与一个弹簧相连；针头内表面设置有切断刃、倒刺、轴向沟槽及横向沟槽，这些结构的设计有利于组织切断取出。本发明能够有效降低刺入过程的摩擦力，减小人体组织变形及活检针刺入弯曲程度，从而提高活检精度。

Description

一种仿生振动活检取样装置

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种仿生振动活检取样装置，是应用于临床活检取样、经皮穿刺等医疗项目的医疗器具。

背景技术

近年来，恶性肿瘤的发病率逐年攀升。恶性肿瘤的最终诊断是病理细胞学诊断，病理细胞学检查是目前能够发现恶性肿瘤细胞并能对此进行分型的唯一方法。要做病理细胞学检查必须取得相应部位的组织标本，目前临床上提取组织标本有两种方法。一是穿刺活检，二是外科手术法。外科手术法创伤大，病人花费高，有时受到经济条件及身体条件的限制难以实施，因此，穿刺活检是临床上首选方法。然而，受限于目前的活检取样设备，在实际操作中，穿刺活检的取样效率和取样精度都不尽如人意。目前国内外正在研究的提高取样精度的方法主要有：(1)英国西安大略大学Abolhassani发明的机器人辅助穿刺活检法(Experimental studyof robotic needle insertion in soft tissue)，通过设计开发的机器人辅助穿刺系统，结合CT、MRI、超声导引技术，实现对穿刺针的位置和姿态控制，从而提高穿刺精度，减小穿刺误差。但是，该方法需要专门的机器人辅助穿刺系统，成本昂贵，难以普及。(2)台湾国立成功大学蔡明祺发明的活检针超声刺入法(A piezoelectric vibration-based syringe for reducing insertionforce)，用机械设备使活检针刺入过程伴随特定频率、振幅的超声振动，可以减小活检针刺入过程所受的阻力，提高取样精度。但是该方法同样需要专门的超声发生设备，设备占用空间大，成本较高，普及困难。

随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。自然界中存在许多类似于活检穿刺的现象，最典型的例子就是蚊子口器刺入人体皮肤。蚊子口器在刺入人体表皮的时候，伴随有频率2～16Hz、振幅30～90μm的振动，研究表明，该特定频率、振幅的振动有助于蚊子口器快速准确的刺入人体表皮。蚊子口器刺破皮肤及组织的穿刺力比人造微针的穿刺力小很多，平均只有18μN。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，结合仿生学知识，提供一种通过仿生振动、仿生结构减小活检时刺入力以及活检针取出时样本自切断的仿生振动活检取样装置。

本发明是通过以下方式实现的：

一种仿生振动活检取样装置，包括进给装置、活检针夹具、活检针，活检针包含针芯和针管两部分；其特征是进给装置包括手持把手、压电陶瓷致动器，手持把手采用人体工程学设计方法，设计出的手持把手既能使人感到舒适，又能产生足够大的握力，为仿生振动活检取样装置提供既合理又实用的外部支撑，调节振动频率和振幅的压电陶瓷致动器安装在手持把手内部，压电陶瓷致动器通过活检针夹具与活检针相连，压电陶瓷致动器端口与外接控制器相连。

活检针表面有轴向通槽及横向限位槽，与针芯连接的滑动扳手可以在轴向通槽内滑动并可以拨至限位槽；针芯尾部与弹簧相连，弹簧初始时即为压缩状态，弹簧尾部与针管固定连接；取样时，滑动扳手带动针芯滑动至限位槽，弹簧进一步压缩，同时在针头处为组织取样腾出空间并形成局部负压真空，辅助组织切断取出；活检针内表面有轴向沟槽、切断刃、倒刺及横向沟槽，活检针尖部到切断刃部分有一个坡度。坡度α变化范围为60～80°。这个坡度既可以使针尖更加锋利，也可使由活检针针尖进入的人体组织比活检针中部内壁直径大，有利于人体组织与倒刺结构的贴合以及切断刃的切断。当进给运动停止时，活检针的振动运动使切断刃在活检组织横截面上产生裂缝。在组织样本被拉出时，这个裂缝周围会产生应力集中，从而人体组织样本在此处非常容易断裂。活检针内壁设置有倒刺结构，由于生物组织具有一定的弹性，进入到活检针内的组织样本会膨胀并贴合到倒刺结构上。在活检针退出时，这些倒刺结构会钩住活检组织，活检组织会产生向体外的轴向力，这个轴向力使人体组织样本在裂纹处断裂，并将组织样本拉出。最后将活检针内的人体组织样本取出即可。

上述仿生活检取样装置的特征是活检针取样过程伴随有频率为2～16Hz、振幅为45～90μm的振动，振动伴随整个取样过程，包括针头的进给和退出直至取样结束。这个振动是类似蚊子口器刺入人体皮肤的振动。这种振动能够减小活检针刺入时的阻力，减小刺入时活检针与人体组织的变形，提高活检精度。

与传统活检装置相比，采用本发明具有以下明显效果：

采用仿生振动活检取样装置使活检针刺入人体组织，能够有效降低刺入过程的摩擦力，减小人体组织变形及活检针刺入弯曲程度，从而提高活检精度。取样长度比传统槽式取样针取样长，有利于后期病理检测。操作步骤少，取样方便。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的手持部分剖面图。

图3是本发明的活检针夹具结构图。

图4是本发明的活检针尾部结构图。

图5是本发明的活检针剖面结构图。

图6是本发明的活检针剖面简化图。

图7是本发明的活检针横截面图。

图中，1.手持把手，2.活检针夹具，3.活检针，4.压电陶瓷致动器，5.压电陶瓷致动器控制端口，6.夹具螺帽，7.夹头，8.螺旋丝，9.轴向通槽，10.横向限位槽，11.滑动扳手，12针芯，13.弹簧，14.轴向沟槽，15.切断刃，16.倒刺，17横向沟槽。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的五个最佳实施例：

实施例一：

参阅图1：仿生振动活检取样装置重要组成部分之一是进给装置。由外部手持把手(1)、仿生振动装置压电陶瓷致动器(4)和活检针夹具(2)组成。手持把手结合人体工程学设计方法，其结构能够保证人取样时手部舒适并能产生足够大的握力，同时为内部的仿生振动装置及端部的活检针夹具(2)提供结构支撑。仿生振动装置为压电陶瓷致动器，压电陶瓷致动器(4)与活检针夹具(2)采用螺栓链接，其可以使活检针产生一个频率为2～16Hz，振幅为30～90μm的振动，这个振动与蚊子口器刺入人体皮肤的振动类似。压电陶瓷致动器控制端口(5)与控制器相连，可以调节振动的频率和振幅。活检针夹具(2)为专用夹具，拧动夹具螺帽(6)即可调节夹持松紧，其结构如图3所示。

参阅图4，活检针的外表面有一轴向通槽(9)以及一个横向限位槽(10)，针芯(12)上设置一个滑动扳手(11)，其可以在纵向沟槽内滑动，从而带动针芯在针管内部滑动。针芯尾部设置一个弹簧(13)，弹簧(13)的端部与活检针尾部固定连接。初始时弹簧(13)处于压缩状态，当活检针插入组织后，沿着通槽(9)滑动扳手(11)至纵向沟槽尾部并将其拨至横向限位槽(10)，此时弹簧(13)进一步压缩，针芯往针管尾部滑动并在活检针尖部处为取样腾出空间同时形成局部负压真空，有利于组织切断取出。

参阅图5、6、7，活检针内部结构由轴向沟槽(14)、切断刃(15)、倒刺(16)、横向沟槽(17)共三部分构成。活检针尖部到切断刃(15)部分有一个坡度，这个斜面既可以使针尖更加锋利，也可使进入活检针的人体组织直径比活检针内壁直径略大，有利于人体组织与倒刺结构的贴合以及切断刃的切断。图中切断刃(15)的截面形状是矩形，切断刃(15)的坡度、宽度及两端的凹槽的长度是可以变化的。切断刃(15)的坡度α变化范围是60～80°深度h1变化范围是0.05～0.1mm，凹槽的长度a变化范围是1～2mm。横向沟槽(17)的宽度b与深度h2和倒刺之间的间隔距离c是可以变化的。以A位置为例，深度h2变化范围是0.08～0.1mm，宽度b变化范围是1～2mm，倒刺之间的距离c变化范围是2～3mm。图中轴向沟槽(14)的截面形状是矩形，同时沟槽的截面形状也可以是矩形、V形、抛物线形。截面形状宽度d的变化范围是0.1～0.3mm。沟槽深度h3的变化范围是0.05～0.1mm。沟槽的长度是可以变化的，长度通透到活检针尖部斜面，变化范围是10～50mm。具体参数可取：

切断刃的截面形状是矩形，切断刃(15)的坡度α＝60°，宽度h1＝0.5mm，凹槽的长度a＝1mm。倒刺(16)前面的槽型结构A的宽度b与深度h2和倒刺之间的间隔距离c是可以变化的。倒刺前面的沟槽A深度h2＝0.08mm，宽度b＝1mm，倒刺之间的距离c＝2mm。轴向沟槽的截面形状是矩形。截面形状宽度d＝0.1mm。沟槽深度h3＝0.05mm。沟槽的长度10mm。

实施例二：

切断刃的截面形状是矩形，切断刃(15)的坡度α＝70°，宽度h1＝0.6mm，凹槽的长度a＝1.5mm。倒刺(16)前面的槽型结构A的宽度b与深度h2和倒刺之间的间隔距离c是可以变化的。倒刺前面的沟槽A深度h2＝0.08mm，宽度b＝1.5mm，倒刺之间的距离c＝2.5mm。轴向沟槽的截面形状是矩形。截面形状宽度d＝0.2mm。沟槽深度h3＝0.08mm。沟槽的长度30mm。其余同实施例一。

实施例三：

切断刃的截面形状是矩形，切断刃(15)的坡度α＝80°，宽度h1＝0.8mm，凹槽的长度a＝2mm。倒刺(16)前面的槽型结构A的宽度b与深度h2和倒刺之间的间隔距离c是可以变化的。倒刺前面的沟槽A深度h2＝0.1mm，宽度b＝2mm，倒刺之间的距离c＝3mm。轴向沟槽的截面形状是矩形。截面形状宽度d＝0.3mm。沟槽深度h3＝0.1mm。沟槽的长度50mm。其余同实施例一。

实施例四：

参阅图1，更换活检针(3)为针灸针，活检针夹具(2)依然可以用作针灸针的夹具。针灸是在中医理论的指导下把针具(通常指毫针)按照一定的角度刺入患者体内，运用捻转与提插等针刺手法来对刺激人体特定部位从而达到治疗疾病的目的。本发明的装置可以为针灸针提供可靠规律的提插运动，减轻针灸医师的工作强度。可以使针灸针在捻转的过程中提插，提高针灸效率。其余同实施例一。

实施例五：

参阅图1，更换活检针夹具(2)和活检针(3)为手术刀夹持器和手术刀，可以开发出针对外科手术的手术刀手持装置，用于外科手术以及研究振动辅助手术刀对生物组织切削效果。其余同实施例一。

Claims (3)

1.一种仿生振动活检取样装置，包括进给装置、活检针夹具(2)、活检针(3)，活检针(3)包含针芯和针管两部分；其特征是进给装置包括手持把手(1)、压电陶瓷致动器(4)，调节振动频率和振幅的压电陶瓷致动器(4)安装在手持把手(1)内部，压电陶瓷致动器(4)通过活检针夹具(2)与活检针(3)相连，压电陶瓷致动器控制端口(5)与外接控制器相连；活检针(3)表面有轴向通槽(9)及横向限位槽(10)，与针芯(12)连接的滑动扳手(11)可以在轴向通槽(9)内滑动并可以拨至横向限位槽(10)；针芯尾部与弹簧(13)相连，弹簧(13)初始时即为压缩状态，弹簧(13)尾部与针管固定连接；取样时，滑动扳手(11)带动针芯(12)滑动至横向限位槽(10)，弹簧(13)进一步压缩，同时在针头处为组织取样腾出空间并形成局部负压真空，辅助组织切断取出；活检针(3)内表面有轴向沟槽(14)、切断刃(15)、倒刺(16)及横向沟槽(17)，针头尖部到切断刃部分有一个坡度。

2.根据权利要求1所述的一种仿生活检取样装置，其特征是活检针取样过程伴随有频率为2～16Hz、振幅为45～90μm的振动。

3.根据权利要求1所述的一种仿生活检取样装置，其特征是针头尖部到切断刃部分的坡度为60～80°。