CN116625929A - 一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，通过基于挤压力均布假设将径向接触摩擦等效为平面摩擦的方法，将原本作用在活检针与生物软组织之间的径向接触力等效为样板与软组织之间的摩擦力，样板与生物软组织接触以后，通过给样板施加一定的压力和动力，来模拟活检针在软组织内部的运动，由此记录样板对生物软组织的挤压力和滑动摩擦力来求解二者之间的摩擦系数。本发明的有益效果：基于挤压力均布假设将径向接触摩擦等效为平面摩擦的思路，简化了测量方式，为改善针轴形貌降低摩擦力提供帮助，并降低微织构针的设计开发成本。
Description
技术领域
本发明属于摩擦系数测量技术领域，具体涉及一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法。
背景技术
目前，微创手术治疗是医疗救治方面中的一个重要环节，广泛应用于药物注射、活检穿刺、脑深部刺激术等医疗领域。病理组织学检查结果是癌症诊断的金标准，其中活检穿刺取样是病理组织学检查中的一个重要环节，主要应用于癌症的前期诊断和治疗，其与传统手术取样相比，具有微创性、术后并发症少，恢复期短等优点，但也存在取样精度不足等问题。造成上述问题的主要原因是穿刺过程中，活检针与软组织之间存在的作用力导致目标靶组织变形移位，导致穿刺精度降低。
活检针在穿刺软组织中产生的作用力由切削力和摩擦力组成，当穿刺针刺破表皮进入软组织后，针尖切割软组织产生切削力，随着穿刺针的深入，针轴表面与软组织之间会因相对运动产生摩擦力，且摩擦力会随着穿刺深度的增加而增大。由于穿刺过程发生在生物软组织内部，切割力和摩擦力耦合作用，难以通过正常方式去测量针轴表面与生物软组织之间的摩擦力，且穿刺过程中穿刺摩擦力占比大，而且摩擦系数影响摩擦力的大小。穿刺损伤由穿刺摩擦力造成，由于穿刺过程中的穿刺损伤发生在软组织内部，较难观测，但是可以通过摩擦系数大小来对评定穿刺损伤提供参考。所以通过准确测量软组织的摩擦系数，减小软组织与穿刺针之间的摩擦力，就能有效提高穿刺活检的精度，降低重复穿刺次数，降低患者的疼痛和心理压力。因此，寻找一种方式方法去测量穿刺针与软组织之间摩擦系数对改进穿刺针的形貌来降低针轴与软组织之间的摩擦力具有重要意义。
由于穿刺过程发生在软组织内部，针与组织之间的径向接触力难以预测和计算，目前没有研究径向力和穿刺力关系的方法，所以很难通过穿刺过程来测定软组织的摩擦系数。
发明内容
针对现有技术中针与组织之间的径向接触力难以预测和计算，目前没有研究径向力和穿刺力关系的方法和装置，所以很难通过穿刺过程来测定软组织的摩擦系数的问题，提供了一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法。
一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，通过基于挤压力均布假设将径向接触摩擦等效为平面摩擦的方法，将原本作用在活检针与生物软组织之间的径向接触力等效为样板与软组织之间的摩擦力，样板与生物软组织接触以后，通过给样板施加一定的压力和动力，来模拟活检针在软组织内部的运动，由此记录样板对生物软组织的挤压力和滑动摩擦力来求解二者之间的摩擦系数。
其中，所述测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，该方法使用测量装置进行测量，测量装置包括底板、安装架、样本夹具平台、水平底板、竖直底板、六轴微型压力传感器、样板夹具；
所述安装架设置在底板上；
所述水平底板安装在安装架上，水平滑块与水平底板滑动连接，并由水平电机和滚珠丝杠螺母运动机构驱动水平滑块在水平底板上左右滑动；
所述竖直底板安装在水平滑块上，竖直滑块与竖直底板滑动连接，并由竖直电机和滚珠丝杠螺母运动机构驱动竖直滑块在竖直底板上上下滑动；
六轴微型压力传感器安装在竖直滑块上，六轴微型压力传感器的连接端与螺杆的一端连接，螺杆的另一端与样板夹具螺纹连接；
样本夹具平台设置于底板上，样本夹具设置在样本夹具平台上。
其中，所述测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，所述样本夹具为矩形的盒子，上部开口。
其中，所述测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，所述样板夹具包括固定夹端和滑动夹端，滑动夹端的一端具有滑杆，滑杆插入固定夹端的孔中，弹簧一端与固定夹端连接，另一端与滑动夹端连接。
本发明的有益效果：
1、基于挤压力均布假设将径向接触摩擦等效为平面摩擦的思路，简化了测量方式，为改善针轴形貌降低摩擦力提供帮助，并降低微织构针的设计开发成本。
2、可变式实验样板夹具扩大了被测样板的类型，夹具两端的防滑设置和限位设计既保持了被测样板的水平性和稳定性，保证实验过程的稳定性和准确性。
3、测试样本夹具平台上软组织夹具的设计，可以使软组织稳定固定在平台上，该设计扩大了可测生物软组织的范围，并保证摩擦实验的准确性。
4、提出一种生物软组织摩擦系数计算方法，解决现有生物软组织摩擦系数难以测量的情况，为医学穿刺提供了一种行之有效的测量方式。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构原理图；
图2为本发明实施例样板夹具结构原理图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
由于穿刺过程发生在软组织内部，针与组织之间的径向接触力难以预测和计算，目前没有研究径向力和穿刺力关系的方法，所以很难通过穿刺过程来测定软组织的摩擦系数。经过研究，当穿刺针在退针过程中，软组织与针轴表面间仅有摩擦力，通过记录退针力，即可获得穿刺过程中软组织对针轴的摩擦力。基于整个针轴外表面法向力和摩擦力分布均匀的假设，将径向表面摩擦转换为等效平面摩擦，即将原本软组织作用在针轴表面的挤压力转化为样板与软组织之间的等效挤压力，然后通过给样板施加一定的压力和动力，进而将针轴径向压力转化为等效平面压力，来实现针在软组织内部的运动情况，由此记录挤压力和摩擦力来求解摩擦系数。
一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，通过基于挤压力均布假设将径向接触摩擦等效为平面摩擦的方法，将原本作用在活检针与生物软组织之间的径向接触力等效为样板与软组织之间的摩擦力，样板与生物软组织接触以后，通过给样板施加一定的压力和动力，来模拟活检针在软组织内部的运动，由此记录样板对生物软组织的挤压力和滑动摩擦力来求解二者之间的摩擦系数。
测量方法使用测量装置进行测量，参见图1-图2。
测量装置包括底板10、安装架11、样本夹具平台2、水平底板3、竖直底板4、六轴微型压力传感器5、样板夹具6。
所述安装架11设置在底板10上；
所述水平底板3安装在安装架11上，水平滑块31与水平底板3滑动连接，并由水平电机32和滚珠丝杠螺母运动机构驱动水平滑块31在水平底板3上左右滑动；
所述竖直底板4安装在水平滑块31上，竖直滑块41与竖直底板4滑动连接，并由竖直电机42和滚珠丝杠螺母运动机构驱动竖直滑块41在竖直底板4上上下滑动；
六轴微型压力传感器5安装在竖直滑块41上，六轴微型压力传感器5的连接端与螺杆51的一端连接，螺杆51的另一端与样板夹具6螺纹连接；
如图2所示，样板夹具6包括固定夹端61和滑动夹端62，滑动夹端62的一端具有滑杆，滑杆插入固定夹端61的孔中，弹簧一端与固定夹端61连接，另一端与滑动夹端62连接；
样本夹具平台2设置于底板10上，样本夹具21设置在样本夹具平台2上。
样本夹具21为矩形的盒子，上部开口。
具体测量步骤为：
S1、将运动单元回归零点，即水平运动单元移动到最左侧，竖直运动单元移动到最上方，此操作是增大样本组织放入软组织夹具的空间。此时通过手术刀将生物软组织切割成20mm×20mm×15mm的软组织块，随后放入软组织夹具中进行固定；
S2、将实验样板准备好，拉动样板夹具的移动端，然后将实验样板放7入夹持空间内，并保证实验样板的被测试表面朝下且保持为水平状态，松开夹具移动端，完成对实验样板7的夹持；
S3、操作运动单元，使水平运动单元往右移动，保证实验样板7的左侧与软组织夹具的左侧保持齐平；
S4、操作运动单元，使竖直移动单元往下移移动，使实验样板7的被测表面与软组织之间接触并根据实验要求产生一定的下压力；
S5、此时密切观察传感器的数据记录，在被测样板7下表面接触软组织之前进行归零操作，消除夹具和样板重量所产生的误差。当实验样板与软组织接触并产生一定下压力时，开始进行数据收集，等待实时反应的下压力达到设定数值；
S6、操作运动单元，使水平运动单元按照实验设定的速度以匀速运动向左移动，移动距离根据夹持实验样板的大小来设定；
S7、当到达实验设计的移动距离后，使竖直运动单元向上运动，分离测试样板7与软组织并及时停止六轴微型力传感器的数据收集；
S8、由于测试软组织被固定在夹具中保持静止不动，其受力平衡，由受力分析可知，当被测软组织受到被测样板的滑动摩擦力与六轴微型力传感器对被测软组织记录的拉力，二力平衡，大小相等，方向相反，即
Fx＝-Fy
所以摩擦系数
Fy＝μN
μ＝FyN
其中：
Fx：传感器记录的被测样板对软组织的拉力；
Fy：软组织对被测样板的滑动摩擦力；
N：传感器记录的被测样板对软组织的压力。
通过上述计算方式可得到被测软组织的摩擦系数。
本发明用测量生物软组织受到的压力，来取代现有测试仪测量试样受到的拉力，从而无需考虑试样滑块运动状态，其测量结果均等于两试样表面间摩擦力，进而避开滑块运动状态难以确定，导致测量拉力与滑动摩擦力不相等的问题，提高了摩擦系数的测量精度，并且该测试方法操作简单方便，降低测试机使用要求及使用成本。
此设备通过可变式夹具可更换其他尺寸和类型的被测样板，以此模拟不同针轴表面的形貌与生物软组织之间的摩擦力，这为针轴表面形貌的设计提供了帮助，有效降低了针轴表面开发成本。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顺时针”和“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，通过基于挤压力均布假设将径向接触摩擦等效为平面摩擦的方法，将原本作用在活检针与生物软组织之间的径向接触力等效为样板与软组织之间的摩擦力，样板与生物软组织接触以后，通过给样板施加一定的压力和动力，来模拟活检针在软组织内部的运动，由此记录样板对生物软组织的挤压力和滑动摩擦力来求解二者之间的摩擦系数。
2.如权利要求1所述的测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，其特征在于，该方法使用测量装置进行测量，测量装置包括底板(10)、安装架(11)、样本夹具平台(2)、水平底板(3)、竖直底板(4)、六轴微型压力传感器(5)、样板夹具(6)；
所述安装架(11)设置在底板(10)上；
所述水平底板(3)安装在安装架(11)上，水平滑块(31)与水平底板(3)滑动连接，并由水平电机(32)和滚珠丝杠螺母运动机构驱动水平滑块(31)在水平底板(3)上左右滑动；
所述竖直底板(4)安装在水平滑块(31)上，竖直滑块(41)与竖直底板(4)滑动连接，并由竖直电机(42)和滚珠丝杠螺母运动机构驱动竖直滑块(41)在竖直底板(4)上上下滑动；
六轴微型压力传感器(5)安装在竖直滑块(41)上，六轴微型压力传感器(5)的连接端与螺杆(51)的一端连接，螺杆(51)的另一端与样板夹具(6)螺纹连接；
样本夹具平台(2)设置于底板(10)上，样本夹具(21)设置在样本夹具平台(2)上。
3.如权利要求2所述的测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，其特征在于，所述样本夹具(21)为矩形的盒子，上部开口。
4.如权利要求2所述的测量活检针与生物软组织材料摩擦系数的方法，其特征在于，所述样板夹具(6)包括固定夹端(61)和滑动夹端(62)，滑动夹端(62)的一端具有滑杆，滑杆插入固定夹端(61)的孔中，弹簧一端与固定夹端(61)连接，另一端与滑动夹端(62)连接。
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