超声振动辅助活检穿刺对取样性能影响的实验研究
作者单位：山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点试验室 Department of Mechanical Engineering and Department of Biomedical Engineering University of Michigan
会议名称：《特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议》
会议日期：2017年
学科分类：07[理学] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 070206[理学-声学] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 0702[理学-物理学]
关 键 词：活检穿刺 超声振动 振动频率 振动幅度 取样性能
摘 要：在临床医学中,穿刺活检是实现微创介入检查的重要手段,具有创伤小、恢复快、费用低等优点,应用十分普遍。超声振动辅助活检穿刺是目前很重要的研究方向,在活检针上附加一定频率的超声振动可以减小穿刺力,进而增加穿刺精度,减小病人疼痛。本文通过比较不同振动频率下穿刺孔的形态和大小来探究超声振动对活检穿刺取样性能的影响,取样性能包括取样孔的面积、周长(裂纹长度)以及区域圆度。区域圆度是一个物体接近最平滑的形状(圆)的定量描述,区域圆度越小,物体形状接近圆的程度越高。在现代医学研究中,取出的样本越饱满越接近圆柱形,后续的病理切片越能提供更详细的细胞组织信息,可以提供更多的从病变细胞到正常细胞变化过程的信息。本实验中由于空心针内取下组织较小,后续处理及做成生物切片难度较大,因此用研究空心针穿刺猪肝组织后留下的穿刺孔的形貌特征替代直接研究针取下的软组织。在实验中将新鲜猪肝组织放在活检穿刺实验台上,分别在相同电压,改变振动频率为20、30、50、60、70kHz和相同频率,改变激励电压为0、20、40、60、80V的条件下进行活检穿刺,穿刺完成后将组织从工作台取下进行染色包埋切片,并在显微演示装置下观察照相。通过计算照片中像素点个数计算出穿刺孔面积,测量边线长度得到裂纹长度,再利用测得的穿刺孔裂纹长度和面积,根据公式计算得到各穿刺孔对应的区域圆度。实验结果表明,穿刺孔的面积随频率的增加有减小的趋势,表明取下组织的截面积随振动频率增加而降低。裂纹长度即穿刺孔的周长随频率的增加有减小的趋势,这是由于随着振动频率增加,超声振动系统功率降低,在以相同穿刺速度进给时,接触的时间相同,超声振动系统通过活检针传递到组织的能量相差很大,根据断裂力学理论,裂纹处传递能量越多,产生的裂纹长度越长。而随着激励电压即振动幅度的增加,穿刺孔面积和裂纹长度均呈现先下降后增加的趋势。随着振动频率和激励电压的增加区域圆度均变大,说明穿刺孔接近圆的程度随频率和激励电压增加而降低,即取样的组织与圆接近的程度随频率增加而降低。