蔡晨需 ，魏鵬鵬 ，譚 磊 ，張洪才 ，張勤河 ，Albert J.Shih

（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點試驗室，機(jī)械工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東濟(jì)南250061；2.Department of Mechanical Engineering，and Department of Biomedical Engineering，University of Michigan，Ann Arbor，MI 48109 ）

穿刺針廣泛用于醫(yī)療手術(shù)，如活檢、局部藥物輸送、放射性種子放置、注射、血液取樣等[1]。一些手術(shù)需要高穿刺精度來達(dá)到干預(yù)效果，從而提高穿刺手術(shù)成功率。在穿刺過程中，針尖與組織間會產(chǎn)生作用力，作用力增大會增加患者痛苦并降低穿刺精度[2]。穿刺精度用穿刺針針尖到達(dá)位置的偏差大小來表示。針尖位置產(chǎn)生偏差的原因包括：器官的不均勻?qū)е碌牧Σ粚ΨQ[3]、針尖幾何形狀引起的力不對稱[4]及穿刺過程中較大的穿刺力造成的針彎曲[5]。目前已有一些方法用于降低穿刺力，如：旋轉(zhuǎn)刺入、振動針插入、微針和改善針頭幾何形狀[6]。Meltsner采用立體新鮮雞肉作為材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)針穿刺實驗，結(jié)果表明，穿刺力降低10%，但會導(dǎo)致更多的組織損傷[7]。Moore研究了穿刺針幾何形狀與穿刺力之間的關(guān)系，結(jié)果表明，通過優(yōu)化穿刺針幾何形狀，有助于減小穿刺力、提高穿刺精度[8]。

超聲振動現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于銑削、車削等傳統(tǒng)加工中。這些應(yīng)用表明在工具和工件之間產(chǎn)生振動，有助于減小切削力并改善表面光潔度[9]。振動切削也已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)以改善組織的切削，如超聲手術(shù)刀可縮短手術(shù)持續(xù)時間，明顯減少失血量并減輕術(shù)后疼痛[10]。最近的超聲針穿刺研究也表明，穿刺針增加振動可大幅降低穿刺力[11]，但目前該項研究缺乏對振動參數(shù)如何影響組織切割的確切理解。已有的研究通過有限元分析及實驗數(shù)據(jù)分析，建立了振動條件下針穿刺力的模型[12]；同時，一些研究解釋了針的振動是如何對針上的摩擦力造成影響的[13]。然而，目前還沒有研究表明振動對組織取樣性能的影響。

本文搭建了穿刺實驗臺，研究了超聲振動的頻率和振幅（即激勵電壓）對組織取樣性能的影響，分別在不同的超聲振動頻率（20、30、50、60、70 kHz）、相同的電壓 （80 V）和不同的激勵電壓（0、20、40、60、80 V）、相同的頻率（50 kHz）條件下，使用 16G空心針穿刺新鮮豬肝，通過對包含針孔的組織樣塊進(jìn)行處理，并制作HE染色切片，將其放在顯微鏡下觀察，對比穿刺孔的面積、裂紋長度等特征，并計算區(qū)域圓度，比較取樣性能。

1 實驗設(shè)備與方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗搭建的超聲振動輔助取樣裝置見圖1a。其中，絲杠滑動臺有X、Y兩個方向的自由度，通過旋動手輪可調(diào)整待切削組織位置。實驗采用的取樣針規(guī)格為常用型號16G、傾角20°的單面中空活檢針，取樣針在直線電機(jī)作用下可沿X方向進(jìn)給，同時施加沿進(jìn)給方向的振動，完成組織穿刺。振動激勵脈沖由信號發(fā)生器產(chǎn)生，功率放大后通過壓電陶瓷轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動。

實驗采用顯微演示裝置觀察穿刺孔的形貌，該顯微演示裝置主要包括：電子目鏡、高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、XZJ-2030B型正置金相顯微鏡（圖1b）。

1.2 實驗方法

實驗時，穿刺對象為新鮮豬肝組織，穿刺速度為1 mm/s，穿刺距離為30 mm。實驗分二組進(jìn)行：第一組的固定電壓（即激勵電壓）保持為80 V，設(shè)振動頻率分別為 20、30、50、60、70 kHz；第二組的固定頻率為 50 kHz，設(shè)激勵電壓（即振幅）分別為 0、20、40、60、80 V。

圖1 實驗設(shè)備

在超聲輔助取樣裝置上對豬肝組織進(jìn)行穿刺后，用通用墨水EP-Dye做標(biāo)記，并將豬肝組織從圓盤夾具上取下，切取各邊尺寸在1～2 cm之間且包含針孔的立方體組織樣塊（圖2），再經(jīng)組織石蠟包埋切片后做HE染色封片。然后，將制作完成的組織切片放到顯微演示裝置下進(jìn)行觀察照相，并比較穿刺孔的形態(tài)和裂紋長度，計算區(qū)域圓度，從而得出不同實驗條件下的取樣性能。

圖2 組織樣塊

2 實驗結(jié)果及分析

由于空心針內(nèi)取下的組織較小，后續(xù)處理及制作生物切片難度較大，故以研究空心針穿刺豬肝組織后留下的穿刺孔形貌特征替代直接研究針取下的軟組織。本文主要研究超聲振動的兩個要素（振幅和頻率）對組織取樣性能的影響，因此設(shè)置了兩組實驗，分別通過改變頻率和振幅來觀察、對比取樣孔的形貌和裂紋長度，從而得出兩個實驗因素對穿刺取樣性能的影響規(guī)律。實驗中，分別設(shè)置狀態(tài)參數(shù)完成組織取樣，經(jīng)后續(xù)處理后觀察記錄組織形貌。圖3、圖4分別是不同頻率、不同激勵電壓下的組織的穿刺孔形態(tài)。

圖3 不同振動頻率下組織的穿刺孔形態(tài)

圖4 不同激勵電壓下組織的穿刺孔形態(tài)

圖5是在相同電壓、不同超聲振動頻率條件下穿刺豬肝組織后留下的穿刺孔參數(shù)。可見，穿刺孔的面積隨著超聲振動頻率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，表明取下組織的截面積隨著振動頻率的增加而減小；裂紋長度（即穿刺孔的周長）隨著振動頻率的增加也呈現(xiàn)減小的趨勢，這是由于隨著振動頻率增加，超聲振動系統(tǒng)功率降低，在以相同穿刺速度進(jìn)給時，接觸的時間相同，而超聲振動系統(tǒng)通過活檢針傳遞到組織的能量相差很大，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，裂紋處傳遞能量越多，產(chǎn)生的裂紋長度越長。

圖5 不同振動頻率下的裂紋長度與穿刺孔面積

圖6是在相同頻率、不同激勵電壓條件下穿刺豬肝組織后留下的穿刺孔參數(shù)?？梢姡S著激勵電壓（即振幅）的增加，穿刺孔的面積和裂紋長度均呈先減小、后增大的趨勢，且在激勵電壓約為60 V時達(dá)到最小，這對今后的穿刺研究有一定借鑒意義。

圖6 不同激勵電壓下的裂紋長度與穿刺孔面積

在臨床醫(yī)學(xué)中，取出的樣本越飽滿、越接近圓柱形，后續(xù)的病理切片越能提供更詳細(xì)的細(xì)胞組織信息，比如能提供更多的從病變細(xì)胞到正常細(xì)胞變化過程的信息。區(qū)域圓度是一個物體接近最平滑的形狀（圓）的定量描述。通過測得的穿刺孔裂紋長度和面積，根據(jù)式（1）可計算出各穿刺孔對應(yīng)的區(qū)域圓度：

式中：C為區(qū)域圓度；P為裂紋長度，即穿刺孔周長；A為穿刺孔面積。

圖7、圖8分別是不同振動頻率和不同激勵電壓下的穿刺孔區(qū)域圓度?？煽闯觯瑓^(qū)域圓度隨著振動頻率、激勵電壓的增加而變大，說明穿刺孔接近圓的程度在降低，即取樣的組織與圓接近的程度在降低，取樣性能在變差。

圖7 不同振動頻率下的區(qū)域圓度

圖8 不同激勵電壓下的區(qū)域圓度

3 結(jié)束語

本文主要研究了超聲輔助穿刺的振動頻率、振動幅度對穿刺孔形貌的影響。設(shè)各組實驗中其他無關(guān)參數(shù)相同，分別改變振動頻率和激勵電壓，在顯微鏡下比較穿刺孔的形態(tài)和裂紋大小，計算穿刺孔區(qū)域圓度。實驗結(jié)果表明，隨著振動頻率增加，穿刺孔面積減小、裂紋長度縮短；隨著振動幅度（即激勵電壓）增加，穿刺孔面積和裂紋長度先減小、后增大；兩個實驗因素的增加都會使取樣孔的區(qū)域圓度增大。