(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.華中科技大學(xué) 同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院,湖北 武漢 430022)

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對于癌癥有了更為清晰和充分的認(rèn)識,而作為男性健康“殺手”之一的前列腺癌,更是引起了男性同胞們的關(guān)注。前列腺穿刺活檢手術(shù)主要是利用穿刺針在人體盆腔會陰區(qū)域進(jìn)行活檢取樣用作病理分析進(jìn)而判斷患者是否患病,該方法具有操作方便和診斷效率高等優(yōu)點,目前在臨床中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。由于在穿刺過程中針與軟組織存在相互耦合接觸,因此針對穿刺過程中穿刺針與軟組織的作用力關(guān)系和穿刺針的路徑規(guī)劃等實際問題的研究迫在眉睫。Okamura等[1]首次提出穿刺力主要是由切割力、剛度力以及摩擦力組成,并將穿刺的整個過程分成預(yù)穿刺、穿刺和穿刺后3個階段。Jiang等[2]研究發(fā)現(xiàn)穿刺過程中進(jìn)針?biāo)俣仍黾訒菇M織能量釋放率得到提高,在此基礎(chǔ)上驗證了針頭與軟組織之間的軸向力始終保持在相對均勻狀態(tài)。Fallahi等[3]提出隨著穿刺針刺入軟組織會導(dǎo)致組織變形使得針桿產(chǎn)生非恒定曲率,并且可以通過使用在兩個正交方向上獨立移動的全向車輪代替自行車模型。Konh等[4]通過對PVC材料進(jìn)行穿刺,研究軟體材料與穿刺針受力之間的關(guān)系,得出穿刺針的軸向力隨著穿刺速度的增加而上升的結(jié)論。趙燕江等[5]嘗試采用歐拉-拉格朗日公式生成了固體與液體相互作用模型去類比穿刺時模型整體狀態(tài),并對軟組織的斜角穿刺針進(jìn)行建模與穿刺仿真。Xu等[6]對套管柔性針的穿刺機理進(jìn)行了研究,建立基于有限元的穿刺彎曲模型。付佳杰等[7]研究穿刺針的單平面參數(shù)對于活檢針穿刺切割過程的影響,并確定其切割過程的主要因素。杜海艷等[8]主要是聚焦于介入穿刺手術(shù)中針與組織的耦合過程的影響,結(jié)合針的預(yù)測模型并在ABAQUS軟件中進(jìn)行了穿刺仿真。Ravali等[9]建立針穿刺軟組織的非線性彈簧的懸臂梁模型,通過利用最小勢能法以及瑞利-里茲法建立針的彎曲函數(shù)預(yù)測了穿刺針彎曲的受力過程。

上述研究人員針對穿刺針進(jìn)行軟體組織穿刺過程的工作重心為穿刺針頭,過度關(guān)注穿刺活檢針的受力分析往往會忽視穿刺過程對前列腺周圍軟體組織的影響。而筆者主要通過研究前列腺組織在進(jìn)行穿刺過程中的相應(yīng)指標(biāo)變化來反映改變穿刺針參數(shù)對于前列腺的影響,在懸臂梁模型的基礎(chǔ)下,利用有限元分析方法對穿刺針與前列腺組織耦合過程進(jìn)行動態(tài)分析,在ABAQUS軟件中針對柔性針的穿刺速度、穿刺針尖角度以及柔性針的穿刺直徑參數(shù)進(jìn)行穿刺耦合仿真,通過確定柔性針的最優(yōu)化參數(shù)降低前列腺穿刺手術(shù)對周圍軟組織造成的損傷,以期在術(shù)前為醫(yī)生提供一定的理論支持,有利于提高病人術(shù)后的康復(fù)速度。

1 柔性針模型構(gòu)建

1.1 柔性針懸臂梁模型

柔性針作為穿刺手術(shù)中使用效果最好的穿刺針,在進(jìn)行前列腺癌的穿刺診斷過程中,柔性針與前列腺的動態(tài)耦合關(guān)系反映了對前列腺的損傷程度。柔性針在穿刺時其針體受到法向方向上前列腺組織的擠壓夾緊作用力導(dǎo)致針體彎曲,在該作用力下建立柔性針模型去擬合該過程,可以觀察前列腺組織活檢時的組織變形損傷。通過在懸臂梁模型的基礎(chǔ)上加入柔性針特性進(jìn)而建立起柔性針模型,如圖1所示。

圖1 柔性針懸臂梁模型Fig.1 Model of needle cantilever beam

柔性針通常在會陰處進(jìn)針完成活檢,當(dāng)進(jìn)針深度轉(zhuǎn)角小于θC時,前列腺穿刺過程中柔性針饒曲度可以表示為

(1)

式中:F為前列腺軟組織施加在柔性針外側(cè)的擠壓力;E為前列腺組織的楊氏模量;h為柔性針直徑;x為柔性針進(jìn)針位移;wC為當(dāng)前柔性針體內(nèi)末端最大饒曲度;θC為柔性針體內(nèi)末端處的最大轉(zhuǎn)角。通過歐拉-伯努利梁原理可以進(jìn)一步描述柔性針的針尖繞度w與柔性針在前列腺體內(nèi)穿刺受力狀態(tài),其可以表示為

(2)

式中:φi,n為柔性針穿刺前列腺過程中第i段與第n段之間的距離,li為柔性針第i段與端部之間的距離。通過式(2)可以看出柔性針的繞度行為與前列腺受力維持一種線性關(guān)系。在對前列腺穿刺過程中要針對每個進(jìn)針準(zhǔn)靜態(tài)加以分析,通過利用有限元方法把每個準(zhǔn)靜態(tài)疊加得到前列腺穿刺過程中柔性針的整體饒曲度即對柔性針在前列腺體內(nèi)的行為進(jìn)行表征,即

(3)

式中:wit為t時刻柔性針在前列腺組織內(nèi)總體饒曲度;wij為第j個準(zhǔn)靜態(tài)饒曲度。此時前列腺的損傷程度可以通過柔性針穿刺過程中任意時刻的平衡狀態(tài)進(jìn)行表示,表達(dá)式為

(4)

式中:Fv為柔性針進(jìn)針時法向方向上的剪切力。柔性針端部條件以及針穿刺過程中前列腺的應(yīng)變可以分別表示為

(5)

(6)

式中:I,ρ分別為柔性針的慣性矩以及柔性針的變形曲率。通過分析柔性針法相方向上在前列腺組織的內(nèi)部行為,可進(jìn)一步深化穿刺中的針體對前列腺組織的影響。

1.2 柔性針徑向摩擦力模型

柔性針徑向摩擦力主要是當(dāng)柔性針進(jìn)入時,前列腺軟組織具有一定黏滯性進(jìn)而產(chǎn)生與進(jìn)針方向相反的摩擦力,引入Karnoop摩擦力模型去近似描述該性質(zhì)。

圖2 Karnoop柔性針摩擦力模型[6]Fig.2 Karnoop flexible needle friction model

柔性針的穿刺速度速度為V,當(dāng)穿刺速度V≤VC時,主要表現(xiàn)為靜摩擦力;當(dāng)穿刺速度V≥VC時,此時柔性針受到摩擦力主要表現(xiàn)為滑動摩擦力,其摩擦力變化過程可表示為

(7)

式中:Fkn,Fkp分別為穿刺過程中的正負(fù)動態(tài)庫侖力;Fn,Fp為正負(fù)最大靜摩擦力;FSum為柔性針穿刺中的受力之和;qp,qn為穿刺過程的正負(fù)阻尼系數(shù);VC為柔性針的臨界速度。穿刺過程的摩擦力模型分析通常被多數(shù)學(xué)者所忽略,但對穿刺時由于前列腺黏滯性所造成的額外損傷進(jìn)行研究,可以在此基礎(chǔ)上使前列腺損傷模型描述更為多樣與完善。

2 前列腺軟組織模型

2.1 前列腺生物特性

前列腺作為男性重要的生殖器官,其外表呈栗子狀且具有較為豐富的前列腺囊泡,同時也具備不均勻性、各項異性和黏彈性等生物特征。人體前列腺組織影像如圖3所示。不均勻性與各項異性表明前列腺的結(jié)締組織與平滑肌在會陰處各個方向所表現(xiàn)性質(zhì)不盡相同,其內(nèi)部含有大量潤滑的前列腺液以及少量精液,加上含有腺體內(nèi)質(zhì)網(wǎng),因此可認(rèn)為穿刺過程中前列腺組織具備超彈性以及黏滯性。

圖3 人體前列腺組織影像Fig.3 Human prostate tissue image

前列腺動態(tài)穿刺過程中主要體現(xiàn)出非線性特征,對于整個前列腺的穿刺過程可以引入有限元方法將整個非線性過程進(jìn)行不斷細(xì)化,最后得出前列腺穿刺的整體動態(tài)模型。

2.2 前列腺黏彈性模型

柔性針進(jìn)針時存在的摩擦力來自于前列腺結(jié)締組織自身所具有的黏滯性,因此建立前列腺黏彈性模型對于穿刺過程中改變?nèi)嵝葬槄?shù)而導(dǎo)致前列腺損傷更能反映真實穿刺手術(shù)下的針體對于組織的破壞程度。在如圖4所示的開爾文模型基礎(chǔ)上,通過添加多個彈簧以及阻尼體去類比前列腺組織的彈性和黏滯性特征,并采用Prony級數(shù)形式表征穿刺過程中由于黏彈性對于柔性針偏轉(zhuǎn)造成組織損傷的程度。

圖4 Kelvin-Voigt修正模型Fig.4 Kelvin-Voigt modified model

該模型中彈簧與黏壺以并聯(lián)形式連接,右柯西應(yīng)力變形張量ξ與前列腺應(yīng)變休戚相關(guān),當(dāng)超彈性體應(yīng)變與阻尼體應(yīng)變相同時,即

ηe=ηs=η

(8)

式中:ηe為模型超彈性體的彈簧應(yīng)變;ηs為阻尼體中黏壺應(yīng)變;η為修正模型應(yīng)變量。則前列腺模型總應(yīng)力張量可以表示為

(9)

式中:σ為前列腺模型所受到的右柯西應(yīng)力張量;σe,σs分別為超彈性體和阻尼體的應(yīng)力張量;ζ為右柯西格林張量;W為前列腺模型的應(yīng)變能;ψ為模型黏性參數(shù)。選用Prony級數(shù)來描述黏彈性,則表達(dá)式為

(10)

(11)

2.3 前列腺損傷模型

前列腺組織在進(jìn)行針穿刺過程中,因為柔性針的入侵會使得前列腺軟體組織產(chǎn)生斷裂即穿刺區(qū)域出現(xiàn)相應(yīng)傷口,因此病人在手術(shù)后會產(chǎn)生疼痛感。利用雙線性張力位移擬合該過程,如圖5所示。

圖5 雙線性黏聚力模型Fig.5 Bilinear cohesive force model

由圖5可知:前列腺組織裂紋長度與柔性針進(jìn)針力之間關(guān)系,斜線反應(yīng)前列腺彈性階段與軟化階段應(yīng)力應(yīng)變特征。伴隨進(jìn)針過程中柔性針不斷接近病灶區(qū)域,穿刺針的進(jìn)針摩擦力隨之加大其針頭總體受力增加,前列腺黏聚力不斷上升,在到達(dá)峰值后其整體呈現(xiàn)下降趨勢。整體上反應(yīng)了前列腺穿刺過程中聚集能量的變化,在該變化下病人在進(jìn)針不同的階段感受到不同層次的疼痛。前列腺雙線性黏聚力方程式為

(12)

(13)

式中:F為穿刺過程中實時的柔性針端受力;μ為穿刺過程中的前列腺動態(tài)摩擦系數(shù);l為該時刻柔性針進(jìn)入前列腺組織的位移;D,d分別為柔性針的外直徑與內(nèi)直徑。通過對前列腺損傷裂紋與前列腺損傷指數(shù)PII的分析使得在觀察穿刺云圖時能更好地建立起不同穿刺時間下前列腺組織損傷與病人疼痛之間的聯(lián)系。

3 前列腺穿刺耦合仿真及對比

3.1 不同穿刺速度下組織損傷

前列腺針穿刺手術(shù)中,穿刺速度通常主要由上文中建立的前列腺黏彈性模型等因素所影響。穿刺速度不同,前列腺軟組織在進(jìn)針時其黏聚力的變化也會產(chǎn)生差異進(jìn)而使不同穿刺速度下的前列腺組織損傷表呈現(xiàn)不同趨勢。根據(jù)實際的穿刺手術(shù)中柔性針穿刺速度,選取較為常見的前列腺針穿刺速度,如表1所示。

表1 前列腺穿刺手術(shù)中柔性針的穿刺速度表

前列腺針穿刺手術(shù)通常利用超聲傳感器涂抹耦合劑插入人體肛門直腸內(nèi),通過超聲顯示器上的穿刺針影來推測位于前列腺處穿刺針的位置。由于實時超聲影像的成像原理自身缺陷性導(dǎo)致穿刺針的影像很難清楚地被捕捉到并呈現(xiàn)在顯示器上,因此在實際手術(shù)時的穿刺速度通常維持在低速范圍內(nèi),此外在較高穿刺速度背景下不僅不利于對柔性針穿刺路徑的把握,而且會使人體陰囊下方會陰處表面發(fā)生凹陷。因此穿刺仿真速度選擇2～10 mm/s,并進(jìn)一步采用ABAQUS有限元軟件建立前列腺針穿刺模型并對穿刺過程進(jìn)行動態(tài)仿真,前列腺模型穿刺中心區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密以保持結(jié)果精準(zhǔn)性,耦合有限元模型如圖6所示。

圖6 前列腺穿刺耦合有限元模型Fig.6 Coupled finite element model of prostate puncture

通過在預(yù)定義場里施加穿刺速度,可以得到其不同穿刺速度的前列腺應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 不同穿刺速度下前列腺Y面應(yīng)變云圖Fig.7 Cloud image of strain on Y-plane of prostate at different puncture rates

由圖7可知穿刺手術(shù)時前列腺組織受力變化的主要區(qū)域聚焦于針尖兩側(cè)。伴隨柔性針穿刺速度的不斷變化,其低速進(jìn)針時進(jìn)行穿刺帶動前列腺周邊組織使得損傷區(qū)域黏聚力產(chǎn)生變化,直接導(dǎo)致?lián)p傷加大,但穿刺速度不斷增加后,其前列腺的穿刺損傷區(qū)域不斷縮減。因此,由圖7可以得出如下結(jié)論:當(dāng)進(jìn)行穿刺手術(shù)時,維持其他變量不變的條件下,穿刺速度的提升會降低前列腺周邊組織的損傷。

不同穿刺速度下前列腺組織受力變化如圖8所示。隨著穿刺速度增大,前列腺軟組織受力會隨之下降,由黏聚力造成的摩擦力會在一定幅度內(nèi)降低,其柔性針的切割力也會得到提升,整體上的進(jìn)針更加平順。由圖8可知:當(dāng)柔性針的進(jìn)針?biāo)俣冗_(dá)到10 mm/s時,會陰內(nèi)的前列腺所受到穿刺力較小,在一定的程度上減小了由于活檢手術(shù)帶來的創(chuàng)傷。前列腺受力曲線出現(xiàn)峰值則是由于前列腺腺體內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及盆腔會陰處表皮的表皮張力存在,使得柔性針的針尖尖端需要超過表皮張力才能繼續(xù)進(jìn)針。幾種不同的穿刺速度整體上在進(jìn)行穿刺活檢的過程中受力趨勢基本保持一致,在進(jìn)入會陰后,由于建模時認(rèn)為其是一類均勻物體,其穿刺力隨之下降并維持在一個水平上產(chǎn)生細(xì)微波動。

圖8 不同穿刺速度下前列腺組織受力變化Fig.8 Changes of forces on prostate tissue at different puncture rates

3.2 不同針尖傾斜度下組織損傷

柔性針是穿刺手術(shù)的重要工具,前列腺組織在穿刺時的損傷變化根據(jù)柔性針針尖尖端的斜面角度而分布出不同形態(tài)特征。為探究在穿刺手術(shù)中穿刺針的針尖尖端對組織的影響程度,圍繞針尖切面的角度即針尖角度對前列腺軟體組織穿刺過程中的損傷程度展開分析,其主要參數(shù)如表2所示。較大的穿刺速度難以保證穿刺路徑,故控制穿刺速度維持在6 mm/s,柔性針針尖角度在15°～35°進(jìn)行變化。由于柔性針密度遠(yuǎn)大于前列腺組織,因此前列腺軟體組織在穿刺時,其柔性針的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前列腺組織。此時柔性針主要是類比成空心細(xì)圓柱,其斜面主要是通過新建一個平面進(jìn)行切削放樣完成建模。柔性針針尖傾斜角模型如圖9所示。

表2 前列腺穿刺手術(shù)中柔性針的針尖傾斜度表

圖9 柔性針針尖傾斜角模型Fig.9 Model of tilt angle of needle tip

圖9建立的柔性針針尖模型,采用應(yīng)力云圖反應(yīng)柔性針在穿刺過程中受力變化,只能在云圖上看出針桿略微傾斜,難以通過柔性針反映組織變形情況。因此前列腺組織損傷須通過在進(jìn)行柔性針介入軟體組織過程的組織區(qū)域受力變化趨勢來進(jìn)行間接判斷前列腺軟組織的損傷程度。不同針尖傾斜角下前列腺組織受力變化情況如圖10所示。

圖10 不同針尖傾斜角下前列腺組織受力變化Fig.10 Changes of stress in prostate tissue under different tip inclination angles

在不同的柔性針針尖傾斜角下,前列腺組織的受力整體變化趨勢基本一致,但在柔性針尖角度增加過程中,柔性針針端作用力峰值隨之上升。針尖傾斜角增大其柔性針針頭表現(xiàn)得愈加鈍化,故在穿刺過程中會發(fā)生難以扎破組織的情況,導(dǎo)致穿刺過程中針尖作用力不斷地攀升,PII指數(shù)進(jìn)而增加,病人前列腺的組織損傷會進(jìn)一步加大,不利于術(shù)后的恢復(fù)。由圖10可知:穿刺針傾斜角大于15°時,前列腺受力峰值均在進(jìn)針1 s后產(chǎn)生且隨著角度增大表現(xiàn)出線性特征;傾斜角為15°時,軟組織的受力峰值均小于其他4類傾斜角,前列腺整體受力緩慢攀升有利于患者逐步適應(yīng)該過程。對上述結(jié)果分析可以看出:在進(jìn)行前列腺穿刺的過程中可適當(dāng)減小柔性針的針尖傾斜度,使之表現(xiàn)更為銳利。因此在進(jìn)行手術(shù)時選用傾斜度為15°時,較其他傾斜度更為合適,該傾斜度下前列腺組織受力較其他情況下受力會減小,在一定程度上降低手術(shù)過程中穿刺路徑調(diào)整的操作難度和減輕組織的損傷程度。

3.3 不同柔性針直徑下組織損傷

一般來說,針頭直徑在大多數(shù)穿刺活檢手術(shù)中很少提及,主要在于穿刺部位不同其手術(shù)所選用柔性針的類型不同。柔性針直徑細(xì)微變化都會影響整體穿刺手術(shù)的效果,圍繞柔性針的針尖直徑對于前列腺組織穿刺過程的整體影響,筆者建立如表3的5 類針頭直徑,探究在改變?nèi)嵝葬樶橆^直徑的情況下前列腺軟體組織的受力變化進(jìn)而反映組織的損傷。

表3 前列腺穿刺手術(shù)中柔性針直徑表Table 3 Table of needle diameter in prostate puncture surgery

由表3可知:從前列腺組織變形的程度來看,在柔性針進(jìn)入前列腺組織過程中,直徑越大所造成的區(qū)域受損面積也越大,故過粗的柔性針在進(jìn)行穿刺手術(shù)時雖然能取出較多的病灶區(qū)域組織,但并不能達(dá)到減小組織損傷的目的。在觀察柔性針變化時,其狀態(tài)主要是位于前列腺的組織內(nèi),此時不再受到前列腺表面組織張力的作用,只有前列腺軟體組織不斷去擠壓柔性針的針管管壁,而整體柔性針在法相上受力較小,故很難用肉眼觀察其變形情況。不論是以何種直徑柔性針穿刺前列腺組織,前列腺會陰表面破裂發(fā)生組織斷裂臨界點處的云圖整體變形情況如圖11所示。

圖11 前列腺破裂臨界應(yīng)變云圖Fig.11 Cloud image of critical strain of prostate rupture

由圖11可知:其表面應(yīng)力主要呈現(xiàn)環(huán)狀分布,顏色較深區(qū)域受力大于淺色區(qū)域,可以推測出其柔性針穿刺周圍的損傷區(qū)域遠(yuǎn)高于其他部位,同時經(jīng)過柔性針針端參考點的受力反饋可以觀察前列腺在不同針尖角度下的受力變化,進(jìn)而與組織損傷程度相對應(yīng)。

不同針尖直徑下前列腺組織受力變化如圖12所示。由圖12可知:當(dāng)穿刺針的直徑大于1 mm時,其受力峰值陡然上升,但受力趨勢基本維持不變;穿刺針直徑降低至0.8 mm時,前列腺受力峰值基本消失,整體穿刺過程較為平順,進(jìn)入腺體組織后的受力表現(xiàn)也優(yōu)于其他4類進(jìn)針狀態(tài)。整體穿刺過程中柔性針的直徑與前列腺所受作用力成線性相關(guān),原因在于柔性針的直徑越大,前列腺組織與柔性針的外側(cè)接觸面會隨著直徑上升而增加,其滑動摩擦力與其保持線性關(guān)系也呈現(xiàn)上升趨勢;直徑不同的柔性針其對應(yīng)前列腺組織受力峰值以及峰值時間不盡相同,但柔性針直徑越小其峰值出現(xiàn)的時間越早,反作用力也較小;柔性針直徑在2.4 mm時前列腺組織的受力峰值遠(yuǎn)高于其他直徑的柔性針穿刺時組織的損傷。由于在前列腺的穿刺過程不僅只有柔性針的直徑這一種因素,也包含了穿刺速度以及柔性針的傾斜角等因素,故不能僅考慮直徑因素來選定最優(yōu)的柔性針完成整個穿刺手術(shù)。

圖12 不同針尖直徑下前列腺組織受力變化圖Fig.12 Stress changes of prostate tissue under different tip diameters

3.4 仿真實驗對比

將穿刺針局部最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行整合,并與目前前列腺穿刺活檢手術(shù)中最常見的穿刺針進(jìn)行仿真實驗測試,將優(yōu)化后的穿刺針在穿刺時的表現(xiàn)與現(xiàn)階段穿刺活檢手術(shù)作進(jìn)一步對比分析。選用的穿刺針參數(shù)如表4所示。

表4 前列腺穿刺手術(shù)穿刺針參數(shù)對比表

觀察兩類穿刺針在進(jìn)行穿刺手術(shù)的前列腺應(yīng)變云圖,如圖13所示。觀察穿刺針在穿刺前列腺組織Y面的應(yīng)變云圖,從損傷區(qū)域面積看,普通醫(yī)用穿刺針在進(jìn)行穿刺時的損傷區(qū)域遠(yuǎn)大于優(yōu)化參數(shù)后的區(qū)域范圍;從損傷程度的角度出發(fā),普通穿刺針穿刺前列腺腺體時的穿刺損傷程度遠(yuǎn)大于優(yōu)化后的柔性針,這從一定程度上使得術(shù)后患者的腺體組織恢復(fù)具有一定的難度。普通醫(yī)用穿刺針進(jìn)針時前列腺表面損傷區(qū)域主要圍繞穿刺針呈現(xiàn)圓形分布,損傷區(qū)域面積與優(yōu)化后的穿刺針穿刺損傷面積差距不明顯,但以穿刺針為中心前列腺的重?fù)p傷區(qū)域來看,優(yōu)化后穿刺針在進(jìn)行穿刺時,其嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域呈點狀分布,重?fù)p傷面積遠(yuǎn)小于普通醫(yī)用穿刺針的損傷面積。

圖13 前列腺針穿刺損傷對比云圖Fig.13 Comparison of needle puncture injuries of the prostate by cloud map

在穿刺時,兩類穿刺針穿刺進(jìn)入前列腺腺體后的受力趨勢走向如圖14所示。由圖14可知:觀察穿刺過程前列腺組織的受力曲線,優(yōu)化前即普通穿刺針進(jìn)行穿刺仿真時,前列腺組織受力的受力峰值遠(yuǎn)高于優(yōu)化后穿刺力峰值,在進(jìn)入穿刺穩(wěn)定階段后其穿刺力遠(yuǎn)高于優(yōu)化后穿刺針的進(jìn)針表現(xiàn)。優(yōu)化后的穿刺針穿刺前列腺時,軟組織受力峰值降低,受力波動變化小、過度較為平穩(wěn)。優(yōu)化后穿刺力峰值出現(xiàn)時間較普通穿刺針相對靠前,普通穿刺針穿刺時受力存在兩個峰值,這是由于內(nèi)聚力釋放所導(dǎo)致。通過對兩類穿刺針結(jié)果進(jìn)行分析,從前列腺損傷程度、前列腺組織受力表現(xiàn)、組織損傷區(qū)域不難看拿出優(yōu)化后穿刺針的效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通穿刺針。

圖14 前列腺組織穿刺過程受力曲線圖Fig.14 Force diagram of prostate tissue during puncture

4 結(jié) 論

在進(jìn)行前列腺穿刺活檢手術(shù)的過程中,前列腺軟組織損傷程度與柔性針之間存在緊密聯(lián)系。通過仿真實驗可以看出:當(dāng)柔性針的直徑增大,在進(jìn)行穿刺過程中,前列腺組織損傷也會增加;當(dāng)穿刺手術(shù)中穿刺針的進(jìn)針?biāo)俣壬仙龝r,前列腺組織受到的損傷會減少,但過大的穿刺速度難以保證手術(shù)中的穿刺路徑;柔性針的針尖傾斜角越小,針體表現(xiàn)得越鋒利,在前列腺組織進(jìn)行穿刺時,周圍病灶組織損傷會降低,前列腺組織的低損傷有利于減輕患者身體恢復(fù)壓力。通過仿真實驗結(jié)果可以得到:在進(jìn)行前列腺穿刺活檢手術(shù)中,穿刺速度維持在10 mm/s,穿刺針選用傾斜角為15°、直徑為0.8 mm進(jìn)行穿刺時,前列腺軟組織的損傷最小。將普通醫(yī)用穿刺針與優(yōu)化后穿刺針進(jìn)行穿刺仿真,優(yōu)化后穿刺針在穿刺時能夠在極大程度上減小由于活檢手術(shù)帶來的手術(shù)并發(fā)癥以及額外創(chuàng)傷。圍繞前列腺穿刺活檢手術(shù)中軟組織損傷展開研究,能夠為降低組織損傷以及術(shù)后恢復(fù)提供多樣化選擇,對于醫(yī)生的術(shù)前規(guī)劃具有現(xiàn)實意義。目前,筆者研究主要聚焦在柔性針進(jìn)針中柔性針參數(shù)對前列腺組織損傷程度的仿真研究分析,后續(xù)將搭建穿刺平臺對筆者方法進(jìn)行實驗驗證。