超聲振動(dòng)輔助活檢穿刺對(duì)取樣性能影響的研究

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(diǎn)試驗(yàn)室，機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)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(lái)達(dá)到干預(yù)效果，從而提高穿刺手術(shù)成功率。在穿刺過(guò)程中，針尖與組織間會(huì)產(chǎn)生作用力，作用力增大會(huì)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(lái)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?duì)稱[3]、針尖幾何形狀引起的力不對(duì)稱[4]及穿刺過(guò)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(dòng)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，穿刺力降低10%，但會(huì)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(guò)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(dòng)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(dòng)，有助于減小切削力并改善表面光潔度[9]。振動(dòng)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(shí)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(dòng)可大幅降低穿刺力[11]，但目前該項(xiàng)研究缺乏對(duì)振動(dòng)參數(shù)如何影響組織切割的確切理解。已有的研究通過(guò)有限元分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立了振動(dòng)條件下針穿刺力的模型[12]；同時(shí)，一些研究解釋了針的振動(dòng)是如何對(duì)針上的摩擦力造成影響的[13]。然而，目前還沒(méi)有研究表明振動(dòng)對(duì)組織取樣性能的影響。

本文搭建了穿刺實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了超聲振動(dòng)的頻率和振幅（即激勵(lì)電壓）對(duì)組織取樣性能的影響，分別在不同的超聲振動(dòng)頻率（20、30、50、60、70 kHz）、相同的電壓 （80 V）和不同的激勵(lì)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(guò)對(duì)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(duì)比穿刺孔的面積、裂紋長(zhǎng)度等特征，并計(jì)算區(qū)域圓度，比較取樣性能。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)搭建的超聲振動(dòng)輔助取樣裝置見(jiàn)圖1a。其中，絲杠滑動(dòng)臺(tái)有X、Y兩個(gè)方向的自由度，通過(guò)旋動(dòng)手輪可調(diào)整待切削組織位置。實(shí)驗(yàn)采用的取樣針規(guī)格為常用型號(hào)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(shí)施加沿進(jìn)給方向的振動(dòng)，完成組織穿刺。振動(dòng)激勵(lì)脈沖由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，功率放大后通過(guò)壓電陶瓷轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，穿刺對(duì)象為新鮮豬肝組織，穿刺速度為1 mm/s，穿刺距離為30 mm。實(shí)驗(yàn)分二組進(jìn)行：第一組的固定電壓（即激勵(lì)電壓）保持為80 V，設(shè)振動(dòng)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(lì)電壓（即振幅）分別為 0、20、40、60、80 V。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在超聲輔助取樣裝置上對(duì)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(zhǎng)度，計(jì)算區(qū)域圓度，從而得出不同實(shí)驗(yàn)條件下的取樣性能。

圖2 組織樣塊

2 實(shí)驗(yàn)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(dòng)的兩個(gè)要素（振幅和頻率）對(duì)組織取樣性能的影響，因此設(shè)置了兩組實(shí)驗(yàn)，分別通過(guò)改變頻率和振幅來(lái)觀察、對(duì)比取樣孔的形貌和裂紋長(zhǎng)度，從而得出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)穿刺取樣性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)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(lì)電壓下的組織的穿刺孔形態(tài)。

圖3 不同振動(dòng)頻率下組織的穿刺孔形態(tài)

圖4 不同激勵(lì)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(dòng)頻率條件下穿刺豬肝組織后留下的穿刺孔參數(shù)。可見(jiàn)，穿刺孔的面積隨著超聲振動(dòng)頻率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，表明取下組織的截面積隨著振動(dòng)頻率的增加而減小；裂紋長(zhǎng)度（即穿刺孔的周長(zhǎng)）隨著振動(dòng)頻率的增加也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由于隨著振動(dòng)頻率增加，超聲振動(dòng)系統(tǒng)功率降低，在以相同穿刺速度進(jìn)給時(shí)，接觸的時(shí)間相同，而超聲振動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)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(zhǎng)度越長(zhǎng)。

圖5 不同振動(dòng)頻率下的裂紋長(zhǎng)度與穿刺孔面積

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

圖6 不同激勵(lì)電壓下的裂紋長(zhǎng)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(guò)程的信息。區(qū)域圓度是一個(gè)物體接近最平滑的形狀（圓）的定量描述。通過(guò)測(cè)得的穿刺孔裂紋長(zhǎng)度和面積，根據(jù)式（1）可計(jì)算出各穿刺孔對(duì)應(yīng)的區(qū)域圓度：

式中：C為區(qū)域圓度；P為裂紋長(zhǎng)度，即穿刺孔周長(zhǎng)；A為穿刺孔面積。

圖7、圖8分別是不同振動(dòng)頻率和不同激勵(lì)電壓下的穿刺孔區(qū)域圓度。可看出，區(qū)域圓度隨著振動(dòng)頻率、激勵(lì)電壓的增加而變大，說(shuō)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(dòng)頻率下的區(qū)域圓度

圖8 不同激勵(lì)電壓下的區(qū)域圓度

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了超聲輔助穿刺的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度對(duì)穿刺孔形貌的影響。設(shè)各組實(shí)驗(yàn)中其他無(wú)關(guān)參數(shù)相同，分別改變振動(dòng)頻率和激勵(lì)電壓，在顯微鏡下比較穿刺孔的形態(tài)和裂紋大小，計(jì)算穿刺孔區(qū)域圓度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著振動(dòng)頻率增加，穿刺孔面積減小、裂紋長(zhǎng)度縮短；隨著振動(dòng)幅度（即激勵(lì)電壓）增加，穿刺孔面積和裂紋長(zhǎng)度先減小、后增大；兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的增加都會(huì)使取樣孔的區(qū)域圓度增大。