申请/专利权人：上海海事大学

申请日：2020-12-29

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN112649130A

主分类号：G01L1/22(20060101)

分类号：G01L1/22(20060101);G01L5/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.03.08#授权;2021.04.30#实质审查的生效;2021.04.13#公开

摘要：本发明提供了一种医用穿刺活检针界面交互力学性能一体化测试及方法，包括有若干个电阻应变片的贴片位置与布片方式，其针尖端部A点和斜面端部B点分别粘贴三枚应变片构成的45°直角应变花，轴向方向应变片旁侧粘贴相应周向温度补偿片，同一横向切面沿周向方向120°均布粘贴另两枚应变片构成等边三角形；穿刺活检针穿刺过程中界面交互力学性能测试及表征方法含主应力及主方向、弯矩、扭矩、偏移量；各表征方法对应电阻应变片的接桥方式。本发明将参数表征与信号控制电路进行一体化设计，具备易于实现、临床应用价值高等优点，可灵活方便集成于穿刺活检针，准确全面的获取穿刺过程界面交互动态力学性能，有利于穿刺机器人核心技术突破等研究。

主权项：1.一种医用穿刺活检针界面交互力学性能一体化测试及方法，其特征在于它包括有若干个电阻应变片的贴片位置与布片方式，穿刺活检针穿刺过程中界面交互力学性能测试及表征方法，各表征方法对应电阻应变片的接桥方式；其中：所述若干个电阻应变片的贴片位置与布片方式指应变花Ⅰ粘贴于穿刺活检针的针头针尖端部A点轴线方向的圆弧面上，其三枚应变片1、2、3构成45°直角应变花；应变花Ⅱ粘贴于穿刺活检针的针头斜面端部B点轴线方向的圆弧面上，其三枚应变片3′、2′、1′，与A点应变花Ⅰ依次对应，也构成45°直角应变花；应变片4、4′为温度补偿片，分别沿周向粘贴在应变片2、2′的旁侧，用作消除温度变化的影响；应变片5、6与应变片2在同一横向切面上沿周向方向120°均布粘贴，三个应变片中心点在横切面上构成等边三角形，其外心法线的偏移角用作偏移量计算；所述穿刺活检针穿刺过程中界面交互力学性能测试包括主应力及主方向、弯矩、扭矩、偏移量等，其表征方法为：i、主应力及主方向：针头针尖端部A点处于平面应力状态，若在xy平面内，沿xy方向的应变分别为εx、εy，切应变为γxy，根据应变分析，沿与x轴成α角的方向n从x到n的逆时针的α为正线应变εα为： εα随α的变化而变化，在两个相互垂直主方向上的极值为主应变ε1、ε2： 两个相互垂直的主方向α0为： 应变花Ⅰ的三枚应变片1、2、3分别对应角度-45°、0°、45°，穿刺活检针穿刺过程中，实测时沿三个方向的应变可直接测定，代入式1，可得：εx＝ε0°、εy＝ε45°+ε-45°-ε0°、γxy＝ε-45°-ε45°4将式4代入式2，可得： 穿刺活检针的弹性模量为E、泊松比为μ，根据广义胡克定律，可求得A点的主应力σ1、σ2： 将式4代入式3，可得： 由式7求解得到相差π2的两个α0，即可确定两个相互垂直的主方向，根据应变圆可知：当εxεy时，则由x轴起，绝对值较小的α0确定主应力σ1的方向；反之，当εxεy时，则由x轴起，绝对值较小的α0确定主应力σ2的方向；ii、弯矩：针头斜面端部B点的应变花Ⅱ，与针头针尖端部A点的应变花Ⅰ依次对应，两点沿x轴方向只有因弯曲引起的拉伸和压缩应变，且两者数值相等、符号相反，由应变片4、4′测定的温度应变为εT，则A点应变片2与B点应变片2′的应变差值εr为：εr＝ε0°+εT--ε0°+εT＝2ε0°8根据应力应变关系，由式8求得最大弯曲应力σ为： 穿刺活检针的几何参数为外径D、内径d、截面惯性矩I，则在弯矩M作用下，最大弯曲应力σ还可由下式求得： 联立式9和式10，可求得弯矩M为： iii、扭矩：当仅考虑穿刺活检针承受扭矩时，针头针尖端部A点的应变片1、3以及针头斜面端部B点的应变片3′、1′都沿主应力方向；又由于主应力σ1和σ2数值相等、符号相反，四枚应变片的应变绝对值相同，且应变片1、1′、应变片3、3′的应变同号，则应变差值εr为：εr＝ε1-ε3+ε1′-ε3′＝4ε112式12中的ε1为扭转时的主应变，根据广义胡克定律，可得主应力σ1为： 此时，在扭矩T作用下，主应力σ1与切应力τ相等，故： 联立式13和式14，可求得扭矩T为： 式15虽然是仅承受扭转情况，但当在四枚应变片中增加弯曲引起的应变时，代入后将会相互抵消，仍然得出式12，所以上述扭矩表征方法同样适用于弯扭组合的情况；iv、偏移量：应变片5、6与应变片2均布粘贴，分别为标记点H、N、M，构成等边三角形，穿刺手术过程中的对应测定应变分别为ε5、ε6、ε2，三角形外心o法线沿初始进针方向的偏移角为0°，外心o与各标记点的距离为半径r，等于穿刺活检针内径d的一半，当进针深度为h、无偏转时，各标记点对应标注为H′、N′、M′，三角形外心为o′，仍构成等边三角形，而考虑偏转时，各标记点对应标注为H″、N″、M″，三角形外心为o″，此时，圆弧oo″的弧长为h，根据圆几何关系，可得圆弧oo″所在圆半径R为： 穿刺过程任意时刻的外心法线偏移角θ与偏移量δ的关系为： 在初始进针点位置建立直角坐标系，进针方向为Z轴，X轴、Y轴满足笛卡尔坐标系，则各标记点和外心M、H、N、o坐标为： 当进针深度为h、无偏转时，各标记点和外心M′、H′、N′、o′坐标为： 无论是刚性、还是半刚性、亦或是柔性穿刺活检针，其偏转时，各标记点构成的三角形外心将始终在其针轴线上，且根据对应各应变片的布片方式，在标距l上的各应变量可认为是沿外心法向量的变化量，则考虑偏转时，各标记点和外心M″、H″、N″、o″坐标为： 根据式20可求得H″N″的中点F的坐标为： 向量o″F的坐标为： 向量o″M″的坐标为：o″M″＝[rcosθ+ε2lsin2θ0-rsinθ+ε2lcos2θ]23实际临床活体或体外穿刺试验表明，穿刺活检针的偏转角度不超过5°，故tanθ≈sinθ≈θ，且偏转后的三角形H″M″N″仍为等腰三角形，即向量o″F与向量o″M″为共线向量，两向量对应坐标成比例关系： 根据三角函数的二倍角公式，化简式24可得： 式25理论上没有表达式解，借助MATLAB求解可得：root4*l*ε2*ε6*m^3+4*l*ε2*ε5*m^3+4*ε2*r*m^2-ε2*r+ε6*r+ε5*r,m,1,root4*l*ε2*ε6*m^3+4*l*ε2*ε5*m^3+4*ε2*r*m^2-ε2*r+ε6*r+ε5*r,m,2,root4*l*ε2*ε6*m^3+4*l*ε2*ε5*m^3+4*ε2*r*m^2-ε2*r+ε6*r+ε5*r,m,3,式25方程的根，即偏移角θ就是root函数里m＝1、2、3的根，代入式17，即可计算得到穿刺过程任意时刻穿刺针针头偏移量δ；所述各表征方法对应电阻应变片的接桥方式是：主应力和主方向测试表征时将应变花的三个应变片分别接在应变参数测试仪的三个通道端子上，桥路选择为半桥连接，温度补偿片为公共补偿方式；弯矩测试表征时将A点和B点沿轴线x向的两个应变片按半桥双臂组成接桥方式；扭矩测试表征时将A点和B点沿轴线呈45°的四个应变片按全桥相邻臂组成接桥方式；偏移量测试表征时将120°均布的三个应变片分别接在应变参数测试仪的三个通道端子上，桥路选择为半桥连接，温度补偿片为公共补偿方式。

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