（机械制造及其自动化专业论文）针刺软组织有限元仿真及实验研究.pdf

摘要 近距离粒子植入放射治疗过程中，由于针与软组织之间的作用力导致软组织 大变形，植入粒子偏离规划位置，从而影响治疗效果并容易产生严重副作用。本 研究采用有限元分析方法模拟仿真刺入过程，并且设计了验证性实验以检验仿真 模型的可行性与准确性。为了解粒子位置偏移的程度，精确植入粒子，制定可靠 的术前规划，提供了有效的参考数据。 建立模拟仿真粒子植入过程的动态分析模型。详述了两种几何模型的构建方 法，并匹配相应的物理模型，包括m o o n e y r i v l i n 超弹性本构模型，通用接触算 法，以及与实际情况相近的约束条件。最后采用显式中心差分法求解整个模型， 得到了植入针的受力情况和软组织内部目标点的位移量，并提出模型误差产生的 原因和改进方案。 研究并制备一种可以替代生物软组织进行粒子植入实验的仿生物材料 聚乙烯醇水凝胶。在充分研究和大量的实验的基础上，制备出了高透明度水凝胶。 并且以此质量配比和制备方法制成了水凝胶样本用于后期的实验。 、 搭建了一个模拟针刺入软组织的实验平台进行仿真的验证性实验，并在 l a b v i e w 环境下，建立了力信号数据采集系统和视觉数据采集系统，从而得到 刺入过程中植入针的受力情况，软组织内部目标点的位移情况。详细分析了仿真 分析与实验验证之间误差产生的原因，并且提出了可行的解决方案。 关键词：近距离粒子植入仿真有限元分析聚乙烯醇水凝胶数据采集 a b s t r a c t d u r i n gt h eb r a c h y t h e r a p y , f o r c el o a do nt h en e e d l et i pc a nc a u s es o f tt i s s u el a r g e d e f o r m a t i o n t h i sw i l la f f e c tt h ep r e c i s i o no f s u r g e r y , a n db r i n gs e r i o u ss i d ee f f e c t s i n t h i sr e s e a r c h ，as i m u l a t i o nb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oa c h i e v et h e d i s p l a c e m e n to fs e e d sa n di n s e r t i o nf o r c e a ne x p e r i m e n ti su s e dt ov a l i d a t et h e s i m u l a t i o n t h i sr e s u l tc a np r o v i d er e f e r e n c ed a t af o r s u r g i c a lp l a n n i n gb e f o r e b r a c h y t h e r a p y a c c o r d i n gt ot h en e e d l ei n s e r t i o no p e r a t i o n ，ad y n a m i cm o d e lo fs i m u l a t i n g n e e d l ei n s e r t i o ni sd e s i g n e d ，a n dt w om e t h o d so fe s t a b l i s h i n gg e o m e t r i c a lm o d e la r e d e s c r i b e d p h y s i c a lm o d e li sb u i l ta c c o r d i n gt ot h er e a l i t y , w h i c hc o n s i s to f m o o n e y r i v l i nf o r mo fh y p e r e l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l ，c o n t a c ta l g o r i t h ma n d b o u n d a r yc o n d i t i o n e x p l i c i tc e n t r a ld i f f e r e n c ea l g o r i t h mi su s e dt og a i nt h ef o r c eo f n e e d l ea n dt h ed i s p l a c e m e n to ft h es e e d si nt h es o f tt i s s u e t h ec a u s eo fe r r o ra n d i m p r o v e dm e t h o da r ed i s c u s s e d p o l y v i n y la l c o h o lh y d r o g e li sr e s e a r c h e da n du s e dt os u b s t i t u t ef o rt h es o f tt i s s u e i nt h ee x p e r i m e n t b a s e do nam a s so fr e s e a r c h e sa n de x p e r i m e n t s ，t h et r a n s p a r e n t p o l y v i n y la l c o h o lh y d r o g e li sm a d e t h i sp h a n t o mi su s e da ss o f tt i s s u em o d e li nt h e v a l i d a t e de x p e r i m e n t a ne x p e r i m e n tp l a t f o r mo fs i m u l a t i n gt h en e e d l ei n s e r t i o ni n t os o f tt i s s u ei s e s t a b l i s h e df o rv a l i d a t i n gt h em o d e l ，a n dg r a p h i cl a n g u a g el a b v i e w p r o g r a mi su s e d t oa c q u i r ef o r c ea n dv i s i o nd a t a t h ec a u s e so fe r r o ra n ds o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：b r a c h y t h e r a p y , s i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，p o l y v i n y l a l c o h o lh y d r o g e l ，d a t aa c q u i r e m e n t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：饵日眵篱 签字日期：汐哆年多月f 日 i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇吁魄 签字日期：m 夕年月 e t 新阮抛j 叉 签字日期：夕卵夕年 莎月f 日 j 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 癌症可以说是人类的一大克星，它至今仍是全球性的医学难题，每年有几百 万人因它而失去生命。根据卫生部发布的中国卫生事业发展情况统计公报显 示，在我国其发病率排在心脑血管疾病之后位列第二。在致死病因排行榜上名列 第一，因病致死的人当中有2 7 3 死于癌症，而且这一数据也呈逐年递增的趋势。 世界卫生组织预测，到2 0 2 0 年，每年新发癌症病人数将达到1 5 0 0 万，癌症将成 为新世纪人类的第一杀手，并将成为全球最大的公共卫生问题1 1 之j 。 肿瘤性疾病作为严重危害人类健康的一类疾病，有各种不同理论依据的治疗 模式。对于大多数肿瘤来说，手术常是目前的主要治疗手段。手术治疗的理论依 据是：肿瘤是一类以“局部肿块病变”为主的“全身性”疾病，因此，从理论上 讲，手术切除局部肿块可以起到治疗肿瘤的作用，也应作为治疗肿瘤的主要手段。 但是手术治疗是一种机械手段，虽然能够彻底治疗局部病变，不存在化疗耐药、 放射抗拒等问题，但其本身有很大的局限性，如患者就诊时不少已是晚期，无法 手术，不能预防肿瘤远处转移。手术中通常需切除部分健康组织而使机体功能受 损，而且手术造成的创伤较大，患者复原时间较长。手术有时不能完全切除病灶 附近的亚临床病灶而致术后复发。 与手术局部治疗相比较，化学治疗是一种全身性治疗手段，对原发灶、转移 灶和亚临床转移灶均有治疗作用。这种方法的理论依据是：肿瘤是一类细胞增殖、 分化异常的疾病，化疗药有”细胞毒”和促进分化等作用，可以杀死肿瘤细胞、抑 制肿瘤细胞的生长繁殖和促进肿瘤细胞的分化等，从而可以治疗或治愈肿瘤。化 学治疗在癌症的综合治疗中占有越来越重要的地位，但是缺点是化疗药物的选择 性差，在取得治疗效果的同时，常出现不同程度的毒副作用，如抑制病人的免疫 功能等等f 3 1 。 放射治疗简称放疗，它是利用高能电磁辐射线作用于生命体，使生物分子结 构改变，达到破坏癌细胞目的的一种治疗方法。所有细胞( 癌细胞和正常细胞) 都 要生长和分裂。但是癌细胞的生长和分裂比他们周围许多的正常细胞都要快。放 射疗法采用特殊设备产生的高剂量射线照射癌变的肿瘤，杀死或破坏癌细胞，抑 制它们的生长、繁殖和扩散。虽然一些正常细胞也会受到破坏，但是大多数都会 恢复。 第一章绪论 上述几种方法相比较，可以发现放射治疗作为j 胄愈肿瘤的一种有效手段能 够在增加肿瘤局部控制和治愈率的_ j 时避免了手术，化学治疗对人体所造成的 伤害，提高病人的存活质量。而在放射治疗中，使用粒子植入近距离内放射治疗 肿瘤成为目前国际医学界对为外科手术以及外放射的缺陷进行互补的新型治疗 方祛。 近距离放射治疗( b m c h y t h e r a p y ) 是将放射源( 封装的放射性核素) 经人体腔道 置于肿瘤附近、插植到肿瘤体内、或放置在瘤体表面实施照射的一类放射治疗手 段的总称。所谓“近距离”是指将放射性同位素放置在距肿瘤组织5c m 范围内， 甚至在肿瘤组织内进行治疗。近距离治疗主要包括腔内或管内照射、组织间照射、 术中放置导管的照射以及模照射，而放射性粒子近距离治疗肿瘤技术是将放射性 同位素直接植入肿瘤内或周围，属于组织问照射，因此，具有治疗靶点局部剂量 高，周围正常组织受量低照射时间短，可以连续照射或分次照射，安全、可靠、 易于防护等优点”j 。 圈2 放射性粒于m 尿道 粒子 近距离治疗的技术难点在于如何将放射性粒子精确植入到肿瘤组织内部或 周边组织中。早期主要通过手术将粒子植入，但此种方法创口较大，不易愈合。 给后期的治疗带来了很多不便。经静脉注入的方法不易控制放射性粒子的位置， 失败率较高。 而c t 、mr i 和u l t r a s o u n d 技术的发展，为粒子植入技术开辟了新的思路。 在三维可视实时监控系统的导引下，利用针刺技术将放射性粒子经皮肤植入人体 黛一 第章绪论 内。针刺技术就是将纤细的管状装置，如针、导管、组织探针等，绎皮肤刺八各 种不同的软组织中达到日标位置。此前，针刺技术已经广泛应用于很多微创手术 和诊断之中，如肾穿刺，胸腔穿刺术等。 多年的临床研究显示精度直接决定了治疗的成败针刺过程的误差主要由 于成像过程中的偏差，针刺的过程中目标点随着组织发生的偏移和某些人为因素 等原闻所造成的。其中又以组织变形和目标点的移动为最主要的问题。以前列 腺腺体为例，在针刺过程中体积变化量约占总体积的2 0 3 0 。而且由于人体结 构的复杂性目标点与周围其他器官、血管或神经的距离都在毫米级，一旦有所 偏差非但治疗效果达不到，还可能造成无法弥补的伤害，后果不堪设想。 为了提高这一技术的精度，许多先进仪器设各和前期仿真技术被引入其中。 实时监控视觉系统，先进的机械手，触觉反馈系统等，这些新技术在提高精度的 同时，也将人的不确定性因素降到最低。而且对于针刺过程的仿真研究，也提高 了针刺的预见性。在c t ，m r j 或u l t r a s o u n d 的指导f ，操作人员对机械手进行 操作，并进行实时监控。图1 3 为在m r i 成像技术导引下，机械手辅助针刺软 组织系统其中包括医疗人员对整个系统的控制输入，成像装置的反馈调节等”j 。 手 机械手 麟、。 m r i 图像 二二 i 生j 图1 - 3 为在m r i 成像技术导引下机械手辅助制刺系统示意图 1 2 国内外研究现状综述 针刺技术拥有广泛的应用前景，很多研究人员投入到这项新兴研究中。目前 对于针刺软组织的研究主要集中于以下几个方面。前期主要为医学研究阶段，集 中于在对c t 、m r i 、u l t r a s o u n d 等成像技术的研究及相关的解剖学方面的研究。 一睦一 广矿 第一章绪论 在医学研究的基础上，借助仿真软件模拟整个针刺软组织过程，以期达到精确植 入粒子，提高治疗效果的目的。最后通过建立相应的实验平台来得到实验参数， 并验证仿真的结果。 1 2 1 针刺软组织仿真研究 由于软组织是一类很特殊的材料，它具有高度的非线性、各项异性、非均匀 等特点，这就为分析软组织变形及建立模型带来了很大的困难。如果能建立起与 实体更为接近的材料本构模型，可很大程度上提高模拟针刺过程的精度。另一方 面，建立针刺软组织动态模型，分析在此过程中组织的变形，及相应的补偿方式， 对于提高粒子植入的准确性，以及前期手术计划的制定有很大帮助。所以目前仿 真方面的研究基本可以分为两个方面，是对于软组织的生物机械特性的研究， 用以获得更全面准确的软组织材料性能，二是模拟针刺软组织的动态过程，建立 起与现实相接近的动态模型，并分析刺入过程中组织的变形，针在沿刺入轨迹上 的力学特性以及针产生的变形。 软组织的生物机械特性的研究主要集中于软组织材料特性的研究。软组织不 像一般的材料属于线弹性的材料，其应力与应变呈现高度的非线性。但是，在仿 真过程中，一些研究者为了简化分析模型，将软组织近似为线弹性材料，通过接 触探针等简单的装置得到弹性模量、泊松比等参数。 软组织的本构模型决定了应力与应变的非线性关系，为了提高分析准确性， 通常在仿真时，将软组织材料简化为超弹性材料，应用超弹性的本构模型来进行 分析。通常针刺软组织变形的分析主要是借助有限元的方法来实现。有限元法可 以很准确的模拟有限弹性形交，但分析这种大变形的模型时，所需要的时间和运 算量十分庞大。 同时，研究人员设计了各种类型的实验，从定性和定量两方面获取材料的特 性参数，作为仿真分析的基础。h a ne ta 1 开发了一种新型的超声波测试装置， 用以测量活体组织的材料性质【引。b r o u w e re ta 1 开发了一系列装置用以测量实验 中软组织伸长率、组织辨识、仪器和软组织间的相互作用力等。他们采用猪的肝 脏作为样本，进行了活体组织和非活体组织的比较实验，获得了肝脏组织的应力 应变曲线，但是论文中并没有详细讨论实验结果【9 】。k e r d o ke ta l 提出了建立测 量软组织变形物理标准数据库。他们建立了软组织的有限元模型，在受压条件下， 将软组织的变形量与实验中得出的结果进行比较，由于在建立有限元模型时进行 了一定的简化，结果与实际情况存在误差【l0 1 。 在研究针刺软组织变形方面，研究人员借助仿真软件，采用有限元分析的方 法建立起仿真模型，但都在不同程度上对边界条件、材料属性上做了相应的简化， 4 第一章绪论 以满足分析要求。 a l t e r o v i t ze ta 1 建立了一种新型的二维有限元模型，并将模拟针刺技术应用 于前列腺癌的近距离放射治疗中。有限元模型中，将前列腺组织、隔膜和周围的 脂肪性组织近似为线弹性材质的。在他们的仿真中，分析了组织变形对针刺过程 的影响，及产生的位置误差【1 4 1 。 n i e n h u y s 和v a nd e rs t a p p e n 提出了一种软组织与针之间的交互式模型，这 种模型可应用于二维和三维环境。采用了一种准静态的分析方法，针与软组织之 间通过摩擦力相互作用。而且，网格划分采用了自适应式网格划分方法，在沿针 刺轨迹方向划分较密集的网格，这种方法可减少网格划分数量，提高运算速度和 精度【1 5 j 。 d i m a i o 和s a l c u d e a n1 1 6 - 1 7 对于针刺软组织过程进行了一系列详细的分析。他 们基于平面刺入实验得到的软组织二维变形和针刺力开发了一种虚拟针刺软组 织系统，将软组织简化为线弹性模型，减少了仿真模型的复杂度。所采用材料的 力学特性通过杨氏模量和泊松比来确定，整体的应变能方程为， k = 去p r g ) 仃g ) 出 ( 1 - 1 ) z 。 其中，占和仃分别为模型的应变和应力。所建立的有限元基本方程为， k u = 厂( 1 - 2 ) 其中k 为刚度系数，u 和厂分别为节点上力和位移的向量。 分析针刺软组织变形过程中的力学模型可以帮助辨识和模拟不同组织类型， 减小组织变形，而且可为针刺机械手提供较为精确的反馈调节。通常，一个较为 合理的力学模型可以辨识出刺入过程中力的不同特征，如刺入力的峰值，过程中 力的变化值域等，以便与现实实验的情况进行比对。 在力学模型研究方面，s i m o n e 和o k a m u r a 的研究中，将刺入的过程分为了 二个部分，刺入前和刺入后。在刺入前过程中，针主要受到软组织的阻力，力呈 稳定增长的趋势，软组织产生类似沙漏状的变形，随着力的增长变形加大，直至 针刺入软组织内部【埽】。在刺入后，如图1 4 所示，力为摩擦力、剪切力、主应力 的合力，针的受力可表示为， k g ) = k ( z ) + k g ) + k ( z ) ( 1 3 ) 其中，z 为针尖的方向。而且详细分析了不同针尖的结构对刺入力的影响。 第r 一章绪论 力 剪应力 口主应女 图i o 植入针受力分布圈 1 2 2 针刺软组织实验验证 不少研究者将仿真与实验相结舍，利用实验平台柬验证仿真结果的可靠性， 通过分析误差产生的原因找到补偿的途径。通常实验平台由以下几部分组成：针 刺机构、软组织( 或仿生物软组织) 、成像设备、控制反馈系统等。 o k a m u r a 和s i m o n e 以牛的肝脏为研究对象，建立了一个测试平台，如图l - 5 所示。其中包括由测压元件和穿刺针组成的单自由度机械装置，用以测量在针刺 入软组织过程中沿针径向与轴向的应力分布。肝脏固定于两片透明的塑料薄板之 间，薄板中部留有针的刺入孔。肝脏组织的变形通过c t 成像技术用来测量。控 制软件采用图形用户界面，数据记录频率为5 0 0 h z 。此实验平台可测量针刺过程 中的刚度，摩擦力，剪切力和针的变形等i l 。 图】5o k a m u r a 和s i m o n e 实验平台 m a u r i ne ta l 以猪的肾脏和肝脏为样本，研究了针刺八活体组织的特性，比 较了手动装置和机械手刺入的区剐。在手动测试中，传感器被固定在针上；在机 械测试中，针固定于机械手的末端执行器上。同时，他们将刺 的软组织分为两 种类型，一种是所有的解剖学层都被移除的软组织t 另一种是针剌穿不同类型的 解剖层。通过实验结果可咀得出，刺穿多层组织时，针刺入时所需要的力较小： 而刺八单层组织时，这一结论并不成立。但是，实验时并没有采用成像设备，软 日日日。 第一章绪论 组织内部的变形无法测量。 由于实验条件的限制很多实验无法在m r i 、c t 、u l t r a s o u n d 等医疗成像设 备下进行，这就要借助其他手段来的到软组织变形的数据。通常在这种情况r ， 测试对象很难采用生物样本，而用与其性质相近的材料来替代。 d i m a i o 和s a l c u d e a n ”l 搭建了可用来测量二维平面针刺软组织参数的实验 平台。其研究对象由p v c 材料合成组织的变形通过计算高速摄像机采集图像 的像素来获得，如图1 - 6 所示。考虑摄像机拍摄的图像存在的误差，位移的精度 有待提高。 摄像机 仿生物 软组织 强1 d i m a i o 和s a l c u d 啪一维捌鼋实验平台 机械手 h i n g 和b r o o k s 设计了种新型的方法来模拟针刺软组织过程中针与软组织 之间的相互作用，其使用的成像装置为两台c 臂荧光镜。这种方法可以测量三 维状态下组织的实时变形，以获得更为准确的实验数据。通过传感器得到了沿针 刺入轨迹方向的力值”“。 通过以上分析可咀看出，对于材料的分析大都是通过实验得出的定性或定量 的结论定量分析的结果局限性较大。而在有限元分析中，大多将材料简化为线 弹性材料，咀降低分析的复杂度。实验得到的结果很少与有限元分析相结合。发 展更复杂的有限元模型，将分析与实验相结合成为未来发展的主要方向。 1 3 本文主要研究内容 本研究是在充分调研，积累了相当的数据资料的基础上展开的。奉文主要从 仿真分析和实验验证两个方面，模拟粒子植入手术中针刺人软组织的过程。利用 m r j 图像，在m i m i c s 的界面上建立软组织的三维模型，将模型导入到a b a q u s6 7 中，在此模型基础上建立针刺软组织有限元模型，运用有限元分析的方法，分析 针的受力情况和软组织内目标点的位移。通过研究，找到了一种可以替代软组织 进行粒子植入实验的仿生物软组织材料聚乙烯酵水凝胶，在大量实验的基础上找 第一章绪论 到与肝脏最为相似的水凝胶配比，并以此配比制备出样本替代软组织，进行仿真 结果的实验验证。 1 4 文章章节安排 第一章：概述本课题的研究背景及意义，目前国内外的研究现状，并提出本 文的主要研究内容。 第二章：本章建立了模拟仿真粒子植入过程动态分析模型的过程。详述了两 种建立几何模型的方法。并且建立了适合的物理模型，包括m o o n e y r i v l i n 超弹 性本构模型，通用接触算法，以及与实际情况想近的约束条件。最后采用显式中 心差分法求解整个模型，得到了植入针的受力情况和软组织内部目标点的位移 量。 第三章：本章详细介绍了一种新型的仿生物软组织材料聚乙烯醇水凝 胶。详细介绍了聚乙烯醇水凝胶的制备方法和性能测试方式。借助数据找出与生 物样本最接近的水凝胶样本的浓度及冷冻循环次数，及采用m o o n e y r i v l i n 本构， 材料模型的参数。 第四章：本章详细叙述了针刺软组织实验台搭建、步骤及结果。首先，介绍 了实验的整体思路，以及主要的实验仪器，包括超声波电机、力学测试系统、视 觉测试系统等，描述了实验的过程。最后，对实验得到的结果进行评价，分析与 仿真结果之间误差及其产生的原因。 第五章：全文结论与未来工作展望。 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 2 1 引言 目前，近距离粒子植入手术大多是在超声波、c t 或m 砒引导下，医生手动 操作。首先将穿刺外针经皮穿刺入肿瘤，然后将已消毒的粒子移入旋转植入器， 用植入针经转盘上的小孔将粒子推入针管远端直达肿瘤组织。医生操作的准确性 成为手术影响手术精度的重要关键因素，这就使得手术中存在一定人为造成的偏 差。如果可以借助一个较精确的模拟针刺软组织过程的仿真模型，在手术前分析 预测出植入针需要的刺入力值和软组织中目标点的变形量。以此为依据制定一份 行之有效的术前规划，可在一定程度上提高手术的精确性，减少误差，提高粒子 植入手术的可靠性。 仿真模型的建立主要分为建立几何模型、建立物理模型、求解计算几个部分， 其中，物理模型的加载和求解算法的选择对整个模型的准确性有决定性的影响。 建立物理模型包括材料本构模型的选择、接触算法的选择、约束条件与载荷的添 加，网格划分类型等几个方面。 由于软组织特殊的材料性能，整个模型分析属于高度非线性问题，所以需要 采用a b a q u s6 7 作为有限元分析软件。a b a q u s 被广泛地认为是功能最强的有限 元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂 的问题和模拟高度非线性问题。而且，a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，且使 用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出 来。a b a q u s 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型 的材料模型库。这些特点，为建立准确的仿真模型提供了有利的软件支持1 2 2 1 。 本章主要从几何模型的建立方法、物理模型的选取、求解计算的方法几个方 面展开。详细分析介绍了材料本构模型的选择、接触算法的选择、约束条件、求 解计算方法等几个关键因素，并对模型效果进行评价，提出改进的方案。 2 2 几何模型的建立 在a b a q u s6 7 环境下建立几何模型主要有两种方法，一是利用软件中p 撕 功能模块，依照所需模型的几何形状建立；另一种方法是在其他的三维建模软件 9 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 中建立好模型，导入到a b a q u s 中，a b a q u s 和其他软件有良好的兼容性，p r o e ， s o l i d w o r k s ，m i m i c s ，u g 等软件中建立的模型都可准确的导入到a b a q u s 中进行 进一步分析。 2 2 1m i m i c s 建模 m i m i c s 导入建模是指在m i m i c s1 0 0 1 中利用m r j 图像建立三维模型，然后 导入到a b a q u s 中作为几何模型进行下一步分析。这是一种利用医疗成像设备得 到的医学影像建立模型的方法。医学影像可全面准确再现比较细微或复杂的结 构，且表现的形态、结构完整，数据精确。这种方法的优点是扫描断面和影像间 的差异小，获得的信息全面准确，可以表达复杂的实体结构；扫描无创伤，不损 坏实体结构，保存了结构的完整性；易将每一组二维信息定位，便于三维重建； 数据和图像信息可重复使用；便于图像的分割和力学参数的应用；分辨率高，并 且可以根据不同要求进行不同密度的扫描，对于重点研究区域可以采用小间距进 行扫描，而非重点区域可采用较宽间距进行扫描，以简化操作。建立的三维模型， 不但可以进行模拟力加载，通过对比分析应力分布模式的改变，为临床应用提供 指导；而且还可以为后期进行实验应力研究打下了良好的基础1 2 3 - 2 6 】。 m i m i c s 是m a t e r i a l i s e 公司开发的交互式的医学影像控制系统，即为 m a t e r i a l i s e si n t e r a c t i v em e d i c a li m a g ec o n t r o ls y s t e m 。m i m i c s 建立三维模型的方法 是利用导入的二维图像重建三维模型，可导入的二维图形格式有c t ，t e c hc t ， m 刚，和显微镜数据和d i c o m 格式。m i m i c s 是一套高度整合而且易用的3 d 图 像生成及编辑处理软件，它能对建立的三维模型进行编辑，然后输出通用的 c a d ( 计算机辅助设计) 、f e a ( 有限元分析) ，r p ( 快速成型) 格式。其中r p 格式文 件可用于制造组织的实体模型，以替代活体样本进行实验【27 1 。 下面以前列腺为例，详细介绍利用m i m i c s1 0 0 1 建立前列腺三维模型的方 法。前列腺是男性特有的性腺器官。前列腺形状如栗子，底朝上，与膀胱相贴， 尖朝下，抵泌尿生殖膈，前面贴耻骨联合，后面依直肠，所以有前列腺肿大时， 可做直肠指诊，触知前列腺的背面。前列腺腺体的中间有尿道穿过，上端横径约 4 c m ，垂直径约3 c m ，前后径约2 c m l 2 8 ，如图2 1 所示。在专用的图形工作站( 计 算机配置：i n t e lp e n t i u m4 ，2 g 内存，5 1 2m 显卡) 上进行图像处理。在m i m i c s1 0 0 1 软件环境下，将所得图像导入到m i m i c s 的内部工程之中。 选取患有前列腺癌的成年男性为被测试对象。被测者取仰卧位，髋部固定， 避免双腿移动。使用核磁共振仪对被测者盆腔进行薄层断面扫描，层厚为1 m m 。 得到断层影像1 1 3 张，每张影像宽为2 5 6 象素，长为2 5 6 象素，每象素的尺寸为 0 6 8 4 m m 。将所得到的图像以d i c o m3 0 医学数字图像通讯标准存储。针对目前 1 0 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 标准的d i c o m 文件格式，m i m i c s 提供了自动的导入功能 前列 移行 尿道 括约 图2 - 2m r i 图像导入到m i m i c s 中建立的三维模型 盯l t 厦 m i m i c s 会将提取的象素存放在一个m a s k 里，由于图像的质量不是很好，还 需要利用m i m i c s 提供一系列的工具，根据经验进行，对其进行手动编辑修改， 选取出较精确的区域，并使其表面平滑，从而易于提取所需的组织进行下一步的 操作。编辑好的m a s k 用来生成3 d 模型，这样就实现了2 d 断层扫描图片到三 维模型的转换。此时得到的三维模型表面较粗糙，不适于直接输出，所以要进行 面网格的划分，图2 - 2 为m r j 图像导入到m i m i c s 中建立的三维模型。 有限元分析的基础是将连续的实体离散为由有限个单元组成的模型进行求 解，所以得到的三维模型需要进行面网格的划分，并且其网格的质量对计算的结 果有重要的影响。不同的网格会针对不同的运算要求，同时衡量网格质量的标准 也有很多种。在m i m i c s1 00 1 里使用m a g i c s9 9 进行面网格的划分和相应的 优化。而且，针对基于断层扫描图片生成的面网格模型，m i m i c s 几乎提供了所 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 有的衡量标准，用以硷测面模型网格的质量。面网格的单元为三角片，使用这种 网格表达三维模型相对简单，并且针对这样的网格单元进行操作也很简单，图 2 - 3 为划分好的而网格效果图。 国2 - 3 面阿格划分效果国 面网格划分完成后的模型可以导出为通用的有限元前处理软件可以读入的 文件，本研究中使用的是a b a q u s67 ，所以在m i m i c s 中导出唧格式的文件。 在a b a q u s 中读入三维面网格文件，由于面网格的质量高r 可以快速进行体网格 划分。如图2 4 所示，_ - - 书- 点的面网格转化为三维四面体1 0 节点的体网格，生 成实体网格9 0 4 4 个，节点2 1 0 4 个。 图2 4 体网格划分效果图 利用在m i m i c s 建立模型然后导入到a b a q u s 的方法，由于以m r i 图像为基 础，所以建立的模型几何尺寸较精确。而且m i m i c s 中可输出r p 文件，利用快 速成型技术制作出相应尺寸的实体，作为后期实验对象。 但是，在m i m i c s 中建立的模型导入到a b a q u s 中模型为阿格部件( o r p h a n m e s h p a n ) 。阿格部件不包含特征信息即点、线、面、体等信息，只包含节点、单元、 几何等信息。这种模型在a b a q u s 中是无法修改几何尺寸、单元类型大小等参数 的，为模型修改带来了不便。在仿真分析的前期探索阶段，为了找到更适合的物 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 理模型，需要频繁修改模型以便找到最适合的方案。所阻，本研究中并未采用这 种方法而是在a b a q u s 中直接建立模型。 2 2 2p a r t 模块建模 在a b a q u s6 7 中，在p a r t 模块建立的模型是基于特征( f e a t u r e s b a s e d ) 的，特 征中包含了模型的几何信息、设计意图和生成规则，可实现参数化建模。这种方 法建立的模型可以很方便的修改几何形状、网格信息等，而且修改阕格时不必重 新定义材料、载荷和边界条件等。特别适合仿真分析前期探索阶段，易于随时调 整模型，找出适合的方案。所以，本研究采用这种方法建立几何模型口。 首先考虑前列腺的尺寸，上端横径约4 c m ，垂直径约3 c m 前后径约2 c m 为与后期的针刺实验相配台，将前列腺进行简化，为一边长为4 c m 的立方体。 粒子植入针是模型中的重要组成部分。图2 - 5 为粒子植入针的结构图。植入 针主要由两部分组成穿刺套针和内针，穿刺套针尖端锋利，内针为平头针。使用 时，穿刺套针经皮肤刺入病灶，内针将放射性粒子经套针内芯推入病灶内部。穿 刺套针外有刻度值供穿刺医生直观识别和掌握穿刺深度，避免发生意外。 在粒子植入手术中，通常采用1 8 g u a g e 的植入针进行手术其具体尺寸如表 2 - 1 所示。在仿真分析中，针的变形量并不是分析的重点，所以将植入针筒化为 一实心针，依照穿刺外针的外径尺寸建立模型，进行分析。 图2 - 6 为在p a n 模块下建立的模拟针刺软组织这一过程的几何模型。 图2 - 5 粒子植入针结构图( i - 穿刺套针2 - 内针) 墨：! 墼王要垒盐垦芏 外针外径1 2 7 0 m m 井针内径 外针长度 内针直径 内针长度 一 一，一 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 2 3 物理模型的建立 图2 - 6 针刺软组织几何模型 几何模型建立完成后，需要在此基础上建立相应的物理模型，来进行有限元 分析。物理模型主要包括材料本构模型的选择、接触算法的选择、约束条件与载 荷的添加，网格划分类型等几个方面。 2 3 1 材料模型 植入针采用金属材料，参数为密度p = 7 8 1 0 3 k g m 1 ，弹性模量 = 2 0 0 g p a ，泊松比“= 0 3 生物软组织的材料特性经过了很多年的研究，但至今没有一个较为完善的 模型，综合各种软组织实验的结果，软组织通常表现为不均匀性、各向异性、准 不可压缩性、非线性、超弹性等材料特性。但是在建立有限元模型时这些性质 很难都实现，因此必须对软组织材料模型进行必要的简化，本文中建立的模型基 于以下几个假设： l 软组织近似为均匀的材料，各项同性。 2 软组织的材料的模型采用超弹性本构模型。 3 假设材料接近不可压缩的。 本研究中采用m o o n e y o r i v l i n 超弹性本构模型，这种模型可以很好的描述材 料的变形情况，相对于其他本构模型参数较少，对于大变形问题可得到较好的近 似解，减少求解中不收敛的情况”。 一般的弹性材料其应力与应变呈线性关系可以利用弹性模量和泊松比来定 义材料的特性，而超弹性材料的应力和应变呈非线性在大应变时仍可保持弹性。 超弹性材料的应力与应变关系可通过应变能密度u 来表达，u 是变形张量不变 量，l 的函数 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 u = u ( ，l ，1 2 ，1 3 ) ( 2 一1 ) 由于假设材料为不可压缩的，所以1 ，兰1 。超弹性材料本构模型有很多，如 m o o n e y r i v l i n ，o d g e n ，b o g e n 等，本研究中采用的是m o o n e y - r i v l i n 两参数材 料模型，因为相较于其他模型，m o o n e y 。r i v l i n 本构模型参数较少，且能相对准 确描述材料特性，其应变能密度可表达为 u = c 1 0 ( ，l 一3 ) + c o l ( ，2 3 ) ( 2 - 2 ) 其中，c l o c 0 。为材料性能参数，在a b a q u s 环境中，要定义m o o n e y - r i v l i n 材 料模型，只需定义c 。，c o 。两个参数即可。 令x 为模型上某一定点的原始坐标，x 为该点的现时坐标，则该点的变形梯 度f 可表示为 ，= ( 2 - 3 ) 砑j 、7 c a u c h y g r e e n 应变张量为 c = f r f ( 2 - 4 ) 在超弹性材料本构中，某一定点) c 的应力张量只取决于该点的变形梯度。假 设材料性质为均匀的，各项同性的，所以x 点的位置对于机械性能没有影响。所 以，是变形张量不变量，。，j ，可表示为 i l = t r a c e ( c ) = c i i ( 2 5 ) ，：地2 一t r a c e ( c 2 ) ) ( 2 - 6 ) 在本文中，实验数据是通过拉伸实验的得到的，所测量的主要参数为力值f ， 伸长量址，样本原长厶，样本截面积a ，可得应力仃和伸长率五的值为 仃=jf(2-7) 仃= 五：a l + l 0 ( 2 - 一8 ) 以= 一 ( z ) 已知柯西应力的表达式为 矿：三，型f r ( 2 9 ) 其中，j = d e t f ，即f 的行列式。 利用应变能密度函数u 的偏导数来表示应力值的关系式为 删0 趴u ( 2 2 一舻篆( 兄一爿 p ，。， 根据m o o n e y r i v l i n 模型，可以得出 c 萨筹“。= 等 ( 2 - 1 1 ) 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研究 代入式( 2 10 ) 可得 一c ，。( 名一去) 坞( 五一砉) 陋 将实验中得到的整理后的数据代入进行计算可得到参数分别为 c 1 0 = 4 7 5 7 1 0 3 p a ，c o l = - 5 2 3 3 x 1 0 3 p a 。 2 3 2 接触分析 本研究中的接触问题是一种典型的接触非线性问题。接触问题的非线性既有 由接触面积变化而产生的非线性以及由接触压力分布变化而产生的非线性，也有 由摩擦作用产生的非线性。本文中为接触体的变形引起的非线性问题。接触体的 变形和接触边界的变化使得部分边界条件随加载过程而变，且不可恢复，同时由 于软组织材料和形状的特殊性，还伴随材料非线性和几何非线性，这给计算过程 的带来了很大的困难。所以选择适当的接触算法对于得到相对准确的仿真结果有 重要影响。 在a b a q u s e x p l i c i t 中提供了两种模拟接触相互作用的算法，通用接触算法 ( g e n e r a lc o n t a c t ) 和接触对算法( c o n t a c tp a i r ) 。通用接触定义方法简单，通用性较强。 而接触对算法对于接触表面的类型有比较严格的限制，多用于某些特定分析中。 目前，分析中广泛采用的是通用接触算法，本研究中也采用的是这种方法1 3 1 | 。 通用接触问题求解的原理是首先将相接触的两个表面分为主表面( 其中的单 元为主单元，节点为主节点) 和从表面( 其中的单元为从单元。节点为从节点) 。分 析中，每一时步先检查各个从节点是否穿透主表面，没有穿透则对该从节点不作 任何处理，其大小与穿透深度、主片刚度成正比。其物理意义相当于在从节点和 被穿透的主表面之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主表面的穿透。用公式 表示为 g = x y 一x ；”= 【x p + “；习】+ 掣”+ “；”】 ( 2 1 3 ) 其中，s 表示从属实体，m 表示主控物体，表示节点坐标，u ，表示节点位移。 g 表示主从节点之间的距离。当g 0 时，不存在接触问题。当g 0 时，接触或 侵彻就发生了，下一步要对g 为零或负值等节点施加约束条件。 施加约束的算法有很多，这里采用罚函数法，此方法求解较容易，而且根据 辨别给出的可接受结果参数值，进行适当调整。罚函数法的接触项为 1 7 = 喀2 ( 2 t 4 ) 其中，彭为罚参数，可把其看成为作用在每个节点上的“力以防止侵彻。对于 节点接触的单元，节点对的矩阵方程为 第二章针刺戟组织变形有限元仿真分析研究 匕- 。i c 脚d u j ) ，) - 臀 p 采用n e w t o n r a p h s o n 法对方程进行求解。 2 3 3 约束条件与载荷添加 前列腺处于人体的盆腔内，如图2 7 所示，前列腺形状如粟子，底朝上底 部与膀胱相贴，尖朝下抵泌尿生殖脯，前面贴耻骨联舍，后面依靠直肠和精阜口。 模拟前列腺在盆腔内的环境将替代前列腺的立方体，底部和后部进行全约束。 依据实验环境，针沿水平方向，垂直刺入软组织模型之中在此过程中，针保持 一个方向的匀速直线运动。植入针只能沿刺入方向运动，约束三个方向的转动和 其他两个方向的移动。完成约束条件添加的模型，如图2 - 8 所示。 直肠 精阜 泌屎生殖膈 2 3 4 网格划分 图2 7 人体盆腔结构图 圈2 - 8 完成约束条件添加的模型 膀胱 趾骨 前列腺 尿道 将建立好的植入针和软组织的模型进行网格划分。软组织采用八节点六面体 单元( c 3 d 8 r ) ，开启网格删除功能，共计15 6 2 5 个单元，1 7 5 7 6 个节点。为了简 化模型，提高运算速度植入针采用了于软组织相同的八节点六面体单元 ( c 3 d s r ) ，共计8 4 个单元，1 9 8 个节点。八节点六面体单元通过8 个节点来定 义，每个节点有3 个沿着x 、y 、z 方向的自由度，此单元具有超弹性、应力刚化、 弩 第二章针刺软组织变形有限元仿真分析研