近年来,恶性肿瘤已成为我国居民生命健康安全的头号杀手,恶性肿瘤的准确诊断对于预防和早期治疗都有着重要作用。目前,肿瘤的最终诊断仍然是细胞病理学分析,即取出疑似病变组织进行细胞病理学分析,诊断是否为恶性肿瘤。手术取样方法造成的创伤大、费用高,有时受病人身体状况限制不能实施,与此相比,穿刺活检取样方法操作方便,创伤更小,恢复更快,继发症更少。虽然穿刺活检具有诸多优点,但对医疗人员技术水平要求极高,加之目前活检取样装置落后,致使活检取样效率和精度较低。造成穿刺活检效率和精度较低的原因主要是取样过程中的切削阻力及摩擦力的作用引起的组织变形和活检针弯曲变形,因此减小穿刺过程中的切削阻力及摩擦力将有效提高活检取样精度和效率。本文以超声振动辅助组织取样过程中的摩擦力为研究对象,探究超声振动对取样过程摩擦力影响规律和减小摩擦力措施,研究成果对提高穿刺活检效率和精度具有十分重要意义。本文简要介绍了超声振动和摩擦学基础理论知识,并重点介绍了三种动态摩擦模型。将超声振动引入LuGre动态摩擦模型中并进行理论推导,得到了超声振动动态摩擦模型。该动态摩擦模型表明:摩擦力随超声振动频率、振幅的增大而减小;超声振动减小了穿刺过程中的库伦摩擦力,而对粘滞力没有影响;穿刺过程中的摩擦力与速度相关,速度增大,摩擦力线性增大。对无振动及附加超声振动两种情况的穿刺活检过程进行了运动学理论分析,理论分析结果表明:无振动时,活检针在穿刺过程中不会发生回退现象;附加超声振动后,当进给速度小于超声振动速度时,活检针在穿刺过程中会产生回退现象。自行设计制造了超声振动系统。对每种频率振子的振幅与电压的实际关系进行了实验测量,并绘制了振幅—电压曲线。该关系曲线显示:不同频率振子的振幅随电压增大基本成线性增大,增大速度随频率的增大而减小。搭建了超声振动对软组织穿刺过程中的摩擦特性影响实验台,设计了超声振动夹持装置、组织切削进给系统及数据采集系统。以猪肝和明胶为实验材料,通过实验验证了超声振动振幅对穿刺活检过程中摩擦力的影响。实验结果表明,超声振动振幅对新鲜猪肝和明胶两种材料具有相同的影响规律,即穿刺过程中的摩擦力都随振幅的增大而减小,且基本呈指数为-1的幂函数特性减小,从而证明了超声振动动态摩擦模型的正确性。以新鲜猪肝和明胶假体为实验对象,研究了超声振动频率对穿刺活检过程中摩擦力的影响。猪肝和明胶假体两种材料得到相似实验结果,即:附加超声振动后摩擦力大幅减小,随着振动频率增大摩擦力减小缓慢,通过拟合穿刺过程摩擦力数据得到了摩擦力与振动频率关系曲线,关系曲线显示,穿刺过程摩擦力随超声振动频率增大基本呈指数为负的幂函数特性减小。超声振动频率对穿刺过程摩擦力影响规律实验结果与理论分析结论基本一致。设计实验研究了穿刺速度对超声振动辅助穿刺过程中摩擦力的影响。利用Origin软件处理实验数据并绘制了摩擦力与速度关系曲线,关系曲线显示,是否附加超声振动,穿刺过程中的摩擦力均随穿刺速度的增大而线性增大,超声振动频率为30KHz时,其增大的速度随振幅的增大而降低,超声振动频率为40KHz时与30KHz时具有相同规律。通过设计正交实验研究了超声振动频率、振幅、穿刺速度对穿刺过程中摩擦力的影响规律。利用制表极差分析法和软件Minitab极差分析法分析实验数据,新鲜猪肝和明胶两种材料得到相同的分析结果,即:摩擦力随振动频率、振幅的增大而减小,随穿刺速度的增大而增大,且穿刺速度对穿刺过程中的摩擦力影响最大,振幅次之,振动频率影响最小,从而得到了超声振动辅助穿刺过程最小摩擦力的最优参数组合,即最小穿刺速度,最大振幅及最大振动频率。