基于虚拟裂纹扩展组织针穿刺的有限元仿真及分析

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针穿刺是指将细长的穿刺针刺入人体内的器官或脏器中提取人体内部的组织细胞或者在脏器靶点细胞范围内导入一些药物以实现医疗检测或者康复治疗的一种外科微创手术。主要应用于活检,近距放射治疗,局部麻醉等。穿刺精度直接影响治疗和诊断的有效性。根据影响针穿刺的主要影响因素:针的挠曲和组织的变形。我们采有限元模型按不同的穿刺状态,在每个状态中采用准静态的方法预测针的挠曲和组织的变形。在有限元计算的初始步骤中,假设组织是均质线弹性材料,因此,我们采用线弹性有限元的基本计算方法来建立组织的有限元计算程序。此外,我们还采用Quadtree在连续的组织内部插入有限个离散的节点,然后采用Delaunay三角化的方法,将离散点划分成离散的三角形网格。建立有限元模型中,针和组织是两个相互接触的独立个体。我们采用接触模型建立针和组织的相互作用关系。首先,在穿刺过程中,组织形成裂纹。Griffith裂纹扩展理论用来模拟组织的裂纹扩展行为。然后,根据接触原理针刺入裂纹。针和组织在针的法向上,由于组织对针的挤压,针产生挠曲;根据针的挠曲组织产生形变。这个过程最后通是通过计算组织和针的压力的Eular距离来判断平衡的。在针的切向上,针滑入组织,同时考虑针和组织之间摩擦力的影响。最后,针的切向相互作用停止的判断依据是:针尖的受力能达到切割组织的大小通过上述的建模方法,我们能够更精确地预测穿刺中针的路径。
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