一种软组织生物力学参数测量方法及系统
阅读：160发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种软组织生物力学参数测量方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种软组织 生物 力 学参数测量方法及系统。方法包括：(1)将待测软组织夹持并固定于固定 夹板 内，并将所述固定夹板与测力仪固定连接；(2)通过 探头 控制手术刀片，沿预设走刀路径对所述待测软组织进行穿刺、切割操作；(3)通过所述测力仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及切割力曲线；(4)更新待测软组织，并重复步骤(1)-(3)，获取颌面部不同软组织的生物力学参数。本发明可以模拟真实手术过程中的切割过程，获取颌面部不同组织的刺破力、切割力等生物力学参数，为后续软组织力 触觉反馈 模型的构建奠定了 基础 。，下面是一种软组织生物力学参数测量方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种软组织生物力学参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测软组织夹持并固定于固定夹板内，并将所述固定夹板与测力仪固定连接；
(2)通过探头控制手术刀片，沿预设走刀路径对所述待测软组织进行穿刺、切割操作；
(3)通过所述测力仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及切割力曲线；
(4)更新待测软组织，并重复步骤(1)-(3)，获取颌面部不同软组织的生物力学参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定夹板包括：可拆卸连接的上夹板和一下夹板，以及连接所述下夹板与所述测力仪的多个固定套筒；
所述上夹板与所述下夹板之间形成容置区，用于容置、夹持并固定所述待测软组织，所述上夹板与所述下夹板的对应位置设置有穿刺开口以及切割开口，所述穿刺开口用于进行软组织穿刺操作，所述切割开口用于进行软组织切割操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括：通过五轴数控加工设备设置所述预设走刀路径，进而控制所述探头，进而控制所述手术刀片。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设走刀路径为：控制所述手术刀片先垂直切入所述待测软组织，刺破所述待测软组织并深入至目的组织层，之后控制所述手术刀片与所述待测软组织呈45度并进行水平向切割。
5.一种软组织生物力学参数测量系统，其特征在于，所述系统包括：探头、固定于所述探头上的手术刀片、固定夹板、与所述固定夹板固定连接的测力仪、以及数控装置；
所述固定夹板用于夹持并固定待测软组织；
所述数控装置用于通过探头控制手术刀片，沿预设走刀路径对所述待测软组织进行穿刺、切割操作，以及通过所述测力仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及切割力曲线。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述固定夹板包括：可拆卸连接的上夹板和下夹板，以及连接所述下夹板与所述测力仪的多个固定套筒；
所述上夹板与所述下夹板之间形成容置区，用于容置、夹持并固定所述待测软组织，所述上夹板与所述下夹板的对应位置设置有穿刺开口以及切割开口，所述穿刺开口用于进行软组织穿刺操作，所述切割开口用于进行软组织切割操作。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述上夹板和/或所述下夹板的靠近所述待测软组织的一面具有毛刺，用于固定所述待测软组织。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述手术刀片采用3D打印接头固定于所述探头上。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数控装置采用五轴数控加工设备。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述五轴数控加工设备通过可视化人机交互，设置所述预设走刀路径。
一种软组织生物力学参数测量方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种软组织生物力学参数测量方法及系统。
背景技术
[0002] 虚拟现实(virtual reality，简称VR)技术以其交互性、沉浸感、构想性在医学领域有 较大发展，并具有广阔的发展前景。利用VR技术可以进行手术教学、操作训练。为了实 现虚拟手术中的图像及力触觉反馈，软组织物理建模至关重要。
[0003] 为了建立符合生物力学特性的、实时、逼真的软组织模型，需要测量不同软组织相应 的生物力学相关物理参数，以实现软组织虚拟手术。软组织相应的力学相关物理参数的测 量需要通过构建软组织生物力学参数测量系统，并将手术刀片固定于探头上，进行软组织 的穿刺、切割，利用力传感器测量操作过程中的反作用力。
[0004] 由于生物软组织是各向异性、非均匀的粘弹性体，具有很强的时间依赖性和差异性， 当切割发生时边界条件非常复杂，很难从数学、物理的角度对其进行准确的建模，建立高 仿真度的物理模型一直是国内外学者研究的难题。且在手术切割过程中，组织位移、变形 较大，导致表皮或是肌肉纤维无法被切开，不符合真实手术中生理情况下的切割情况，故 无法模拟真实的手术操作过程。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于，针对现有技术存在的问题，提供一种软组织生物力学参数测量方 法及系统，可以防止待测软组织在切割过程中发生过大形变，实现模拟真实手术过程中的 切割过程，获取不同软组织的生物力学参数，为后续软组织力触觉反馈模型的构建奠定了 基础。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种软组织生物力学参数测量方法，包括如下步骤： (1)将待测软组织夹持并固定于固定夹板内，并将所述固定夹板与测力仪固定连接；(2) 通过探头控制手术刀片，沿预设走刀路径对所述待测软组织进行穿刺、切割操作；(3)通 过所述测力仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及 切割力曲线；(4)更新待测软组织，并重复步骤(1)-(3)，获取颌面部不同软组织的生物 力学参数。
[0007] 为了实现上述目的，本发明还提供了一种软组织生物力学参数测量系统，所述系统包 括：探头、固定于所述探头上的手术刀片、固定夹板、与所述固定夹板固定连接的测力仪、 以及数控装置；所述固定夹板用于夹持并固定待测软组织；所述数控装置用于通过探头控 制手术刀片，沿预设走刀路径对所述待测软组织进行穿刺、切割操作，以及通过所述测力 仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及切割力曲线。
[0008] 本发明的优点在于，本发明通过设定走刀路径，并采用固定夹板固定软组织，防止其 在切割过程中发生过大形变，可以模拟真实手术过程中的切割过程；所述固定夹板同时也 可在穿刺过程中增加软组织在实验中的稳定性。本发明可以获取颌面部不同组织切割时作 用力的大小，获取相应的刺破力、切割力等生物力学参数，为后续软组织力触觉反馈模型 的构建奠定了基础。附图说明
[0009] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0010] 图1为本发明软组织生物力学参数测量方法的流程图；
[0011] 图2为本发明软组织生物力学参数测量系统一实施例的结构示意图；
[0012] 图3A为本发明固定夹板的上夹板一实施例的结构示意图；
[0013] 图3B为本发明固定夹板的下夹板一实施例的结构示意图
[0014] 图3C为本发明固定夹板的固定套筒的立体结构示意图
[0015] 图3D为本发明固定夹板的固定套筒的主视图；
[0016] 图4为本发明固定夹板的下夹板另一实施例的部分结构示意图；
[0017] 图5A为皮肤的穿刺曲线；
[0018] 图5B为皮肤的切割曲线；
[0019] 图6A为肌肉的穿刺曲线；
[0020] 图6B为肌肉的切割曲线。
具体实施方式
[0021] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。本发明的说明书 和权利要求书以及附图中的术语“第一”“第二”“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对 象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可 以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包 含。本发明所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前、后、内、外、侧面等，仅是 参考附图的方向。以下通过参考附图描述的实施方式及使用的方向用语是示例性的，仅用 于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和 材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的应用和/或其它材料的使用。
[0022] 请参阅图1，本发明软组织生物力学参数测量方法的流程图。所述方法包括如下步骤： S11：将待测软组织夹持并固定于固定夹板内，并将所述固定夹板与测力仪固定连接；S12： 通过探头控制手术刀片，沿预设走刀路径对所述待测软组织进行穿刺、切割操作；
S13：通 过所述测力仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及 切割力曲线；S14：更新待测软组织，并重复步骤S11～S13，获取颌面部不同软组织的生物 力学参数。
S13：通 过所述测力仪获取并记录所述待测软组织的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线以及 切割力曲线；S14：更新待测软组织，并重复步骤S11～S13，获取颌面部不同软组织的生物 力学参数。
[0023] 进一步的实施例中，步骤S12进一步包括：通过五轴数控加工设备设置所述预设走刀 路径，进而控制所述探头，进而控制所述手术刀片。例如，利用HURCO VMX42五轴数 控加工设备，通过可视化人机交互，设置所述预设走刀路径，控制穿刺、切割操作。
[0024] 进一步的实施例中，在探头上开发了探头与手术刀片的连接装置，即利用3D打印接头 将手术刀片固定于探头上。
[0025] 进一步的实施例中，所述固定夹板包括：可拆卸连接的上夹板和一下夹板，以及连接 所述下夹板与所述测力仪的多个固定套筒；所述上夹板与所述下夹板之间形成容置区，用 于容置、夹持并固定所述待测软组织，所述上夹板与所述下夹板的对应位置设置有穿刺开 口以及切割开口，所述穿刺开口用于进行软组织穿刺操作，所述切割开口用于进行软组织 切割操作。通过所述固定夹板，可以很好的固定待测软组织，防止其在切割过程中发生过 大形变，从而可以很好的模拟真实手术过程中的切割过程；同时也可以在穿刺过程中增加 待测软组织的稳定性，利于有效获取软组织生物力学参数测量结果。
[0026] 进一步的实施例中，所述固定夹板采用的材料为白色光敏树脂材料，例如SLA工业级 白色光敏树脂，采用3D打印方式制备而成，以方便所述固定夹板的制备。
[0027] 进一步的实施例中，所述预设走刀路径为：控制所述手术刀片先垂直切入所述待测软 组织，刺破所述所述待测软组织并深入至目的组织层，之后控制所述手术刀片与所述待测 软组织呈45度并进行水平向切割。
[0028] 请一并参阅图2-图3D，其中，图2为本发明软组织生物力学参数测量系统一实施例的 结构示意图，图3A为本发明固定夹板的上夹板一实施例的结构示意图，图3B为本发明固 定夹板的下夹板一实施例的结构示意图，图3C为本发明固定夹板的固定套筒的立体结构示 意图，图3D为本发明固定夹板的固定套筒的主视图。
[0029] 如图2所示，所述系统包括：探头182、固定于所述探头182上的手术刀片183、固定 夹板180、与所述固定夹板180固定连接的测力仪181、以及数控装置184。
[0030] 所述固定夹板180用于夹持并固定待测软组织19；所述数控装置184用于通过探头182 控制手术刀片183，沿预设走刀路径对所述待测软组织19进行穿刺、切割操作，以及通过 所述测力仪181获取并记录所述待测软组织19的受力的大小及变化，从而得到穿刺力曲线 以及切割力曲线。
[0031] 进一步的实施例中，所述数控装置184采用五轴数控加工设备，利用五轴数控加工设 备，通过可视化人机交互，设置所述预设走刀路径，进而控制所述探头，进而控制所述手 术刀片。例如，利用HURCO VMX42五轴数控加工设备，通过可视化人机交互，设置所 述预设走刀路径，控制穿刺、切割操作。
[0032] 进一步的实施例中，在探头上开发了探头与手术刀片的连接装置，即利用3D打印接头 将手术刀片固定于探头上。
[0033] 进一步的实施例中，所述测力仪181采用Kistler9256C2精密切削力在线测量设备。
[0034] 进一步的实施例中，所述固定夹板180包括：可拆卸连接的上夹板11和下夹板12，以 及连接所述下夹板12与所述测力仪181的多个固定套筒13；所述上夹板11与所述下夹板 12之间形成容置区103，用于容置、夹持并固定所述待测软组织19，所述上夹板11与所述 下夹板12的对应位置设置有穿刺开口以及切割开口，所述穿刺开口用于进行软组织穿刺操 作，所述切割开口用于进行软组织切割操作。
[0035] 具体的，所述固定夹板180具有工作区101以及围绕所述工作区101的固定区102。在 对应所述工作区101内，所述上夹板11与所述下夹板12之间形成容置区103，用于容置待 测软组织19；在对应所述固定区102内，所述上夹板11与所述下夹板12之间紧固连接， 从而夹持并固定置于所述容置区103的所述待测软组织19；所述固定套筒13用于连接所述 下夹板12与测力仪181，从而将所述固定夹板180固定于所述测力仪181上。将所述固定 夹板180固定于所述测力仪181上后，即可采用固定于探头182上的手术刀片183，通过所 述穿刺开口进行软组织穿刺操作，通过所述切割开口用于进行软组织切割操作。本发明所 述固定夹板，可以很好的固定待测软组织，防止其在切割过程中发生过大形变，从而可以 很好的模拟真实手术过程中的切割过程；同时也可以在穿刺过程中增加待测软组织的稳定 性，利于有效获取软组织生物力学参数测量结果。
[0036] 进一步的实施例中，所述固定夹板180采用的材料为白色光敏树脂材料，例如SLA工 业级白色光敏树脂。
[0037] 进一步的实施例中，所述上夹板11、所述下夹板12以及所述固定套13分别采用3D 打印方式制备而成，以方便所述固定夹板180的制备。
[0038] 如图3A所示，所述上夹板11可以为矩形薄板，优选为圆角方形结构。在对应所述工 作区101内，所述上夹板11设置有穿刺开口111以及切割开口112，所述穿刺开口111用 于进行软组织穿刺操作，所述切割开口112用于进行软组织切割操作。
[0039] 进一步的实施例中，所述上夹板11的穿刺开口111包括第一子穿刺开口111a以及第二 子穿刺开口111b，相对设置于所述工作区101的两端。所述上夹板11的切割开口112包括 多个长条形子切割开口，分布于所述第一子穿刺开口111a与所述第二子穿刺开口111b之间。 优选的，在所述第一子穿刺开口111a与所述第二子穿刺开口111b之间，所述多个长条形子 切割开口均匀分布。
[0040] 进一步的实施例中，在对应所述固定区102内，所述上夹板11设置有多个固定孔113， 通过所述固定孔113采用固定件17进行所述上夹板11与所述下夹板12之间的紧固操作， 从而夹持并固定置于所述容置区103的所述待测软组织19。在本实施例中，所述上夹板
11 上的所述固定孔113的数量为4个，分别设置于所述上夹板11的4个顶角处。具体的，所 述固定孔113两两相对分别设置于所述上夹板11的穿刺开口111的两侧。可选的，所述固 定孔113为螺纹孔，所述固定件17为相配合的螺钉与螺母。
11 上的所述固定孔113的数量为4个，分别设置于所述上夹板11的4个顶角处。具体的，所 述固定孔113两两相对分别设置于所述上夹板11的穿刺开口111的两侧。可选的，所述固 定孔113为螺纹孔，所述固定件17为相配合的螺钉与螺母。
[0041] 在本实施例中，所述上夹板11采用圆角方形薄板，薄板的边长为150mm，厚度为5mm； 工作区101位于所述上夹板11中间，范围为120mm*120mm的区域。所述第一子穿刺开口
111a与所述第二子穿刺开口111b尺寸相同，均为长70mm、宽20mm的长方形开口。多个 长条形子切割开口的尺寸相同，均为长100mm、宽4mm的长条形开口，可根据工作区尺寸， 设置5-
10个子切割开口，例如设置7个。所述固定孔113的孔径可以为2-5mm，优选为3mm， 以更好的适配固定件。
111a与所述第二子穿刺开口111b尺寸相同，均为长70mm、宽20mm的长方形开口。多个 长条形子切割开口的尺寸相同，均为长100mm、宽4mm的长条形开口，可根据工作区尺寸， 设置5-
10个子切割开口，例如设置7个。所述固定孔113的孔径可以为2-5mm，优选为3mm， 以更好的适配固定件。
[0042] 如图3B所示，所述下夹板12可以为矩形薄板，优选为圆角方形结构。在对应所述工 作区101内，所述下夹板12设置有穿刺开口121以及切割开口122，所述穿刺开口121用 于进行软组织穿刺操作，所述切割开口122用于进行软组织切割操作。
[0043] 进一步的实施例中，所述下夹板12的穿刺开口121包括第一子穿刺开口121a以及第 二子穿刺开口121b，相对设置于所述工作区101的两端。所述下夹板12的切割开口122包 括多个长条形子切割开口，分布于所述第一子穿刺开口121a与所述第二子穿刺开口121b 之间。优选的，在所述第一子穿刺开口121a与所述第二子穿刺开口112b之间，所述多个 长条形子切割开口均匀分布。
[0044] 进一步的实施例中，在对应所述固定区102内，所述下夹板12设置有多个固定孔123， 通过所述固定孔123采用固定件17进行所述上夹板11与所述下夹板12之间的紧固操作， 从而夹持并固定置于所述容置区103的所述待测软组织19。在本实施例中，所述下夹板
12 上的所述固定孔123的数量为4个，分别设置于所述下夹板12的4个顶角处。具体的，所 述固定孔123两两相对分别设置于所述下夹板12的穿刺开口121的两侧。可选的，所述固 定孔123为螺纹孔，所述固定件17为相配合的螺钉与螺母。
12 上的所述固定孔123的数量为4个，分别设置于所述下夹板12的4个顶角处。具体的，所 述固定孔123两两相对分别设置于所述下夹板12的穿刺开口121的两侧。可选的，所述固 定孔123为螺纹孔，所述固定件17为相配合的螺钉与螺母。
[0045] 进一步的实施例中，在对应所述工作区101内，所述下夹板12还设置有多个连接孔124， 所述连接孔124靠近所述待测软组织19一侧的孔径小于远离所述待测软组织19一侧的孔 径，通过所述连接孔124采用所述固定套筒13将所述固定夹板180固定于所述测力仪
181 上。在本实施例中，所述下夹板12上的所述连接孔124的数量为4个，分别设置于所述下 夹板12的靠近设置有切割开口122的切割区域的两侧。具体的，所述连接孔124两两相对 分别设置于所述下夹板12的穿刺开口111与切割开口122之间。即，在第一子穿刺开口121a 与切割区域之间设置有其中2个连接孔124，在第二子穿刺开口121b与切割区域之间的相 对位置设置有另2个连接孔124。
181 上。在本实施例中，所述下夹板12上的所述连接孔124的数量为4个，分别设置于所述下 夹板12的靠近设置有切割开口122的切割区域的两侧。具体的，所述连接孔124两两相对 分别设置于所述下夹板12的穿刺开口111与切割开口122之间。即，在第一子穿刺开口121a 与切割区域之间设置有其中2个连接孔124，在第二子穿刺开口121b与切割区域之间的相 对位置设置有另2个连接孔124。
[0046] 在本实施例中，所述下夹板12与所述上夹板11的结构相同，也采用相同尺寸的圆角 方形薄板，工作区设置相同。所述下夹板12还包括所述连接孔124。所述连接孔124靠近 所述待测软组织19一侧的孔径为2-4mm，优选为3mm；远离所述待测软组织19一侧的孔 径为4-6mm，优选为5.5mm；从而更好的适配所述固定套筒13。
[0047] 如图3C-图3D所示，所述固定套筒13可以为具有渐变孔径的圆柱形套筒。深入所述 下夹板12的所述连接孔124内一侧的孔径D1小于暴露在所述连接孔124外一侧的孔径D2。 在本实施例中，连接在所述下夹板12与所述测力仪181之间的所述固定套筒13的长度L1 为8mm，深入所述下夹板12的所述连接孔124内一侧的孔径D1为3mm，暴露在所述连接 孔124外一侧的孔径D2为5mm。
[0048] 请参阅图4，本发明固定夹板的下夹板另一实施例的部分结构示意图。在对应所述工作 区101内，所述下夹板12的靠近待测软组织19的一面具有毛刺125，毛刺125的设置可以 更好的固定所述待测软组织19。在本实施例中，在120mm*120mm的工作区101中，阵列 分布多个直径为1.5mm，高度为1mm的圆锥形毛刺，从而使紧固于所述下夹板12上的待 测软组织19被进一步固定，进一步避免切割过程中待测软组织19产生较大形变，从而可 以很好的模拟真实手术过程中的切割过程，利于有效获取软组织生物力学参数测量结果。 需要说明的是，在对应所述工作区101内，所述上夹板11的靠近待测软组织19的一面也 可以具有毛刺，用于进一步固定软组织。
[0049] 以下结合测量结果对本发明软组织生物力学参数测量系统做进一步说明。
[0050] 请一并参阅图5A-图5B、图6A-图6B，其中，图5A为皮肤的穿刺曲线，图5B为皮肤 的切割曲线，图6A为肌肉的穿刺曲线，图6B为肌肉的切割曲线。
[0051] 本发明利用HURCO VMX42五轴数控加工设备以及Kistler9256C2测力仪构建了软组 织生物力学参数测量系统，利用3D打印接头将手术刀片固定于探头上，利用3D打印固定 夹板夹持并固定待测软组织并连接测力仪，从而模拟真实的手术操作。
[0052] 在手术切割过程中，手术刀片首先垂直切入软组织，刺破软组织，随后向下，待至目 的组织层，随后刀片改为与软组织呈45度，进行水平向切割。采用固定夹板固定软组织， 防止其在切割过程中发生过大形变，可以模拟真实手术过程中的切割过程；所述固定夹板 同时也可在穿刺过程中增加软组织在实验中的稳定性。利用测力仪获取不同软组织在整个 穿刺、切割过程中的受力大小及变化，从而得到穿刺力曲线、切割力曲线，如图5A-图5B、 图6A-图6B所示。
[0053] 采用本发明软组织生物力学参数测量系统，获取了颌面部不同组织(如皮肤、肌肉等) 切割时作用力的大小，也获得了不同软组织的刺破力、切割力等生物力学参数，为后续软 组织力触觉反馈模型的构建奠定了基础。
[0054] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本 发明的保护范围。
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