[发明专利]多平面锥形针接触受力的建模方法

摘要

本发明公开一种通用的多平面锥形针接触受力的建模方法，属于生物力学领域。该方法根据软组织的弹性变形特点，推导得出多平面锥形针的接触受力。本发明的主要特征为：首先选取多平面锥形针为研究对象，根据弹性接触理论分析多平面锥形针与弹性组织的相互作用特点，建立多平面锥形针的接触模型；并对多平面锥形针的接触受力问题进行分析，通过参数变换，研究不同针尖外形平面锥形针接触受力的变化特点。因此本发明所提出的分析方法能够为平面锥形针针的外形优化，穿刺性能的改善提供指导依据。

主权项

1.一种多平面锥形针接触受力的建模方法，用以反映多平面锥形针对组织穿刺时的受力，该多平面锥形针为轴对称体，其特征在于，包括以下步骤：(1)将组织穿刺过程分为未穿刺阶段，接触变形阶段和刺穿后阶段；其中，在接触变形阶段，由于受到多平面锥形针的接触作用，弹性组织发生变形；(2)以多平面锥形针的穿刺方向为引导，建立空间直角坐标系；把多平面锥形针与弹性组织开始接触时的点作为坐标原点，以多平面锥形针穿刺弹性组织的方向为Z轴负方向，并以坐标原点作垂直于Z轴的平面为XY平面；(3)对多平面锥形针与弹性组织的接触变形分析，根据多平面锥形针的外形特点，当针与弹性组织发生接触作用时，弹性组织变形时的截面外形轮廓是由多条相同的双曲线包围而成；其中锥形针的成型平面数等于组织变形时截面外形轮廓中双曲线的条数；(4)设置多平面锥形针弹性接触模型的参数，包括多平面锥形针尖与组织的穿刺深度D；为针尖与组织的接触深度h；平面针的成型平面与针轴线的夹角即半顶角θ；多平面锥形针受到的法向力F；组织变形截面内原点到双曲线的最小距离a；组织变形截面内原点到双曲线的最大距离b；(5)根据对称体的平底压头和棱体压头接触问题，并采用功的互等定律原理建立得到多平面锥形针的接触模型，并推导得出多平面锥形针法向力F的表达式；(6)进行参数变换，当平面锥形针与组织发生接触时，组织变形截面内双曲线的弯曲程度随穿刺深度的变化而变化，由于双曲线的离心率在接触模型中不能直观表示，故定义a与b的比值为参数κ对多平面锥形针弹性接触模型进行分析；经过参数变换最终得到多平面锥形针的法向力随参数κ的变化特点。