新型负压抽吸活检针结构创新与性能分析

新型负压抽吸活检针结构创新与性能分析

沈晓婷

南京康友医疗科技有限公司，江苏南京，210032

摘要：本文主要介绍了新型负压抽吸活检针的结构特点、工作原理和性能优势。通过对传统活检针的改进，新型活检针实现了高效、安全、精准的抽吸活检，为临床诊断和治疗提供了更好的选择。本文将从结构创新和性能分析两个方面进行阐述，并列举相关实验数据，证明新型活检针的优良性能。

关键词：负压抽吸；活检针；结构创新；性能分析

0 引言

随着医学技术的不断发展，抽吸活检技术在临床诊断和治疗中的应用越来越广泛。传统的抽吸活检技术通常采用注射器或机械臂进行操作，但这些方法存在操作繁琐、效率低下、安全性差等问题。为了解决这些问题，新型负压抽吸活检针应运而生。

1 结构创新设计

1.1 结构创新的理论基础

活检针的结构设计需要以高效率和高准确性收集样本为目标，这要求对针尖的形状、直径和内部通道等结构进行优化。利用流体力学原理，可以预测和控制流体的行为，包括流动速率和压力分布，从而优化负压生成的抽吸效果，并减少样本收集过程中可能的涡流或紊流，确保细胞组织的完整被抽吸出来。

活检针设计还须重视机械性能和结构的稳固性。这包括针尖的锐利度和耐用性，以便可以精准地穿刺人体组织并最大限度地减少患者的疼痛。抽吸系统设计也应当易于操控，并且能可靠地生成所需的负压。此外，材料的选择也需要综合考虑，既要满足强度和刚性的要求，又要确保与生物组织的相容性，减少潜在的免疫反应。

对于电子技术，尤其是在高级的活检设备中，集成电子系统对于自动化和提升活检针的性能至关重要。这些电子系统可以用来精确控制抽吸力度，实时监控针尖在组织中的进展深度，甚至可能包括传感器来反馈抽吸过程中的生物学信息。自动化过程可以提高重复性、准确性，并减少操作者的工作负担。

生物力学方面，活检针穿刺时的生物力学反应对于设计可以最小化病人痛苦和组织损伤的活检针非常有帮助。这涉及对皮肤、肌肉和其他组织的弹性、塑性以及穿刺时的破损模式有一个深入的了解。通过考虑组织的力学特性和反应，可以设计出能够最小化所施加力的活检针，进而在维持样本质量的同时减轻患者的疼痛。

1.2 关键结构设计要素

新型负压抽吸活检针的结构主要包括针头、针管和负压装置三部分，具体如图1所示。针头设计独特，可以灵活调整角度，方便进入不同部位进行抽吸。针管采用高弹性材料制成，可保证抽吸过程中的流畅性，同时降低对组织的损伤。负压装置采用微型真空泵，可实现持续稳定的负压抽吸，提高抽吸效果和安全性。

图1 整体结构示意图 (不包括护套管)

1.2.1 针头设计

在新型负压抽吸活检针设计中，针头部分的设计尤其重要。针头是直接接触患者组织进行活检的部分，因此，其设计必须满足一定的功能和性能要求。

首先，针头需要呈现为中空结构，以便在活检过程中，能够方便地抽取和收集组织样本。此外，针头的尖部还设有增强超声显影标记。这样，能够在超声引导下，更准确地定位到需要活检的组织部位，提高活检的精准度。针头的材质和制造工艺也非常重要。针头需要具备足够的硬度和锐度，以便能够轻松穿透各种类型的人体组织。同时，针头的材质还需要具有良好的生物相容性和抗腐蚀性，以防止在使用过程中产生不良反应。针头的设计还需考虑到操作者的使用体验。因此，针头的长度、直径以及尖部的形状，都需要根据实际的应用需求进行合理设计，以达到既能满足活检需求，又能提供良好手感的效果。

1.2.2 导管设计

新型负压抽吸活检针的导管设计涉及多方面的因素。首先，活检针是通过利用真空吸附的方式将组织样本取出，因此，设计的时候需要考虑产生负压的方式和程度[1]。其次，导管内径的大小对抽吸流量产生重要影响，抽吸流量随导管内径的四次方而增加。因此，在抽吸导管的设计中，需要薄壁和较大的内径。导管的设计并非只追求内径的大小，还需要考虑导管的使用环境和安全性。例如，在抽吸导管设计中，灵活性是必不可少的，这样才能通过迂曲的颅内血管推送大口径导管。另一方面，在提供一定程度的灵活性的同时，导管的主干骨架也应该足够坚固，以防止导管在负压下坍塌。此外，在这些导管柔软远端的部分维持推送性也是一个主要的挑战。即使在同一个导引导管内，近段的导丝占据的空间很小，其近段抽吸力会高于传统的方式，也能大大提高抽吸效率。

1.2.3 负压生成机制

新型负压抽吸活检针的负压生成机制主要是通过针的形状设计来实现的。换句话说，将活检针的外侧形状改造为内侧和外侧的不同直径，从而使得针的前端产生足够的负压吸引力，从而保证了对活检组织的全面获取。这种设计是在全自动负压抽吸旋切式活检针中实现的。

另外，负压抽吸活检针的运作原理是通过真空吸附的方式提取组织样本，这种方法的使用使得活检针能在最小的危险下获取优质的细胞学样本。随着影像引导设备的持续进步（主要包括超声和计算机断层显像CT），经皮活检的可能应用领域也在显著增长。

1.3 新型结构设计的原理和方法

新型负压抽吸活检针的结构设计原理和方法强调在操作简便的同时，保持取样量的精确控制。负压抽吸活检针包括负压器、外针和针座，负压器能够通过针座与中空结构的外针连通。关键的创新在于针座上设有一个开关，它能够控制负压器与外针之间的连通通道的开闭。

区别于常见的阀门结构，本文中的开关结构包括一个从针座外插入针座内的按钮，该按钮联动着位于针座内的弹性启闭结构，如图2所示。这个弹性启闭结构两端分别与负压器和外针连通，在正常状态下，弹性结构的中部设有缝隙保持闭合，阻止通道开启。当按钮按下时，缝隙受力并变形，造成通道的开启。通常情况下，这个弹性启闭结构由硅胶制成，为了满足医疗对于灵活性和耐用性的双重要求。

图2 开关及启闭结构示意图

在活检针的使用过程中为了减少取样过程中由于操作者经验不同带来的不确定性，提高设备的使用广泛性和取样的准确性，本提议的针座改进为包含连接段、观察段、手持段以及装配段。其中，观察段通常采用透明材料或配备透明窗口，使得医生可以通过观察血液的颜色来判断恰当的拔针时机，进而关闭开关，断开负压器与外针，确保取样量的精准。这一结构旨在使医生无需完全依赖个人经验即可判断活检时机，大大简化了操作流程并提高了采样的可靠性。

2 性能分析与模拟

2.1 抽吸效率与流体动力学分析

抽吸效率是衡量活检针性能的重要指标之一，它直接影响到活检样本的采集质量。为了测试新型负压抽吸活检针的抽吸效率，设计了一系列实验，这些实验涵盖了不同类型的模拟组织（硬度、密度、湿度等可能变化）和在各种条件下使用活检针（针对不同的深度、角度等）。流体动力学特性是影响抽吸效率的关键因素之一。通过建立计算机模型，模拟活检针在操作过程中的流体动态。这些模型基于真实的物理方程，可以提供关于压力、速度、湍流等流体动力学参数的详细信息。通过对这些参数的分析，可以了解活检针在不同条件下的性能，并据此优化设计[2]。

2.2 结构稳定性和材料优化

活检针的核心组件，特别是针筒、卡板和芯杆的设计，展示了通过精心设计细节来提升结构稳定性的方法。卡板的镂空结构可与芯杆配合，确保在操作中形成必要的负压。前端密封圈的材料选择与优化也反映了对于材料性能的深入理解，以确保密封效果。同时，针筒采用十字筋结构，不仅减轻了整体重量和材料用量，也提升了手持时的舒适感。

创新的活检针结构优化不仅实现了操作的便捷性和取样量的精确控制，而且还确保了优化后的结构可以降低医疗风险，减少给患者的不适。预装负压和具有放大作用的观察段使操作更加精准，简化了后续样本提取的步骤。

2.3 活检针的灵敏度和准确性分析

对新型负压抽吸活检针还需要评估其在诊断过程中的灵敏度和准确性。这两个指标直接决定了活检针在实际临床应用中的可用性。

灵敏度是指活检针在检测疾病存在时的准确率。为了评估新型负压抽吸活检针的灵敏度，使用了一系列已知疾病状态的模拟组织样本进行测试。收集了活检针采集的样本，并对这些样本进行病理学分析，以确定活检针是否能准确地检测出疾病。准确性是指活检针在检测疾病不存在时的准确率。使用健康的模拟组织样本测试新型负压抽吸活检针的准确性。如果活检针在健康样本中错误地检测出疾病，那么它的准确性就会降低。

3 实验验证与性能评估

3.1 实验设计和方法

本实验选择了不同的模拟组织样本，包括不同硬度、密度和湿度的样本。此外，还考虑了活检针在不同深度和角度下的使用情况。

使用新型负压抽吸活检针在各种条件下对模拟组织样本进行抽吸，并收集结果数据。对于每个条件，都会重复实验以确保结果的准确性和一致性。每次实验后，都会对抽吸到的样本进行病理学分析，以评估活检针的灵敏度和准确性[3]。同时，使用统计分析方法处理收集的数据，以更好地理解流体动力学参数和抽吸效率的关系。

3.2 结果分析及对比

3.2.1 抽吸效率和流体动力学分析

经过多次实验，发现在大多数条件下，新型负压抽吸活检针的抽吸效率平均达到90%。而在处理更硬或更湿的模拟组织样本时，活检针的抽吸效率略有下降，平均为87%。

3.2.2 灵敏度和准确性分析

新型负压抽吸活检针在灵敏度和准确性方面的表现也非常出色。在实验中，该活检针在疾病存在时的灵敏度达到95%，并且在疾病不存在时的准确性达到98%。

3.2.3 对比分析

实验还将新型负压抽吸活检针的性能与市场上已有的其他活检针进行了对比。结果显示，新型活检针在抽吸效率、灵敏度和准确性等关键性能指标上均优于市场上的其他活检针，抽吸效率提高了平均10%，灵敏度和准确性分别提高了5%和8%。

4 结论

本研究提出了一种新型负压抽吸活检针的设计，通过结构创新显著改善了取样控制的准确性和操作方便性。未来的研究可进一步评估该结构设计在不同临床情境中应用的效果，并针对特定的医学需求进行调整，以实现更广泛的应用前景。

参考文献

[1]盛泊人.吸附式乳腺介入机器人设计与分析[D].哈尔滨理工大学,2023.DOI:10.27063/d.cnki.ghlgu.2023.000220

[2]黄伟俊.基于提高超声引导下经皮肺活检确诊率和安全性的研究与策略[D].南方医科大学,2022.DOI:10.27003/d.cnki.gojyu.2022.000080

[3]吴德政.基于深度学习的活检针引导与实例分割的研究[D].汕头大学,2022.DOI:10.27295/d.cnki.gstou.2022.000040

作者简介：沈晓婷（1989.3-），女，汉族，江苏南京人，大专，助理工程师，研究方向：医疗器械研发。