穿刺活检术，例如细针穿刺抽吸和空心针活检，用于提取组织样本进行诊断，获取更大的样本有助于更准确地诊断癌症。较低的穿刺针插入力、较小的针偏转以及组织与针表面之间的摩擦减少，也有助于提高活检过程的效率。本研究开发了一种具有改进抽吸机制的新型端切型同轴针，可实现对大块组织的微创提取。研究表明，内芯针与外针之间的间隙以及插入速度是影响活检性能（包括注射器摩擦力和提取的组织量）的关键因素。当以较低速度插入并使用外针与内芯针之间间隙较小的同轴针时，可以获得更大的组织样本（此处使用明胶和鸡胸肉作为样本）。对于固体样本（明胶），外针内部空间几乎完全被固体样本填充。对于包含固体（鸡肉）和液体成分的样本，较慢的针插入会导致更多液体而非固体的提取。为了获取更大的固体样本，需要采用高速针插入。本文介绍了该系统的设计与制造、评估穿刺活检术的方案，以及使用明胶和鸡胸肉作为组织样本对活检性能的评估。[DOI: 10.1115/1.4035688]
活检针，同轴针活检，穿刺针插入力，乳腺活检
对于评估可疑乳腺病变，开放性手术活检被视为标准初始诊断方法。然而，患者在诊断过程中面临严重并发症的风险。与手术活检相比，穿刺活检术被认为创伤较小。细针抽吸活检（FNAB）和核心针活检（CNB）是两种最常见的穿刺活检术 [1]。FNAB 使用连接注射器的细针（25–20G）从异常区域抽吸组织。CNB 则使用相对较大（20–14G）的同轴或三轴针，能够保留足够量的组织结构用于组织学分析。
由于 FNAB 针头较细，该活检过程比 CNB 创伤更小。然而，FNAB 仅适用于细胞学检查，并且需要经验丰富的细胞学家来正确解读结果 [2–6]。此外，FNAB 提供的样本常常不足，降低了诊断的敏感性和特异性，因而可能需要进一步的诊断过程，如 CNB 或手术活检，以获得更可靠的结果 [7–14]。
两种类型的针头，即侧槽针和端切针，通常用于 CNB。与侧槽针不同，端切针能够采集标本的完整核心[15,16]。然而，尽管端切针具有优势，但零活检率（未采集到组织的手术）较高一直是个问题[16]。1995年的一份报告指出，乳腺活检的零活检率高达73%[17]。通过延长针行程长度并使用大直径（14号）针头，可将零活检率降低至8%[17]。然而，使用较大尺寸的针头会增加并发症的风险。
Barnett等人提出了一种带有套管针（内芯针）回缩系统的针头，称为真空辅助端切活检针[18]。该系统通过将外针以平均速度290或535毫米/秒向前插入目标组织至所需长度，同时以高速（平均速度约为1290毫米/秒）将套管针向后回缩45毫米，在18号针头内部产生真空。据报道，当插入深度为60毫米时，使用真空辅助针获得的样本最大长度为15.7毫米，非真空辅助针为11.3毫米（样本均为猪肾）。真空有助于将组织吸入外针与套管针之间的空隙中。然而，最大效率（活检长度与针插入长度之比）计算为26%，且在较大真空空间中吸入的样本形状难以控制。
为了使用端部切割活检针提取较大且损伤最小的活检样本，活检系统应尽量减小针‐组织相互作用力，因为该力可能在活检过程中导致样本变形（如拉伸和压缩）。样本提取的主要机制应为平稳切割，而非抽吸。针头内套管与提取的样本之间不应存在额外真空空间，以免引起样本变形。为满足这些要求，提出了一种新型抽吸辅助端部切割同轴活检针系统[19]。在所开发的系统中，外针以恒定速度插入样本。外针通过移动的外针与静止内芯针共同作用产生的抽吸力来切割并固定样本。此外，该设计不会在针头内部产生任何额外空间。
本文描述了一种新型活检系统的原理以及为实现该原理而开发的设备。同轴针组件之间的间隙会影响抽吸效果。许多研究小组已对针插入（或切割）速度对针‐组织相互作用的影响进行了广泛研究；然而，由于组织特性[20,21]，这些研究结果尚无定论。为填补这一空白，本文描述了同轴针组件（外针和内针芯）之间间隙的影响以及穿刺针插入速度对针‐组织相互作用力和活检性能的影响。使用组织模拟体（明胶）和鸡胸肉评估活检性能。分析相互作用力的组成部分有助于了解活检过程中施加力的分布以及组织提取机制。
原理与同轴针组件
图1展示了吸力辅助端部切割同轴针活检系统的原理。活检过程包括四个步骤：插入、切割、固定和提取。如图1(a)所示，同轴针组件（下文简称为同轴针）被插入到可疑区域（病灶）中的目标位置。到达该位置（x = 15，见图1(a)）后，仅外针以恒定速度向前移动，进行切割组织（图1(b)）。内针芯保持静止。在切割过程中，注射器内会产生真空。该真空有助于将提取的样本固定在外针内部。
一旦外针停止，便在活塞柄与注射器筒体之间放置一个阻块，以锁定活塞（图1(c)）。当同轴针回撤并移除时，从患者体内提取样本，完成操作过程（图1(d)）。
图2显示了同轴针组件的照片。在本研究中，外针由18号（1.27毫米外径，1.14毫米内径）316不锈钢毛细管制成。将毛细管切割成100毫米长段，管的一端加工成20度斜面双刃结构。外针与20毫升注射器筒身（鲁尔锁接头，BD公司）组装。内芯针由304不锈钢棒（127毫米长）制成，棒材直径分别为0.94、0.99、1.04和1.09毫米四种规格，以调节内芯针与外针之间的间隙。同轴针间隙如表1所示。内芯针的一端为锥形尖端，斜角为20度，内芯针固定在注射器活塞杆上。每个同轴针的内芯针均与外针组装在一起。
表1 同轴针间隙
吸力辅助端部切割同轴针活检系统
图3显示了所开发的同轴针活检系统的照片。连接到注射器筒体的外针固定在注射器柄上。内芯针固定在推杆固定架上，该固定架连接至阻挡块。一个线性平台（NRT150，Thorlabs公司）配合步进电机控制器（APT，Thorlabs公司）用于控制同轴针在水平方向上的插入速度和位置，精度为2μm。行程范围为150毫米，最大速度为10毫米/秒。
活检测试样本填充于组织管（80毫升聚丙烯管）中，并将管子固定在管架上。在活检测试过程中作用于同轴针上的力由粘贴在悬臂梁上的应变片（KFG‐2N‐120‐C1‐11，协和电子）检测，并通过动态数据采集软件（DCS‐100A，协和电子）记录，如图3所示。
组织模拟体制备
本研究使用明胶作为组织模拟体。将7克明胶粉末均匀撒入50毫升去离子水中，静置5分钟。明胶溶液与另外50毫升去离子水分别用微波炉加热30秒。随后将加热后的溶液混合，持续搅拌2分钟，然后倒入圆柱形容器中。这些容器在室温下冷却1小时。样本随后用实验室保鲜膜覆盖以最小化水分蒸发，并在冷藏条件下保存24小时。为准备测试，将固化样本从冰箱中移除并在室温下放置1小时。明胶样本的测量密度为1.12 g/cm³，弹性模量测得为19.8 千帕。
实验协议
实验条件如表2所示。内芯针尖端刚好接触组织管中明胶的位置被视为原点（x = 0毫米）。同轴针以设定的插入速度（1 毫米/秒至10 毫米/秒）插入明胶中。在x = 15毫米处，内针芯停止前进，仅外针继续向前移动至x = 40毫米。在x = 15毫米到x = 40毫米之间，样本被切割并储存在外针内部。用于储存样本的外针圆柱部分长度为21毫米长。在外针到达x = 40毫米处停止后，在注射器筒体和推杆之间插入一个阻块，随后将同轴针组件（外针和内芯针）以与插入速度相同的速度回撤至原始位置（x = 0毫米）。使用内芯针将提取的样本从外针中推出，并放置于培养皿上进行进一步评估（重量和长度测量）。每次针插入后，手动旋转组织管至新的插入位置。使用去离子水清洁同轴针。每组实验均准备装有明胶的新组织管、新的同轴针和新的注射器。每种条件重复五次。
在这些条件下，未观察到零活检。图4展示了明胶活检样本的示例照片。样本长度L（图4(a)）使用数字卡尺（10μm分辨率）进行测量。观察发现，当使用针间隙较大的同轴针（采用直径为0.94和0.99毫米的内芯针）时，偶尔会形成头部结构（图4(b)）。该头部结构是在明胶样本的一端被卡在相对较大的针间隙中时形成的。而使用针间隙较小的针头（直径1.04和1.09毫米的内芯针）时，则不会形成头部结构。
由于所采集的样本应保持原始组织结构以进行组织学分析，因此在测量样本长度时，未将碎片和头部结构计入。
表2 实验条件
图4 组织模拟体样本的照片：（a）无头部结构的样本和（b）有头部结构的样本
同轴针间隙和针插入速度对活检性能的影响
图5显示了样本长度和重量随内芯针直径（即同轴针间隙）的变化情况。随着同轴针间隙的减小和插入速度的增加，样本长度和重量均有所下降。在使用0.94毫米和0.99毫米内芯针的情况下，头部结构未计入测量长度中，导致样本长度较短（17–20毫米）。而在使用直径为1.04毫米和1.09毫米内芯针的情况下，平均样本长度为21–23毫米，并几乎充满外针。
如图5(b)中的重量测量结果所示，使用直径为1.04毫米和1.09毫米的针芯提取的样本平均重量介于21毫克和24毫克之间。根据先前测得的明胶密度，可计算出直径为1.14毫米（外针内径）的明胶圆柱体长度：21毫克质量对应的长度为18毫米，24毫克质量对应的长度为21毫米。这些计算长度与测得的样本长度相符，表明样本被完整地提取出来。
样本重量随着套管针直径的减小（即针间隙增大）而降低，这是由于负压抽吸效应减弱所致。此外，随着针插入速度的增加，样本重量也趋于减少：在较高的插入速度下采集到的样本略小。当外针插入样本时，针头会变形、拖拽并切割样本。当外针停止在x = 40mm位置时，样本立即发生松弛。当同轴针开始向后移动时，明胶的运动部分被拉伸，并最终在针尖附近与静止的明胶分离。在此条件下，针插入速度与回撤速度相同。在较高的针回撤速度下，样本在更高的应变率下发生断裂。该现象可能影响了提取的样本长度。
同轴针活检中的抽吸辅助
为了验证所开发的同轴针在活检性能中抽吸辅助的效果，使用带有十个孔（ø1.5毫米）的注射器筒体进行了活检性能测试，如图6所示。该注射器筒体上的孔允许空气通过，同时外针向前移动。这可以防止在注射器筒体内产生真空（图1(b)）。结果与使用吸力辅助端部切割同轴针的情况进行了比较（图4和5）。所用的实验条件与表2中所示相同。每种条件重复五次。
图6 消除抽吸辅助的注射器筒修改照片
图7显示了使用带孔注射器采集的代表性组织模拟样本的照片。在大多数采集的样本中观察到了碎片、头部结构和其他几何缺陷（图7(a)）。此外，采集的样本直径沿其长度方向有所变化。一些样本已断开。对于外针中采集的样本的测量，所有样本碎片均被收集。重量测量时考虑了所有碎片。然而，如“实验协议”中所述（图4(b)），头部结构在长度L的计算中被排除（图7(b)）。
非零活检率的计算方法为：无论样本的形状和大小如何，采集到的样本数量除以活检尝试的总次数。图8显示了在无抽吸辅助情况下，非零活检率与内芯针直径之间的关系。结果显示，非零活检率与内针直径或针插入速度均无直接相关性。
只有在内芯针直径为1.09毫米、插入速度为10毫米/秒的条件下，非零活检率达到100%。相较于其他情况，外针与内芯针之间更小的间隙以及更快的进针速度有助于将样本固定在外针内部。然而，如图7所示，所采集的样本均受到损坏。
图8 在无抽吸辅助的情况下，非零活检率与内针直径之间的关系
图9显示了采集的样本长度和重量范围（最大值与最小值之差）与内芯针直径之间的关系。与图5(a)中所示的抽吸辅助系统采集的样本长度（17–23毫米）相比，采集到的样本明显更短（2.5–12毫米）。如图9(b)中的重量测量结果所示，平均重量介于1.49毫克至6.09毫克之间。当内芯针直径为1.04毫米、针插入速度为10毫米/秒时，获得了最大的样本（长12毫米，质量6.09毫克）。根据明胶样本的测量密度（1.12克/立方厘米³），可计算出直径为1.14毫米（外针内径）的明胶圆柱体长度：6.09毫克样本对应5.3毫米，13.7毫克样本对应12毫米。这些实验表明，在没有抽吸的情况下，很难将同轴针切割的组织模拟体有效保留在外针内部。
图10展示了活检测试过程中遇到的力的组成部分。如公式(1)所示，总力 Ft 由针头尖端的切割力 Fc、组织与外针内壁之间的摩擦力 Fi、组织与外针之间的摩擦力 Fe、同轴针之间的摩擦力 Fn 以及橡胶活塞与注射器筒体之间的柱塞摩擦力 Fp 组成。注射器摩擦力 Fs（公式(2)）是摩擦力 Fn 与柱塞摩擦力 Fp 之和。
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F_t = F_c + F_i + F_e + F_n + F_p quad (1)
$$
$$
F_s = F_n + F_p quad (2)
$$
图11展示了在活检过程中（使用明胶）以1毫米/秒的针插入速度插入带有1.09毫米直径内芯针时记录的总力 Ft 的典型曲线。如上所述，当同轴针到达 x = 15毫米位置时，内芯针保持在 x = 15毫米位置，而外层针继续向前移动并滑过橡胶活塞。图11还包含了柱塞摩擦力 Fp 和注射器摩擦力 Fs。Fp 是外针在无内芯针的情况下插入空气而非组织模拟体时的力。Fs 是同轴针插入空气而非组织模拟体时的力。力 Fp 在 x = 15 mm 后急剧增加；这是橡胶活塞密封件变形的结果。当外针在49 s 停留在 x = 40 mm 时，手动在活塞柄与注射器柄之间插入一个阻块以锁定活塞。然而，由于橡胶活塞与注射器筒体内表面之间的摩擦，橡胶活塞立即移动以恢复其变形。因此，柱塞摩擦力 Fp 和注射器摩擦力 Fs 在49 秒时下降，随后略有上升，最终降至零。
外针插入组织模拟体初期，由组织模拟体变形引起的应力集中与活塞摩擦力共同作用，导致总力 Ft 和注射器摩擦力 Fs 急剧增加。总力 Ft 持续增加，直到针头在 x = 40mm 处停止。当同轴针以恒定速度插入组织模拟体时，认为活塞摩擦力 Fp 保持恒定。针摩擦力 Fn 可通过从注射器摩擦力 Fs 中减去活塞摩擦力 Fp 计算得到，如公式(2)所示。在后续工作中，将使用在 x = 40 mm 处获得的最大力值对力的组成部分进行分析。
图12显示了柱塞摩擦力 Fp 与针插入速度从1到10mm/s之间的关系。柱塞摩擦力 Fp 随插入速度的增加而增加。在较高的针插入速度会使橡胶活塞被注射器筒体拖拽并发生更大变形。这会增加橡胶活塞与注射器内部之间的接触面积，从而导致活塞摩擦力 Fp 增大。
图13显示了在三种不同的针插入速度下，注射器摩擦力 Fs 随内芯针直径的变化情况。图14显示了计算得到的针摩擦力 Fn。当使用0.94毫米直径内针时，针摩擦力 Fn 可以忽略不计。这表明同轴针之间的间隙（0.1毫米）过大，无法在活检过程中于外针内产生抽吸效应。除了0.94毫米直径内芯针的情况外，在所有插入速度下，随着内芯针直径的增加（针间隙减小）以及插入速度的提高，注射器摩擦力 Fs 和针摩擦力 Fn 均有所增加。在进行活检测试之前，同轴针组件之间的间隙中存在空气。同轴针组件之间较小的间隙需要在它们之间的空气中施加更大的剪切应力才能产生相对运动。因此，随着针间隙的减小或针插入速度的增加，针摩擦力 Fn 以及注射器摩擦力 Fs 均随之增加。换句话说，针间隙的减小或针插入速度的增加促进了负压抽吸效应。
图14 针摩擦力随内针直径的变化
图15显示了总力与针‐组织相互作用力之差（Ft – Fs）与内针直径之间的关系，插入速度分别为1、5和10 mm/s。作为对比，活检测试在无内芯的情况下进行（即等同于细针穿刺抽吸）。在无内芯的情况下（Fn = 0），针头和明胶之间的相互作用力可被视为 (Ft – Fp)，并且在活检测试前外针内部含有更多的空气。无论针插入速度如何，这种情况采集样本所需的总力都高于使用内芯针的情况。此外，由于缺乏内芯针的支撑，提取的样本最终被吸回注射器筒体内，发生随机变形，难以取出进行测量。另外，在基于吸力的活检过程结束后移除针头时，明胶中留下了缺陷（图15(b)）。因此，内芯针的存在不仅降低了所需的针‐组织相互作用力，还有助于保持提取样本在针头内的良好形态。
使用内芯针时，针‐组织相互作用力 (Ft – Fs) 随着内针直径和针插入速度的增加而减小。内芯针直径越大，抽吸效应越强，从而促进样本提取，因此在内针直径较大的情况下所需的力更小 (Ft – Fs)。此外，更快的进针会导致所需的作用力降低。一项研究表明，随着切割速度的增加，组织的变形阻力（局部弹性模量）会降低 [22]。另一项研究 [23] 表明，穿刺针插入力随穿刺针插入速度的增加而减小。图15中的趋势与这些报告一致，总体结果表明，更小的针间隙和较低的插入速度可降低采集样本所需的力。
图16 改装用于鸡胸肉活检的系统
为了评估系统在真实非均匀组织中的可行性，使用新鲜鸡胸肉替代明胶组织模拟体。发现鸡胸肉样本的形状比明胶样本更不规则。纤维取向似乎通过影响拉伸和变形而对鸡胸肉样本的几何形状产生影响。因此，本研究固定了同轴针插入方向，将同轴针垂直于纤维取向插入鸡胸肉中。
图16显示了用于鸡胸肉活检的改进系统。首先用塑料薄膜覆盖鸡胸肉，并用三个软管夹固定。将固定的鸡胸肉放置在铝板上后，再用两条橡胶条将其固定。除组织夹具外，其余系统保持不变。使用在组织模拟体测试中抽吸效应最强的1.09毫米直径芯针，在不同插入速度下通过总力、总组织样本（鸡肉和液体）重量以及活检（鸡肉）重量评估鸡胸肉活检性能。为了测量总组织样本重量，实验前先称量整个同轴针组件（注射器、活塞、外针和内芯针）。每次活检测试后，测量系统连同针内提取的组织样本的重量。前后重量之差即为总组织样本重量。随后，将总组织样本从针头中推出，置于培养皿中进行活检重量测量。实际操作中，部分液体会残留在针与芯针之间的间隙中。仅称量活检样本（不包括液体）的重量。每种条件重复五次。
图17显示了代表性样本的照片以及插入速度对总样本重量的影响。测试中未观察到零活检情况。在插入速度为1毫米/秒时采集到的总重量最大的样本。然而，代表性的1毫米/秒固体样本长度最短，并且发现液体比例较高。在较低速度下插入时，由于插入时间较长，更多液体可能进入针头。在1毫米/秒时，更多液体占据了空间，导致收集到的固体样本较少。相比之下，以10毫米/秒的速度快速进针有助于收集更多的固体样本并减少液体。作为参考，在10毫米/秒的针头插入速度下，活检样本（鸡肉）的长度为7–11毫米。
在外部针头内部，x = 40 mm处（不包括20度斜面针尖部分）的空间被计算为21.4 mm³。在针插入速度为1、5和10 mm/s的情况下，总样本体积分别被计算为24.9 mm³、20.2 mm³和22.2 mm³。这表明外部针头内部的空间几乎完全被鸡胸肉样本占据。
图18显示了进针速度对鸡胸肉活检实验过程中力 (Ft – Fs) 的影响。随着针头插入速度的增加，力 (Ft – Fs) 减小。这与明胶情况下的趋势相似，尽管其力值低于明胶。这可能是因为在相同条件下，提取的固体样本（鸡肉）比明胶少。总体而言，本研究验证了所开发系统的可行性，并表明在高进针速度下使用该系统有助于在更佳条件下提取更多的固体样本。
一种新型的吸力辅助端部切割同轴针活检系统已开发并使用组织模拟体（明胶）和鸡胸肉对活检样本重量、样本长度和总力进行了评估。本研究获得的结果总结如下：
(1) 所开发的系统通过同轴针组件的同步切割与抽吸来获取样本，零活检率为0%。该机制有助于降低活检过程中的针‐组织相互作用力。
(2) 针‐组织模拟体相互作用力（Ft – Fs）随着内针直径和针插入速度的增加而减小。减小针间隙有助于增强抽吸效应，因此使用间隙较小的同轴针可以获得更大且形状更好的样本，并减少所需的力。提高针插入速度也有助于增强抽吸效应。然而，由于样本变形的影响较大，较快的针插入并不能实现大样本的提取。
(3) 使用非均质样本（即由固体和液体成分组成的鸡胸肉）进行的活检测试也显示出相同的趋势：较低的进针速度有助于样本采集。然而，提取的样本含有更多的液体和更少的固体。为了提高固体与液体的比例，需要更高的针插入速度。
