静态力学特性测定技术在肿瘤手术中的概念验证：基于硅胶仿体的刚度成像与边界识别研究

《BMC Biomedical Engineering》：Proof of concept of a static approach to determine mechanical tissue properties during tumor surgery

本研究针对微创手术中无法直接触诊肿瘤边界的临床难题，开发了一种结合力学扫描与压痕技术的静态测量方法。通过球形压头对硅胶仿体（含肿瘤样硬质包埋体）进行力-压深测量，基于赫兹接触理论计算杨氏模量（Young's modulus）。结果显示：软材料模量误差仅6.7%，硬材料误差44.9%（源于压深视觉判定偏差），重复性标准偏差<7%。表面扫描生成的刚度图像可清晰识别包埋体形状，其识别能力优于外科医生手动触诊（p<10-6）。该技术为术中肿瘤边界定量定位提供了高精度、可重复的解决方案，尤其适用于耳鼻喉科与神经外科的微创手术场景。

　　

在肿瘤切除手术中，外科医生常依赖手指触诊来区分肿瘤组织与健康组织，因为肿瘤通常更硬。但在微创手术中，尤其是耳鼻喉科（ENT）和神经外科领域，医生无法直接触摸深部组织，这使得肿瘤边界的精准判定成为巨大挑战。现有技术如超声或光学传感虽能提供组织力学信息，但设备昂贵、数据处理复杂，难以在术中快速应用。因此，开发一种简单、快速且可靠的术中组织刚度测量工具，对实现“尽可能少切除健康组织，尽可能彻底切除肿瘤”的手术原则至关重要。

德国伊尔默瑙理工大学（Technische Universit?t Ilmenau）的Max J?ger团队在《BMC Biomedical Engineering》发表研究，提出一种基于静态压痕原理的力学特性测量方法。该方法通过球形压头对组织表面施加微小压痕，同步记录压力与压入深度，利用赫兹接触理论计算杨氏模量（Young's modulus），从而量化组织刚度。为验证可行性，团队制备了硅胶仿体（软质基体为Ecoflex 00-20，硬质包埋体为Shore A-30硅胶），模拟肿瘤与健康组织的力学差异。

关键技术方法

研究采用定制力学传感系统：5 mm直径球形压头连接单轴应变力传感器（Sauter CO 1-Y5），通过三轴线性平台控制压痕位置与深度（手动读尺）。力信号经放大后由LabVIEW采集，Python离线处理数据，按公式 E=F(1?ν2)?4R1/2δ3/23（ν=0.5）计算杨氏模量。验证实验包括对均质仿体重复测量（N=10）评估精度，以及对含圆柱形/星形包埋体的仿体进行线扫描与表面扫描，对比人工触诊结果。

研究结果

精度与准确性

软质材料（Shore 00-20）杨氏模量测量值为64±2 kPa，与文献参考值（51±9.54 kPa）相对误差仅6.7%；硬质材料（Shore A-30）测量值为631±4 kPa，较参考值（1145 kPa）误差44.9%，主要因硬材料对压深误差更敏感。重复性标准偏差均<7%，证明方法稳定可靠。

组织鉴别能力

线扫描显示，无论包埋体位于表面下1 mm或7 mm深处，其上方测量点的杨氏模量均显著高于软质区域（p<0.004）。例如，包埋体深埋时，软区模量56±12 kPa，硬区121±9 kPa（Cohen‘s d=-2.523）。表面扫描进一步通过2 mm网格生成刚度分布图，星形包埋体轮廓清晰可辨（图7），且内外区模量差异极显著（p<10^-6，Cohen’s d=3.311）。

与人工触诊对比

6名经验外科医生盲触含不同形状包埋体的仿体后绘制包埋体形状。结果发现，仅圆形包埋体被准确识别，而星形结构识别误差较大（图8）。相比之下，力学扫描图像能更精确还原包埋体几何特征，凸显技术优势。

结论与讨论

本研究验证了静态压痕技术在组织刚度定量化中的可行性。尽管硬材料模量测算存在系统误差（源于视觉接触点判读限制），但方法重复性高，且能有效区分不同刚度组织，甚至识别深达7 mm的包埋体。通过刚度成像，技术可提供比人工触诊更客观、精准的肿瘤边界信息。未来需解决以下问题：①开发多轴力/扭矩传感器以适应非垂直接触场景；②实现压深自动检测以提升精度；③在生物组织上验证技术适用性（需控制压深<>