柔性針穿刺軟組織變形機理及動態(tài)軌跡規(guī)劃方法研究.pdf

1、穿刺針是應用在一般活檢、局部麻醉、介入放射和近距治療等外科診療中最基本的微創(chuàng)手術器械。大量外科診斷、治療和研究都需要針穿刺到特定靶點，其中大多數(shù)穿刺靶點都集中在軟組織器官。靶點位置運動和針穿刺運動軌跡的不確定性而引起的穿刺靶點誤差嚴重限制了針刺手術的臨床應用。
　　本論文以柔性針精確穿刺動態(tài)靶點為目標，深入分析了柔性針與軟組織之間交互作用機理，提出了基于改進局部約束法的軟組織變形有限元模型，采用MATLAB程序包實現(xiàn)了穿刺過程組織

2、變形的二維仿真，實驗驗證了所提算法的有效性。將計算機實驗分析方法應用于軟組織內(nèi)部靶點和障礙物運動的實時預測，建立了基于Kriging元模型的組織變形預測模型，與有限元計算結(jié)果對比表明Kriging預測模型能夠克服有限元計算代價大的缺陷。利用機器人運動學理論建立了穿刺過程中柔性針運動學模型，描述了針座與針尖之間的運動傳遞關系，進而建立了以調(diào)整角為控制參數(shù)的針體逆運動學方程，實驗結(jié)果驗證了運動學模型的正確性。利用人工勢場概念定義了考慮靶點和

3、障礙物運動的廣義穿刺誤差，利用針體正逆運動學方程將組織變形動態(tài)環(huán)境下的軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為廣義穿刺誤差優(yōu)化問題，并提出了具體軌跡規(guī)劃算法，實驗驗證了動態(tài)軌跡規(guī)劃算法的可行性。
　　本論文共分六章，主要內(nèi)容簡述如下:
　　第一章，詳細介紹了計算機輔助軟組織針穿刺技術的研究背景和現(xiàn)狀，歸納出針穿刺誤差原因分類及表現(xiàn)。綜述了柔性針穿刺軟組織過程中針與軟組織相互作用機理、柔性針操控技術及穿刺運動規(guī)劃等方面的研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有組織變形

4、模型和軌跡規(guī)劃方法存在的挑戰(zhàn)。最后概述了本論文的主要研究內(nèi)容和目標。
　　第二章，在線彈性軟組織有限元模型和柔性針懸臂梁模型的基礎上，基于改進局部約束法建立了柔性針-軟組織耦合模型，將針節(jié)點上作用力關系融入到軟組織模型中。采用MATLAB軟件實現(xiàn)了針穿刺軟組織過程仿真。設計了與仿真條件相同的實驗環(huán)境，并通過在PVA假體內(nèi)部添加標識物來記錄節(jié)點位移情況，分析和比較了靠近針約束、遠離針約束和靠近邊界約束等三類節(jié)點位移的實驗和仿真結(jié)果，

5、平均誤差在0.50mm以內(nèi)。所提耦合算法可拓展適用于非線性非勻質(zhì)軟組織材料。
　　第三章，將計算機實驗分析和元模型方法應用于軟組織內(nèi)部靶點和障礙物運動的實時預測。介紹了Kriging元模型的基本原理和計算機實驗設計的拉丁超方格方法。建立了考慮軟組織和針材料性能參數(shù)、穿刺角度等11個變量的軟組織最大位移Kriging預測模型，分析了不同相關函數(shù)的預測性能和參數(shù)敏感性。建立了基于泛函響應的軟組織變形實時預測Kriging模型，分析了模

6、型對參數(shù)變化和時間指標變化的適應性能;與有限元仿真結(jié)果對比表明，Kriging實時模型預測相對殘差在35％之內(nèi)，可較好地反映組織變形規(guī)律。
　　第四章，在分析柔性針撓曲作用機理的基礎上，利用機器人運動學理論建立了斜角柔性穿刺針的正向和逆向運動學模型。采用準靜態(tài)思想，對撓曲針體分段研究，將穿刺過程分解為n個子過程，每個子過程針尖運動可分解為兩個旋轉(zhuǎn)運動和一個平移運動，利用D-H方法描述了針座與針尖之間的運動關系。搭建了運動學實驗平臺

7、，實驗結(jié)果表明運動學模型預測與實驗針尖偏移量誤差在0.80mm之內(nèi)，靶點穿刺誤差小于0.78mm，能夠符合柔性針在軟組織內(nèi)部的變形規(guī)律。
　　第五章，在討論針體逆運動學解存在性的基礎上，提出了無障礙和有障礙靜態(tài)環(huán)境下的針體軌跡規(guī)劃方法。利用歐式距離和人工勢場概念定義了考慮避障和中靶的廣義穿刺誤差，將動態(tài)環(huán)境下軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為穿刺誤差優(yōu)化問題，結(jié)合Kriging軟組織實時模型提出了動態(tài)軌跡規(guī)劃算法。實驗結(jié)果表明，所提出的靜動態(tài)軌跡