機(jī)器人輔助柔性針穿刺系統(tǒng)導(dǎo)航方法研究.pdf

1、微創(chuàng)介入治療技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一門嶄新的醫(yī)療技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于活體組織病理檢查、器官藥物定向投送等。穿刺治療在微創(chuàng)手術(shù)中占有重要的位置，然而傳統(tǒng)手術(shù)的穿刺剛性針，受限于針體特性，只能進(jìn)行直線穿刺，對于很多復(fù)雜的手術(shù)無法實(shí)施。
　　本文采用鎳鈦合金特制的斜尖可控柔性針（簡稱“柔性針”）進(jìn)行穿刺。柔性針具有一定的柔性，利用進(jìn)針時(shí)組織對針尖斜面的側(cè)向作用力使針體產(chǎn)生彎曲，刺出弧線軌跡。它巧妙的利用針體的彎曲來避開重要的障礙物（如

2、神經(jīng)、血管、骨骼等重要器官），靈活、精確地達(dá)到傳統(tǒng)剛性針?biāo)鶡o法達(dá)到的靶點(diǎn)位置，減小手術(shù)創(chuàng)傷。本文以斜尖柔性針為研究對象，主要在柔性針視覺定位方法、柔性針的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法以及包含運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的柔性針路徑規(guī)劃方法等方面展開了研究。具體研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　首先，針對柔性針與組織的特性，分析了醫(yī)學(xué)影像學(xué)的各種設(shè)施，據(jù)此提出了前期試驗(yàn)采用雙目攝像機(jī)視覺定位、后期穿刺采用C型臂X光機(jī)（以下簡稱C型臂）視覺定位的遞進(jìn)方法。研究了兩種設(shè)

3、備的主要部件構(gòu)成和成像特性。在此基礎(chǔ)上，均依據(jù)線性攝像機(jī)模型，設(shè)計(jì)了標(biāo)定參照物，并由此完成了成像系統(tǒng)的標(biāo)定。此外，通過角點(diǎn)檢測技術(shù)對針尖進(jìn)行精確的定位。
　　其次，根據(jù)柔性針的特性、運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生機(jī)理，建立了描述柔性針運(yùn)動(dòng)的針體坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系，并給出了兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣;再結(jié)合現(xiàn)有的柔性針單輪車模型，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。在此基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有模型存在的誤差問題，根據(jù)對針體與組織特性的分析，并結(jié)合穿刺的實(shí)際數(shù)據(jù)，提出了帶

4、返程的單輪車改進(jìn)模型。通過穿刺實(shí)驗(yàn)對改進(jìn)模型的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。
　　再次，為了解決柔性針路徑規(guī)劃的關(guān)鍵問題，將柔性針運(yùn)動(dòng)學(xué)約束與動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法結(jié)合應(yīng)用于柔性針路徑規(guī)劃，同時(shí)適當(dāng)離散化工作空間與進(jìn)針策略，實(shí)現(xiàn)了對柔性針路徑的自主規(guī)劃。為了解決障礙物對進(jìn)針軌跡的影響，引入了障礙物模糊化的概念，有效的避免了觸及障礙物，同時(shí)優(yōu)化了路徑。通過仿真對路徑規(guī)劃算法的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。
　　最后是穿刺實(shí)驗(yàn)部分，以及對全文進(jìn)行總結(jié)和對下一步工