斜角柔性针的非均匀介质穿刺模型及针体实时监测研究

摘要

作为癌症早期诊断和治疗的主要手段之一，经皮穿刺术在活体组织检查、消融、近距离放射疗法和药物输送方面具有广泛的应用前景。目前，经皮穿刺术在临床上普遍采用刚性穿刺针，由于刚性针的穿刺路线是直线，导致无法完成面向复杂解剖结构的非直线穿刺任务。鉴于此，斜角柔性针由于可以在穿刺过程中实现非直线的复杂轨迹，得到了科研人员和临床医生的广泛重视。
　　近年来，随着对斜角柔性针研究的逐渐深入，研究人员发现了一些概念和思路上的不足，如单纯的依靠“针操控”容易出现组织伤害；仅依赖路径规划的柔性针穿刺无法实现状态反馈等。针对上述问题，本文在“针-组织”复合操控技术以及不借助于医学影像的柔性针体实时监测等方面开展了深入研究。
　　“针-组织”复合操控利用组织操控将目标病灶“推”、“挤”到相对简单的穿刺路径上，再利用柔性针操控获得成功的穿刺操作。这里，组织变为典型的非均匀材料，研究柔性针在非均匀介质内部的运动规律是此类操控方法的理论基础。本文分析了柔性针体在组织中运动的受力情况，获得到了力学模型中的关键参数即针尖力的侧向分力；另外将非均匀组织采用区域划分的策略划分为多个等效均匀组织，将组织对于针体的作用力等效为柔性基础中的弹簧支撑，最后采用Rayleigh-Ritz方法和最小势能原理求得弹簧支撑的刚度，作为力学模型的第二个参数。将两个参数代入模型，可以得到斜角柔性针的弯曲曲线。
　　传统医学影像设备识别柔性针穿刺轨迹的劣势在于精度不易保证且不利于系统集成，研究不依赖于医学影像设备的柔性针穿刺路径监测将会实现机器人辅助穿刺手术系统的闭环控制。本文提出在针体表面粘贴应变片，利用粘贴点处柔性针的应变信息拟合重建柔性针体曲线；并且分析了拟合误差的成因，提出了拟合误差的衡量标准，在此基础上完成了传感单元在针体上的布局策略研究，使之兼顾成本和辨识精度的双重要求。
　　最后，针对上述理论研究内容，在构建的实验样机上开展了实验验证研究。在非均匀介质穿刺试验中，通过实验手段获得两个关键参数，然后针对模型曲线和实际曲线进行实验验证；在柔性针体监测方面，针对给定的拟合误差，进行针体形状的实时监测实验研究，同时还对平面单双圆弧、空间圆弧、平面非圆曲线进行了实验验证。实验结果验证了本文提出理论工作的有效性，同时提出的方法为斜角柔性针穿刺操作提供了新的解决方案。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 斜角柔性针国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 斜角柔性针在非均匀组织中弯曲的力学模型

2.1 引言

2.2 针体偏转模型

2.3 基于“组织操控”的力学模型

2.4 模型参数获取

2.5 本章小结

第3章 斜角柔性针曲线形状实时监测

3.1 引言

3.2 曲率信息的获取

3.3 柔性针曲线拟合方法

3.4 曲线拟合误差分析及验证

3.5 离散点求解过程

3.6 误差的影响因素及相应措施

3.7 本章小结

第4章 实验系统构建及实验研究

4.1 引言

4.2 斜角柔性针在非均匀组织中偏转的实验研究

4.3 斜角柔性针的曲线形状实时监测实验研究

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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