柔性针软组织穿刺控制方法及实验研究

摘要

近年来，伴随着经济社会的持续发展和广大人民群众生活水平的不断提高，现代医疗科技也发生了巨大的改变。作为现代医疗技术的一种，穿刺术也受到了重视。穿刺术是在影像或其他传感方式的指引下将穿刺针刺入体内病灶，完成活体采样、局部麻醉和近距离放射治疗等的手术。目前穿刺术使用的基本是钢性针，易损伤穿刺轨迹上的血管和神经，且可控性较差。针对钢性针在应用中出现的问题，有学者提出了柔性针的概念。柔性针是由弹性较好的镍钛合金制成，直径较小。因此能够减少组织切口，降低手术不适，加快术后康复。还可以通过控制柔性针的针尾旋转角度完成曲线穿刺，从而达到避开血管和神经等区域的目的。相比于刚性针，柔性针具有以上优点，因此本文开展了关于柔性针穿刺技术的研究。 首先，分析已有的六自由度柔性针模型，通过降维处理得到平面非线性模型，再根据反馈线性化理论对其进行处理，得到平面线性模型。由于柔性针本身特性，摄像头可以获取针尖位置却无法获取姿态。因此，采用卡尔曼滤波对柔性针姿态进行估计，使用线性二次型最优控制方法设计闭环控制系统，最终控制柔性针在平面上穿刺。该方法中，实际的系统噪声和测量噪声均是未知的高斯白噪声，这会导致结果不精确。针对这个问题，考虑对测量噪声的均值和方差进行估计，采用了自适应卡尔曼滤波算法来估计针尖姿态。仿真结果证明，相比于前一种方法，后一种确实有所改进。 其次，由于采用了反馈线性化，忽略了非线性因素，这会影响到控制的精度。因此采用无色卡尔曼滤波对非线性模型中的柔性针姿态进行估计，并采用与前文一样的控制策略，最终控制柔性针在平面上穿刺。同样考虑对测量噪声的估计，采用自适应无色卡尔曼滤波算法估计针尖的状态。仿真和实验都证明了此两种方法确实可行。 再次，在穿刺过程中控制针尾的旋转角度和进针距离可以得到不同的穿刺曲率。根据柔性针穿刺的这一特点，分析了柔性针针尖在三维空间中的探测范围，采用了一种针尖三维控制方法。仿真和实验均验证了该三维控制方法的可行性和有效性。 最后，详细介绍了柔性针穿刺实验平台的各部分，阐述了针尖定位方法，初步研究了柔性针穿刺特性，并对本文提出的滤波方法和控制方法进行了实验验证。 综上所述，本文通过对柔性针穿刺控制方法的研究，控制柔性针在期望平面内穿刺，还提出了柔性针针尖在三维空间中的控制方法，并通过仿真和实验验证了这些方法。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2柔性针穿刺系统研究现状与趋势

1．2．1柔性针系统建模

1．2．2柔性针针尖导航定位

1．2．3柔性针穿刺路径规划

1．2．4柔性针穿刺控制方法

1．3论文主要研究内容

第2章基于线性估计的柔性针二维控制

2．1引言

2．2柔性针模型

2．3柔性针平面模型的反馈线性化控制方法

2．4基于卡尔曼滤波的线性二次型最优控制

2．4．1卡尔曼滤波算法

2．4．2线性二次型高斯最优控制

2．4．3仿真结果与分析

2．5基于自适应卡尔曼滤波的最优控制

2．5．1自适应卡尔曼滤波算法

2．5．2仿真结果与分析

2．6本章小结

第3章基于非线性估计的柔性针二维控制

3．1引言

3．2．1无色卡尔曼滤波算法

3．2．2仿真结果与分析

3．3基于自适应无色卡尔曼滤波的最优控制

3．3．1自适应无色卡尔曼滤波算法

3．3．2仿真结果与分析

3．4本章小结

第4章柔性针针尖三维控制方法

4．1引言

4．2．1穿刺范围的判断条件

4．2．2三维控制方法

4．3仿真结果与分析

4．4本章小结

5．1引言

5．2柔性针穿刺平台介绍

5．3柔性针针尖定位算法

5．4柔性针二维控制实验

5．4．1柔性针的穿刺特性

5．4．2基于UKF的滤波和控制

5．4．3基于AUKF的滤波和控制

5．5柔性针三维控制实验

5．6本章小结

第6章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要工作