柔性针穿刺软组织变形机理及动态轨迹规划方法研究

摘要

穿刺针是应用在一般活检、局部麻醉、介入放射和近距治疗等外科诊疗中最基本的微创手术器械。大量外科诊断、治疗和研究都需要针穿刺到特定靶点，其中大多数穿刺靶点都集中在软组织器官。靶点位置运动和针穿刺运动轨迹的不确定性而引起的穿刺靶点误差严重限制了针刺手术的临床应用。
　　本论文以柔性针精确穿刺动态靶点为目标，深入分析了柔性针与软组织之间交互作用机理，提出了基于改进局部约束法的软组织变形有限元模型，采用MATLAB程序包实现了穿刺过程组织变形的二维仿真，实验验证了所提算法的有效性。将计算机实验分析方法应用于软组织内部靶点和障碍物运动的实时预测，建立了基于Kriging元模型的组织变形预测模型，与有限元计算结果对比表明Kriging预测模型能够克服有限元计算代价大的缺陷。利用机器人运动学理论建立了穿刺过程中柔性针运动学模型，描述了针座与针尖之间的运动传递关系，进而建立了以调整角为控制参数的针体逆运动学方程，实验结果验证了运动学模型的正确性。利用人工势场概念定义了考虑靶点和障碍物运动的广义穿刺误差，利用针体正逆运动学方程将组织变形动态环境下的轨迹规划问题转化为广义穿刺误差优化问题，并提出了具体轨迹规划算法，实验验证了动态轨迹规划算法的可行性。
　　本论文共分六章，主要内容简述如下:
　　第一章，详细介绍了计算机辅助软组织针穿刺技术的研究背景和现状，归纳出针穿刺误差原因分类及表现。综述了柔性针穿刺软组织过程中针与软组织相互作用机理、柔性针操控技术及穿刺运动规划等方面的研究现状，分析了现有组织变形模型和轨迹规划方法存在的挑战。最后概述了本论文的主要研究内容和目标。
　　第二章，在线弹性软组织有限元模型和柔性针悬臂梁模型的基础上，基于改进局部约束法建立了柔性针-软组织耦合模型，将针节点上作用力关系融入到软组织模型中。采用MATLAB软件实现了针穿刺软组织过程仿真。设计了与仿真条件相同的实验环境，并通过在PVA假体内部添加标识物来记录节点位移情况，分析和比较了靠近针约束、远离针约束和靠近边界约束等三类节点位移的实验和仿真结果，平均误差在0.50mm以内。所提耦合算法可拓展适用于非线性非匀质软组织材料。
　　第三章，将计算机实验分析和元模型方法应用于软组织内部靶点和障碍物运动的实时预测。介绍了Kriging元模型的基本原理和计算机实验设计的拉丁超方格方法。建立了考虑软组织和针材料性能参数、穿刺角度等11个变量的软组织最大位移Kriging预测模型，分析了不同相关函数的预测性能和参数敏感性。建立了基于泛函响应的软组织变形实时预测Kriging模型，分析了模型对参数变化和时间指标变化的适应性能;与有限元仿真结果对比表明，Kriging实时模型预测相对残差在35％之内，可较好地反映组织变形规律。
　　第四章，在分析柔性针挠曲作用机理的基础上，利用机器人运动学理论建立了斜角柔性穿刺针的正向和逆向运动学模型。采用准静态思想，对挠曲针体分段研究，将穿刺过程分解为n个子过程，每个子过程针尖运动可分解为两个旋转运动和一个平移运动，利用D-H方法描述了针座与针尖之间的运动关系。搭建了运动学实验平台，实验结果表明运动学模型预测与实验针尖偏移量误差在0.80mm之内，靶点穿刺误差小于0.78mm，能够符合柔性针在软组织内部的变形规律。
　　第五章，在讨论针体逆运动学解存在性的基础上，提出了无障碍和有障碍静态环境下的针体轨迹规划方法。利用欧式距离和人工势场概念定义了考虑避障和中靶的广义穿刺误差，将动态环境下轨迹规划问题转化为穿刺误差优化问题，结合Kriging软组织实时模型提出了动态轨迹规划算法。实验结果表明，所提出的静动态轨迹算法综合考虑了针体的操控性能和轨迹可行性，均可获得可行的柔性针穿刺轨迹。
　　第六章，归纳总结了本论文的主要研究工作，并对柔性针穿刺软组织的后续研究工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

插图

表格

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 针穿刺作用机理

1．2．2 柔性针操控技术

1．2．3 穿刺运动规划

1．3 研究目标和内容

1．4 论文的主要结构

第2章 软组织针穿刺有限元建模

2．1 软组织和柔性针建模

2．1．1 软组织有限元模型

2．1．2 柔性针悬臂梁模型

2．2 针-软组织交互作用力建模

2．2．1 穿刺过程作用力分析

2．2．2 针-软组织作用力建模

2．2．3 坐标系转换

2．3 针与软组织耦合模型

2．3．1 特殊条件下耦合模型

2．3．2 一般条件下耦合模型

2．3．3 耦合模型的解

2．3．4 仿真算法实现

2．4 仿真与实验

2．4．1 实验设备与材料

2．4．2 穿刺力实验

2．4．3 组织变形测量实验

2．4．4 仿真实验准备

2．5 结果与讨论

2．5．1 靠近针约束节点

2．5．2 远离针约束节点

2．5．3 靠近边界约束节点

2．6 本章小结

第3章 基于Kriging元模型的软组织运动模型

3．1 Kriging元模型基本原理

3．1．1 Kriging预测模型

3．1．2 回归函数和相关函数

3．1．3 计算机实验设计方法

3．2 软组织变形预测

3．2．1 输入输出数据准备

3．2．2 软组织变形Kriging模型

3．2．3 参数敏感性分析

3．3 泛函响应的Kriging模型

3．4 软组织变形实时预测

3．4．1 实时Kriging模型建立

3．4．2 软组织变形实时预测

3．4．3 Kriging实时模型的参数敏感性分析

3．5 本章小结

第4章 柔性斜角穿刺针运动学建模

4．1 柔性斜角穿刺针受力分析

4．2 柔性针运动学建模

4．2．1 针座运动描述

4．2．2 柔性针运动学

4．2．3 针尖位姿描述

4．3 针穿刺逆运动学

4．3．1 穿刺控制参数

4．3．2 穿刺针逆运动学方程

4．3．3 逆运动学的解

4．4 实验与分析

4．4．1 实验设备

4．4．2 实验步骤

4．4．3 实验结果

4．4．4 结果分析和讨论

4．5 本章小结

第5章 柔性针穿刺轨迹规划

5．1 针穿刺运动可达性

5．1．1 穿刺可达深度

5．1．2 穿刺可达半径

5．2 静态环境下针体轨迹规划

5．2．1 无障碍环境下轨迹规划

5．2．2 静态环境下轨迹规划

5．3 动态环境下穿刺轨迹规划

5．3．1 广义穿刺误差

5．3．2 动态轨迹规划

5．4 实验验证与分析

5．4．1 静态规划实验及结果

5．4．2 动态规划实验及结果

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文总结

6．1．1 柔性针与软组织交互作用有限元模型

6．1．2 靶点和障碍物实时预测模型

6．1．3 斜角柔性穿刺针操控和轨迹规划

6．2 研究展望

6．2．1 考虑更为接近真实组织材料的有限元模型

6．2．2 基于力视感知信息的动态轨迹规划策略

附录

参考文献

作者简历及在攻读博士学位期间的学术成果