主动式关节型针的磁导航装置及导航控制

摘要

活检针和穿刺针是微创外科手术中最基本、最常用的器械。常用的直针在由皮肤穿刺进入病变部位时，有时会造成较大的医源性损伤。在临床上，为了避开体内的重要血管、脏器、骨骼、神经和组织等，需要一种可靠的、可弯曲、可导航的活检针和穿刺针来执行切除、注射、刺激或培植等任务。
　　本课题组正是基于这一现状，提出了头节采用高磁导体材料做成的关节型针，可以在导航磁场作用下控制头节产生不同的偏转方向和偏转角度，从而使关节型针产生不同的弯曲，达到定位的目的。
　　在课题组已有成果的基础上，本论文主要完成了以下几个方面的研究工作:
　　1)通过分析导航过程所需磁力的大小，建立导航磁场模型。根据主动式关节型针头节的材料和组织预穿刺力的大小来确定在导航过程中所需磁力的大小。由此确立导航磁场所需永磁体的材料及体积，建立导航磁场模型。
　　2)导航磁场模型的仿真。不同的永磁体个数组成的阵列，中心磁场强度有明显的区别。同时，通过永磁体的旋转和永磁阵列的旋转改变导航磁场的方向，完成主动式关节型针的导航。
　　3)导航磁场的装置的设计。在仿真和验证实验后，根据所需磁力大小及方向，设计了导航磁场装置，并完成了简易磁场装置的制作。
　　4)对关节型针在不同导航力控制下穿刺进行了仿真。导航磁场可以通过改变磁力的方向或大小来改变导航力的大小及方向。分情况对导航力的改变进行了仿真和分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 活检针和穿刺针的发展

1．1．2 磁导航系统简介

1．2 相关技术研究现状

1．2．1 活检针和穿刺针的研究

1．2．2 导航磁场在相关领域的应用

1．3 课题研究的内容和意义

1．3．1 课题研究的主要内容

1．3．2 课题研究的意义

2 导航磁场分析及建模

2．1 磁场简介

2．1．1 磁场与人体

2．1．2 磁场产生方法

2．1．3 导航磁场

2．2 导航磁场分析

2．2．1 关节型针受力分析

2．2．2 磁力大小计算

2．2．3 磁体结构及阵列直径对磁场的影响

2．2．4 导航磁场材料选取

2．3 导航磁场建模

2．3．1 磁场的有限元分析方法

2．3．2 导航磁场模型的建立

3 导航磁场仿真

3．1 永磁体的旋转仿真

3．2 永磁阵列面的旋转仿真

3．3 永磁阵列面和永磁体同时旋转仿真

3．4 仿真结果分析

4 磁导航装置的设计

4．1 磁导航装置底盘及支撑杆的设计

4．2 永磁体的排列及固定

4．3 简易磁导航装置

5 主动式关节型针的磁导航控制

5．1 主动式关节型针的路径规划算法

5．2 障碍物与导航控制

5．2．1 磁力大小实现导航控制

5．2．2 磁力方向实现导航控制

5．2．3 磁力大小和方向实现导航控制

5．3 导航性能分析

5．3．1 导航模型建立

5．3．2 仿真结果分析

6 结论

7 展望

参考文献

9 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢