機器人輔助柔性針穿刺系統(tǒng)導航方法研究.pdf

1、微創(chuàng)介入治療技術是近年來迅速發(fā)展起來的一門嶄新的醫(yī)療技術，被廣泛應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)手術中占有重要的位置，然而傳統(tǒng)手術的穿刺剛性針，受限于針體特性，只能進行直線穿刺，對于很多復雜的手術無法實施。
　　本文采用鎳鈦合金特制的斜尖可控柔性針（簡稱“柔性針”）進行穿刺。柔性針具有一定的柔性，利用進針時組織對針尖斜面的側向作用力使針體產生彎曲，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、血管、骨骼等重要器官），靈活、精確地達到傳統(tǒng)剛性針所無法達到的靶點位置，減小手術創(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、柔性針的運動學建模方法以及包含運動學約束的柔性針路徑規(guī)劃方法等方面展開了研究。具體研究內容包括以下幾個方面:
　　首先，針對柔性針與組織的特性，分析了醫(yī)學影像學的各種設施，據此提出了前期試驗采用雙目攝像機視覺定位、后期穿刺采用C型臂X光機（以下簡稱C型臂）視覺定位的遞進方法。研究了兩種設

3、備的主要部件構成和成像特性。在此基礎上，均依據線性攝像機模型，設計了標定參照物，并由此完成了成像系統(tǒng)的標定。此外，通過角點檢測技術對針尖進行精確的定位。
　　其次，根據柔性針的特性、運動軌跡產生機理，建立了描述柔性針運動的針體坐標系和世界坐標系，并給出了兩個坐標系之間的坐標轉換矩陣;再結合現有的柔性針單輪車模型，對實驗數據進行了擬合。在此基礎上，針對現有模型存在的誤差問題，根據對針體與組織特性的分析，并結合穿刺的實際數據，提出了帶

4、返程的單輪車改進模型。通過穿刺實驗對改進模型的有效性進行了檢驗。
　　再次，為了解決柔性針路徑規(guī)劃的關鍵問題，將柔性針運動學約束與動態(tài)規(guī)劃算法結合應用于柔性針路徑規(guī)劃，同時適當離散化工作空間與進針策略，實現了對柔性針路徑的自主規(guī)劃。為了解決障礙物對進針軌跡的影響，引入了障礙物模糊化的概念，有效的避免了觸及障礙物，同時優(yōu)化了路徑。通過仿真對路徑規(guī)劃算法的有效性進行了檢驗。
　　最后是穿刺實驗部分，以及對全文進行總結和對下一步工