機(jī)器人輔助柔性針穿刺的路徑規(guī)劃研究.pdf

1、針穿刺是一種在臨床上應(yīng)用極為廣泛的微創(chuàng)手術(shù)，主要用于活檢、局部麻醉和近距離放療等。相比于短粗的剛性穿刺針，細(xì)長(zhǎng)的柔性針可以較好地避開(kāi)敏感區(qū)域（如血管、神經(jīng)等），并且對(duì)患者的損傷較小。由于在穿刺過(guò)程中，組織會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)柔性針會(huì)發(fā)生變形，大大增加了針穿刺路徑規(guī)劃的難度。機(jī)器人輔助柔性針穿刺具有較好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和安全性，有著良好的應(yīng)用前景，其路徑規(guī)劃有著極高的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文深入研究了針穿刺過(guò)程中針和組織的變形機(jī)理，建立針-組

2、織相互作用模型，并在考慮針和組織的變形的情況下進(jìn)行針穿刺路徑規(guī)劃。
　　首先，為了保證路徑規(guī)劃的精度，建立了針-組織相互作用模型，用于計(jì)算針穿刺過(guò)程的針和組織的變形。針模型采用了向量式有限元法，與ANSYS計(jì)算結(jié)果相比，其變形精度在0.5mm之內(nèi)，而組織變形模型采用了有限元法。針-組織相互作用力模型將針和組織有效地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到穿刺力，進(jìn)行分析計(jì)算，將穿刺過(guò)程分為了四個(gè)階段，并計(jì)算出相關(guān)力模型參數(shù)。本文在MATLAB中

3、編程實(shí)現(xiàn)了針-組織相互作用模型。
　　遺傳模擬退火算法在穿刺空間規(guī)劃出不考慮組織變形情況下的初始路徑，通過(guò)針-組織相互作用模型和迭代學(xué)習(xí)不斷調(diào)整針尖和目標(biāo)靶點(diǎn)的偏差，直至偏差在可接受的范圍。本文提出的針穿刺路徑規(guī)劃方案是模塊化的，各個(gè)模塊的算法可以靈活更換，只要新的模塊符合本文所定義的格式即可。
　　為了驗(yàn)證針-組織相互作用模型和路徑規(guī)劃方案的精度和可行性，本文搭建了針穿刺實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)穿刺深度為80

4、mm，穿刺過(guò)程無(wú)針體旋轉(zhuǎn)時(shí)，模型與實(shí)驗(yàn)的最大誤差為0.4736mm，有旋轉(zhuǎn)的最大誤差為0.6279mm。對(duì)兩組典型的穿刺環(huán)境分別進(jìn)行20次路徑規(guī)劃和穿刺實(shí)驗(yàn)，針尖與目標(biāo)靶點(diǎn)的平均誤差為0.4586mm和0.3517mm，最大誤差為0.8555mm和0.7947mm(小于1mm)，且針軌跡未與障礙物碰撞。
　　本文涉及的模型參數(shù)眾多，利用PAWN法對(duì)針模型參數(shù)、路徑規(guī)劃參數(shù)和迭代學(xué)習(xí)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，優(yōu)化了敏感性較高的參數(shù)。最后