機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用極為廣泛的微創(chuàng)手術，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，細長的柔性針可以較好地避開敏感區(qū)域（如血管、神經(jīng)等），并且對患者的損傷較小。由于在穿刺過程中，組織會發(fā)生變形，同時柔性針會發(fā)生變形，大大增加了針穿刺路徑規(guī)劃的難度。機器人輔助柔性針穿刺具有較好的穩(wěn)定性、準確性和安全性，有著良好的應用前景，其路徑規(guī)劃有著極高的研究價值和現(xiàn)實意義。本文深入研究了針穿刺過程中針和組織的變形機理，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，用于計算針穿刺過程的針和組織的變形。針模型采用了向量式有限元法，與ANSYS計算結果相比，其變形精度在0.5mm之內，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合起來，通過實驗測量得到穿刺力，進行分析計算，將穿刺過程分為了四個階段，并計算出相關力模型參數(shù)。本文在MATLAB中

3、編程實現(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，通過針-組織相互作用模型和迭代學習不斷調整針尖和目標靶點的偏差，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驗臺進行了實驗驗證。實驗結果表明，當穿刺深度為80

4、mm，穿刺過程無針體旋轉時，模型與實驗的最大誤差為0.4736mm，有旋轉的最大誤差為0.6279mm。對兩組典型的穿刺環(huán)境分別進行20次路徑規(guī)劃和穿刺實驗，針尖與目標靶點的平均誤差為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法對針模型參數(shù)、路徑規(guī)劃參數(shù)和迭代學習參數(shù)進行了敏感性分析，優(yōu)化了敏感性較高的參數(shù)。最后