醫(yī)學(xué)超聲穿刺導(dǎo)航的實時定位及軟組織建模研究.pdf

1、超聲穿刺導(dǎo)航可以實時顯示穿刺針在組織內(nèi)的運動情況，為穿刺路徑選擇提供依據(jù)，是超聲輔助治療的重要手段，具有廣闊的發(fā)展空間。然而，現(xiàn)有超聲穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)存在著操作復(fù)雜、定位不精確、穿刺角度固定麻煩等問題，所以穿刺手術(shù)對醫(yī)生手法的依賴程度高，而且經(jīng)常需要進行多次穿刺。針對上述情況，本文提出基于電磁定位方式的超聲自由穿刺導(dǎo)航方法；并針對影響穿刺精度的關(guān)鍵因素--軟組織變形，采用有限元方法進行詳細的分析；最后基于便攜式超聲成像系統(tǒng)，提出自由穿刺導(dǎo)航

2、的軟硬件設(shè)計方案。具體研究內(nèi)容如下：
　　 1)超聲穿刺導(dǎo)航算法研究。本文根據(jù)超聲穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)的臨床應(yīng)用，分析現(xiàn)有系統(tǒng)的不足和各種定位方式的優(yōu)缺點，得出電磁定位系統(tǒng)具有定位準(zhǔn)確、體積小、重量輕、受環(huán)境因素影響小等特性，適合用于超聲穿刺系統(tǒng)實時定位的結(jié)論。故本文將電磁定位應(yīng)用于現(xiàn)有的超聲成像系統(tǒng)中，進而設(shè)計了基于電磁定位方式的實時導(dǎo)航算法--建立坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)模型，研究將磁場坐標(biāo)與聲場坐標(biāo)進行精確配準(zhǔn)的手段，以便實時標(biāo)示穿刺針相對

3、于超聲圖像的位置，從而為提高穿刺準(zhǔn)確性，縮短穿刺時間提供有效方法。
　　 2)穿刺過程軟組織形變的有限元仿真。軟組織形變是影響穿刺精度最主要的因素，研究軟組織變形對提高穿刺的準(zhǔn)確性具有重要的臨床意義。本文基于有限元方法，將軟組織離散化為有限個單元，并對各個離散單元進行彈性力學(xué)分析，建立軟組織的線性彈性模型。根據(jù)該理論模型，采用ANSYS有限元分析軟件進行軟組織變形仿真，根據(jù)軟組織的材料屬性、單元參數(shù)、應(yīng)用邊界條件和初值條件對網(wǎng)格

4、化的模型施加載荷，仿真得出穿刺過程中軟組織的形變數(shù)據(jù)。該形變模型可為穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)穿刺前的路徑規(guī)劃和避障預(yù)警提供一種有效的手段。
　　 3)軟硬件方案設(shè)計。針對現(xiàn)有數(shù)字化便攜式超聲成像系統(tǒng)，本文設(shè)計了超聲穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)軟硬件方案。硬件設(shè)計采用ARM+FPGA雙核處理器外加電磁定位器的方案，系統(tǒng)中ARM除負責(zé)系統(tǒng)的實時控制，如按鍵響應(yīng)、字符界面的顯示、應(yīng)用軟件的選擇、FPGA的信號控制等任務(wù)外，還進行定位系統(tǒng)位置信號的采集工作；而