發(fā)布時(shí)間：2020-08-18 12:39

【摘要】：現(xiàn)代微創(chuàng)介入手術(shù)中,利用斜尖柔性針與組織間的相互作用力,可以穿刺出圓弧軌跡,進(jìn)而繞過神經(jīng)、血管等障礙,實(shí)現(xiàn)人體深度精確穿刺。然而需要柔性針軌跡路徑和針尖位姿的實(shí)時(shí)反饋,才能實(shí)現(xiàn)高精度穿刺。針對(duì)上述問題,本文將超聲成像設(shè)備與柔性針穿刺手術(shù)相結(jié)合,提出了一種基于針體識(shí)別和針尖位姿預(yù)測(cè)的柔性針軌跡控制方法,對(duì)柔性針的針體識(shí)別、針尖位姿預(yù)測(cè)和基于實(shí)時(shí)反饋的柔性針軌跡控制深入研究。首先,基于超聲圖像對(duì)柔性針針體截面質(zhì)心進(jìn)行提取。根據(jù)超聲成像設(shè)備的工作原理,分析了超聲成像的影響因素;依據(jù)超聲圖像的特性,采用中值濾波和高斯濾波對(duì)超聲圖像降噪處理;通過MATLAB對(duì)針體超聲圖像進(jìn)行圖像處理,利用ROI感興趣區(qū)域算法,提取針體像素質(zhì)心,將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際坐標(biāo),確定了針體的截面質(zhì)心坐標(biāo)。其次,基于針體截面質(zhì)心坐標(biāo)點(diǎn)集,提出了一種“擬合+插值”的針體軌跡識(shí)別算法。首先建立空間坐標(biāo)系,先對(duì)XOY面內(nèi)針體截面質(zhì)心點(diǎn)集進(jìn)行擬合,得到二維軌跡函數(shù),再根據(jù)軌跡函數(shù)與Z軸坐標(biāo),進(jìn)行空間插值,得到三維空間針體軌跡;通過進(jìn)針長(zhǎng)度與柔性針的軌跡特性,預(yù)測(cè)出針尖位姿,與針體軌跡結(jié)合,進(jìn)而確定了整個(gè)柔性針在人體組織中的軌跡和姿態(tài)。再次,基于柔性針的運(yùn)動(dòng)特性和超聲反饋的針體位姿,提出了一種基于當(dāng)前狀態(tài)的動(dòng)態(tài)路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃算法。通過,分析RRT算法的基本特點(diǎn),在其基礎(chǔ)上嵌入可達(dá)引導(dǎo)和貪婪啟發(fā)策略,根據(jù)超聲成像設(shè)備反饋的柔性針超聲圖像軌跡和靶點(diǎn)實(shí)時(shí)位置,利用可達(dá)引導(dǎo)和貪婪啟發(fā)的快速探索隨機(jī)樹(GHRG-RRTs)算法實(shí)時(shí)規(guī)劃進(jìn)針路徑,確定最優(yōu)穿刺路徑,并控制穿刺軌跡,提高了路徑搜索效率和穿刺靶點(diǎn)準(zhǔn)確性。最后,進(jìn)行了基于超聲識(shí)別的柔性針軌跡控制實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行誤差分析,驗(yàn)證可行性。選取鎳鈦合金柔性針和制備仿生組織材料,結(jié)合超聲成像設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn);將柔性針超聲圖像提取軌跡與實(shí)際軌跡進(jìn)行對(duì)比,誤差分析,驗(yàn)證了基于超聲識(shí)別的柔性針軌跡控制可行性。本文主要基于超聲圖像識(shí)別研究柔性針的軌跡控制,提出了基于超聲圖像的針體識(shí)別和針尖預(yù)測(cè)方法,基于針體的實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋信息,采用GHRG-RRTs算法對(duì)柔性針穿刺軌跡規(guī)劃和控制,并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超聲識(shí)別針體的準(zhǔn)確性,為基于超聲圖像的柔性針軌跡控制提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TH789
【圖文】：

(a) 剛性針穿刺 (b) 柔性針避障穿刺圖 1-1 鋼針與柔性針的比較Fig.1-1 Comparison between traditional needle and flexible needle在針插入期間，由于人體器官的意外位移、組織的變形、針的彎曲變形或運(yùn)動(dòng)誤差等會(huì)導(dǎo)致穿刺針偏離靶點(diǎn)目標(biāo)[8]，針對(duì)上述問題，研究學(xué)者提出將超聲成像技術(shù)與穿刺手術(shù)技術(shù)相結(jié)合的研究方法。本文將超聲成像設(shè)備與柔性針穿刺手術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于針體識(shí)別和針尖位姿預(yù)測(cè)的柔性針軌跡控制方法。超聲成像技術(shù)提供了目標(biāo)位置、重要神經(jīng)及器官組織等障礙位置以及手術(shù)過程中針尖位置，但超聲圖像分辨率較低，會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)偽影、鏡像偽影等干擾，對(duì)于外科醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)任務(wù)中識(shí)別傳統(tǒng)鋼針提供了幫助�；诔曈跋裨O(shè)備引導(dǎo)的鋼針，可以為穿刺手術(shù)提供實(shí)時(shí)反饋傳統(tǒng)鋼針的能見度很低，不易識(shí)別[9]，并且識(shí)別柔性針的針體和針尖位姿，仍具有很大挑戰(zhàn)[2]，如圖 1-2、1-3 所示。鋼針靶點(diǎn)

(a) 剛性針穿刺 圖 1-1 鋼針Fig.1-1 Comparison between trad在針插入期間，由于人體器官的意運(yùn)動(dòng)誤差等會(huì)導(dǎo)致穿刺針偏離靶點(diǎn)目標(biāo)聲成像技術(shù)與穿刺手術(shù)技術(shù)相結(jié)合的研本文將超聲成像設(shè)備與柔性針穿刺和針尖位姿預(yù)測(cè)的柔性針軌跡控制方法神經(jīng)及器官組織等障礙位置以及手術(shù)過會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)偽影、鏡像偽影等干擾，對(duì)針提供了幫助�；诔曈跋裨O(shè)備引導(dǎo)傳統(tǒng)鋼針的能見度很低，不易識(shí)別[9]，具有很大挑戰(zhàn)[2]，如圖 1-2、1-3 所示。

[11]，如圖1-4所示。圖 1-4 柔性針針體超聲圖像處理Fig.1-4 Ultrasonic image processing of flexible needle body如圖1-4，其中（a）帶有彗星尾影的針的徑向超聲截面圖（CTA）；（b）中值濾波對(duì)超聲圖像中降噪處理；（c）二值化圖像；（d）腐蝕圖像斑點(diǎn)；（e）采用Hough變換直線檢測(cè)算法對(duì)CTA進(jìn)行檢測(cè)；（f）直線上端頂點(diǎn)畫圓，由于針體的直徑已知，可以確定針體的質(zhì)心（YC，ZC）。2014年Adebar T等人，通過多普勒儀掃描高頻振動(dòng)的針體，得到針體的多普勒?qǐng)D像，如圖1-5所示，并進(jìn)行圖像處理提取針體橫截面位置[12]。圖 1-5 多普勒超聲圖像Fig.1-5 Doppler ultrasound image

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2796231