微創(chuàng)介入手術由于治療窗口小、術后恢復快、治療風險小等特點被廣泛應用于臨床治療中。經皮穿刺術是微創(chuàng)介入手術中一種重要的方法,其作為癌癥早期診斷和治療的主要手段之一,可用于對活體組織進行靶向注射和短程放射治療。由于目前經皮穿刺術一般采用剛性穿刺針,穿刺過程中形成的直線路徑無法滿足避障要求,因此采用新型斜角柔性針實現(xiàn)“非直線進針”軌跡,以解決避障的問題。針尖斜面在穿刺過程中會受到組織的側向力,在均勻組織內的穿刺路徑為半徑一定的圓弧,通過改變針尖斜角方向可以實現(xiàn)穿刺過程中非直線的復雜軌跡,使得涉及重要解剖結構的穿刺手術得以實施。傳統(tǒng)斜角柔性針受到諸如針體軸向轉動精度低、穿刺路徑實時監(jiān)測信息少、柔性針操控方式單一等問題的制約,始終沒有得到廣泛的應用。本文從驅動、傳感、控制三個方面著手,針對柔性針穿刺過程的力學模型、結構創(chuàng)新設計、軌跡規(guī)劃、曲線形狀實時檢測和針-組織控制等方面進行了深入的研究。首先,分析了影響針體彎曲曲率以及針體和組織之間摩擦力大小的因素,建立了柔性針穿刺過程中的摩擦和切割數(shù)學模型,通過模型可以推算出針軸推進所需的軸向力。通過分析材料的斷裂機理再根據(jù)能量守恒定律推導出柔性針切割組織... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：163 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 研究的目的及意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀及分析
        1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內研究現(xiàn)狀
        1.2.3 研究現(xiàn)狀分析
    1.3 本文的主要研究內容
第2章 斜角柔性針的切割機理與摩擦模型
    2.1 引言
    2.2 針尖與組織的作用機理
        2.2.1 材料的斷裂機理
        2.2.2 軟組織的斷裂機理
    2.3 針尖與組織間的切割模型
    2.4 影響針體彎曲半徑的因素
    2.5 柔性針直線運動摩擦模型
        2.5.1 針體受力分析
        2.5.2 針尖受力分析
        2.5.3 整體受力分析
    2.6 柔性針旋轉運動摩擦模型
        2.6.1 針體受力分析
        2.6.2 針尖受力分析
        2.6.3 整體受力分析
    2.7 柔性針受力實驗驗證
        2.7.1 柔性針穿刺實驗平臺
        2.7.2 傳感器與斜角柔性穿刺針的校準
        2.7.3 柔性組織及壓縮裝置
        2.7.4 切割模型的實驗驗證
        2.7.5 針軸彎曲半徑影響參數(shù)的實驗驗證
        2.7.6 針尖處的受力實驗
        2.7.7 針軸整體受力實驗
        2.7.8 直線軌跡和彎曲軌跡受力對比實驗
    2.8 本章小結
第3章 非均勻組織的穿刺模型及軌跡規(guī)劃
    3.1 引言
    3.2 非均勻組織的穿刺模型
        3.2.1 針-組織相互作用力分析
        3.2.2 建模和求解
    3.3 模型中參數(shù)的獲取
        3.3.1 針尖受力的側向分量Ft,y
        3.3.2 彈簧支撐剛度Kt
    3.4 柔性針的運動建模
        3.4.1 柔性針穿刺的合理假設
        3.4.2 Unicycle模型
        3.4.3 運動學計算
        3.4.4 柔性針運動的分類
    3.5 柔性針運動軌跡規(guī)劃與仿真
        3.5.1 兩段圓弧路徑特點
        3.5.2 三段圓弧路徑特點
        3.5.3 多段圓弧軌跡的路徑特點
        3.5.4 選擇轉動策略
        3.5.5 軌跡仿真分析
    3.6 多層組織穿刺分析
    3.7 非均勻組織中的穿刺實驗
        3.7.1 非均勻組織對針體彎曲軌跡的影響實驗
        3.7.2 針尖力側向分力Ft,y的求取
        3.7.3 求取彈簧剛度Kt
        3.7.4 軌跡規(guī)劃實驗
    3.8 本章小結
第4章 基于壓電驅動的新型斜角柔性針
    4.1 引言
    4.2 剪切式壓電陶瓷特性
    4.3 新型柔性針結構
    4.4 針尖轉動模型
        4.4.1 針尖轉動分析
        4.4.2 壓電驅動針尖轉動
    4.5 針尖轉動模式分析與仿真
        4.5.1 針尖轉動模式分析
        4.5.2 針尖轉動仿真分析
    4.6 壓電驅動針尖轉動實驗驗證
        4.6.1 實驗目的及實驗平臺
        4.6.2 實驗驗證與分析
    4.7 本章小結
第5章 斜角柔性針針體曲線形狀的實時監(jiān)測
    5.1 引言
    5.2 獲取針體曲率信息
    5.3 針體曲線的擬合方法
        5.3.1 平面曲線的擬合方法
        5.3.2 空間曲線的擬合方法
    5.4 擬合誤差分析
        5.4.1 曲率圓與曲線的位置關系
        5.4.2 誤差的衡量
        5.4.3 曲率插值
    5.5 離散點求解及誤差的影響因素
    5.6 柔性針曲線形狀實時監(jiān)測實驗
        5.6.1 構建實驗系統(tǒng)
        5.6.2 應變片標定
        5.6.3 平面二維圓弧曲線
        5.6.4 空間三維圓弧曲線
        5.6.5 二維平面非圓曲線
    5.7 本章小結
第6章 基于視覺伺服的柔性組織操控技術
    6.1 引言
    6.2 系統(tǒng)數(shù)學建模
    6.3 控制算法設計
        6.3.1 變形雅克比矩陣在線預估算法
        6.3.2 輸入速度控制器
        6.3.3 控制算法閉環(huán)分析
    6.4 控制算法仿真
    6.5 基于軌跡規(guī)劃的柔性組織變形控制
    6.6 柔性組織操控實驗
        6.6.1 試驗系統(tǒng)構成
        6.6.2 組織變形控制方案規(guī)劃
        6.6.3 組織變形控制實驗
    6.7 局限性分析及補償措施
    6.8 本章小結
結論
參考文獻
攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個人簡歷



本文編號：3413111