本文關鍵詞：穿刺手術中穿刺力建模與探針定位研究

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【摘要】：穿刺手術相對于傳統(tǒng)的開放手術而言具有創(chuàng)口小、疼痛輕、術后恢復快、并發(fā)癥少等優(yōu)點,因此穿刺治療在現(xiàn)在的醫(yī)學過程中應用越來越廣泛。目前的穿刺手術大都是二維超聲圖像進行導航下進行的,二維超聲的導航方式由于不能完全地反應目標區(qū)域信息,并且操作不夠靈活,降低了手術的成功率;相對于徒手穿刺而言,由于機器人系統(tǒng)具有完全的可控性,且可靠性強,運動路徑與進針速度均可通過編程精確實現(xiàn)與控制,因此將三維超聲導航與機器人輔助穿刺技術結合起來的系統(tǒng)研究成為當前研究的熱點。本文主要針對機器人輔助穿刺系統(tǒng)中的穿刺過程中穿刺力建模以及術中探針實時定位兩個方面進行研究,具體包括以下幾個方面:以腎臟穿刺手術為例,對探針以及腎臟組織在穿刺過程中的相互作用進行建模分析,并利用Abaqus有限元分析軟件,對整個穿刺過程進行模擬仿真,分別得到腎臟組織在穿刺過程中的位移曲線以及穿刺探針的受力曲線,并對曲線進行的變化趨勢進行分析,該分析結果將用于指導實際的穿刺過程,以確保穿刺結果更加準確。為了在手術過程中對探針的進針情況進行實時準確地觀測,需要對穿刺探針進行實時定位,考慮到實際超聲數(shù)據(jù)組成的復雜性,本文在傳統(tǒng)的探針定位算法的基礎上進行改進,提出多尺度隨機抽樣一致算法(MS-RANSAC),該算法在實際的超聲數(shù)據(jù)存在較多干擾的情況下依舊能夠進行準確的探針定位。由于三維超聲圖像本身數(shù)據(jù)量較大,在進行探針定位時耗時較長,為了提升定位算法的效率,設計MS-RANSAC算法的并行策略,并利用CUDA平臺將該并行算法進行實現(xiàn),使其在實際應用中成為可能。為了對算法的定位效果以及運行速度進行驗證,本文選取了三組實驗數(shù)據(jù)對算法進行測試,結果表明MS-RANSAC可以在組成較為復雜的三維超聲數(shù)據(jù)中正確定位出探針位置,并且在CUDA并行化實現(xiàn)之后大大提升了算法的運行速度。
【關鍵詞】：機器人系統(tǒng) 穿刺 有限元分析 MS-RANSAC GPU 并行計算
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB559;R446.8
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題研究背景9-11
• 1.2 課題研究意義11-12
• 1.3 研究現(xiàn)狀及分析12-16
• 1.3.1 機器人輔助穿刺研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3.2 穿刺過程中穿刺力建模研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3.3 三維超聲導航下探針定位算法研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4 本文主要的研究內容16-18
• 第2章 機器人輔助穿刺系統(tǒng)構成18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 穿刺過程中的物理模型18-21
• 2.2.1 材料模型描述相關物理量18-19
• 2.2.2 穿刺過程中探針受力模型19-20
• 2.2.3 穿刺過程中軟組織形變物理模型20-21
• 2.3 經(jīng)典RANSAC定位算法處理過程21-24
• 2.4 機器人輔助穿刺系統(tǒng)總體構成24-27
• 2.4.1 機器人輔助穿刺系統(tǒng)手術流程分析24-25
• 2.4.2 機器人輔助穿刺系統(tǒng)構成25-26
• 2.4.3 機器人輔助穿刺系統(tǒng)層次結構26-27
• 2.5 本章小結27-28
• 第3章 基于有限元仿真穿刺建模28-41
• 3.1 有限元分析方法簡介28-29
• 3.2 穿刺過程的有限元仿真29-38
• 3.2.1 幾何模型建立29-34
• 3.2.2 材料模型定義34-35
• 3.2.3 接觸算法35
• 3.2.4 網(wǎng)格劃分35-36
• 3.2.5 邊界條件與載荷設定36-38
• 3.3 仿真結果與分析38-40
• 3.3.1 仿真結果38-39
• 3.3.2 結果分析39-40
• 3.4 本章小結40-41
• 第4章 MS-RANSAC探針定位算法41-52
• 4.1 引言41
• 4.2 問題描述41-42
• 4.3 閾值處理42-44
• 4.4 Frangi濾波增強44-48
• 4.4.1 尺度空間理論45
• 4.4.2 Hessian矩陣45-47
• 4.4.3 Frangi濾波器47-48
• 4.5 MS-RANSAC算法48-51
• 4.5.1 經(jīng)典RANSAC算法存在的問題48-49
• 4.5.2 MS-RANSAC算法49-51
• 4.6 本章小結51-52
• 第5章 MS-RANSAC算法的并行實現(xiàn)52-61
• 5.1 引言52
• 5.2 CUDA簡介52-55
• 5.3 并行算法設計55-57
• 5.4 MS-RANSAC定位算法結果57-60
• 5.4.1 實驗數(shù)據(jù)57-58
• 5.4.2 評價指標58
• 5.4.3 結果比較58-60
• 5.5 本章小結60-61
• 結論與展望61-62
• 參考文獻62-66
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果66-68
• 致謝68

【相似文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王建軍;手術針穿刺軟組織的建模及路徑規(guī)劃研究[D];中國科學技術大學;2013年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 申瑞雪;穿刺手術中穿刺力建模與探針定位研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 連斌;軟組織針穿刺過程的有限元建模及實現(xiàn)[D];浙江大學;2015年

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本文編號：1012871