發(fā)布時間：2020-07-31 18:06

【摘要】：隨著社會的發(fā)展以及生產(chǎn)力的提高,人們的生活質(zhì)量得到了很大的改善。但與此同時,不良的生活方式和環(huán)境污染也對人們的健康造成了極大的威脅。根據(jù)2018年世界癌癥狀況調(diào)查結(jié)果,2018年新發(fā)病例約有1810萬,與2012年相比增加了約400萬,全球因癌致死人數(shù)由2012年的820萬上升到2018年的960萬。活體組織檢查(簡稱活檢)是目前進行癌癥檢測的最有效的手段之一,其中經(jīng)皮穿刺活檢因其創(chuàng)傷小,成本低的特點,成為活體檢測主要的發(fā)展方向。但因體內(nèi)環(huán)境復雜、組織變形以及穿刺針受力彎曲等因素的影響,目前經(jīng)皮活檢穿刺仍然存在穿刺精度不高,效率低下的問題。針對存在問題,本文開展穿刺過程中針與組織交互作用建模分析及路徑規(guī)劃研究,以期提高穿刺取樣精度和效率。本文在課題組之前研究的基礎(chǔ)上得出組織的本構(gòu)方程,以Kelvin模型和三元件模型為基礎(chǔ)建立了彈簧-阻尼-節(jié)點模型,分析了組織不同受力位置以及力大小對靶點偏移量的影響,并運用Abaqus有限元仿真軟件對組織變形進行了仿真。通過將仿真得到的不同深度應力應變關(guān)系與所建立的模型相比較,證明了模型的有效性。本文通過分析組織與穿刺針的相互作用關(guān)系研究了針的彎曲變形。將柔性針視為懸臂梁,其受力與撓曲量的關(guān)系可由Euler-Bemoulli理論推導得出。經(jīng)過對針穿刺過程進行分析,認為針在穿刺組織過程中受到切割反作用力、摩擦力和組織變形抗力的作用,并分析得到影響這些力大小的因素包括針直徑、尖端傾斜角、穿刺速度、明膠質(zhì)量比和穿刺深度等,為實驗探究針的彎曲特性提供了理論依據(jù)。以明膠假體作為實驗對象進行穿刺實驗,探究了近似圓弧半徑與穿刺深度、明膠質(zhì)量比、穿刺速度、針半徑以及針尖傾斜角之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明,隨著穿刺深度增加,等效圓弧半徑逐漸增大;隨著針尖傾角和穿刺針的半徑等穿刺針自身參數(shù)的增加,圓弧等效半徑也逐漸增大;而隨著明膠假體中水含量的降低和穿刺速度的增加,等效圓弧半徑則會逐漸減小。為方便進行柔性針路徑規(guī)劃實驗,搭建了由控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)兩部分組成的三自由度穿刺平臺。本穿刺平臺由針體旋轉(zhuǎn)模塊、同時本文為該平臺的控制系統(tǒng)編寫了一套步進梯形圖控制算法,能通過三個步進電機的協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)調(diào)整入刺角、直線進針和轉(zhuǎn)針功能。本文引進粒子群算法作為穿刺路徑規(guī)劃的主要算法。以穿刺過程中單段圓弧圓心角以及圓弧之間的旋轉(zhuǎn)角度作為變量,設(shè)定末段圓弧端點與目標點的距離作為目標函數(shù),通過設(shè)定合適的學習因子得到收斂的圓心角和旋轉(zhuǎn)角度的組合,從而規(guī)劃出符合精度要求的柔性針進針路徑。通過實驗對規(guī)劃結(jié)果進行驗證,實驗結(jié)果表明運用該路徑規(guī)劃方法進行穿刺能夠使針尖點與目標點的距離保持在實際需要的精度范圍內(nèi)。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP18;O221;R318.01
【圖文】：

變率的動態(tài)壓縮試驗測定了肝臟組織應變率從低到高的力學性能，驗證了其提出逡逑的一個率相關(guān)模型。Ａｚａｒ和Ｈａｙｗａｒｄｉ１４，１５］將軟組織的變形過程分為四個過程：變逡逑形階段、穩(wěn)定刺入階段、組織松弛階段和回退階段，各階段穿刺力變化如圖１－２逡逑所示，并進一步應用斷裂力學理論建立軟組織的力學模型，成功預測了穿刺軟組逡逑織所需的刺入力。李進嵩［｜６］等根據(jù)病變后組織的力學性能如硬度和彈性等會有逡逑所變化的特點，設(shè)計了一種介入超聲印壓系統(tǒng)，能夠定量的測量出肝臟、肌肉等逡逑組織的硬度，并通過比較硬度對判斷組織器官是否病變提供參考。山東大學宋磊逡逑１１７］運用明膠假體代替活體組織，對明膠假體的力學性能進行了分析，并通過壓逡逑痕試驗測定了明膠假體的力學性能，通過單軸拉伸試驗測得了明膠假體在大變形逡逑下的破裂閾值，與相關(guān)文獻數(shù)據(jù)對比證明可以在一定條件下運用明膠假體代替器逡逑官組織進行穿刺試驗。逡逑／邐＼邋［Ｋ邋１逡逑０Ｓ－）邐／邋ｋ邐＼邋？ｃ邋＊逡逑／邋ｍ邋ｒｅＵｗｊ：？ｏｎ邐＼邐￡逡逑卜“一＾逡逑？邐ｊｙ邋ｘ？ｎｓｔｒｔ＊0ｎ邐｜逡逑／ｆ邐ｅｘｔｉＡＣｔ＾邋＼逡逑‘邋＼邋ｐｙｎｃｔｕｆｅ逡逑４１邐Ｙ逡逑０邐２邐４邐６邋ｆ邋１Ｃ邋１２逡逑ｔｉｍ？逡逑圖１－２軟組織變形四段過程逡逑１．２．１．２軟組織變形建模逡逑軟組織在受到穿刺作用力時，靶點位置受軟組織變形影響會產(chǎn)生偏移。靶點逡逑位置偏移的狀態(tài)不但受作用力的大小、方向和作用點位置影響

第１章緒論逡逑學公式計算組織的形變，并運用有限元校驗了模型的準確性，如圖１－３所示。逡逑ＳｅｒｈｕｓＩＭ運用線彈性理論和有限元模型建立了虛擬肝臟模型，實現(xiàn)了腹腔鏡觸覺逡逑設(shè)備對肝臟進行模擬切除。國內(nèi)高德東｜２４］在對穿刺針受力和軟組織變形進行研逡逑究的過程中，提出了一種將軟組織變形過程離散為一系列準靜態(tài)過程的有限元模逡逑型，二維準靜態(tài)過程如圖１－４所示。通過在ＡＮＳＹＳ有限元仿真軟件中對組織變逡逑形進行仿真證明了該模型的可行性。朱卓［２５］等針對軟組織力學模型提出了一種逡逑同時具有超彈性和粘彈性性質(zhì)的并聯(lián)復合模型——超粘彈性模型，通過對三種不逡逑同的模型進行有限元仿真實驗證明了并聯(lián)復合軟組織結(jié)構(gòu)更加符合軟組織實際逡逑的應力特性。逡逑４邋ｉｄ逡逑．‘逡逑ａ難梊態(tài)稃丨邐ｂ邋態(tài)過稃２邐ｃ邋ｉｆ梊態(tài)過稃３逡逑圖１－４二維狀態(tài)下軟組織變形準靜態(tài)過程逡逑１．１．２．３穿刺針在組織中的受力分析逡逑在穿刺過程中穿刺針與組織之間的作用力是相互的，組織對穿刺針的作用力逡逑被稱為穿刺力。彈性變形力、切割力和摩擦力是穿刺力的三個主要組成部分。剛逡逑度力由組織的彈性變形產(chǎn)生；切割力是針尖切割開軟組織所需要的力；摩擦力是逡逑指針刺入組織一定深度后，由于組織對針體的壓力而產(chǎn)生的阻止針體運動的力。逡逑摩擦力方向沿針體軸向，會對組織變形有一定影響，但對針體變形影響較�。会樺义霞庑苯堑拇嬖跁贯樇馇懈盍τ幸粋�沿針體徑向的分力

穿刺組織過程中側(cè)向受力的數(shù)學模型，建立起針根部作用力與針尖偏差的關(guān)逡逑系，通過實時測量柔性針根部的作用力，實現(xiàn)對針尖處發(fā)生偏差的實時在線逡逑估計。ＧｌｏｚｍａｎｌＷ等提出了一種基于虛擬彈簧的運動學模型，如圖１－５所示，逡逑通過建立三自由度運動學模型實現(xiàn)對針體運動軌跡的控制，由于旋轉(zhuǎn)遲滯等逡逑原因針體操控性隨穿刺深度的增加而降低，所以將針體軌跡擬合為多項式，逡逑應用最短路徑規(guī)劃方法實現(xiàn)穿刺路徑的規(guī)劃。該方法雖然簡單有效、精確度逡逑高，但是由于是基于平面的二維規(guī)劃方法，無法將其運用到三維的路徑規(guī)劃逡逑中。黃磊｜３９】等分析了運用基本梁理論描述柔性針變形的不足之處，提出了逡逑基于大變形理論的柔性針受力彎曲數(shù)學模型。鄭浩峻［４＜）１等通過對針的受力逡逑狀況進行分析，提出了一種懸臂梁模型來描述柔性針在穿刺時的撓曲特性。逡逑在該模型中柔性針被分為若干段，并且每段都被視為懸臂梁，運用準靜態(tài)的逡逑方法建立起穿刺針三維路徑預測算法，最后通過仿真實驗驗證了該預測算法逡逑能夠很好的預測柔性針的穿刺路徑。逡逑．．邋Ｔｉ．ｗｔｗ逡逑＇／逡逑ｒ栜逡逑圖１－５柔性針虛擬彈簧模型逡逑１．２．２機器人輔助穿刺系統(tǒng)逡逑在針穿刺過程中

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本文編號：2776817