本文關(guān)鍵詞：柔性針穿刺系統(tǒng)路徑規(guī)劃方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微創(chuàng)介入治療技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一門嶄新的醫(yī)療技術(shù),被廣泛應(yīng)用于活體組織病理檢查、器官藥物定向投送等。穿刺治療在微創(chuàng)手術(shù)中占有重要的位置,然而傳統(tǒng)手術(shù)的穿刺采用剛性針,受限于針體特性,只能進(jìn)行直線穿刺,無法滿足復(fù)雜手術(shù)的需要。本文采用鎳鈦合金特制的斜尖柔性針(簡(jiǎn)稱“柔性針”)進(jìn)行穿刺,進(jìn)針時(shí)組織對(duì)針尖斜面的側(cè)向作用力使針體產(chǎn)生彎曲,刺出弧線軌跡。針體的彎曲特性可用來避開重要的障礙物(如神經(jīng)、血管、骨骼等重要器官),靈活、精確地達(dá)到傳統(tǒng)剛性針?biāo)鶡o法達(dá)到的靶點(diǎn)位置,減小手術(shù)創(chuàng)傷。但人無法精確操控柔性針,需要結(jié)合機(jī)器人的精確控制能力進(jìn)行柔性針穿刺操作。本文以機(jī)器人輔助柔性針穿刺系統(tǒng)為研究對(duì)象,分析柔性針運(yùn)動(dòng)模型,并在二維平面和三維立體空間開展了柔性針軌跡規(guī)劃方法研究。首先,根據(jù)柔性針的特性及運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生機(jī)理,建立了描述柔性針運(yùn)動(dòng)的針體坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系,給出了兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣,結(jié)合柔性針單輪車模型,得到了柔性針的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型�；谌嵝葬樳\(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了柔性針的直線軌跡、曲率固定圓弧、多段圓弧拼接等可能的行進(jìn)軌跡,實(shí)現(xiàn)了平面內(nèi)基于三段圓弧的柔性針軌跡規(guī)劃。針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)需要穿過多層組織及可能遇到多病灶這類實(shí)際問題,深入分析了平面內(nèi)多層組織軌跡規(guī)劃、多目標(biāo)點(diǎn)軌跡規(guī)劃方法,仿真驗(yàn)證了規(guī)劃方法的可行性。其次,由于實(shí)際手術(shù)中穿刺針是在三維空間運(yùn)動(dòng),本文進(jìn)一步針對(duì)柔性針三維路經(jīng)規(guī)劃問題開展研究,提出了三種三維空間軌跡規(guī)劃策略。1)將離散的多個(gè)二維平面拼接組成三維空間,直接將二維規(guī)劃策略推廣到三維空間；2)基于柔性針逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃出兩段圓弧狀況下的三維空間最優(yōu)路徑；3)通過分析動(dòng)態(tài)規(guī)劃和快速隨機(jī)搜索樹的優(yōu)缺點(diǎn),創(chuàng)新提出一種基于快速搜索策略的柔性針三維路經(jīng)規(guī)劃方法,可以相對(duì)快速的尋找一條局部?jī)?yōu)化的可行路徑。通過仿真驗(yàn)證了以上三種規(guī)劃方法的可行性。最后,搭建了機(jī)器人輔助柔性針實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了柔性針穿刺實(shí)驗(yàn)。采用二維平面軌跡規(guī)劃方法,柔性針可以避開障礙物,達(dá)到目標(biāo)點(diǎn),驗(yàn)證了方法的可行性。綜上,本文對(duì)機(jī)器人輔助柔性針穿刺系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃問題開展了系統(tǒng)性的研究,提出了二維平面和三維空間等一系列軌跡規(guī)劃方法。分析了二維平面中多病灶、多層組織等實(shí)際穿刺過程中遇到的規(guī)劃問題,對(duì)柔性針三維空間規(guī)劃這一難題進(jìn)行了探索性的研究。本文取得了較好的結(jié)果,部分成果進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證,為推進(jìn)機(jī)器人輔助柔性針穿刺技術(shù)的發(fā)展起到了重要的支撐作用。
【關(guān)鍵詞】：穿刺機(jī)器人 柔性針 路徑規(guī)劃 多目標(biāo)點(diǎn) 多層組織
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R443.8;TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 研究背景與意義11-14
• 1.2 柔性針穿刺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 柔性針系統(tǒng)建模15-17
• 1.2.3 柔性針路徑規(guī)劃17-18
• 1.3 柔性針穿刺系統(tǒng)導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)18-19
• 1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容19-21
• 第2章 柔性針建模及平面規(guī)劃21-49
• 2.1 引言21
• 2.2 柔性針模型21-26
• 2.2.1 可控柔性針系統(tǒng)模型21-23
• 2.2.2 可控柔性針運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算23-26
• 2.3 可控柔性針平面軌跡規(guī)劃26-47
• 2.3.1 可控柔性針平面規(guī)劃基礎(chǔ)27-35
• 2.3.2 可控柔性針多目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃35-40
• 2.3.3 柔性針穿刺路徑離散化40-44
• 2.3.4 可控柔性針多層組織規(guī)劃44-47
• 2.4 本章小結(jié)47-49
• 第3章 可控柔性針三維軌跡規(guī)劃49-61
• 3.1 引言49
• 3.2 可控柔性針基于平面規(guī)劃的三維軌跡規(guī)劃49-53
• 3.3 基于機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)三維軌跡規(guī)劃53-55
• 3.4 融合快速隨機(jī)搜索樹,動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的三維軌跡規(guī)劃55-59
• 3.5 本章小結(jié)59-61
• 第4章 柔性針穿刺實(shí)驗(yàn)研究61-71
• 4.1 引言61
• 4.2 柔性針穿刺平臺(tái)61-62
• 4.3 柔性針視覺定位62-67
• 4.3.1 雙目攝像機(jī)視覺定位62-63
• 4.3.2 線性攝像機(jī)模型63-66
• 4.3.3 雙目攝像機(jī)模型標(biāo)定66-67
• 4.4 柔性針穿刺軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)67-69
• 4.5 本章小結(jié)69-71
• 第5章 總結(jié)與展望71-73
• 參考文獻(xiàn)73-79
• 致謝79

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