柔性针穿刺柔性组织的运动学建模及仿真

【摘要】目前,机器人辅助外科手术,特别是微创介入外科手术的可行性已经受到越来越多的人的关注,但是,在临床上的应用大多数是刚性穿刺针。由于刚性穿刺针刚度较高,且大多数沿直线路径行进、定位和定向,无法避开重要器官障碍点进行靶向穿刺手术。为此,国内外开始探索利用柔性针代替传统的钢针进行穿刺手术,但由于柔性针的柔性及组织变形的复杂性使柔性针穿刺控制变得复杂化。因此,建立一种更精确、更简便的柔性针穿刺软组织的运动学模型是目前临床上亟待解决的关键技术,是癌症等重大疾病急需的诊断、治疗手段。本文采用机器人操控柔性针来实现微创介入治疗的靶向穿刺,将机器人的灵巧操作能力与对柔性针(特别是斜尖柔性针)的变形位姿控制结合在一起,实现进针位置、姿态、穿刺轨迹以及目标靶点的实时精确运动控制。首先通过柔性针弯曲实验和仿人组织(PVA)的压缩实验,对柔性针的弯曲时的弯曲力与弯曲半径之间做了分析,并通过大变形弯曲理论对弯曲应力应变关系进行了分析和仿人组织的弹塑性及破坏机理分析。之后通过柔性针穿刺组织的受力平衡分析,建立柔性针与柔性组织之间的切割力、摩擦力、抵抗力与组织变形等的相互作用力学模型,并基于有限元分析原理和悬臂梁原理,建立柔性针穿刺柔性组织的运动控制模型。之后通过ABAQUS6.8软件对穿刺力进行了仿真,为运动学模型提供了初始条件并验证了力学分析的正确性。最后,通过二维平台的机器人辅助穿刺实验对柔性针穿刺的运动学模型进行验证。本文通过机器人操控柔性针穿刺柔性组织的运动学建模的理论和实验研究为柔性针穿刺临床手术提供科学依据和理论基础。同时结合了机器人的灵巧操作能力,这大大的降低了医生的劳动强度,提高手术准确性和安全性,实现更高水平的微创手术,从而极大地提高介入治疗的手术质量和效率,减少患者的痛苦,提高患者的生存质量,推动微创医疗技术的发展,造福全社会。
【作者】涂飞；
【导师】张永德；
【作者基本信息】哈尔滨理工大学，机械电子工程，2012，硕士
【关键词】柔性针；柔性组织；运动学建模；力学建模；ABAQUS仿真；

【参考文献】
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