柔性針穿刺系統(tǒng)路徑規(guī)劃方法研究.pdf

1、微創(chuàng)介入治療技術是近年來迅速發(fā)展起來的一門嶄新的醫(yī)療技術，被廣泛應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)手術中占有重要的位置，然而傳統(tǒng)手術的穿刺采用剛性針，受限于針體特性，只能進行直線穿刺，無法滿足復雜手術的需要。
　　本文采用鎳鈦合金特制的斜尖柔性針（簡稱“柔性針”）進行穿刺，進針時組織對針尖斜面的側向作用力使針體產(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

2、、精確地達到傳統(tǒng)剛性針所無法達到的靶點位置，減小手術創(chuàng)傷。但人無法精確操控柔性針，需要結合機器人的精確控制能力進行柔性針穿刺操作。本文以機器人輔助柔性針穿刺系統(tǒng)為研究對象，分析柔性針運動模型，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)柔性針的特性及運動軌跡產(chǎn)生機理，建立了描述柔性針運動的針體坐標系和世界坐標系，給出了兩個坐標系之間的坐標轉換矩陣，結合柔性針單輪車模型，得到了柔性針的運動學模型。基于柔性

3、針運動學模型，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軌跡，實現(xiàn)了平面內基于三段圓弧的柔性針軌跡規(guī)劃。針對微創(chuàng)手術需要穿過多層組織及可能遇到多病灶這類實際問題，深入分析了平面內多層組織軌跡規(guī)劃、多目標點軌跡規(guī)劃方法，仿真驗證了規(guī)劃方法的可行性。
　　其次，由于實際手術中穿刺針是在三維空間運動，本文進一步針對柔性針三維路經(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）將離散的多個二維平面拼接組成三維空間

4、，直接將二維規(guī)劃策略推廣到三維空間;2）基于柔性針逆運動學規(guī)劃出兩段圓弧狀況下的三維空間最優(yōu)路徑;3）通過分析動態(tài)規(guī)劃和快速隨機搜索樹的優(yōu)缺點，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，可以相對快速的尋找一條局部優(yōu)化的可行路徑。通過仿真驗證了以上三種規(guī)劃方法的可行性。
　　最后，搭建了機器人輔助柔性針實驗平臺，并進行了柔性針穿刺實驗。采用二維平面軌跡規(guī)劃方法，柔性針可以避開障礙物，達到目標點，驗證了方法的可行性。