柔性針軟組織穿刺相互作用建模與仿真研究.pdf

1、柔性針軟組織穿刺相互作用機理建模是機器人輔助穿刺系統(tǒng)及穿刺手術(shù)虛擬培訓系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題，開展相關(guān)理論與仿真研究具有重要的意義。本文主要完成了以下的研究工作:
　　首先，基于Okamura剛性針穿刺受力分析方法，以軟組織膜皮刺穿為界，將柔性針穿刺過程分為三個階段，全面分析了穿刺過程中針的受力，并建立了穿刺力的分段模型。軟組織膜皮刺穿前，采用了彈簧模型，推導針與軟組織之間的相互作用。在膜皮刺穿后的模型中，摩擦力采用了改進的Karn

2、opp公式。同時，利用歐拉-伯努利梁理論，推導了柔性針的撓曲變形模型。
　　其次，利用約束Delaunay三角化算法，實現(xiàn)軟組織與針的四面體網(wǎng)絡(luò)劃分，并以人體肝穿刺為例，利用有限元仿真工具SOFA，進行柔性針穿刺仿真，采集不同模型參數(shù)下穿刺力的仿真數(shù)據(jù)。
　　然后，對仿真數(shù)據(jù)進行分析，建立柔性針軟組織穿刺相互作用模型。鑒于軟組織的非線性特性，提出用多項式建立膜皮刺穿前的模型。刺穿膜皮后，穿刺力具有周期性與波動性。這里，利用傅

3、里葉變換，分別得到摩擦力與切割力的頻譜特征，從中提取主要頻譜，再經(jīng)傅里葉逆變換，建立了柔性針刺穿膜皮后的穿刺力模型。對于柔性針的撓曲變形，則采用了三次多項式進行擬合。
　　最后，對依據(jù)理論與仿真數(shù)據(jù)建立的穿刺相互作用模型，進行對比研究，以考察前面提出的穿刺作用建模方法的可行性。
　　論文完成了柔性針軟組織穿刺有限元仿真與相互作用建模。首先基于理論分析，建立了柔性針軟組織穿刺力的分段模型，然后，與基于仿真數(shù)據(jù)建立的穿刺力模型進