基于针体识别和针尖位姿预测的柔性针轨迹控制
发布时间：2020-08-18 12:39
【摘要】：现代微创介入手术中,利用斜尖柔性针与组织间的相互作用力,可以穿刺出圆弧轨迹,进而绕过神经、血管等障碍,实现人体深度精确穿刺。然而需要柔性针轨迹路径和针尖位姿的实时反馈,才能实现高精度穿刺。针对上述问题,本文将超声成像设备与柔性针穿刺手术相结合,提出了一种基于针体识别和针尖位姿预测的柔性针轨迹控制方法,对柔性针的针体识别、针尖位姿预测和基于实时反馈的柔性针轨迹控制深入研究。首先,基于超声图像对柔性针针体截面质心进行提取。根据超声成像设备的工作原理,分析了超声成像的影响因素;依据超声图像的特性,采用中值滤波和高斯滤波对超声图像降噪处理;通过MATLAB对针体超声图像进行图像处理,利用ROI感兴趣区域算法,提取针体像素质心,将像素坐标转化为实际坐标,确定了针体的截面质心坐标。其次,基于针体截面质心坐标点集,提出了一种“拟合+插值”的针体轨迹识别算法。首先建立空间坐标系,先对XOY面内针体截面质心点集进行拟合,得到二维轨迹函数,再根据轨迹函数与Z轴坐标,进行空间插值,得到三维空间针体轨迹;通过进针长度与柔性针的轨迹特性,预测出针尖位姿,与针体轨迹结合,进而确定了整个柔性针在人体组织中的轨迹和姿态。再次,基于柔性针的运动特性和超声反馈的针体位姿,提出了一种基于当前状态的动态路径实时规划算法。通过,分析RRT算法的基本特点,在其基础上嵌入可达引导和贪婪启发策略,根据超声成像设备反馈的柔性针超声图像轨迹和靶点实时位置,利用可达引导和贪婪启发的快速探索随机树(GHRG-RRTs)算法实时规划进针路径,确定最优穿刺路径,并控制穿刺轨迹,提高了路径搜索效率和穿刺靶点准确性。最后,进行了基于超声识别的柔性针轨迹控制实验,并进行误差分析,验证可行性。选取镍钛合金柔性针和制备仿生组织材料,结合超声成像设备搭建实验台,进行穿刺实验;将柔性针超声图像提取轨迹与实际轨迹进行对比,误差分析,验证了基于超声识别的柔性针轨迹控制可行性。本文主要基于超声图像识别研究柔性针的轨迹控制,提出了基于超声图像的针体识别和针尖预测方法,基于针体的实时状态反馈信息,采用GHRG-RRTs算法对柔性针穿刺轨迹规划和控制,并且实验验证超声识别针体的准确性,为基于超声图像的柔性针轨迹控制提供理论和实验基础。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TH789
【图文】：
(a) 刚性针穿刺 (b) 柔性针避障穿刺图 1-1 钢针与柔性针的比较Fig.1-1 Comparison between traditional needle and flexible needle在针插入期间，由于人体器官的意外位移、组织的变形、针的弯曲变形或运动误差等会导致穿刺针偏离靶点目标[8]，针对上述问题，研究学者提出将超声成像技术与穿刺手术技术相结合的研究方法。本文将超声成像设备与柔性针穿刺手术相结合，提出了一种基于针体识别和针尖位姿预测的柔性针轨迹控制方法。超声成像技术提供了目标位置、重要神经及器官组织等障碍位置以及手术过程中针尖位置，但超声图像分辨率较低，会产生斑点伪影、镜像伪影等干扰，对于外科医生执行手术任务中识别传统钢针提供了帮助。基于超声影像设备引导的钢针，可以为穿刺手术提供实时反馈传统钢针的能见度很低，不易识别[9]，并且识别柔性针的针体和针尖位姿，仍具有很大挑战[2]，如图 1-2、1-3 所示。钢针靶点
(a) 刚性针穿刺 图 1-1 钢针Fig.1-1 Comparison between trad在针插入期间，由于人体器官的意运动误差等会导致穿刺针偏离靶点目标声成像技术与穿刺手术技术相结合的研本文将超声成像设备与柔性针穿刺和针尖位姿预测的柔性针轨迹控制方法神经及器官组织等障碍位置以及手术过会产生斑点伪影、镜像伪影等干扰，对针提供了帮助。基于超声影像设备引导传统钢针的能见度很低，不易识别[9]，具有很大挑战[2]，如图 1-2、1-3 所示。
[11]，如图1-4所示。图 1-4 柔性针针体超声图像处理Fig.1-4 Ultrasonic image processing of flexible needle body如图1-4，其中（a）带有彗星尾影的针的径向超声截面图（CTA）；（b）中值滤波对超声图像中降噪处理；（c）二值化图像；（d）腐蚀图像斑点；（e）采用Hough变换直线检测算法对CTA进行检测；（f）直线上端顶点画圆，由于针体的直径已知，可以确定针体的质心（YC，ZC）。2014年Adebar T等人，通过多普勒仪扫描高频振动的针体，得到针体的多普勒图像，如图1-5所示，并进行图像处理提取针体横截面位置[12]。图 1-5 多普勒超声图像Fig.1-5 Doppler ultrasound image
本文编号：2796231
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TH789
【图文】：
(a) 刚性针穿刺 (b) 柔性针避障穿刺图 1-1 钢针与柔性针的比较Fig.1-1 Comparison between traditional needle and flexible needle在针插入期间，由于人体器官的意外位移、组织的变形、针的弯曲变形或运动误差等会导致穿刺针偏离靶点目标[8]，针对上述问题，研究学者提出将超声成像技术与穿刺手术技术相结合的研究方法。本文将超声成像设备与柔性针穿刺手术相结合，提出了一种基于针体识别和针尖位姿预测的柔性针轨迹控制方法。超声成像技术提供了目标位置、重要神经及器官组织等障碍位置以及手术过程中针尖位置，但超声图像分辨率较低，会产生斑点伪影、镜像伪影等干扰，对于外科医生执行手术任务中识别传统钢针提供了帮助。基于超声影像设备引导的钢针，可以为穿刺手术提供实时反馈传统钢针的能见度很低，不易识别[9]，并且识别柔性针的针体和针尖位姿，仍具有很大挑战[2]，如图 1-2、1-3 所示。钢针靶点
(a) 刚性针穿刺 图 1-1 钢针Fig.1-1 Comparison between trad在针插入期间，由于人体器官的意运动误差等会导致穿刺针偏离靶点目标声成像技术与穿刺手术技术相结合的研本文将超声成像设备与柔性针穿刺和针尖位姿预测的柔性针轨迹控制方法神经及器官组织等障碍位置以及手术过会产生斑点伪影、镜像伪影等干扰，对针提供了帮助。基于超声影像设备引导传统钢针的能见度很低，不易识别[9]，具有很大挑战[2]，如图 1-2、1-3 所示。
[11]，如图1-4所示。图 1-4 柔性针针体超声图像处理Fig.1-4 Ultrasonic image processing of flexible needle body如图1-4，其中（a）带有彗星尾影的针的径向超声截面图（CTA）；（b）中值滤波对超声图像中降噪处理；（c）二值化图像；（d）腐蚀图像斑点；（e）采用Hough变换直线检测算法对CTA进行检测；（f）直线上端顶点画圆，由于针体的直径已知，可以确定针体的质心（YC，ZC）。2014年Adebar T等人，通过多普勒仪扫描高频振动的针体，得到针体的多普勒图像，如图1-5所示，并进行图像处理提取针体横截面位置[12]。图 1-5 多普勒超声图像Fig.1-5 Doppler ultrasound image
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
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3 张文智;杨高怡;于天琢;蒋慧青;孟君;王彩芬;;超声造影后细针穿刺活检术在颈部淋巴结结核诊断中的应用[J];中国全科医学;2015年15期
4 张文智;杨高怡;李军;徐建平;蒋慧青;孟君;赵丹;;超声造影在颈部淋巴结细针穿刺活检中的应用价值[J];浙江中西医结合杂志;2015年03期
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本文编号：2796231
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