斜角柔性针机器人辅助穿刺关键技术研究
发布时间：2021-09-29 03:30
微创介入手术由于治疗窗口小、术后恢复快、治疗风险小等特点被广泛应用于临床治疗中。经皮穿刺术是微创介入手术中一种重要的方法,其作为癌症早期诊断和治疗的主要手段之一,可用于对活体组织进行靶向注射和短程放射治疗。由于目前经皮穿刺术一般采用刚性穿刺针,穿刺过程中形成的直线路径无法满足避障要求,因此采用新型斜角柔性针实现“非直线进针”轨迹,以解决避障的问题。针尖斜面在穿刺过程中会受到组织的侧向力,在均匀组织内的穿刺路径为半径一定的圆弧,通过改变针尖斜角方向可以实现穿刺过程中非直线的复杂轨迹,使得涉及重要解剖结构的穿刺手术得以实施。传统斜角柔性针受到诸如针体轴向转动精度低、穿刺路径实时监测信息少、柔性针操控方式单一等问题的制约,始终没有得到广泛的应用。本文从驱动、传感、控制三个方面着手,针对柔性针穿刺过程的力学模型、结构创新设计、轨迹规划、曲线形状实时检测和针-组织控制等方面进行了深入的研究。首先,分析了影响针体弯曲曲率以及针体和组织之间摩擦力大小的因素,建立了柔性针穿刺过程中的摩擦和切割数学模型,通过模型可以推算出针轴推进所需的轴向力。通过分析材料的断裂机理再根据能量守恒定律推导出柔性针切割组织...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究的目的及意义
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 研究现状分析
1.3 本文的主要研究内容
第2章 斜角柔性针的切割机理与摩擦模型
2.1 引言
2.2 针尖与组织的作用机理
2.2.1 材料的断裂机理
2.2.2 软组织的断裂机理
2.3 针尖与组织间的切割模型
2.4 影响针体弯曲半径的因素
2.5 柔性针直线运动摩擦模型
2.5.1 针体受力分析
2.5.2 针尖受力分析
2.5.3 整体受力分析
2.6 柔性针旋转运动摩擦模型
2.6.1 针体受力分析
2.6.2 针尖受力分析
2.6.3 整体受力分析
2.7 柔性针受力实验验证
2.7.1 柔性针穿刺实验平台
2.7.2 传感器与斜角柔性穿刺针的校准
2.7.3 柔性组织及压缩装置
2.7.4 切割模型的实验验证
2.7.5 针轴弯曲半径影响参数的实验验证
2.7.6 针尖处的受力实验
2.7.7 针轴整体受力实验
2.7.8 直线轨迹和弯曲轨迹受力对比实验
2.8 本章小结
第3章 非均匀组织的穿刺模型及轨迹规划
3.1 引言
3.2 非均匀组织的穿刺模型
3.2.1 针-组织相互作用力分析
3.2.2 建模和求解
3.3 模型中参数的获取
3.3.1 针尖受力的侧向分量Ft,y
3.3.2 弹簧支撑刚度Kt
3.4 柔性针的运动建模
3.4.1 柔性针穿刺的合理假设
3.4.2 Unicycle模型
3.4.3 运动学计算
3.4.4 柔性针运动的分类
3.5 柔性针运动轨迹规划与仿真
3.5.1 两段圆弧路径特点
3.5.2 三段圆弧路径特点
3.5.3 多段圆弧轨迹的路径特点
3.5.4 选择转动策略
3.5.5 轨迹仿真分析
3.6 多层组织穿刺分析
3.7 非均匀组织中的穿刺实验
3.7.1 非均匀组织对针体弯曲轨迹的影响实验
3.7.2 针尖力侧向分力Ft,y的求取
3.7.3 求取弹簧刚度Kt
3.7.4 轨迹规划实验
3.8 本章小结
第4章 基于压电驱动的新型斜角柔性针
4.1 引言
4.2 剪切式压电陶瓷特性
4.3 新型柔性针结构
4.4 针尖转动模型
4.4.1 针尖转动分析
4.4.2 压电驱动针尖转动
4.5 针尖转动模式分析与仿真
4.5.1 针尖转动模式分析
4.5.2 针尖转动仿真分析
4.6 压电驱动针尖转动实验验证
4.6.1 实验目的及实验平台
4.6.2 实验验证与分析
4.7 本章小结
第5章 斜角柔性针针体曲线形状的实时监测
5.1 引言
5.2 获取针体曲率信息
5.3 针体曲线的拟合方法
5.3.1 平面曲线的拟合方法
5.3.2 空间曲线的拟合方法
5.4 拟合误差分析
5.4.1 曲率圆与曲线的位置关系
5.4.2 误差的衡量
5.4.3 曲率插值
5.5 离散点求解及误差的影响因素
5.6 柔性针曲线形状实时监测实验
5.6.1 构建实验系统
5.6.2 应变片标定
5.6.3 平面二维圆弧曲线
5.6.4 空间三维圆弧曲线
5.6.5 二维平面非圆曲线
5.7 本章小结
第6章 基于视觉伺服的柔性组织操控技术
6.1 引言
6.2 系统数学建模
6.3 控制算法设计
6.3.1 变形雅克比矩阵在线预估算法
6.3.2 输入速度控制器
6.3.3 控制算法闭环分析
6.4 控制算法仿真
6.5 基于轨迹规划的柔性组织变形控制
6.6 柔性组织操控实验
6.6.1 试验系统构成
6.6.2 组织变形控制方案规划
6.6.3 组织变形控制实验
6.7 局限性分析及补偿措施
6.8 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3413111
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究的目的及意义
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 研究现状分析
1.3 本文的主要研究内容
第2章 斜角柔性针的切割机理与摩擦模型
2.1 引言
2.2 针尖与组织的作用机理
2.2.1 材料的断裂机理
2.2.2 软组织的断裂机理
2.3 针尖与组织间的切割模型
2.4 影响针体弯曲半径的因素
2.5 柔性针直线运动摩擦模型
2.5.1 针体受力分析
2.5.2 针尖受力分析
2.5.3 整体受力分析
2.6 柔性针旋转运动摩擦模型
2.6.1 针体受力分析
2.6.2 针尖受力分析
2.6.3 整体受力分析
2.7 柔性针受力实验验证
2.7.1 柔性针穿刺实验平台
2.7.2 传感器与斜角柔性穿刺针的校准
2.7.3 柔性组织及压缩装置
2.7.4 切割模型的实验验证
2.7.5 针轴弯曲半径影响参数的实验验证
2.7.6 针尖处的受力实验
2.7.7 针轴整体受力实验
2.7.8 直线轨迹和弯曲轨迹受力对比实验
2.8 本章小结
第3章 非均匀组织的穿刺模型及轨迹规划
3.1 引言
3.2 非均匀组织的穿刺模型
3.2.1 针-组织相互作用力分析
3.2.2 建模和求解
3.3 模型中参数的获取
3.3.1 针尖受力的侧向分量Ft,y
3.3.2 弹簧支撑刚度Kt
3.4 柔性针的运动建模
3.4.1 柔性针穿刺的合理假设
3.4.2 Unicycle模型
3.4.3 运动学计算
3.4.4 柔性针运动的分类
3.5 柔性针运动轨迹规划与仿真
3.5.1 两段圆弧路径特点
3.5.2 三段圆弧路径特点
3.5.3 多段圆弧轨迹的路径特点
3.5.4 选择转动策略
3.5.5 轨迹仿真分析
3.6 多层组织穿刺分析
3.7 非均匀组织中的穿刺实验
3.7.1 非均匀组织对针体弯曲轨迹的影响实验
3.7.2 针尖力侧向分力Ft,y的求取
3.7.3 求取弹簧刚度Kt
3.7.4 轨迹规划实验
3.8 本章小结
第4章 基于压电驱动的新型斜角柔性针
4.1 引言
4.2 剪切式压电陶瓷特性
4.3 新型柔性针结构
4.4 针尖转动模型
4.4.1 针尖转动分析
4.4.2 压电驱动针尖转动
4.5 针尖转动模式分析与仿真
4.5.1 针尖转动模式分析
4.5.2 针尖转动仿真分析
4.6 压电驱动针尖转动实验验证
4.6.1 实验目的及实验平台
4.6.2 实验验证与分析
4.7 本章小结
第5章 斜角柔性针针体曲线形状的实时监测
5.1 引言
5.2 获取针体曲率信息
5.3 针体曲线的拟合方法
5.3.1 平面曲线的拟合方法
5.3.2 空间曲线的拟合方法
5.4 拟合误差分析
5.4.1 曲率圆与曲线的位置关系
5.4.2 误差的衡量
5.4.3 曲率插值
5.5 离散点求解及误差的影响因素
5.6 柔性针曲线形状实时监测实验
5.6.1 构建实验系统
5.6.2 应变片标定
5.6.3 平面二维圆弧曲线
5.6.4 空间三维圆弧曲线
5.6.5 二维平面非圆曲线
5.7 本章小结
第6章 基于视觉伺服的柔性组织操控技术
6.1 引言
6.2 系统数学建模
6.3 控制算法设计
6.3.1 变形雅克比矩阵在线预估算法
6.3.2 输入速度控制器
6.3.3 控制算法闭环分析
6.4 控制算法仿真
6.5 基于轨迹规划的柔性组织变形控制
6.6 柔性组织操控实验
6.6.1 试验系统构成
6.6.2 组织变形控制方案规划
6.6.3 组织变形控制实验
6.7 局限性分析及补偿措施
6.8 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3413111
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