基于超声图像的三维穿刺路径规划研究

发布时间：2020-07-18 11:29

【摘要】：穿刺介入手术在靶向药物治疗、腰椎穿刺治疗等方面应用地越来越广泛。在介入手术中,超声图像由于实时性强、性价比高等优点,很好地应用在了介入手术的引导等方面。在穿刺介入手术中,通过对穿刺探针的路径进行规划,可以很好地避开障碍,有效保证穿刺探针到达病灶。因此,探针的穿刺路径规划研究已受到重视。本文针对基于超声图像的穿刺探针受力建模以及三维穿刺路径规划展开研究,将三维超声图像和柔性针的三维穿刺路径规划结合起来,使计划的路径更实用。本文的主要内容有以下几个方面:在穿刺针路径规划中需要避开血管的前提下,对超声图像中的血管信息进行识别。采用基于海森矩阵的血管识别算法对三维超声图像中包含的血管区域的大小和位置信息进行识别,该信息用作路径规划中要躲避的障碍,并用于指导后续的3D路径规划。在探针穿刺过程中,首先针对穿刺探针的弯曲形变程度进行分析,建立柔性针在穿刺过程中的受力模型。在完整的模型中,使用有限元仿真软件Abaqus来模拟和分析整个柔性针穿刺过程,得到穿刺探针弯曲量变化的曲线,并利用得到的结果来指导接下来的三维穿刺路径规划过程。基于障碍信息以及穿刺探针力学模型对探针穿刺路径进行规划。本文对快速搜索随机树算法进行改进,并将粒子群算法应用到穿刺探针的三维路径规划上,从而提出了两种三维路径规划的方法:基于改进的RRT算法的三维路径规划和基于粒子群算法的三维路径规划。本文具体介绍这两种方法的穿刺路径规划过程,并对这两种穿刺探针三维路径规划方法的路径规划结果进行比较和分析。最后,本文采用离体实验方式验证三维路径规划算法,使用机械臂辅助穿刺内部含有障碍物和目标点的琼脂体模的方式,将穿刺针实际的运动轨迹和仿真得到的穿刺轨迹作对比,证明了三维路径规划算法的可靠性和有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R445.1;TP391.41
【图文】：

解释图,区域识别,矩阵特征值,空间理论

a.3D 结构上的直观解释图 1 b.3D 结构上的直观解释图 2图 2-1 Hessian 矩阵特征值的几何解释度空间理论定义尺度下的函数微分：L( x, ) L( x )* G ( x, )x x 为高斯函数，其表达式如式（2-9）所示：22221( , ) exp2xG x —管状区域识别算法度增强下，根据海森矩阵的特征值构建三维管状识别滤0 ( )，并进行阈值处理，从而识别出血管信息。2312 3AB

矩阵特征值,几何解释,解释图

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图 2-3 Field II 仿真的具体过程示意图仿真的初始化参数设定如下表 2-2 所示：表 2-2 仿真初始参数仿真参数参数大小换能器的中心频率 5MHz采样的频率 100MHz声速 1540m/s波长 0.308mm阵元的宽度 0.154mm阵元的高度 7mm接收孔径 0.0025mm焦点的位置（0,0,7mm）

【参考文献】