穿刺过程中针与组织交互作用建模分析及路径规划

发布时间：2020-07-31 18:06

【摘要】：随着社会的发展以及生产力的提高,人们的生活质量得到了很大的改善。但与此同时,不良的生活方式和环境污染也对人们的健康造成了极大的威胁。根据2018年世界癌症状况调查结果,2018年新发病例约有1810万,与2012年相比增加了约400万,全球因癌致死人数由2012年的820万上升到2018年的960万。活体组织检查(简称活检)是目前进行癌症检测的最有效的手段之一,其中经皮穿刺活检因其创伤小,成本低的特点,成为活体检测主要的发展方向。但因体内环境复杂、组织变形以及穿刺针受力弯曲等因素的影响,目前经皮活检穿刺仍然存在穿刺精度不高,效率低下的问题。针对存在问题,本文开展穿刺过程中针与组织交互作用建模分析及路径规划研究,以期提高穿刺取样精度和效率。本文在课题组之前研究的基础上得出组织的本构方程,以Kelvin模型和三元件模型为基础建立了弹簧-阻尼-节点模型,分析了组织不同受力位置以及力大小对靶点偏移量的影响,并运用Abaqus有限元仿真软件对组织变形进行了仿真。通过将仿真得到的不同深度应力应变关系与所建立的模型相比较,证明了模型的有效性。本文通过分析组织与穿刺针的相互作用关系研究了针的弯曲变形。将柔性针视为悬臂梁,其受力与挠曲量的关系可由Euler-Bemoulli理论推导得出。经过对针穿刺过程进行分析,认为针在穿刺组织过程中受到切割反作用力、摩擦力和组织变形抗力的作用,并分析得到影响这些力大小的因素包括针直径、尖端倾斜角、穿刺速度、明胶质量比和穿刺深度等,为实验探究针的弯曲特性提供了理论依据。以明胶假体作为实验对象进行穿刺实验,探究了近似圆弧半径与穿刺深度、明胶质量比、穿刺速度、针半径以及针尖倾斜角之间的关系。实验结果表明,随着穿刺深度增加,等效圆弧半径逐渐增大;随着针尖倾角和穿刺针的半径等穿刺针自身参数的增加,圆弧等效半径也逐渐增大;而随着明胶假体中水含量的降低和穿刺速度的增加,等效圆弧半径则会逐渐减小。为方便进行柔性针路径规划实验,搭建了由控制系统和执行系统两部分组成的三自由度穿刺平台。本穿刺平台由针体旋转模块、同时本文为该平台的控制系统编写了一套步进梯形图控制算法,能通过三个步进电机的协调运动实现调整入刺角、直线进针和转针功能。本文引进粒子群算法作为穿刺路径规划的主要算法。以穿刺过程中单段圆弧圆心角以及圆弧之间的旋转角度作为变量,设定末段圆弧端点与目标点的距离作为目标函数,通过设定合适的学习因子得到收敛的圆心角和旋转角度的组合,从而规划出符合精度要求的柔性针进针路径。通过实验对规划结果进行验证,实验结果表明运用该路径规划方法进行穿刺能够使针尖点与目标点的距离保持在实际需要的精度范围内。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP18;O221;R318.01
【图文】：

过程图,过程,明胶,假体

变率的动态压缩试验测定了肝脏组织应变率从低到高的力学性能，验证了其提出逡逑的一个率相关模型。Ａｚａｒ和Ｈａｙｗａｒｄｉ１４，１５］将软组织的变形过程分为四个过程：变逡逑形阶段、稳定刺入阶段、组织松弛阶段和回退阶段，各阶段穿刺力变化如图１－２逡逑所示，并进一步应用断裂力学理论建立软组织的力学模型，成功预测了穿刺软组逡逑织所需的刺入力。李进嵩［｜６］等根据病变后组织的力学性能如硬度和弹性等会有逡逑所变化的特点，设计了一种介入超声印压系统，能够定量的测量出肝脏、肌肉等逡逑组织的硬度，并通过比较硬度对判断组织器官是否病变提供参考。山东大学宋磊逡逑１１７］运用明胶假体代替活体组织，对明胶假体的力学性能进行了分析，并通过压逡逑痕试验测定了明胶假体的力学性能，通过单轴拉伸试验测得了明胶假体在大变形逡逑下的破裂阈值，与相关文献数据对比证明可以在一定条件下运用明胶假体代替器逡逑官组织进行穿刺试验。逡逑／逦＼邋［Ｋ邋１逡逑０Ｓ－）逦／邋ｋ逦＼邋？ｃ邋＊逡逑／邋ｍ邋ｒｅＵｗｊ：？ｏｎ逦＼逦￡逡逑卜“一＾逡逑？逦ｊｙ邋ｘ？ｎｓｔｒｔ＊0ｎ逦｜逡逑／ｆ逦ｅｘｔｉＡＣｔ＾邋＼逡逑‘邋＼邋ｐｙｎｃｔｕｆｅ逡逑４１逦Ｙ逡逑０逦２逦４逦６邋ｆ邋１Ｃ邋１２逡逑ｔｉｍ？逡逑图１－２软组织变形四段过程逡逑１．２．１．２软组织变形建模逡逑软组织在受到穿刺作用力时，靶点位置受软组织变形影响会产生偏移。靶点逡逑位置偏移的状态不但受作用力的大小、方向和作用点位置影响

准静态过程,二维,状态,针体

第１章绪论逡逑学公式计算组织的形变，并运用有限元校验了模型的准确性，如图１－３所示。逡逑ＳｅｒｈｕｓＩＭ运用线弹性理论和有限元模型建立了虚拟肝脏模型，实现了腹腔镜触觉逡逑设备对肝脏进行模拟切除。国内高德东｜２４］在对穿刺针受力和软组织变形进行研逡逑究的过程中，提出了一种将软组织变形过程离散为一系列准静态过程的有限元模逡逑型，二维准静态过程如图１－４所示。通过在ＡＮＳＹＳ有限元仿真软件中对组织变逡逑形进行仿真证明了该模型的可行性。朱卓［２５］等针对软组织力学模型提出了一种逡逑同时具有超弹性和粘弹性性质的并联复合模型——超粘弹性模型，通过对三种不逡逑同的模型进行有限元仿真实验证明了并联复合软组织结构更加符合软组织实际逡逑的应力特性。逡逑４邋ｉｄ逡逑．‘逡逑ａ难梊态稃丨逦ｂ邋态过稃２逦ｃ邋ｉｆ梊态过稃３逡逑图１－４二维状态下软组织变形准静态过程逡逑１．１．２．３穿刺针在组织中的受力分析逡逑在穿刺过程中穿刺针与组织之间的作用力是相互的，组织对穿刺针的作用力逡逑被称为穿刺力。弹性变形力、切割力和摩擦力是穿刺力的三个主要组成部分。刚逡逑度力由组织的弹性变形产生；切割力是针尖切割开软组织所需要的力；摩擦力是逡逑指针刺入组织一定深度后，由于组织对针体的压力而产生的阻止针体运动的力。逡逑摩擦力方向沿针体轴向，会对组织变形有一定影响，但对针体变形影响较小；针逡逑尖斜角的存在会使针尖切割力有一个沿针体径向的分力

模型图,柔性,模型,针体

穿刺组织过程中侧向受力的数学模型，建立起针根部作用力与针尖偏差的关逡逑系，通过实时测量柔性针根部的作用力，实现对针尖处发生偏差的实时在线逡逑估计。ＧｌｏｚｍａｎｌＷ等提出了一种基于虚拟弹簧的运动学模型，如图１－５所示，逡逑通过建立三自由度运动学模型实现对针体运动轨迹的控制，由于旋转迟滞等逡逑原因针体操控性随穿刺深度的增加而降低，所以将针体轨迹拟合为多项式，逡逑应用最短路径规划方法实现穿刺路径的规划。该方法虽然简单有效、精确度逡逑高，但是由于是基于平面的二维规划方法，无法将其运用到三维的路径规划逡逑中。黄磊｜３９】等分析了运用基本梁理论描述柔性针变形的不足之处，提出了逡逑基于大变形理论的柔性针受力弯曲数学模型。郑浩峻［４＜）１等通过对针的受力逡逑状况进行分析，提出了一种悬臂梁模型来描述柔性针在穿刺时的挠曲特性。逡逑在该模型中柔性针被分为若干段，并且每段都被视为悬臂梁，运用准静态的逡逑方法建立起穿刺针三维路径预测算法，最后通过仿真实验验证了该预测算法逡逑能够很好的预测柔性针的穿刺路径。逡逑．．邋Ｔｉ．ｗｔｗ逡逑＇／逡逑ｒ栜逡逑图１－５柔性针虚拟弹簧模型逡逑１．２．２机器人辅助穿刺系统逡逑在针穿刺过程中

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