柔性针穿刺系统路径规划方法研究

发布时间：2017-04-26 16:17

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【摘要】：微创介入治疗技术是近年来迅速发展起来的一门崭新的医疗技术,被广泛应用于活体组织病理检查、器官药物定向投送等。穿刺治疗在微创手术中占有重要的位置,然而传统手术的穿刺采用刚性针,受限于针体特性,只能进行直线穿刺,无法满足复杂手术的需要。本文采用镍钛合金特制的斜尖柔性针(简称“柔性针”)进行穿刺,进针时组织对针尖斜面的侧向作用力使针体产生弯曲,刺出弧线轨迹。针体的弯曲特性可用来避开重要的障碍物(如神经、血管、骨骼等重要器官),灵活、精确地达到传统刚性针所无法达到的靶点位置,减小手术创伤。但人无法精确操控柔性针,需要结合机器人的精确控制能力进行柔性针穿刺操作。本文以机器人辅助柔性针穿刺系统为研究对象,分析柔性针运动模型,并在二维平面和三维立体空间开展了柔性针轨迹规划方法研究。首先,根据柔性针的特性及运动轨迹产生机理,建立了描述柔性针运动的针体坐标系和世界坐标系,给出了两个坐标系之间的坐标转换矩阵,结合柔性针单轮车模型,得到了柔性针的运动学模型。基于柔性针运动学模型,分析了柔性针的直线轨迹、曲率固定圆弧、多段圆弧拼接等可能的行进轨迹,实现了平面内基于三段圆弧的柔性针轨迹规划。针对微创手术需要穿过多层组织及可能遇到多病灶这类实际问题,深入分析了平面内多层组织轨迹规划、多目标点轨迹规划方法,仿真验证了规划方法的可行性。其次,由于实际手术中穿刺针是在三维空间运动,本文进一步针对柔性针三维路经规划问题开展研究,提出了三种三维空间轨迹规划策略。1)将离散的多个二维平面拼接组成三维空间,直接将二维规划策略推广到三维空间；2)基于柔性针逆运动学规划出两段圆弧状况下的三维空间最优路径；3)通过分析动态规划和快速随机搜索树的优缺点,创新提出一种基于快速搜索策略的柔性针三维路经规划方法,可以相对快速的寻找一条局部优化的可行路径。通过仿真验证了以上三种规划方法的可行性。最后,搭建了机器人辅助柔性针实验平台,并进行了柔性针穿刺实验。采用二维平面轨迹规划方法,柔性针可以避开障碍物,达到目标点,验证了方法的可行性。综上,本文对机器人辅助柔性针穿刺系统的轨迹规划问题开展了系统性的研究,提出了二维平面和三维空间等一系列轨迹规划方法。分析了二维平面中多病灶、多层组织等实际穿刺过程中遇到的规划问题,对柔性针三维空间规划这一难题进行了探索性的研究。本文取得了较好的结果,部分成果进行了实际试验验证,为推进机器人辅助柔性针穿刺技术的发展起到了重要的支撑作用。
【关键词】：穿刺机器人 柔性针 路径规划 多目标点 多层组织
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R443.8;TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景与意义11-14
• 1.2 柔性针穿刺系统的研究现状14-18
• 1.2.1 柔性针系统建模15-17
• 1.2.3 柔性针路径规划17-18
• 1.3 柔性针穿刺系统导航的关键技术18-19
• 1.4 论文主要研究内容19-21
• 第2章 柔性针建模及平面规划21-49
• 2.1 引言21
• 2.2 柔性针模型21-26
• 2.2.1 可控柔性针系统模型21-23
• 2.2.2 可控柔性针运动学计算23-26
• 2.3 可控柔性针平面轨迹规划26-47
• 2.3.1 可控柔性针平面规划基础27-35
• 2.3.2 可控柔性针多目标点规划35-40
• 2.3.3 柔性针穿刺路径离散化40-44
• 2.3.4 可控柔性针多层组织规划44-47
• 2.4 本章小结47-49
• 第3章 可控柔性针三维轨迹规划49-61
• 3.1 引言49
• 3.2 可控柔性针基于平面规划的三维轨迹规划49-53
• 3.3 基于机器人逆运动学三维轨迹规划53-55
• 3.4 融合快速随机搜索树,动态规划算法的三维轨迹规划55-59
• 3.5 本章小结59-61
• 第4章 柔性针穿刺实验研究61-71
• 4.1 引言61
• 4.2 柔性针穿刺平台61-62
• 4.3 柔性针视觉定位62-67
• 4.3.1 双目摄像机视觉定位62-63
• 4.3.2 线性摄像机模型63-66
• 4.3.3 双目摄像机模型标定66-67
• 4.4 柔性针穿刺轨迹规划实验67-69
• 4.5 本章小结69-71
• 第5章 总结与展望71-73
• 参考文献73-79
• 致谢79

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本文编号：328802