手術針穿刺軟組織的建模及路徑規(guī)劃研究.pdf

1、用手術針經(jīng)皮穿刺進入軟組織是現(xiàn)代臨床醫(yī)學一個很重要的組成部分，且在近年吸引了很多研究人員的注意力。許多的臨床應用，比如活組檢測，注射，神經(jīng)外科和癌癥的治療等過程都會用到類似的微創(chuàng)治療手段。在這些過程中，需要能夠精確將手術針針尖控制到某個目標位置區(qū)域。然而，由于在穿刺過程中手術針和周圍組織的相互作用和組織內(nèi)部的復雜環(huán)境使得組織和手術針都發(fā)生變形，手術針會偏離預定的運動路徑并最終導致無法精確的到達目標區(qū)域。鑒于此，本論文重點研究了如何對手術

2、針穿刺進入軟組織并順利到達目標位置區(qū)域這個過程中的路徑進行最優(yōu)規(guī)劃。整個論文主要包含如下幾個方面的內(nèi)容:
　　 第一，為了預測手術針在穿刺過程中的彎曲情況，我們首先對手術針和組織之間的相互作用進行了調(diào)研。在實際的臨床過程中，能夠在手術前準確的預測手術針的彎曲變形對于手術的規(guī)劃具有重要的意義。在此文中，我們利用Rayleigh-Ritz方法，提出了一個能夠成功的預測手術針穿刺過程中彎曲情況的預測模型。通過結合模型和手術針當前的幾何

3、形狀，該模型能夠預測在組織材料屬性不均勻時的彎曲情況。
　　 第二，我們考慮了在彈性手術針穿刺進入理想的靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題。由于手術針是彈性的，針尖切角在受到不平衡的力時，會讓手術針自然的發(fā)生彎曲。該彎曲后的路徑可以近似成一個曲率恒定的圓弧。我們第一次提出將手術針的運動軌跡約束在兩條平行線之間，并通過尋找平行線間距的最優(yōu)值來得到我們所需要的最優(yōu)路徑。該最優(yōu)路徑滿足在旋轉(zhuǎn)次數(shù)最少的情況下能使路徑的總長度最短。我們對二維和三維

4、的路徑規(guī)劃問題都分別進行了定義和研究。
　　 第三，我們考慮了軟組織屬性對整個手術針穿刺過程的影響。由于軟組織在手術針穿刺過程中會發(fā)生變形，而且軟組織自身具有非均勻的特性，所以整個穿刺過程中，目標點和手術針路徑的曲率都會隨著穿刺深度的不同而發(fā)生變化。如果不考慮這些因素，穿刺結果往往都不理想甚至失敗。在這里，我們提出了一個動態(tài)的路徑規(guī)劃算法，該算法可以根據(jù)目標位置和穿刺路徑半徑的變化進行路徑的重規(guī)劃，這樣就可以減小最后的穿刺誤差。