1、穿刺針是應(yīng)用在一般活檢、局部麻醉、介入放射和近距治療等外科診療中最基本的微創(chuàng)手術(shù)器械。大量外科診斷、治療和研究都需要針穿刺到特定靶點(diǎn)，其中大多數(shù)穿刺靶點(diǎn)都集中在軟組織器官。靶點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)和針穿刺運(yùn)動(dòng)軌跡的不確定性而引起的穿刺靶點(diǎn)誤差嚴(yán)重限制了針刺手術(shù)的臨床應(yīng)用。
　　本論文以柔性針精確穿刺動(dòng)態(tài)靶點(diǎn)為目標(biāo)，深入分析了柔性針與軟組織之間交互作用機(jī)理，提出了基于改進(jìn)局部約束法的軟組織變形有限元模型，采用MATLAB程序包實(shí)現(xiàn)了穿刺過(guò)程組織

2、變形的二維仿真，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的有效性。將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)分析方法應(yīng)用于軟組織內(nèi)部靶點(diǎn)和障礙物運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，建立了基于Kriging元模型的組織變形預(yù)測(cè)模型，與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明Kriging預(yù)測(cè)模型能夠克服有限元計(jì)算代價(jià)大的缺陷。利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論建立了穿刺過(guò)程中柔性針運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，描述了針座與針尖之間的運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系，進(jìn)而建立了以調(diào)整角為控制參數(shù)的針體逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。利用人工勢(shì)場(chǎng)概念定義了考慮靶點(diǎn)和

3、障礙物運(yùn)動(dòng)的廣義穿刺誤差，利用針體正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將組織變形動(dòng)態(tài)環(huán)境下的軌跡規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為廣義穿刺誤差優(yōu)化問(wèn)題，并提出了具體軌跡規(guī)劃算法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃算法的可行性。
　　本論文共分六章，主要內(nèi)容簡(jiǎn)述如下:
　　第一章，詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)輔助軟組織針穿刺技術(shù)的研究背景和現(xiàn)狀，歸納出針穿刺誤差原因分類(lèi)及表現(xiàn)。綜述了柔性針穿刺軟組織過(guò)程中針與軟組織相互作用機(jī)理、柔性針操控技術(shù)及穿刺運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等方面的研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有組織變形

4、模型和軌跡規(guī)劃方法存在的挑戰(zhàn)。最后概述了本論文的主要研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)。
　　第二章，在線(xiàn)彈性軟組織有限元模型和柔性針懸臂梁模型的基礎(chǔ)上，基于改進(jìn)局部約束法建立了柔性針-軟組織耦合模型，將針節(jié)點(diǎn)上作用力關(guān)系融入到軟組織模型中。采用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了針穿刺軟組織過(guò)程仿真。設(shè)計(jì)了與仿真條件相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并通過(guò)在PVA假體內(nèi)部添加標(biāo)識(shí)物來(lái)記錄節(jié)點(diǎn)位移情況，分析和比較了靠近針約束、遠(yuǎn)離針約束和靠近邊界約束等三類(lèi)節(jié)點(diǎn)位移的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，

5、平均誤差在0.50mm以?xún)?nèi)。所提耦合算法可拓展適用于非線(xiàn)性非勻質(zhì)軟組織材料。
　　第三章，將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)分析和元模型方法應(yīng)用于軟組織內(nèi)部靶點(diǎn)和障礙物運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。介紹了Kriging元模型的基本原理和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的拉丁超方格方法。建立了考慮軟組織和針材料性能參數(shù)、穿刺角度等11個(gè)變量的軟組織最大位移Kriging預(yù)測(cè)模型，分析了不同相關(guān)函數(shù)的預(yù)測(cè)性能和參數(shù)敏感性。建立了基于泛函響應(yīng)的軟組織變形實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)Kriging模型，分析了模

6、型對(duì)參數(shù)變化和時(shí)間指標(biāo)變化的適應(yīng)性能;與有限元仿真結(jié)果對(duì)比表明，Kriging實(shí)時(shí)模型預(yù)測(cè)相對(duì)殘差在35％之內(nèi)，可較好地反映組織變形規(guī)律。
　　第四章，在分析柔性針撓曲作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論建立了斜角柔性穿刺針的正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。采用準(zhǔn)靜態(tài)思想，對(duì)撓曲針體分段研究，將穿刺過(guò)程分解為n個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程針尖運(yùn)動(dòng)可分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)，利用D-H方法描述了針座與針尖之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。搭建了運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

7、，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)學(xué)模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)針尖偏移量誤差在0.80mm之內(nèi)，靶點(diǎn)穿刺誤差小于0.78mm，能夠符合柔性針在軟組織內(nèi)部的變形規(guī)律。
　　第五章，在討論針體逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解存在性的基礎(chǔ)上，提出了無(wú)障礙和有障礙靜態(tài)環(huán)境下的針體軌跡規(guī)劃方法。利用歐式距離和人工勢(shì)場(chǎng)概念定義了考慮避障和中靶的廣義穿刺誤差，將動(dòng)態(tài)環(huán)境下軌跡規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為穿刺誤差優(yōu)化問(wèn)題，結(jié)合Kriging軟組織實(shí)時(shí)模型提出了動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的靜動(dòng)態(tài)軌跡