新型斜角柔性針的設(shè)計及穿刺軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、經(jīng)皮微創(chuàng)介入治療由于其具有無需切開人體組織、治療窗口小、治療范圍廣、治療效果好、術(shù)后恢復(fù)快、治療風險性小等諸多優(yōu)點而越來越多的被應(yīng)用于各種疾病的臨床治療中?，F(xiàn)階段臨床應(yīng)用中的介入手術(shù)是在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的引導(dǎo)下,采用鋼針刺入人體,使針尖到達病灶位置對人體內(nèi)的病態(tài)進行診斷和局部的治療。鋼針在人體內(nèi)由于直線運動的特性,使其在躲避障礙以及穿刺路徑的選擇上受到很大限制,而在人體內(nèi)可實現(xiàn)曲線運動的斜角柔性針由于其出色的避障能力,成為近些年醫(yī)療微創(chuàng)手術(shù)

2、機器人的研究熱點。
　　斜角柔性針在人體組織內(nèi)運動過程中,由于受到垂直于針尖斜面的側(cè)向力作用以及自身材料的超彈性特點,使其在組織內(nèi)的運動路徑為半徑一定的圓弧,且針體彎曲方向由針尖決定。目前的斜角柔性針穿刺研究,都是通過在基座處轉(zhuǎn)動柔性針以達到改變針尖斜角方向的目的。但是由于組織與其內(nèi)部柔性針體的摩擦作用,以及柔性針自身的材料特性,會發(fā)生基座的輸入角度與針尖的轉(zhuǎn)動角度之間存在一定誤差,導(dǎo)致引起柔性針在組織內(nèi)穿刺運動的偏差。
　

3、　本課題設(shè)計了一種全新結(jié)構(gòu)的基于壓電驅(qū)動的斜角柔性針,對其進行了建模、仿真與實驗,并進行了基于臨床手術(shù)條件下,軌跡規(guī)劃方面的深入研究。文中首先對柔性針針尖在組織內(nèi)的轉(zhuǎn)動受力進行了分析,并設(shè)計了將柔性針針尖與針體分離,再通過剪切式壓電陶瓷驅(qū)動針尖斜角方向發(fā)生改變的新型柔性針結(jié)構(gòu)。分析了圓柱體在平面上受力發(fā)生不同種類滾動的條件,進而建立平面驅(qū)動柔性針針尖發(fā)生轉(zhuǎn)動的運動模型。分析了壓電陶瓷在不同波形的電壓驅(qū)動下對針尖的不同驅(qū)動效果,并對其因此

4、產(chǎn)生的一系列運動模式進行了詳細的分析、計算與仿真。
　　之后,基于臨床應(yīng)用的條件下,進行了深入的柔性針組織內(nèi)的穿刺運動軌跡規(guī)劃研究。分別對柔性針在人體組織內(nèi)運動的軸向進給和周向轉(zhuǎn)動進行了討論與分析,提出了柔性針到達目標點的最優(yōu)路徑策略并進行了仿真,基于柔性針進給系統(tǒng)特點,對最優(yōu)運動路徑進行了離散化與誤差補償。并分析了多層組織刺入的軌跡規(guī)劃策略。
　　最后,對上述理論展開了實驗研究。通過壓電陶瓷在外電壓作用下,驅(qū)動針尖發(fā)生轉(zhuǎn)動