手術(shù)針穿刺軟組織的建模及路徑規(guī)劃研究.pdf

1、用手術(shù)針經(jīng)皮穿刺進(jìn)入軟組織是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)一個(gè)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(yīng)用，比如活組檢測(cè)，注射，神經(jīng)外科和癌癥的治療等過程都會(huì)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(shù)針針尖控制到某個(gè)目標(biāo)位置區(qū)域。然而，由于在穿刺過程中手術(shù)針和周圍組織的相互作用和組織內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境使得組織和手術(shù)針都發(fā)生變形，手術(shù)針會(huì)偏離預(yù)定的運(yùn)動(dòng)路徑并最終導(dǎo)致無(wú)法精確的到達(dá)目標(biāo)區(qū)域。鑒于此，本論文重點(diǎn)研究了如何對(duì)手術(shù)

2、針穿刺進(jìn)入軟組織并順利到達(dá)目標(biāo)位置區(qū)域這個(gè)過程中的路徑進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃。整個(gè)論文主要包含如下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　 第一，為了預(yù)測(cè)手術(shù)針在穿刺過程中的彎曲情況，我們首先對(duì)手術(shù)針和組織之間的相互作用進(jìn)行了調(diào)研。在實(shí)際的臨床過程中，能夠在手術(shù)前準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)手術(shù)針的彎曲變形對(duì)于手術(shù)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(gè)能夠成功的預(yù)測(cè)手術(shù)針穿刺過程中彎曲情況的預(yù)測(cè)模型。通過結(jié)合模型和手術(shù)針當(dāng)前的幾何

3、形狀，該模型能夠預(yù)測(cè)在組織材料屬性不均勻時(shí)的彎曲情況。
　　 第二，我們考慮了在彈性手術(shù)針穿刺進(jìn)入理想的靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題。由于手術(shù)針是彈性的，針尖切角在受到不平衡的力時(shí)，會(huì)讓手術(shù)針自然的發(fā)生彎曲。該彎曲后的路徑可以近似成一個(gè)曲率恒定的圓弧。我們第一次提出將手術(shù)針的運(yùn)動(dòng)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(lái)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(zhǎng)度最短。我們對(duì)二維和三維

4、的路徑規(guī)劃問題都分別進(jìn)行了定義和研究。
　　 第三，我們考慮了軟組織屬性對(duì)整個(gè)手術(shù)針穿刺過程的影響。由于軟組織在手術(shù)針穿刺過程中會(huì)發(fā)生變形，而且軟組織自身具有非均勻的特性，所以整個(gè)穿刺過程中，目標(biāo)點(diǎn)和手術(shù)針路徑的曲率都會(huì)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(jié)果往往都不理想甚至失敗。在這里，我們提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)的路徑規(guī)劃算法，該算法可以根據(jù)目標(biāo)位置和穿刺路徑半徑的變化進(jìn)行路徑的重規(guī)劃，這樣就可以減小最后的穿刺誤差。