MRI環(huán)境下乳腺介入機(jī)器人穿刺路徑規(guī)劃研究.pdf

1、核磁共振成像（MRI）因其優(yōu)良的成像質(zhì)量為乳腺介入手術(shù)提供了新的圖像導(dǎo)航手段。但是，MRI的高磁場(chǎng)和十分有限的工作空間，制約了 MRI環(huán)境下乳腺介入機(jī)器人的應(yīng)用。另一方面，手術(shù)過(guò)程中針尖斜面與軟組織的相互作用產(chǎn)生針的彎曲變形，導(dǎo)致針尖偏離預(yù)定方向，因此，穿刺針的針尖偏轉(zhuǎn)和機(jī)器人路徑規(guī)劃也是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。本文提出一種 MRI兼容的乳腺介入機(jī)器人，利用最小勢(shì)能原理建立針穿刺軟組織過(guò)程中的針偏轉(zhuǎn)模型?；诖似D(zhuǎn)模型，進(jìn)一步研究機(jī)器人穿刺

2、路徑規(guī)劃問(wèn)題。
　　針對(duì)核磁共振環(huán)境的高磁場(chǎng)、有限空間與俯臥位手術(shù)的特點(diǎn)，對(duì) MRI環(huán)境下乳腺介入機(jī)器人進(jìn)行兼容性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò) MRI圖像掃描，對(duì)不同材料進(jìn)行兼容性實(shí)驗(yàn)，利用Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行布爾減運(yùn)算分析，為材料兼容問(wèn)題提供解決方案。利用TRIZ理論中的矛盾矩陣對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新求解，結(jié)合“功能分析”、“發(fā)明原理”、“物-場(chǎng)模型”等方法，提出一種改進(jìn)型直角坐標(biāo)機(jī)器人，得到 MRI環(huán)境下乳腺介入機(jī)器人的最優(yōu)化機(jī)構(gòu)

3、，并提出一種基于軟軸的遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)方式。
　　對(duì)針-組織相互作用力進(jìn)行分析。采用離散化方法，將每單元長(zhǎng)度的針體近似為摩擦力恒定的剛性直軸，通過(guò)積分，建立整個(gè)針體的摩擦力模型。對(duì)針尖斜面處切割力的三維分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，利用單位長(zhǎng)度上針-組織相互作用剛度建立切割力模型；基于準(zhǔn)靜態(tài)平衡方程將切割力從穿刺力中分解出來(lái)，求得切割力模型中的參數(shù)。
　　針對(duì)軟組織的非線性與各向異性，利用虛擬非線性彈簧建立乳腺穿刺過(guò)程中針-組織相互作用模型。將

4、針視為一系列非線性彈簧支撐的懸臂梁，且彈簧剛度彼此不同?；谏鲜鎏摂M非線性彈簧模型和切割力模型，利用最小勢(shì)能原理和瑞利-里茲法預(yù)測(cè)針的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而獲得穿刺過(guò)程中針尖的軌跡。
　　針對(duì)乳腺介入過(guò)程中需要避開(kāi)主乳管及血管的要求，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)穿刺路徑形式進(jìn)行分析，提出一種基于針偏轉(zhuǎn)模型的路徑優(yōu)化算法。建立路徑優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以穿刺路徑長(zhǎng)度和安全性為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化最佳入針點(diǎn)的位姿。利用Matlab軟件編寫路徑優(yōu)化仿真程序，仿

5、真結(jié)果表明，該算法能夠有效的優(yōu)化出復(fù)雜三維環(huán)境下的最優(yōu)路徑。
　　利用瓊脂膠制備了仿生組織材料，建立了機(jī)器人操控靶向穿刺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)針偏轉(zhuǎn)模型及路徑優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。針偏轉(zhuǎn)模型實(shí)驗(yàn)中針尖軌跡最大絕對(duì)誤差小于0.4mm，平均絕對(duì)誤差小于0.2mm；路徑優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中靶向穿刺最大誤差小于1.2mm，平均誤差小于0.9mm，誤差均在2mm以內(nèi)，滿足介入手術(shù)的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出的基于虛擬非線性彈簧支撐的針偏轉(zhuǎn)模型的準(zhǔn)確性和基于針偏