面向穿刺介入手术的软组织力学特性研究与穿刺力建模.pdfVIP

摘 要 摘 要 针穿刺手术是现代临床医学一个重要的组成部分。近年来，活组检测、药物注射和 癌症的靶向治疗等针穿刺微创手术在临床应用中大量开展。如何提高微创手术的精确度 以减少对病人的损伤，此类安全问题一直是被关注的重点。在穿刺手术过程中，必须要 保证穿刺针的针尖精确控制在目标靶点区域，然而由于软组织的各异性和形变特性，在 实际操作时，手术针与周围软组织的互相作用会使得两者发生变形，针会在预定的运动 轨迹下发生偏移，最终导致针尖无法精确到达目标区域，严重影响手术效果。因此，如 何对手术针进行精确的控制与定位问题成为了穿刺手术研究的一个重点难点。 近年来，随着虚拟手术的发展，通过机器人辅助的虚拟手术系统成为了解决这一难 题的有效方法。其中，手术针精确控制与定位的关键所在就是针与软组织相互作用的机 理特性与穿刺力建模研究。因此，对其展开相关理论与仿真的研究工作对于穿刺介入手 术具有关键性的意义。 本文针对经皮穿刺手术，采用了典型的软组织——肝脏为研究对象，对手术过程中 软组织形变的力学特性及针穿刺的精确控制问题进行了研究，具体研究内容包括： （1）以 X-Y 运动平台为基础，设计了一种基于 PMAC 的生物软组织力学特性标定 系统，能够通过对软组织进行针穿刺实验，得到真实肝脏力学特性曲线，测量和标定生 物软组织的力学特性，并计算得到组织形变参数，从而建立了准确的生物力学测量工具。 （2）在软组织力学特性的基础上基于模型特征建立了针穿刺力—组织形变的力学模 型，提出了穿刺过程的针的控制策略。该模型的建立优化了手术器械的控制路径，提高 了虚拟手术软组织仿真的精确度. （3）在 ANSYS 中建立仿真模型进行验证，结果表明穿刺力的模型真实准确，该方 法满足虚拟手术的要求。 关键词 针穿刺手术 软组织 机器人 力学特性 穿刺力建模 I Abstract Abstract The needle puncture operation is a significant part of modern clinic medicine, and needle puncture minimally invasive operations such as group testing and drug injection and targeted therapy of cancer have already been developed in clinical application. How to improve the accuracy of the minimally invasive surgery to reduce the damage to the patient, such security problems has always been the focus of attention. During the needle puncture operation, we need control the puncture needle tip into the target area. Due to the anisotropy and deformation characteristics of soft tissue, When in the actual operation, the soft tissue and the needle would be deformed because of the interact of the needle and the surrounding tissue so that the needle may deviate the ideal trajectory and cannot arrive the target area accurately. It will seriously affect the operation effect. So ho