机器人操控柔性针靶向穿刺机理及实验研究

微创介入治疗创伤小、疗效快、副作用少、费用低，被越来越广泛接受和采用，是外科临床医学发展的必然趋势。但是，由于人体组织的结构复杂性、手工操作的不确定性和普通介入针的刚性，难以实现实时的精确定位控制，更无法绕过障碍，实现人体深度部位的靶向穿刺。.本项目采用机器人操控柔性针来实现微创介入治疗的靶向穿刺，将机器人的灵巧操作能力与柔性针（特别是斜尖柔性针）的变形位姿控制能力结合在一起，实现进针位置、姿态、穿刺轨迹以及目标靶点的实时精确运动控制。揭示柔性针与柔性组织之间力、摩擦和变形等的相互作用机理，以及针与组织构成的非完整约束系统控制原理，建立柔性针在柔性组织中的运动控制模型，实现绕过障碍穿刺的最优路径规划。完成独立进针机构的设计和研制，建立机器人操控柔性针的靶向穿刺实验系统，并开展仿真和实验研究。对于提高柔性针靶向穿刺的精度、适应性和效率都具有重要的理论意义和实际应用价值。

微创介入治疗以创伤小、疗效快、副作用少等优点，备受当代医疗界的青睐，是临床医学发展的必然趋势。由于人体组织的结构复杂性和手工操作的不确定性，传统采用的刚性介入针，难以实现精确定位控制，更无法绕过障碍或敏感组织，实现人体深度部位的靶向穿刺。.本项目提出采用机器人操控柔性针来实现微创介入治疗的靶向穿刺，将机器人的灵巧操作能力与斜尖柔性针的弯曲变形位姿控制能力结合在一起，实现进针位置、姿态、穿刺轨迹以及目标靶点的精确运动控制。该项目通过柔性针弯曲实验和仿人组织(PVA)的压缩实验，对弯曲应力应变关系进行了分析和仿人组织的弹塑性及破坏机理分析。通过柔性针穿刺组织的受力平衡分析，建立柔性针与柔性组织之间的切割力、摩擦力、抵抗力与组织变形的相互作用力学模型，通过ABAQUS6.8对穿刺力进行了仿真。针对柔性针的运动学问题，以误差分析为依据，提出了偏转角和弹变两个修正参数，对Unicycle运动学模型进行改进，建立了柔性针穿刺软组织的运动学模型。将Bicycle运动学模型简化成了前、后轮模型，分别分析前轮模型与偏转Unicycle运动学模型和后轮模型与Unicycle运动学模型的关系，对四种模型进行了实验比较。结果表明，带弹变的模型远远优于不带弹变的模型，带偏转角的模型又优于不带偏转角的模型，且偏转弹变Unicycle运动学模型误差在2mm内，与实际轨迹非常吻合。利用旋量理论和指数积公式进行了柔性针运动学模型的运动学计算，证明了柔性针穿刺软组织运动学模型的优越性和准确性。基于柔性针运动学模型，提出了采用多种路径形式的路径规划算法，建立了考虑控制度的路径规划的多目标优化函数。分别采用正向和逆向两种规划方法对有障碍二维环境进行了路径规划，并比较了它们的优化结果。结果表明，该算法能够有效的优化出复杂二维环境下的正向和逆向的最优路径；逆向规划在优化路径的同时，也优化了入针点的位置和姿态，并且该算法可扩展到三维空间的路径规划。建立了机器人辅助柔性针的靶向穿刺实验系统，开展了路径规划实验研究，并对正向和逆向路径规划实验结果进行了分析和比较。结果证明，不仅可以很好的实现各种形式的路径，而且穿刺实验路径与理论路径相当一致。本项目的研究对于提高柔性针靶向穿刺的精度、适应性和效率都具有重要的理论意义和实际应用价值。