面向机器人穿刺的斜尖穿刺针-软组织交互作用机理与规划控制研究

Minimally invasive percutaneous needle placement is widely adopted in the diagnosis and treatment procedures for cancer in multiple organs. However, vital anatomic structures such as blood vessels and nerves in-between the needle’s entry point and the target will act as obstacles and increase difficulty for conventional rigid needles. Also, Deformation of soft tissue may lead to target drifting after needle insertion. Therefore, in this project we propose theories and methods for accurate robot-assisted bevel-tip needle placement into soft tissue, including: (1) study of interaction mechanism between bevel-tip needle and soft tissue, which will lay the foundation for accurate insertion path prediction; (2) study of control methods of needle under nonholonomic constrains, for instance, path planning methods based on multi-objective optimization and duty-cycled needle spinning; (3) study of needle insertion into multilayer inhomogeneous tissue, which incorporates multidimensional information perception, adaptive tissue property parameter updating, and real-time path correction for the surgical robot. The outcome of this project will provide necessary theoretical and technological back-up for robot-assisted bevel-tip needle placement into soft tissue, and will remarkably enhance the accuracy, controllability and safety of minimally invasive percutaneous surgeries.

微创经皮穿刺手术在多种器官组织肿瘤的靶向诊疗中有着广泛的临床应用，然而穿刺过程常受到组织内骨骼、重要血管、神经等生理结构的阻碍以及软组织形变等问题的影响，而导致穿刺精度差、成功率低。本项目以机器人辅助斜尖穿刺针在非均匀软组织中的精准穿刺为目标，开展以下理论与技术研究：（1）研究斜尖穿刺针与人体软组织的交互作用机理，建立交互形变模型，为机器人穿刺手术路径规划与高精度穿刺控制奠定理论基础；（2）突破斜尖穿刺针在非完整约束下的控制方法，采用动态弯曲半径算法进行目标轨迹优化，实现基于多目标优化方法的穿刺避障路径规划；（3）研究多层非均匀软组织对穿刺过程的影响，建立自适应组织参数更新方法，突破术中多维信息感知技术，实现机器人辅助穿刺手术的目标路径实时校正。本项目将为机器人穿刺手术中斜尖穿刺针-软组织交互作用机理与规划控制方法提供必要的理论基础与技术支撑，有效提高穿刺手术的精确性、可控性和安全性。

经皮穿刺手术是微创手术的一种重要方法，已广泛应用于多种器官组织的靶向诊疗手术中。然而，在穿刺针对软组织的靶向穿刺诊断和治疗过程中，经常会受到组织内生理结构，如骨骼、血管、神经等的阻碍和软组织形变等问题的干扰和影响，这会直接影响到穿刺精度，最终严重影响手术效果和手术的成功率。本课题研究穿刺针与软组织的交互模型，并研究斜尖穿刺针目标路径规划方法和非均匀软组织中的信息感知与实时路径校正技术。首先，研究了穿刺针与软组织的交互作用机理，建立了穿刺针与软组织的力交互模型、软组织器官变形模型，得出了穿刺针与组织之间的力、运动关系，揭示了穿刺针穿刺过程中的物理本质。然后，在穿刺针-软组织交互模型基础上建立了针尖位置预测模型，并提出综合考虑穿刺路径最短、路径距障碍物最远等多目标的穿刺路径规划方法，规划出了穿刺的最优路径，提高了进针效率和安全性。再后，研究了基于动态弯曲半径方法的穿刺针运动学模型和穿刺针进针控制策略，可动态调整整穿刺针的弯曲半径。最后，研究了多层非均匀软组织对穿刺过程的影响，建立了基于FBG穿刺针形状感知的组织交互参数获取方法，研究了基于FBG穿刺针形状感知的非均匀软组织穿刺规划控制方法，对穿刺针进针路径进行实时校正，解决了多层组织特性变化难题。体模和离体实验验证了所研究方法的正确性、有效性。课题涉及到生物医学、机器人技术等多种学科，有着重要的科学理论意义，为医用机器人实现高精度靶向穿刺提供了部分基础理论与关键技术。