【摘要】：現(xiàn)代微創(chuàng)介入手術(shù)中,利用斜尖柔性針與組織間的相互作用力,可以穿刺出圓弧軌跡,進而繞過神經(jīng)、血管等障礙,實現(xiàn)人體深度精確穿刺。然而需要柔性針軌跡路徑和針尖位姿的實時反饋,才能實現(xiàn)高精度穿刺。針對上述問題,本文將超聲成像設(shè)備與柔性針穿刺手術(shù)相結(jié)合,提出了一種基于針體識別和針尖位姿預(yù)測的柔性針軌跡控制方法,對柔性針的針體識別、針尖位姿預(yù)測和基于實時反饋的柔性針軌跡控制深入研究。首先,基于超聲圖像對柔性針針體截面質(zhì)心進行提取。根據(jù)超聲成像設(shè)備的工作原理,分析了超聲成像的影響因素;依據(jù)超聲圖像的特性,采用中值濾波和高斯濾波對超聲圖像降噪處理;通過MATLAB對針體超聲圖像進行圖像處理,利用ROI感興趣區(qū)域算法,提取針體像素質(zhì)心,將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實際坐標(biāo),確定了針體的截面質(zhì)心坐標(biāo)。其次,基于針體截面質(zhì)心坐標(biāo)點集,提出了一種“擬合+插值”的針體軌跡識別算法。首先建立空間坐標(biāo)系,先對XOY面內(nèi)針體截面質(zhì)心點集進行擬合,得到二維軌跡函數(shù),再根據(jù)軌跡函數(shù)與Z軸坐標(biāo),進行空間插值,得到三維空間針體軌跡;通過進針長度與柔性針的軌跡特性,預(yù)測出針尖位姿,與針體軌跡結(jié)合,進而確定了整個柔性針在人體組織中的軌跡和姿態(tài)。再次,基于柔性針的運動特性和超聲反饋的針體位姿,提出了一種基于當(dāng)前狀態(tài)的動態(tài)路徑實時規(guī)劃算法。通過,分析RRT算法的基本特點,在其基礎(chǔ)上嵌入可達引導(dǎo)和貪婪啟發(fā)策略,根據(jù)超聲成像設(shè)備反饋的柔性針超聲圖像軌跡和靶點實時位置,利用可達引導(dǎo)和貪婪啟發(fā)的快速探索隨機樹(GHRG-RRTs)算法實時規(guī)劃進針路徑,確定最優(yōu)穿刺路徑,并控制穿刺軌跡,提高了路徑搜索效率和穿刺靶點準(zhǔn)確性。最后,進行了基于超聲識別的柔性針軌跡控制實驗,并進行誤差分析,驗證可行性。選取鎳鈦合金柔性針和制備仿生組織材料,結(jié)合超聲成像設(shè)備搭建實驗臺,進行穿刺實驗;將柔性針超聲圖像提取軌跡與實際軌跡進行對比,誤差分析,驗證了基于超聲識別的柔性針軌跡控制可行性。本文主要基于超聲圖像識別研究柔性針的軌跡控制,提出了基于超聲圖像的針體識別和針尖預(yù)測方法,基于針體的實時狀態(tài)反饋信息,采用GHRG-RRTs算法對柔性針穿刺軌跡規(guī)劃和控制,并且實驗驗證超聲識別針體的準(zhǔn)確性,為基于超聲圖像的柔性針軌跡控制提供理論和實驗基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TH789
【圖文】：

(a) 剛性針穿刺 (b) 柔性針避障穿刺圖 1-1 鋼針與柔性針的比較Fig.1-1 Comparison between traditional needle and flexible needle在針插入期間，由于人體器官的意外位移、組織的變形、針的彎曲變形或運動誤差等會導(dǎo)致穿刺針偏離靶點目標(biāo)[8]，針對上述問題，研究學(xué)者提出將超聲成像技術(shù)與穿刺手術(shù)技術(shù)相結(jié)合的研究方法。本文將超聲成像設(shè)備與柔性針穿刺手術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于針體識別和針尖位姿預(yù)測的柔性針軌跡控制方法。超聲成像技術(shù)提供了目標(biāo)位置、重要神經(jīng)及器官組織等障礙位置以及手術(shù)過程中針尖位置，但超聲圖像分辨率較低，會產(chǎn)生斑點偽影、鏡像偽影等干擾，對于外科醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)任務(wù)中識別傳統(tǒng)鋼針提供了幫助。基于超聲影像設(shè)備引導(dǎo)的鋼針，可以為穿刺手術(shù)提供實時反饋傳統(tǒng)鋼針的能見度很低，不易識別[9]，并且識別柔性針的針體和針尖位姿，仍具有很大挑戰(zhàn)[2]，如圖 1-2、1-3 所示。鋼針靶點

(a) 剛性針穿刺 圖 1-1 鋼針Fig.1-1 Comparison between trad在針插入期間，由于人體器官的意運動誤差等會導(dǎo)致穿刺針偏離靶點目標(biāo)聲成像技術(shù)與穿刺手術(shù)技術(shù)相結(jié)合的研本文將超聲成像設(shè)備與柔性針穿刺和針尖位姿預(yù)測的柔性針軌跡控制方法神經(jīng)及器官組織等障礙位置以及手術(shù)過會產(chǎn)生斑點偽影、鏡像偽影等干擾，對針提供了幫助。基于超聲影像設(shè)備引導(dǎo)傳統(tǒng)鋼針的能見度很低，不易識別[9]，具有很大挑戰(zhàn)[2]，如圖 1-2、1-3 所示。

[11]，如圖1-4所示。圖 1-4 柔性針針體超聲圖像處理Fig.1-4 Ultrasonic image processing of flexible needle body如圖1-4，其中（a）帶有彗星尾影的針的徑向超聲截面圖（CTA）；（b）中值濾波對超聲圖像中降噪處理；（c）二值化圖像；（d）腐蝕圖像斑點；（e）采用Hough變換直線檢測算法對CTA進行檢測；（f）直線上端頂點畫圓，由于針體的直徑已知，可以確定針體的質(zhì)心（YC，ZC）。2014年Adebar T等人，通過多普勒儀掃描高頻振動的針體，得到針體的多普勒圖像，如圖1-5所示，并進行圖像處理提取針體橫截面位置[12]。圖 1-5 多普勒超聲圖像Fig.1-5 Doppler ultrasound image

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 董偉鋒;李小虎;胡方田;張方超;;超聲波鋼針植入技術(shù)在立體織物成型中的應(yīng)用[J];玻璃纖維;2015年06期

2 劉國紅;;乳腺微小腫塊在鉬靶X線下行鋼針定位的探討[J];醫(yī)藥論壇雜志;2015年05期

3 張文智;楊高怡;于天琢;蔣慧青;孟君;王彩芬;;超聲造影后細針穿刺活檢術(shù)在頸部淋巴結(jié)結(jié)核診斷中的應(yīng)用[J];中國全科醫(yī)學(xué);2015年15期

4 張文智;楊高怡;李軍;徐建平;蔣慧青;孟君;趙丹;;超聲造影在頸部淋巴結(jié)細針穿刺活檢中的應(yīng)用價值[J];浙江中西醫(yī)結(jié)合雜志;2015年03期

5 張文智;楊高怡;孟君;徐建平;蔣慧青;;超聲造影在頸部淋巴結(jié)結(jié)核粗針穿刺活檢中的應(yīng)用價值[J];中國超聲醫(yī)學(xué)雜志;2015年03期

6 趙洪華;李國平;曹樹坤;艾長勝;孫選;;機器人輔助靶向穿刺手術(shù)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J];濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2015年06期

7 李佳戈;張艷麗;蘇宗文;;醫(yī)療器械電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵細節(jié)解析[J];中國醫(yī)療設(shè)備;2014年08期

8 肖雪月;周永超;湯薔芬;;頭皮鋼針在非超聲引導(dǎo)下行PICC置管中的應(yīng)用[J];護理實踐與研究;2013年23期

9 楊肖華;黃新宇;汪國祥;;CT引導(dǎo)下經(jīng)皮肺穿刺活檢術(shù)并發(fā)癥的影響因素分析[J];介入放射學(xué)雜志;2013年08期

10 趙燕江;張艷華;陳浩;張永德;Yan Yu;;多種路徑形式組合的柔性針二維路徑優(yōu)化[J];中國機械工程;2013年01期

本文編號：2796231