微創(chuàng)介入手術(shù)由于治療窗口小、術(shù)后恢復(fù)快、治療風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于臨床治療中。經(jīng)皮穿刺術(shù)是微創(chuàng)介入手術(shù)中一種重要的方法,其作為癌癥早期診斷和治療的主要手段之一,可用于對(duì)活體組織進(jìn)行靶向注射和短程放射治療。由于目前經(jīng)皮穿刺術(shù)一般采用剛性穿刺針,穿刺過(guò)程中形成的直線路徑無(wú)法滿足避障要求,因此采用新型斜角柔性針實(shí)現(xiàn)“非直線進(jìn)針”軌跡,以解決避障的問(wèn)題。針尖斜面在穿刺過(guò)程中會(huì)受到組織的側(cè)向力,在均勻組織內(nèi)的穿刺路徑為半徑一定的圓弧,通過(guò)改變針尖斜角方向可以實(shí)現(xiàn)穿刺過(guò)程中非直線的復(fù)雜軌跡,使得涉及重要解剖結(jié)構(gòu)的穿刺手術(shù)得以實(shí)施。傳統(tǒng)斜角柔性針受到諸如針體軸向轉(zhuǎn)動(dòng)精度低、穿刺路徑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息少、柔性針操控方式單一等問(wèn)題的制約,始終沒有得到廣泛的應(yīng)用。本文從驅(qū)動(dòng)、傳感、控制三個(gè)方面著手,針對(duì)柔性針穿刺過(guò)程的力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃、曲線形狀實(shí)時(shí)檢測(cè)和針-組織控制等方面進(jìn)行了深入的研究。首先,分析了影響針體彎曲曲率以及針體和組織之間摩擦力大小的因素,建立了柔性針穿刺過(guò)程中的摩擦和切割數(shù)學(xué)模型,通過(guò)模型可以推算出針軸推進(jìn)所需的軸向力。通過(guò)分析材料的斷裂機(jī)理再根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)出柔性針切割組織... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 研究的目的及意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
        1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
        1.2.3 研究現(xiàn)狀分析
    1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 斜角柔性針的切割機(jī)理與摩擦模型
    2.1 引言
    2.2 針尖與組織的作用機(jī)理
        2.2.1 材料的斷裂機(jī)理
        2.2.2 軟組織的斷裂機(jī)理
    2.3 針尖與組織間的切割模型
    2.4 影響針體彎曲半徑的因素
    2.5 柔性針直線運(yùn)動(dòng)摩擦模型
        2.5.1 針體受力分析
        2.5.2 針尖受力分析
        2.5.3 整體受力分析
    2.6 柔性針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)摩擦模型
        2.6.1 針體受力分析
        2.6.2 針尖受力分析
        2.6.3 整體受力分析
    2.7 柔性針受力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        2.7.1 柔性針穿刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
        2.7.2 傳感器與斜角柔性穿刺針的校準(zhǔn)
        2.7.3 柔性組織及壓縮裝置
        2.7.4 切割模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        2.7.5 針軸彎曲半徑影響參數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        2.7.6 針尖處的受力實(shí)驗(yàn)
        2.7.7 針軸整體受力實(shí)驗(yàn)
        2.7.8 直線軌跡和彎曲軌跡受力對(duì)比實(shí)驗(yàn)
    2.8 本章小結(jié)
第3章 非均勻組織的穿刺模型及軌跡規(guī)劃
    3.1 引言
    3.2 非均勻組織的穿刺模型
        3.2.1 針-組織相互作用力分析
        3.2.2 建模和求解
    3.3 模型中參數(shù)的獲取
        3.3.1 針尖受力的側(cè)向分量Ft,y
        3.3.2 彈簧支撐剛度Kt
    3.4 柔性針的運(yùn)動(dòng)建模
        3.4.1 柔性針穿刺的合理假設(shè)
        3.4.2 Unicycle模型
        3.4.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算
        3.4.4 柔性針運(yùn)動(dòng)的分類
    3.5 柔性針運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與仿真
        3.5.1 兩段圓弧路徑特點(diǎn)
        3.5.2 三段圓弧路徑特點(diǎn)
        3.5.3 多段圓弧軌跡的路徑特點(diǎn)
        3.5.4 選擇轉(zhuǎn)動(dòng)策略
        3.5.5 軌跡仿真分析
    3.6 多層組織穿刺分析
    3.7 非均勻組織中的穿刺實(shí)驗(yàn)
        3.7.1 非均勻組織對(duì)針體彎曲軌跡的影響實(shí)驗(yàn)
        3.7.2 針尖力側(cè)向分力Ft,y的求取
        3.7.3 求取彈簧剛度Kt
        3.7.4 軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)
    3.8 本章小結(jié)
第4章 基于壓電驅(qū)動(dòng)的新型斜角柔性針
    4.1 引言
    4.2 剪切式壓電陶瓷特性
    4.3 新型柔性針結(jié)構(gòu)
    4.4 針尖轉(zhuǎn)動(dòng)模型
        4.4.1 針尖轉(zhuǎn)動(dòng)分析
        4.4.2 壓電驅(qū)動(dòng)針尖轉(zhuǎn)動(dòng)
    4.5 針尖轉(zhuǎn)動(dòng)模式分析與仿真
        4.5.1 針尖轉(zhuǎn)動(dòng)模式分析
        4.5.2 針尖轉(zhuǎn)動(dòng)仿真分析
    4.6 壓電驅(qū)動(dòng)針尖轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        4.6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)平臺(tái)
        4.6.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析
    4.7 本章小結(jié)
第5章 斜角柔性針針體曲線形狀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
    5.1 引言
    5.2 獲取針體曲率信息
    5.3 針體曲線的擬合方法
        5.3.1 平面曲線的擬合方法
        5.3.2 空間曲線的擬合方法
    5.4 擬合誤差分析
        5.4.1 曲率圓與曲線的位置關(guān)系
        5.4.2 誤差的衡量
        5.4.3 曲率插值
    5.5 離散點(diǎn)求解及誤差的影響因素
    5.6 柔性針曲線形狀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)
        5.6.1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
        5.6.2 應(yīng)變片標(biāo)定
        5.6.3 平面二維圓弧曲線
        5.6.4 空間三維圓弧曲線
        5.6.5 二維平面非圓曲線
    5.7 本章小結(jié)
第6章 基于視覺伺服的柔性組織操控技術(shù)
    6.1 引言
    6.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模
    6.3 控制算法設(shè)計(jì)
        6.3.1 變形雅克比矩陣在線預(yù)估算法
        6.3.2 輸入速度控制器
        6.3.3 控制算法閉環(huán)分析
    6.4 控制算法仿真
    6.5 基于軌跡規(guī)劃的柔性組織變形控制
    6.6 柔性組織操控實(shí)驗(yàn)
        6.6.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成
        6.6.2 組織變形控制方案規(guī)劃
        6.6.3 組織變形控制實(shí)驗(yàn)
    6.7 局限性分析及補(bǔ)償措施
    6.8 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷



本文編號(hào)：3413111