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面向高精度柔性靶向穿刺手术关键技术的研究

作　者: 刘莎
导　师: 姜杉
学　校: 天津大学
专　业: 机械工程
关键词: 近距离粒子植入聚乙烯醇水凝胶柔性针几何非线性轨迹操控
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文围绕高精度机器人辅助粒子植入治疗这一需求，以柔性针穿刺软组织过程为研究对象，对实验用器官模型和柔性针位移响应分别进行了研究。这为主动操控柔性针进行高精度植入提供了可靠的理论基础。全文工作和取得的成果概括如下：以可替代软组织材料——聚乙烯醇（PVA）水凝胶为材料，制作了验证手术用人体器官单体模型。通过多种实验手段的筛选，确定了与生物材料性能近似的透明水凝胶制作工艺。结合逆向工程与快速成型的工艺流程，通过替代材料的浇铸，制作成与真实人体器官1:1比例的单人体仿真器官，用于后期的模拟针刺验证实验。在针刺手术操控方面，开展了柔性针与针刺组织的弹性接触问题研究，应用弹性理论和Galerkin方法建立柔性梁在非线性Winkler基体材料中的几何非线性模型。从大变形的角度出发，利用几何非线性假定建立了二维空间上的柔性针模型。在力学研究基础上，同时考虑被刺入材料反力与摩阻力，引入Galerkin方法构造柔性针非线性常微分方程组，通过迭代法计算出所需位移解，得到了柔性针静态条件下的位移响应。利用上述静力学研究方法，进一步对整时间段针刺过程进行多种实例计算，得到了主动操控针尖精度的新思路。搭建了多维针刺力测量实验平台，为仿真实例提供了详细的基础参数值。仿真实验讨论了不同的针尾轨迹下，在每一次步进调整中柔性针的弯曲问题，并循环迭代得到了实际针尖的整个路径解。对比针尖刺入精度变化，对机器人操控柔性针手术具有重要的实用价值。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 课题研究背景和意义  7-10
    1.1.1 研究背景  7-8
    1.1.2 研究意义  8-10
  1.2 国内外研究状况  10-12
    1.2.1 柔性针体运动控制的研究进展  10-11
    1.2.2 针刺软组织仿真实验研究  11-12
  1.3 主要研究内容  12-13
第二章单体实验仿真器官的制备与验证  13-31
  2.1 引言  13
  2.2 仿真器官材料的种类及特性  13-15
    2.2.1 聚乙烯醇水凝胶简介  14-15
    2.2.2 透明水凝胶的合成  15
  2.3 高透明聚乙烯醇水凝胶的制备  15-18
    2.3.1 实验材料  15-16
    2.3.2 实验步骤  16-17
    2.3.3 梯度替补样本材料的制备结果  17-18
  2.4 水凝胶与动物组织的对比实验  18-24
    2.4.1 力学性能对比实验  18-22
    2.4.2 微观形貌对比实验  22-24
  2.5 单体仿真器官的制备  24-30
    2.5.1 关于人体器官的逆向工程  24-28
    2.5.2 单体器官的快速成型制作  28-30
    2.5.3 单体器官的浇注成型  30
  2.6 本章小结  30-31
第三章柔性针与软组织交互作用的静力学建模  31-42
  3.1 引言  31
  3.2 柔性针基本理论及其发展  31-32
  3.3 非线性软组织材料模型  32-33
    3.3.1 非线性 Winkler 模型  32-33
  3.4 针刺系统的受力分析及简化建模  33-35
  3.5 弹性梁的弹性静力响应分析  35-41
    3.5.1 柔性针基本方程  35-37
    3.5.2 位移函数  37-38
    3.5.3 利用 Galerkin 方法建立非线性常微分方程组  38-39
    3.5.4 迭代求解偏微分非线性方程组  39-41
  3.6 小结  41-42
第四章可操控柔性针的穿刺仿真实验和轨迹优化  42-53
  4.1 引言  42
  4.2 穿刺系统参数测量实验  42-45
    4.2.1 实验仪器及硬件系统搭建  43
    4.2.2 实验数据采集  43-44
    4.2.3 实验步骤与结果分析  44-45
  4.3 柔性针操控仿真算例  45-48
  4.4 轨迹优化仿真算例  48-50
  4.5 针刺系统系数研究  50-52
  4.6 本章小结  52-53
第五章结论与展望  53-55
  5.1 全文结论  53-54
  5.2 未来工作展望  54-55
参考文献  55-58
发表论文和参加科研情况说明  58-59
致谢  59

面向高精度柔性靶向穿刺手术关键技术的研究

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