摘要
核磁共振成像（MRI）因其优良的成像质量为乳腺介入手术提供了新的图像导航手段。但是，MRI的高磁场和十分有限的工作空间，制约了 MRI环境下乳腺介入机器人的应用。另一方面，手术过程中针尖斜面与软组织的相互作用产生针的弯曲变形，导致针尖偏离预定方向，因此，穿刺针的针尖偏转和机器人路径规划也是当前亟待解决的问题。本文提出一种 MRI兼容的乳腺介入机器人，利用最小势能原理建立针穿刺软组织过程中的针偏转模型。基于此偏转模型，进一步研究机器人穿刺路径规划问题。 针对核磁共振环境的高磁场、有限空间与俯卧位手术的特点，对 MRI环境下乳腺介入机器人进行兼容性研究及结构优化。通过 MRI图像扫描，对不同材料进行兼容性实验，利用Matlab软件对图像进行布尔减运算分析，为材料兼容问题提供解决方案。利用TRIZ理论中的矛盾矩阵对机器人机构进行创新求解，结合“功能分析”、“发明原理”、“物-场模型”等方法，提出一种改进型直角坐标机器人，得到 MRI环境下乳腺介入机器人的最优化机构，并提出一种基于软轴的远程驱动方式。 对针-组织相互作用力进行分析。采用离散化方法，将每单元长度的针体近似为摩擦力恒定的刚性直轴，通过积分，建立整个针体的摩擦力模型。对针尖斜面处切割力的三维分布特点进行分析，利用单位长度上针-组织相互作用刚度建立切割力模型；基于准静态平衡方程将切割力从穿刺力中分解出来，求得切割力模型中的参数。 针对软组织的非线性与各向异性，利用虚拟非线性弹簧建立乳腺穿刺过程中针-组织相互作用模型。将针视为一系列非线性弹簧支撑的悬臂梁，且弹簧刚度彼此不同。基于上述虚拟非线性弹簧模型和切割力模型，利用最小势能原理和瑞利-里兹法预测针的偏转，进而获得穿刺过程中针尖的轨迹。 针对乳腺介入过程中需要避开主乳管及血管的要求，在机器人运动学分析的基础上，对穿刺路径形式进行分析，提出一种基于针偏转模型的路径优化算法。建立路径优化目标函数，以穿刺路径长度和安全性为优化目标，优化最佳入针点的位姿。利用Matlab软件编写路径优化仿真程序，仿真结果表明，该算法能够有效的优化出复杂三维环境下的最优路径。 利用琼脂胶制备了仿生组织材料，建立了机器人操控靶向穿刺实验系统，并对针偏转模型及路径优化结果进行验证。针偏转模型实验中针尖轨迹最大绝对误差小于0.4mm，平均绝对误差小于0.2mm；路径优化实验中靶向穿刺最大误差小于1.2mm，平均误差小于0.9mm，误差均在2mm以内，满足介入手术的要求。实验结果证明了本文提出的基于虚拟非线性弹簧支撑的针偏转模型的准确性和基于针偏转模型的路径优化算法的有效性。
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