面向软组织的机器人操控柔性针靶向穿刺机理与方法研究

During needle puncture, poor placement leads to tissue damage, false diagnosis or irradiation; so targeting accuracy is crucial for needle-based percutaneous procedures. There are two main problems in current needle-based therapies. The first is that the physician hardly manipulates the needle tip to the target zone accurately, due to tissue inhomogeneity and diversity, soft tissue deformation and movement, needle deflection and poor sensing. The second is that the needle cannot be accessed, due to the existence of obstacles (bone, sensitive tissues) on the straight-line paths. This proposed project is oriented at the goal of flexible needle placement for soft tissue, and focuses on two important scientific problems: the nonhonomic needle steering and needle motion uncertainty. It will be deeply studied that needle-tissue interaction modeling, needle path planning with nonholonomic constraints and optimizing method, and ultrasound image-guided trajectory control. It will be proposed that needle-tissue interaction modeling with complicated nonlinear friction, needle steering path planning based on nonholonomic kinematic modeling, optimizing method based on probability theory, and ultrasound image-guided real-time control strategy and method for needle steering. It will be built that perfect needle steering theory and technique for soft tissues, which is the academic foundation for robot's flexible manipulation.

穿刺时，较差靶向精度会导致组织损伤、错误诊断或不当放射量，因此精确针位姿操控，是经皮介入手术质量和成功与否的关键。目前穿刺手术的两个主要问题：一是由于组织各向异性和个体差异性、软组织变形和运动、穿刺针的弯曲以及不充足的传感，实际中的针操控难以精准；二是穿刺路径上存在障碍物如骨头、敏感组织，则无法进行穿刺手术。本项目以机器人操控柔性针靶向穿刺软组织为目标，围绕针操控系统非完整性和穿刺运动不确定性两大关键科学问题，深入研究针-组织的相互作用建模、非完整约束的针操控路径规划和最优化方法以及超声影像引导下的轨迹控制三个内容，提出具有复杂非线性摩擦力的针-软组织相互作用建模方法、非完整运动学的针操控路径规划方法和基于概率理论的最优化设计理论和方法，以及超声影像引导下的针操控路径控制策略和方法。结合仿真和仿体实验研究形成较为完善的软组织穿刺理论和技术体系，为机器人柔性操作提供理论基础。

在该项目的支持下，课题组的研究重点集中在柔性器械及组织建模、人体组织的医学图像分割与重建、路径规划与手术平台开发的研究方面。在柔性器械及组织建模的研究方面，以柔性手术器械和软组织为研究对象，分别从质点-弹簧模型和有限元模型研究了柔性手术器械的建模，采集分析了大量数据，通过力学实验验证方法的可行性和有效性，探讨了建模中的速度和精度的权衡问题。在医学图像分割与重建的研究方面，提出了应用于软组织的基于测地活动轮廓的解剖结构分割方法，主要包括分割管线设计、测地活动轮廓、曲率各向异性扩散滤波、梯度幅值滤波等步骤；另外提出了基于CURVES的分割方法。在路径规划与手术平台开发的研究方面，基于软组织-柔性器械的交互特性，提出采用摩擦二项式定理描述相互作用力，建立了柔性器械的动力学方程，并研制了手术验证平台，验证了方法的有效性和效率。.柔性针靶向穿刺技术，能够利用柔性针在组织内的弯曲变形能力，实现穿刺过程中的对生理障碍物（神经、血管、重要器官等）的主动避障功能。该技术的成功实施能够扩展穿刺手术适用范围、提高手术治疗效果、提升患者恢复速度和增强手术安全，并通过智能控制技术能够切实提高穿刺手术的适用性、有效性和安全性。