用于微创外科的机器人辅助柔性针经皮穿刺理论与技术研究

Considering the characteristics of percultaneous and tranluminal insertion into soft tissue and organs with a flexible needle, a series of issues such as interaction mechanism, planning, needle tip localization and force sensing, robot design and control are proposed to be investigated systematically. First, an interaction model of flexible needle insertion into layered tissues is derived based on equivalent spatial nonuniform springs and dampers, by integrating with needle insertion forces and deflections, tissue deformations, and their interaction effects. Second, a random sampling planning approach, namely, rapidly- exploring random tree (RRT), coupled with A* algorithm, is put up to plan and optimize needle tip path, needle base trajectory, and robot joint motion. Third, a fiber optic force sensor is designed to measure the force at the needle tip and imaging processing algorithms are introduced to localize the tip. Fourth, a remote center of motion (RCM) concept is synthesized to design a robotic insertion mechanism, and its power and motion transmission is devised. Fifth, a novel waved based feedback strategy is studied throughly to precisely control position and force at the neelde tip, taking into account the wave behaviours of needle-tissue interaction. Finally, simulations and experiments are carried out to verify the above-proposed approaches and algorithms. The theoretical and technological outcomes of this study contribute significantly to the field of robotic surgeries, and they can also be applied to many other minimally invasive surgeries in practice

针对柔性针经皮穿腔软组织穿刺的特点，深入研究穿刺作用机理和规划、针尖定位和力测量、机器人穿刺机构设计和控制等一系列关键问题。首先，在分析柔性针受力和弯曲扭转变形、组织变形及针与组织相互作用规律的基础上，利用空间非均匀弹簧阻尼等效建立穿刺力学模型；其次，结合A*算法和RRT随机采样理论研究针尖路径规划、针座轨迹规划、机器人穿刺机构运动规划问题；接着，基于图像处理技术和光纤传感技术分别研究针尖定位和力传感问题；然后，采用RCM机构和柔性齿条进行辅助穿刺机器人的机构、驱动和运动传递设计；再接下来，基于穿刺行为的波动特性重点研究机器人穿刺机构的反馈控制理论与技术，实现针尖位置和力精准控制；最后，进行穿刺仿真模拟和实验研究。课题获得的相关理论和技术，在学术上将丰富微创手术机器人学，在机器人微创外科的推广应用上，具有重要的实际意义。

穿刺术是在医学影像和其他传感信息的引导下，将针穿刺到病灶位置，完成药物注射、活检采样、局部麻醉和消融治疗等操作的微创外科手术，具有创伤小、流血少、恢复快的优势，在临床上有着广泛的应用。随着科学技术的发展，外科手术会进一步向无创化发展，穿刺手术具有接近无创的优势，这会使穿刺术在未来得到进一步的发展和应用。本课题针对具有前瞻性的柔性穿刺技术进行研究，主要的研究内容如下。 .首先，对柔性针运动学模型进行研究，在现有模型的基础上提出了模型参数的估计方法，包括线性估计方法和非线性估计方法，并通过仿真和仿真组织穿刺实验对估计的精度进行对比。对柔性针运动学模型进行简化处理，在简化模型的基础上开展了后续的穿刺路径规划和穿刺控制方法研究。.然后，对柔性针定位问题进行研究，在仿真组织实验平台上采用双目视觉定位的方法；在离体组织内，采用CT对柔性针进行定位，提出了柔性针针尖定位和针形状重建方法。针对柔性针穿刺路径规划的问题，提出了基于动态规划的二维路径规划方法和基于智能优化算法的三维路径规划方法。.其次，由于柔性针的直径较小，现有的力传感器无法满足要求。本项目针对该问题，进行了基于干涉的光纤力传感器的原理研究，然后将传感器与穿刺针进行了一体化设计，使用传统力传感器对光纤传感器进行标定。完成了微型力传感器的设计和制作。.最后，开展了柔性针穿刺控制方法研究，基于柔性针的运动学模型，提出了二维平面的保持控制方法、基于可达范围的三维控制方法、基于重规划的三维控制方法以及基于MPC的路径跟踪控制方法。为柔性针的精确穿刺控制提供了保障。.经过对柔性针穿刺系统的研究，本课题简化了柔性针运动学模型，提出了柔性针针尖姿态的估计方法、基于智能优化算法的柔性针穿刺路径规划方法以及多种柔性针穿刺控制方法，并设计和制作了一体化微型光纤力传感器，以上方法的提出为推动柔性穿刺术的发展打下了坚实的理论基础。