乳腺肿瘤目标"主动"精准追踪靶向穿刺路径的机理与方法研究

As a minimally invasive, safe and effective treatment method, puncture surgery has become an important diagnostic and treatment method for targeted biopsy, targeted inactivated of the tumor. Targeting the problem of obstacle avoidance difficultly, pulling needle repeatedly, low accuracy for current puncture operation, this proposed project is oriented at the goal of precise punctur for breast tumor in soft tissue with line-path puncture mothod, using real-time control strategy and method,which according to the order of controlling sensitive tissue away from and target tracking accurately the puncture path based on target-point deformation and displacement.It will be deeply studied that needle-tissue interaction modeling and nonlinear modeling of soft tissue deformation simulation, puncture method and path planning based on force preloading, and image-guided control mechanism and strategy for breast tumor tracking puncture path actively and accurately.It will be proposed that prediction method of tumor location based on needle-tissue interaction modeling, puncture method and path optimizing based on force preloading, and real-time control strategy and method for puncture surgery by stages based on target-point deformation and displacement.It will be built that perfect needle puncture theory and technique for soft tissues with simulation and experiments, which is the academic foundation for diagnosis and treatment clinical application for robot's flexible manipulation.

穿刺手术作为一项微创、安全、有效的治疗方法，已成为肿瘤定向穿刺活检、靶点灭活治疗的重要诊疗手段。针对目前软组织穿刺手术存在避障难、多次回撤针、靶向精度低的难题，本项目以沿直线路径穿刺为手段，以乳房软组织为原型，基于兴趣点目标形变移位操控方法，分阶段控制敏感组织远离针刺路径、目标靶点精准追踪针刺路径，最终实现乳腺肿瘤的精准靶向穿刺，深入研究软组织高仿真非线性形变模型、基于穿刺力预加载的最小化软组织形变穿刺机理与路径规划、图像引导下肿瘤目标主动追踪穿刺路径的控制策略与方法三个内容，提出基于力交互模型的软组织形变肿瘤位置预测方法、基于力预加载最小化软组织形变的穿刺方法和路径优化设计理论，以及基于兴趣点目标形变移位操控机理的分阶段穿刺控制方法，结合仿真和仿体实验研究，对所提出的模型进行验证，最终形成较为完善的软组织穿刺理论和技术体系，为机器人辅助穿刺手术在癌症诊断和治疗的临床应用提供理论基础。

近年来，微创手术辅助机器人系统的研究成为了医疗机器人技术的热点与难点。由于穿刺微创手术辅助机器人系统在活体切片、靶向注射、短程放射性治疗以及神经外科手术等方面有着极为重要的应用，特别是在癌症早期诊断和治疗领域的优异表现，使之成为了微创手术辅助机器人系统目前研究的焦点与前沿。机器人辅助定位穿刺手术是微创手术的一种重要方法，已广泛应用于多种软组织环境的靶向诊疗手术中。医疗穿刺手术机器人面向软组织进行手术操作，涉及到生物力学、断裂力学、摩擦学、影像学、自动控制等多学科基础科学，在软组织穿刺领域，柔性针的穿刺机理、非完整系统路径规划和控制已引起了国内外学者的广泛关注和研究，但是在穿刺机理、路径规划和控制还有待深入研究。本项目开展了对机器人操控柔性针靶向穿刺的机理和方法研究，针对目前软组织穿刺手术存在避障难、多次回撤针、靶向精度低的难题，以沿直线路径穿刺为手段，以乳房软组织为原型，基于兴趣点目标形变移位操控方法，分阶段控制敏感组织远离针刺路径、目标靶点精准追踪针刺路径，最终实现乳腺肿瘤的精准靶向穿刺，深入研究软组织高仿真非线性形变模型、基于穿刺力预加载的最小化软组织形变穿刺机理与路径规划、图像引导下肿瘤目标主动追踪穿刺路径的控制策略与方法三个内容，提出基于力交互模型的软组织形变肿瘤位置预测方法、基于力预加载最小化软组织形变的穿刺方法和路径优化设计理论，以及基于兴趣点目标形变移位操控机理的分阶段穿刺控制方法，结合仿真和仿体实验研究，对所提出的模型进行验证，最终形成较为完善的软组织穿刺理论和技术体系，为机器人辅助穿刺手术在癌症诊断和治疗的临床应用提供理论基础。本项目的成功实施，能够在未来的手术实践中切实提高穿刺手术的治疗诊断效果，减少对患者的健康损伤，也为机器人操作应用于人体组织等柔性领域提供新理论和新方法.