基于力视感知信息的肝脏穿刺运动规划方法与策略研究

Needle insertion, with its advantages of minimally invasive, safe and fast recovery, is extensively applied to the diagnosis and treatment of hepatic echinococcosis. However, the applications of hepatic needle insertion are limited because of the proficiency of physicians’ skills, the reachability of target and avoidance technologies of obstacles..In this proposal, the biomechanical properties of hepatic tissue are studied based on the research background of hepatic echinococcosis. An image-based method is presented to measure the deformation of soft tissue, and the measurement experimental setup is constructed for needle insertion into liver. The finite element model and its real-time estimation model are proposed to simulate the needle-liver interaction considering the complex constraints of liver tissue and its surroundings. The kinematics of flexible needle with bevel tip is modeled by the rigid body kinematics theory. The general insertion error is defined based on the force and visual information, and a novel motion planning method is proposed to help the needle reach the target and avoid the obstacles in the dynamic environment. The liver tissue simulating experimental setup is built up, and the hepatic needle insertion assistive robot is designed for experimentations..The goal of this proposal is to improve the technologies of diagnosis and treatment for hepatic echinococcosis, and to lay a good foundation of theoretical research and practical application for robot-assisted hepatic needle insertion.

针穿刺以其微创、安全和恢复快等优点被应用于以肝包虫病为例的肝脏肿瘤病变诊疗过程中。医师技能熟练度、靶点可达性和针体避障技术等严重制约了肝脏穿刺的广泛应用。.本项目以肝包虫穿刺为研究背景，提出基于图像的软组织形变测量方法，搭建肝脏穿刺测量实验平台，深入研究肝脏组织生物力学特性，建立考虑肝脏及其周围组织复杂约束关系的针-肝脏组织交互作用的有限元模型和实时预测模型；基于刚体运动学理论建立斜角穿刺针的运动学模型，基于力学和视觉感知信息定义广义穿刺误差，研究动态环境下肝脏穿刺运动规划技术和方法，解决靶点穿刺和避障问题；建造肝脏软组织仿真实验环境，建立肝脏穿刺辅助机器人，进行仿真和实验研究。.本项目研究成果将有助于改善当前肝包虫地方病诊疗技术，为机器人辅助肝脏针穿刺的理论研究和实际应用奠定基础。

针穿刺作为典型的微创手术被应用于以肝包虫病为例的肝脏肿瘤病变诊疗过程中。穿刺的准确性直接影响手术的成功率，极小的误差都有可能导致严重的并发症。为了使穿刺针能够更准确地到达器官病灶点，研究穿刺过程中针体轨迹和组织变形，对精准达到器官病灶点有重要意义。.本项目搭建肝脏组织针穿刺测量实验平台，建立针–肝脏组织交互作用模型。实验制备肝脏组织仿真材料，采用图像测量法分析穿刺力与肝脏组织变形的规律。依据人体腹腔医学影像数据，分析肝脏及其周围组织的几何和力学约束条件，基于ABAQUS建立针与软组织间力的耦合模型，对穿刺针受力、针挠曲和软组织变形进行仿真，结果表明穿刺过程对组织的形变影响主要是轴向的。基于时空Kriging建立新型软组织模型，建立靶点和障碍物的实时预测模型，时空变异模型的最大偏差为0.64 mm，最小偏差为0.01 mm，平均误差为0.5 mm。利用D-H（Denavit-Hartenberg）参数法建立柔性穿刺针正向运动学模型；利用D-H参数法以及几何逼近法，基于针尖相对靶点的可达性条件，建立柔性穿刺针逆向运动学模型。.利用肝脏组织针穿刺测量实验平台，使用不同型号的穿刺针对PVA假体组织及动物组织进行穿刺，并使用CCD相机与B超仪对穿刺图像进行采集；对采集到的图像运用半径拟合模型来对偏转半径进行计算，建立基于正向运动学的穿刺针半径拟合模型，实验中所得到的针体轨迹与使用半径拟合值得到的仿真轨迹之间的误差均小于10%。在提出针-肝脏组织交互作用模型和穿刺运动规划方法的基础上，利用力觉和视觉信息，预测肝脏内靶点和障碍物的动态信息。分析穿刺过程中靶点和障碍物运动规律，提出基于数学规划的穿刺针体轨迹规划的数学模型。.研究成果可为软组织内靶点和障碍物的实时预测提供理论依据，为虚拟穿刺和实际手术提供数据支撑，有助于改善当前肝包虫地方病诊疗技术，为机器人辅助肝脏针穿刺的理论研究和实际应用奠定基础。