新型斜角柔性針的設計及穿刺軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、經皮微創(chuàng)介入治療由于其具有無需切開人體組織、治療窗口小、治療范圍廣、治療效果好、術后恢復快、治療風險性小等諸多優(yōu)點而越來越多的被應用于各種疾病的臨床治療中?，F(xiàn)階段臨床應用中的介入手術是在醫(yī)學影像設備的引導下,采用鋼針刺入人體,使針尖到達病灶位置對人體內的病態(tài)進行診斷和局部的治療。鋼針在人體內由于直線運動的特性,使其在躲避障礙以及穿刺路徑的選擇上受到很大限制,而在人體內可實現(xiàn)曲線運動的斜角柔性針由于其出色的避障能力,成為近些年醫(yī)療微創(chuàng)手術

2、機器人的研究熱點。
　　斜角柔性針在人體組織內運動過程中,由于受到垂直于針尖斜面的側向力作用以及自身材料的超彈性特點,使其在組織內的運動路徑為半徑一定的圓弧,且針體彎曲方向由針尖決定。目前的斜角柔性針穿刺研究,都是通過在基座處轉動柔性針以達到改變針尖斜角方向的目的。但是由于組織與其內部柔性針體的摩擦作用,以及柔性針自身的材料特性,會發(fā)生基座的輸入角度與針尖的轉動角度之間存在一定誤差,導致引起柔性針在組織內穿刺運動的偏差。
　

3、　本課題設計了一種全新結構的基于壓電驅動的斜角柔性針,對其進行了建模、仿真與實驗,并進行了基于臨床手術條件下,軌跡規(guī)劃方面的深入研究。文中首先對柔性針針尖在組織內的轉動受力進行了分析,并設計了將柔性針針尖與針體分離,再通過剪切式壓電陶瓷驅動針尖斜角方向發(fā)生改變的新型柔性針結構。分析了圓柱體在平面上受力發(fā)生不同種類滾動的條件,進而建立平面驅動柔性針針尖發(fā)生轉動的運動模型。分析了壓電陶瓷在不同波形的電壓驅動下對針尖的不同驅動效果,并對其因此

4、產生的一系列運動模式進行了詳細的分析、計算與仿真。
　　之后,基于臨床應用的條件下,進行了深入的柔性針組織內的穿刺運動軌跡規(guī)劃研究。分別對柔性針在人體組織內運動的軸向進給和周向轉動進行了討論與分析,提出了柔性針到達目標點的最優(yōu)路徑策略并進行了仿真,基于柔性針進給系統(tǒng)特點,對最優(yōu)運動路徑進行了離散化與誤差補償。并分析了多層組織刺入的軌跡規(guī)劃策略。
　　最后,對上述理論展開了實驗研究。通過壓電陶瓷在外電壓作用下,驅動針尖發(fā)生轉動