机器人辅助靶向穿刺手术关键技术综述

以柔性针为穿刺工具,针对软组织建模理论与方法、针穿刺路径规划、呼吸运动抑制与同步跟踪、穿刺导航与靶点追踪控制等手术关键技术,综述国内外机器人辅助针穿刺技术领域的研究现状。指出穿刺手术目前存在的技术难点:穿刺路径的快速、最优规划和穿刺针的精准控制。提出针-软组织相互作用建模、不确定性和复杂约束条件下的穿刺控制以及穿刺针末端力感知问题是机器人辅助靶向穿刺领域未来的研究方向。     

机器人辅助柔性针穿刺路径的悬臂梁预测模型

路径操控技术是机器人辅助柔性针穿刺的重要技术之一。软组织变形、多层软组织相对滑移和针挠曲是引起靶点位置移动,降低穿刺精度的3个主要原因。该文在研究针受力的基础上,利用柔性针挠曲规律提出了一种预测穿刺路径的悬臂梁模型,通过准静态过程将柔性针分为有限段并将每段都视为一个悬臂梁,从而建立起三维空间中针体路径预测算法。仿真实验表明,该模型能够实现柔性针路径预测功能,为机器人辅助柔性针穿刺路径规划和避障运动提供了理论基础。     

基于超声引导下的软组织内靶点运动预测模型

由于针穿刺软组织过程中软组织会发生运动,导致穿刺针无法精准穿刺到病灶区。为了提高穿刺手术的穿刺精度,本实验搭建了针穿刺实验平台,建立一种基于超声引导下的软组织内靶点运动预测模型。通过对采集到的超声图像进行二值化、腐蚀、膨胀、去噪等形态学处理后,提取靶点质心。根据对应靶点质心坐标变化得到软组织内靶点运动位移,进而获取模型弹性系数,建立软组织内靶点运动预测模型。验证实验表明:该靶点运动预测模型绝对误差控制在0. 6 mm以内,相对误差在15%以内,具有较强的实用性,能为穿刺路径规划、针体姿态调整及医疗机器人辅助进行针穿刺手术提供理论依据和数据支撑。     

基于ABAQUS的柔性针穿刺软组织耦合过程仿真

为了研究介入穿刺手术中针与组织的耦合过程和穿刺对组织形变的影响,通过分析穿刺过程中针杆上力的分布建立了一种柔性针的悬臂梁预测模型,并基于针与组织间的相互作用关系提出了有限元耦合模型的分析方法,结合针的预测模型以及耦合模型在ABAQUS软件中进行了穿刺仿真,对比仿真与实验中组织内设定标志的位移数据,分析穿刺过程对组织形变的影响。结果表明:穿刺过程对组织的形变影响主要是轴向的,针的预测模型结合有限元分析方法在仿真穿刺耦合过程的可行性也通过了验证。该研究结果可以给未来机器人辅助穿刺提供理论参考,也为实际手术提供数据支撑。     

侧脑室穿刺术的力反馈仿真

针对侧脑室训练模型缺乏的问题,提出一种适用于侧脑室穿刺术的虚拟手术培训系统.将软组织与穿刺针交互过程产生的力分为3种,以模拟穿刺力的层次感,从而极大程度上还原穿刺手感.特别地,在形变力分析中构建软组织形变模型,并提出形变模型参数的转化方法.在3种力的基础上,提出穿刺力的力反馈计算模型,结合力反馈设备将其应用于侧脑室穿刺术中.选猪脑组织进行穿刺力实验,结果表明,猪脑穿刺的穿刺力与虚拟穿刺穿刺力间的最大差值为17.25 mN(<20 mN),力的两次突变以及变化趋势具有较高的一致性,能够最大程度上接近真实手术手感.     

穿刺软组织中针的受力形变仿真和偏差分析

为了提高机器人辅助针穿刺软组织的精度,减小穿刺误差,建立了柔性穿刺针的弹性梁物理模型,提出一种穿刺针受力分析的算法,并通过理论计算和 对模型进行仿真分析,得到了穿刺针元素结点的挠度和偏转角度,并验证了一致性和算法的正确性;通过对针尖施加不同大小的集中载荷进行仿真,仿真结果表明线弹刚性针的形变与施加在同一结点力的大小成线性关系。文中并就穿刺针的穿刺偏差原因,偏差模型进行相应的分析和介绍。     

基于快速质点-弹簧的软组织穿刺实时仿真方法的研究

软组织穿刺实时仿真一直是计算机图形学研究的重点,本文提出一种基于快速质点弹簧方法的软组织穿刺实时仿真方法。通过质点弹簧系统建立软组织物理模型,通过分析动力学模型快速求解软组织穿刺形变的数值解。在针体和软组织碰撞的碰撞过程使用包围盒碰撞算法,并且在软组织形变过程中加入阻尼和软组织褶皱算法以提高真实感。仿真结果保留了较好的细节效果,实时性可以接受,验证了该方法的有效性。     

基于ANSYS的真实软组织物理建模与穿刺仿真

为了提高虚拟手术中手术针穿刺过程的精确性,以真实软组织穿刺实验数据及结果为基础,研究采用基于ANSYS完成典型软组织——肝脏的穿刺有限元仿真.由于人体组织的多样性,软组织生物力学特征的复杂性、不均匀性、各向异性、不可压缩性、非线性-塑性-黏弹性,将肝脏软组织抽象为Mooney-Rivlin材料.结合针受力使软组织变形机理,完成了基于MATLAB对实验和仿真的应力应变曲线的拟合,通过拟合曲线的对照可以得出,ANSYS仿真结果和真实数据应力应变曲线趋势基本一致,验证了肝脏穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.     

浅静脉留置针逆向穿刺的临床应用

目的:探讨浅静脉留置针逆向静脉穿刺在临床工作中的效果。方法:对106例不同患者使用浅静脉留置针逆向静脉穿刺留置。结果:操作留置顺利,治疗效果良好。结论:浅静脉留置针逆向静脉穿刺具有临床推广价值。     

头皮静脉留置针反向穿刺输液的临床观察

为探讨临床输液时限长且血管条件较差的患儿采用头皮静脉留置针反向穿刺的可行性,以400例年龄从出生2天至2岁的患儿作为研究对象,随机分为试验组和对照组,选择头皮额前正中静脉、颞浅静脉进行穿刺,试验组采用留置针反向穿刺,对照组采用正向穿刺。比较了两组穿刺的成功留置率和穿刺成功后的回血率。结果显示,试验组成功留置率和成功穿刺后回血率均优于对照组,因此得出结论:临床输液时限长且血管条件差患儿,采用头皮静脉留置针逆向穿刺是一种有效可行的方法。     

Force modeling for needle insertion into soft tissue based on mechanical properties and geometric parameters

The force model during needle insertion into soft tissue is important for accurate percutaneous intervention.In this paper,a force model for needle insertion into a tissue-equivalent material is presented and a series of experiments are conducted to acquire data from needle soft-tissue interaction process.In order to build a more accurate insertion force model,the interaction force between a surgical needle and soft tissue is divided into three parts：stiffness force,friction force,and cutting force.The stiffness force is modeled on the basis of contact mechanics model.The friction force model is presented using a modified Winkler＇s foundation model.The cutting force is viewed as a constant depending on a given tissue.The proposed models in the paper are established on the basis of the mechanical properties and geometric parameters of the needle and soft tissue.The experimental results illustrate that the force models are capable of predicting the needle-tissue interaction force.The force models of needle insertion can provide real-time haptic feedback for robot-assisted procedures,thereby improving the accuracy and safety of surgery.     

蚊子口针刺入皮肤的刺入力分析

 蚊子能够依靠一个大长径比的高弹性、高强度的天然“微针”——口针无痛地刺入人体皮肤并吸食血液,且刺入过程中从未发生过任何强度问题。本文设计1套高精度微力测量系统对蚊子口针刺入皮肤的刺入力进行在体测量。测量结果表明,蚊子口针刺破皮肤时的刺入力仅约16μN,而且蚊子在进一步的刺入皮肤过程中,口针作用力还将进一步减小并保持在一个极小的值(甚至接近零)附近上下波动,而采用同样实验方案测量的特制人造针头(尖端曲率半径仅约1μm)的刺入力可达165mN,且随着刺入深度的增加人造针头作用力还将继续增加。通过对蚊子口针的刺入机制分析,发现蚊子口针的微纳观结构及特殊的刺入方式是使其刺入皮肤超级省力的根本原因。该研究结果可为微针给药系统及微针的优化设计提供一定的帮助。     

The Influence of Modifications of Latch Needle on Impact Forces Between Cam and Needle

On the basis of a mechanical model, cam-to-needle impact force during weft knitting is analyzed and some needle parameters related to the peak impact forces are presented. An experimental method is built to measure dynamic parameters of needle. Contrast tests of impact forces with different needles show that needle modifications Influence apparently needle parameters and peak impact forces.     

基于RTX脉冲插入式热误差补偿信号研究

热误差的实时补偿最终需要将位移量转化为脉冲信号输入到数控机床的数控系统中才能有效进行.利用RTX的高实时可靠性的特点,在RTX环境下通过通用并口接收数控机床的反馈装置的反馈脉冲,并进行插入操作将热误差补偿脉冲信号叠加到原始的反馈脉冲信号中,运用通用并口端口并行传输脉冲信号的特点,通过通用并口将叠加后的脉冲信号作为反馈脉冲信号输入到数控机床数控系统中进行计算操作,从而达到低成本的数控机床热误差实时补偿的目的.     

A buffer insertion and simultaneous sizing timing optimization algorithm

A path-based timing optimization algorithm for buffer insertion and simultaneous sizing is proposed. Firstly, candidate buffer insertion location and buffer size for each branch in a given routing path were obtained via localized timing optimization. Then, through evaluating each potential insertion against design objectives, potential optimal buffer insertion locations and sizes for the whole routing tree were determined. At last, by removing redundant buffer insertion operations which do not maximize S （ so ）, given timing requirements are finally fulfilled through minimum number of buffers.     

基于虚拟样机技术的织机引纬机构研究

为了研究共轭凸轮引纬机构的动力学、运动学特性,采用ADAMS软件建立虚拟样机的方法,分别对共轭凸轮引纬机构进行了运动学、动力学仿真分析,得到了连续运转周期的动力学、运动学曲线,通过改进共轭凸轮轮廓曲线,仿真出新的引纬运动曲线,得到改进轮廓曲线有助于稳定和提高引纬质量的结论.提出的研究方法为设计开发新型织机,以及对现有织机进行改进,提供了一种有效的分析和设计手段.     

An effective algorithm for needle tip displacement compensation in robot-assisted percutaneous surgery

This paper presents an automatic compensation algorithm for needle tip displacement in order to keep the needle tip always fixed at the skin entry point in the process of needle orientation in robot-assisted percutaneous surgery.The algorithm, based on a two-degree-of-freedom (2-DOF) robot wrist (not the mechanically constrained remote center of motion (RCM) mechanism) and a 3-DOF robot arm, firstly calculates the needle tip displacement caused by rotational motion of robot wrist in the arm coordinate frame using the robotic forward kinematics, and then inversely compensates for the needle tip displace-ment by real-time Cartesian motion of robot arm.The algorithm achieves the function of the RCM and eliminates many mechanical and virtual constraints caused by the RCM mechanism.Experimental result demonstrates that the needle tip displacement is within 1 mm in the process of needle orientation.     

新型机器人化制造装备设计研究及建造

为利用现有资源开发新型制造装备、扩大企业制造能力 ,提高制造企业效益 ,针对机电产品制造业存在大量压力配合插入装配作业 ,研究开发了一种新型机器人化加工中心。同时阐述了压力配合插入装配作业的要求 ,讨论了加工中心和机器人功能和结构的同异 ,介绍了在机器人化加工中心上实现压力配合插入作业的特点及样机构造。经实验证明 ,已开发的样机可以有效地完成压力配合插入和螺钉装配作业 ,扩展了现有加工中心的应用范围     

动态规划方法在斜拉桥模型索力优化中的应用

本文提出动态规划的方法来进行斜拉桥索力优化。介绍了实际试验模型的调整及模型的制作过程,详细介绍了模型试验方法,通过实验模拟斜拉桥整个施工流程,研究桥梁的工作状态,得到斜拉桥施工过程中节点位移变化,将试验结果与动态规划理论结果进行对比。建立斜拉桥有限元模型,与实验模型进行对比。研究表明：将用动态规划方法计算出来的斜拉桥主梁的竖向位移与各阶段理想竖向位移进行比较,发现二者相差很小,优化后内力分布更均匀,弯矩减小。说明了动态规划方法可以应用于斜拉桥索力优化。