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。     

基于正向运动学的穿刺针半径拟合模型

为了明确穿刺针在不同组织中的偏转半径,文中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,采用运动学模型对拟合出的半径值进行仿真轨迹验证。结果表明:由最小二乘法得到的半径值偏差小于7%,具有较好的稳定性,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%。本实验建立的半径拟合模型对针体的半径拟合结果具有较高的准确度及实用性。     

基于时空Kriging的软组织模型

为了缓解现有软组织模型实时性与精确性之间的矛盾,提出了一种以Kriging算法为基础的新型软组织模型。阐述了Kriging算法的基本原理与模型关键环节(变异函数的作用与结构),使用B超探头采集实验过程中的超声图像,经过Matlab处理之后获得原始位移数据,将这些数据代入纯空间和纯时间的变异函数模型,并在此基础上建立积和式时空变异模型,最终得到时空Kriging软组织模型。结果表明:时空变异模型的平均误差为0.5 mm。时空Kriging模型与纯空间普通Kriging模型效果进行比对,误差降低了20%,时空Kriging模型与另一组实验数据进行比较,平均偏差为0.2 mm。该模型的实时性与精确性均较好,完全可以满足手术需要。