面向穿刺介入手术的软组织力学特性研究与穿刺力建模

摘要

针穿刺手术是现代临床医学一个重要的组成部分。近年来，活组检测、药物注射和癌症的靶向治疗等针穿刺微创手术在临床应用中大量开展。如何提高微创手术的精确度以减少对病人的损伤，此类安全问题一直是被关注的重点。在穿刺手术过程中，必须要保证穿刺针的针尖精确控制在目标靶点区域，然而由于软组织的各异性和形变特性，在实际操作时，手术针与周围软组织的互相作用会使得两者发生变形，针会在预定的运动轨迹下发生偏移，最终导致针尖无法精确到达目标区域，严重影响手术效果。因此，如何对手术针进行精确的控制与定位问题成为了穿刺手术研究的一个重点难点。近年来，随着虚拟手术的发展，通过机器人辅助的虚拟手术系统成为了解决这一难题的有效方法。其中，手术针精确控制与定位的关键所在就是针与软组织相互作用的机理特性与穿刺力建模研究。因此，对其展开相关理论与仿真的研究工作对于穿刺介入手术具有关键性的意义。
　　本研究主要内容包括：⑴以X-Y运动平台为基础，设计了一种基于PMAC的生物软组织力学特性标定系统，能够通过对软组织进行针穿刺实验，得到真实肝脏力学特性曲线，测量和标定生物软组织的力学特性，并计算得到组织形变参数，从而建立了准确的生物力学测量工具。⑵在软组织力学特性的基础上基于模型特征建立了针穿刺力—组织形变的力学模型，提出了穿刺过程的针的控制策略。该模型的建立优化了手术器械的控制路径，提高了虚拟手术软组织仿真的精确度。⑶在ANSYS中建立仿真模型进行验证，结果表明穿刺力的模型真实准确，该方法满足虚拟手术的要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 针穿刺手术及肝脏组织分析

2.1 引言

2.2 经皮穿刺手术介绍

2.3 生物软组织的力学特性

2.4 肝脏的外部形态结构

2.5 肝脏的内部结构

第3章 生物软组织力学特性参数标定系统设计

3.1 引言

3.2 硬件系统设计

3.3 软件系统设计

第4章 力学特性标定实验与分析

4.1 引言

4.2 软组织针穿刺实验

4.3 数据与曲线采集

4.4 实验结果分析

第5章 软组织的针穿刺力建模

5.1 引言

5.2 建模分析

5.3 肝脏的力-位移特性曲线

5.4 分段力学模型的建立

5.5 完整的穿刺力学模型

第6章 ANSYS有限元仿真验证

6.1 引言

6.2 肝脏软组织真实参数的获取

6.3 仿真验证

6.4 验证结果及分析

第7章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况