斜尖针穿刺软组织建模及针尖轨迹预测 .pdfVIP

学兔兔 第36卷 第8期 仪 器 仪 表 学 报 V0l_36No．8 2015年 8月 ChineseJournalofScientificInstrument Aug．2015 斜尖针穿刺软组织建模及针尖轨迹预测 杜海艳 ，张永德，赵燕江，姜金刚，贾小红 (哈尔滨理工大学智能机械研究所 哈尔滨 150080) 摘 要：在经皮穿刺过程中，当带斜尖的针穿刺软组织时，针与其周围组织相互作用 ，导致针体产生弯 曲变形 ，针尖偏离 预定方向，进而直接影响穿刺手术的定位精度 。将针穿刺软组织的过程视为准静态过程，并进行离散化 ，建立针．组织相 互作用模型。在该模 型中，考虑到软组织的非线性与各 向异性 ，将针视为 由一系列非线性弹簧支撑 的悬臂梁，且各点的 弹簧刚度彼此不同。建立针一组织相互作用中的摩擦力及切割力模型 ，借助于穿刺实验，将穿刺力分解为摩擦力和切割 力，进而获得力模型中的各个参数。基于虚拟非线性弹簧模型和穿刺力模型 ，根据最小势能原理，采用瑞利一里兹法预测 针的偏转 ，进而获得进针过程中针尖的轨迹。仿真及实验结果表明，该模 型能够精确地预测针尖位置 ，为穿刺路径规划 提供理论依据。 关键词：针穿刺 ；针-组织相互作用；针偏转；悬臂梁 ；非线性弹簧 中图分类号：TP242TH703 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：460．40 Modelingofbevel-tippedneedleinsertingintosofttissueand estimationofneedletiptrajectory DuHaiyan，ZhangYongde，ZhaoYanjiang，JiangJingang，JiaXiaohong (IntelligentMachineInstitute，HarbinUniversityofScienceandTechnology，Harbin150080，China) Abstract：Inpercutaneouspunctureprocess，whenabevel—tippedneedleisinsertedintosofttissue，theneedlewillbendanditstip willdeviatefrom thepredetermineddirectionduetotheinteraction betweentheneedleandsofttissue，which directlyaffectsthe positioningaccuracyofthepunctureoperation．Thispaperassumesthattheprocessoftheneedleinsertingintosofttissueisaqua- si—staticprocessandtheprocessisdiscretized，and aneedle—tissueinteractionmodelisestablished． In thismodel，takinginto accountthenonlinearityandinhomogeneityofthesofttissue，theneedleisconsideredasacantileverbeam supportedbyaseriesof nonlinearsprings，andthestiffnessvalueofeach springisdifferent．From theneedleinsertionexperiment，theinsertionforceis decomposedintothefrictionforceandcuttingforce，thefrictionforcemodelandcuttingforcemodelfortheneedle—tiss