柔性针操控技术

实施针穿刺手术过程中，医师完全依赖手上的触觉反馈和病灶区域的图像判断如何进 针。这无疑对医师技能要求很高。Romano 等对比了手动遥操作穿刺、开环控制针穿刺及 人机混合控制针穿刺的效果。对比结果表明，人机混合控制明显好于另外两种^[68]。采用 灵活可控的穿刺针在计算机（或机器人）的帮助下，可以实现体内避障，比传统刚性直针 具有更大的优越性。能否精确控制针体将针尖躲避障碍，运动到软组织内部病灶靶点是关 键。为实现这一目标，出现了两个不同的研究方向：一是被动操控针，研究针挠曲机理，

改进针尖形状，被动控制针体路径；二是主动可控针，设计针体和针尖结构，增加针体可

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浙江大学博士学位论文 第 1 章 绪 论

操作性，利用针体运动规律主动控制柔性针穿刺轨迹。

1.2.2.1 针挠曲机理

针挠曲是因针体受软组织挤压力的不平衡性造成的，严重影响着穿刺精度。Misra 等 采用最小势能原理建立了针挠曲率模型，进而改进针尖形状^[69]；同时研究了针挠曲与针 尖几何形状和软组织材料性能之间关系，并用无量纲分析方法建立了软组织材料模型^[70]。 McGill 和 Shih 等通过如图 1.5所示的实验装置对针挠曲进行了测量，并设计了减少针挠曲 的金属针导航块^[71]。Abolhassani 等在研究针体受力的基础上，建立针挠曲预测模型，预测

通过测量针尖刺入点和刺出点的位置，来计算针挠曲量^[71]。 图 1.5 针挠曲测量装置示意图

针尖位置，进而减小针挠曲和软组织变形，提高机器人辅助针穿刺精度^[72–74]。郑浩峻和高 德东等建立针变形的悬臂梁模型，并提出了准静态进针情况下针体变形量的预测模型^[75]。 Webster 等采用斜角穿刺针刺入假体组织，研究了针尖角度和穿刺速度对穿刺路径的影响；

结果表明针体轨迹呈圆弧状，且仅与针尖斜角角度有关，与穿刺速度无关^[76]。Abolhassni 等建立了穿刺针的柔性梁模型，并用力/力矩传感器在线测量，进而计算出针挠曲量作为 补偿，从而提高靶点穿刺精度^[73]。杜海艳等也建立了斜角穿刺针的悬臂梁模型，并进行了 仿真研究^[77]。

1.2.2.2 针操控概念和针体运动学

2003 年，DiMaio 等首次提出了针操控概念，之后被学者广为接受；他们以线弹性软 组织材料为对象建立了平面内针座与针尖之间的雅可比矩阵 J(q)^[78]，示意图如图 1.6a所 示。Webster III 等系统地研究了柔性针的操控特性，指出柔性针在软组织内的轨迹呈圆弧 形，通过平滑圆弧拼接可以实现组织内的轨迹控制；他们在忽略针扭矩假设针座和针尖无 迟滞的基础上，提出了斜角柔性针的类自行车非完整约束模型（Bicycle-like nonholonomic

第 1 章 绪 论 浙江大学博士学位论文 度 (constant pitch speed)，零偏航角 (zero yaw) 以及可控的倾斜角 (controlled roll angle)。他 们假设针在静态刚性空间中运动，针体运动完全取决于针尖，针尖沿着半径为 r 的圆弧进

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（programmable bevel-tip needle）、驱动型针尖（actuated-tip needle）、预弯同轴管针（pre-bent concentric tubes）和跟腱驱动式连续机械手（tendon-driven continuum manipulator）等多种

类型针^[69,82–88]。Tang 等设计了一种带有磁性针尖的柔性针，通过施加外部磁场力辅助实现 挠曲针 (pre-bend needle)，右图为预弯曲针（pre-curved needle）。

图 1.8 主动型穿刺针举例

应算法以实现针体路径控制；这种柔性针利用结构变形来传递力和运动以实现大变形针 体轨迹运动^[89]。Bassett 等设计了一种基于机械离合装置的针穿刺器械，并采用钻井绳原 理对该器械的穿刺运动机理进行了分析^[90]。Mallapragada 等使用机器人辅助线性执行器结

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合医学图像产生外部力实时控制乳房肿瘤穿刺靶点定位^[91]。哈尔滨工业大学张玉春等提 出了一种基于压电驱动的斜角柔性针，并进行了建模、仿真和实验^[92]。

主动型可控针具有更加灵活的可控性，但由于其主动性（操作者对主动型针的可控性 差）也易发生操作失误。而穿刺过程中，任何失误都可能引起病人严重的并发症，如体内 软组织损伤或器官破损等。而斜角穿刺针具有设计简单和相对安全的优点，并可由机器手 采用占空比式旋转体外针座来控制针体轨迹^[93,94]。因此，本论文主要讨论柔性斜角穿刺针 的挠曲机理及运动学问题。