多种路径形式组合的柔性针二维路径优化

摘要：

【摘要】针对斜尖柔性针在二维组织中的路径优化问题,首先引入了针的Unicycle运动学模型,并利用旋量理论和指数积方程计算了运动学正解,从运动学的角度证明了穿刺直线路径的可行性。基于运动学模型,分析了柔性针穿刺路径的形式,考虑入针姿态的优化,提出了采用多种路径形式组合的路径优化算法,建立了优化目标函数。在有无障碍两种情况下分别对针的穿刺路径进行了优化计算和仿真研究。仿真结果证明,采用该算法能有效地绕过障碍,准确达到靶点,并保证路径最优。在通常临床情况下,最优路径一般为控制度为2的包含直线形式的路径。
【关键词】柔性针；旋量理论；路径优化；微创手术；

引言：

【引言】在微创介入治疗领域，扎针可能是最古老也是最普遍的一项外科技术，广泛应用于活体组织病理检查、局部投送放射性药物治疗癌症等手术中。微创医疗将成为未来外科临床医学发展的必然趋势。本文研究采用斜尖柔性针（简称柔性针）进行穿刺时的路径优化问题。与传统手术的穿刺钢针不同，柔性针相对于组织具有足够的柔性，利用进针时斜尖与组织的侧向作用力使针轴产生弯曲，可以刺出弧线轨迹。更重要的是它恰好利用针轴的弯曲来避开重要器官（如神经、血管等）和障碍物（如骨骼等），灵活、精确地达到传统钢针所达不到的靶点位置。

作者：

赵燕江；张艳华；陈浩；张永德

作者单位：

哈尔滨理工大学；哈尔滨医科大学；托马斯·杰斐逊大学；