基于力视感知的斜尖柔性针轨迹预测

在临床应用中,精确控制柔性针到达靶点是一个挑战.在穿刺过程中,作用在柔性针上的力会导致组织变形和针偏转,进而造成针尖错位.针和软组织之间的相互作用涉及大量的生物物理特征,而且这些参数不可能通过物理建模或直接估算得出.为解决这一难题,提出一种预测针尖轨迹的方法.对柔性针进行受力分析,建立力学模型;在力学模型的基础上,建立了一种基于BP神经网络的力视感知预测模型,预测穿刺过程中的针尖轨迹.使用三种不同型号的柔性针进行试验,采集数据并对模型进行训练.最后通过试验得到针尖轨迹,与模型预测进行比较.结果 表明,模型预测的针尖在x、y方向的位移与试验结果基本一致,误差在2mm以内,能够较准确地预测穿刺轨迹.     

斜尖柔性针穿刺软组织受力建模及测量方法研究

斜尖柔性针穿刺软组织的受力分析与建模是研究柔性针弯曲变形的基础,然而柔性针受力十分复杂,目前并无完善、系统的受力模型。针对这一问题,对柔性针的受力进行系统地分析,将受力建模为切割反力、夹紧力、夹紧摩擦力、组织抵抗力、抵抗摩擦力、支持力及支撑摩擦力等,并给出了各受力之间的联系,建立起统一的受力系统。提出带有入针支撑的斜尖柔性针穿刺方式和受力的测量方法,采用单维力传感器与六维力传感器相结合的方法实现部分受力的解耦测量,并通过实验数据解算未知力,得到了所有建模力的结果。为下一步基于力学的柔性针弯曲建模奠定了理论和实验基础。     

穿刺针尖光纤力传感信号的小波变换分析

经皮软组织穿刺过程中,穿刺针尖会历经不同材料特性的器官组织,受到复杂变化的作用力。为了测量针尖处的作用力并鉴定穿刺路径上不同层次的软组织,研制了一种光纤力传感器,并进行了力信号分析。首先,基于法-珀干涉介绍了光纤力传感器的测量原理、光链路设计、及其与针的集成和标定方法。在穿刺力信号分析的基础上,提出利用Mallat算法对力信号进行小波变换,提取信号的特征模式,界定软组织的各层边界。最后,在猪的肝脏和肋条组织样本上进行了针穿刺实验验证。结果显示:光纤力传感器的可测力为0至3.20N,测量精度可达0.01N。得到的穿刺试验结果表明Mallat算法能够有效地区分软组织的类型。研制的光纤传感器满足穿刺力的测量范围、精度和可靠性等要求,所提出的小波变换算法可用于软组织边界的界定,有望用于机器人穿刺控制。     

前列腺高精度穿刺机理及策略研究

针介入前列腺中,前列腺会产生漂移、变形以及针尖会产生偏转等问题。为了改善机器人操控穿刺针的定位精度,研究了振动、旋转穿刺软组织机理,建立针-前列腺相互作用力模型。利用制备的实验平台分别完成了振动穿刺和旋转穿刺效果评估实验;通过对上述实验结果的分析,提出了一种基于振动和旋转的高精度进针策略,并设计了相应的进针策略控制软件;最后,采用高精度进针策略完成了穿刺力评估实验,实验结果验证本文进针策略的有效性。     

基于有限元的套管柔性针穿刺软组织弯曲建模研究

套管柔性针作为柔性针的一个重要分支,与其他传统的柔性针相比,在针体路径矫正、穿刺灵活性以及斜尖转角控制精度等方面具有巨大的优势。为深入研究套管柔性针穿刺机理,建立基于有限元的穿刺弯曲模型。分析软组织的生物力学特性,建立了精确的软组织模型;对套管柔性针穿刺软组织进行受力分析,建立力学模型;在力学模型的基础上,建立套管柔性针穿刺软组织的弯曲模型,进行仿真研究。最后通过实验得到穿刺力-时间曲线和针弯曲变形曲线,并与仿真曲线进行比较。结果表明,仿真结果符合实验穿刺力的变化趋势,系统弯曲误差在2 mm以内,满足医学上的要求,验证了套管柔性针穿刺软组织的力学模型以及弯曲模型的正确性和合理性,为路径规划及控制奠定理论基础。     

生物软组织切割过程建模

自行设计和制造了一台可对切割力和刀具位移进行实时测量的生物软组织切割装置,并对猪主动脉壁组织开展了切割实验,对其切割特性进行了分析。切割力在组织未被切破之前随刀具位移非线性增大,呈典型的J形曲线关系;当切割力增大到一定程度时,组织被切破,切割力迅速减小;随后切割过程相对比较平稳,切割力在较小的范围内波动,呈现增大-减小的波浪形式。整个切割过程可被分为三个阶段：变形阶段、破裂阶段和切割阶段。根据能量平衡对切割过程中各个阶段能量之间的转换关系进行分析,并建立了各个切割阶段的切割力模型。在变形阶段,切割力表现为典型的非线性J形曲线关系,一个指数函数被用于拟合变形阶段的切割力;在切割阶段,根据能量平衡方程建立了切割力模型;而对于破裂阶段,由于时间非常短,切割力由破裂时的切割力直线减小。比较发现,模型所得切割力能够很好地与实验所得切割力吻合,证明切割力模型是正确的。     

AFM探针-样品作用力模拟及动力学分析

针对原子力显微镜中探针-样品系统间力学特性的复杂性,本文建立了针尖-样品系统的分子动力学模型,采用混合势模拟了它们间的相互作用力并获得了力-距离曲线表达式。基于该表达式,建立了系统动力学方程,分别采用多尺度法和数值仿真研究了不同样品材料对原子力显微镜针尖-样品耦合系统动力学特性的影响。结果表明:不同样品材料对针尖的受力情况影响较大,力-距离曲线波动明显,分析中应区别对待;针尖样品系统中存在丰富的周期运动,且不同的样品材料对原子力显微镜耦合系统的非线性动力学行为有较大的影响。     

电液伺服系统非线性振动诱因探究

根据非线性动力学原理,建立电液伺服系统的非线性动力学模型,探索非线性弹簧力和非线性摩擦力等非线性因素对伺服系统运动特征的影响规律。通过理论研究,指出非线性弹簧力和非线性摩擦力的耦合作用特征可以用Duffing-Van Der Pol方程描述。通过数值试验分析,发现系统外加激振力、阻尼系数和弹簧力非线性项系数的大小影响系统的运动状态,当三者参数变化时系统可能做极限环型振荡、倍周期运动和混沌运动。     

基于矫正力的前列腺粒子植入穿刺控制策略研究

以前列腺粒子植入机器人精准穿刺为目标，针对机器人辅助前列腺粒子植入手术的现存不足和发展趋势，开展针挠曲形变预测模型和穿刺控制策略等方面的研究。研究了针挠曲形变预测模型的参数获取问题，提出基于矫正力的术中组织杨氏模量识别方法，解决术中组织杨氏模量获取困难的问题。随后，建立基于矫正力的穿刺控制策略，分为两个阶段，即术前针尖轨迹规划阶段和术中穿刺策略调整阶段。在术前针尖轨迹规划阶段，基于针挠曲形变预测模型构建成本函数获取最佳针尖轨迹与穿刺参数。在术中穿刺策略调整阶段，构建了反向针挠曲形变预测模型，对矫正力的数值进行术中补偿，并采用基于强化学习(RL)的自适应PID方法设计控制器控制矫正力的施加，实现精准穿刺。自主搭建了粒子植入机器人实验平台以验证所提穿刺控制策略的有效性，粒子植入的平均误差为1.96 mm,标准误差为0.56 mm,实验结果表明，基于矫正力的穿刺控制策略能够有效降低针尖挠曲值，可以提高粒子植入精度。     

多平面锥形针接触建模与影响因素研究

针对平面锥形针在组织接触变形阶段受力变化难以分析的现状,根据弹性组织与针接触时的变形特点,建立了多平面锥形针的接触模型,并重点探讨了该阶段针的受力与穿刺性能问题。接触模型揭示了在穿刺深度相同的情况下,锥形针的接触受力受组织剪切模量、针形半顶角和针的平面数三个因素共同影响。通过实验对接触模型进行验证,发现实验曲线和理论曲线能够较好地吻合,表明该模型是有效可行的。由研究可得：为减小平面锥形针的接触受力、提高针的穿刺性能,可选择较小剪切模量的组织、减小针形半顶角或减少针的平面数。     

超声波焊接原理在注射针头销毁器中的应用

介绍基于超声波焊接原理而设计的注射针头销毁器,并阐述其工作原理、结构设计、技术方案和应用场合等.     

基于ANSYS的滚针轴承的有限元分析

基于有限元分析软件ANSYS,建立了滚针轴承的三维有限元模型,以典型的径向载荷和边界条件为例,对其进行静力学接触分析,得出了轴承承载过程中的应力和变形趋势及接触应力的变化规律,空心轴和轴承外圈在径向方向上的最大等效应力并非出现在接触表面,而是分别出现在距接触表面0．256mm和0．268mm处．     

超高压针阀的失效机理

通过对食品加工用超高压针阀的结构及工作环境、阀芯失效后密封面的形貌、液体与阀芯表面的接触特性和液体与阀芯的相对运动三方面的研究与分析,得出了针阀的主要失效形式为气蚀和冲蚀磨损,为提高针阀寿命的研究提供一些参考依据。     

万向节十字轴滚针轴承结构优化

针对某型车用万向节十字轴轴承出现温升异常的现象,对其产生的原因进行了分析,并对轴承进行了优化设计,使轴承温升满足了设计要求。     

Contributions in medical needle technologies—Geometry,mechanics, design,and manufacturing

This article summarizes the contributions in research on tissue cutting with needles. The geometry of the needle's cutting edges was analytically defined and expressions for the inclination and rake angles of hollow and solid needles and trocars have been derived. Based on the semi-empirical method, finite element model and the fracture mechanics approach, force models of needle insertion were developed. The relationship between the needle's tip geometry and insertion force was established and used in several applications. It was shown, for example, that the cutting edge of the lancet needle can be optimally designed to minimize insertion force or bevel length. The cutting mechanics in rotary needle insertion was investigated along with the exploration of improvements of needle biopsy performance by decreasing the needle cutting and friction forces. The deflections of the needle during insertion were measured to develop a strategy for guiding the needle to the right position in brachytherapy and drug delivery. From an overall perspective, fundamental advances and application problems based on the cutting mechanics of soft tissue for needle were highlighted to lay the foundation for developments of biomedical device and improvements of healthcare procedures.     

起毛机针辊部件结构性能研究

起毛机针辊部件的结构性能对起毛风格和质量有重要影响,为此建立了起毛机针辊的运动、受力及弯曲分析和模态分析模型,对针辊产生的横向弯曲变形及其应力、固有频率及振型进行了研究。基于Matlab6．5开发出了通用的具有较高精度和效率的针辊结构性能分析系统,成功用于某型号起毛机的针辊结构性能分析。     

全自动铆接/卷绕联体机导针上料机构齿轮的优化设计

导针上料机构中的齿轮是影响铝电解电容器生产质量的关键零件。以齿轮的模数、齿数、齿宽等基本参数为设计变量,根据齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、模数、中心矩等约束条件,按照齿轮体积最小和齿轮重合度最大为优化目标,利用多目标优化设计数学模型对其优化设计。齿轮优化后,机构工作平稳性得到提高,加工出的铝电解电容质量得到明显改善。     

应用振动钻削加工缝合针带线孔

针对医用带线缝合针带线孔的加工难点,采用振动钻削,并研究设计了一种轴向振动钻削装置.试验结果表明,所设计的装置可以明显改善医用带线缝合针带线孔的加工质量,提高合格率.     

电脑刺绣机针杆机构力平衡设计

以电脑刺绣机针杆机构为研究对象，推导了带平衡重参数的针杆机构质心位置矢量方程，根据针杆机构质心位置不变的原则，求出了针杆机构各平衡重参数，所得结论应用于电脑刺绣机针杆机构的改进设计。     

斜井施工中针梁模板台车针梁的有限元分析

介绍了隧道混凝土衬砌施工中针梁模板台车的结构和工作原理,应用有限元软件ANSYS对在20°斜井施工中针梁模板台车针梁部分进行结构分析。通过对针梁多次施加不同大小的载荷,找出了针梁的最大允许应力或最大允许变形时的载荷大小,为隧道的准确衬砌和安全施工提供依据。