醫(yī)學超聲穿刺導航的實時定位及軟組織建模研究.pdf

1、超聲穿刺導航可以實時顯示穿刺針在組織內的運動情況，為穿刺路徑選擇提供依據，是超聲輔助治療的重要手段，具有廣闊的發(fā)展空間。然而，現有超聲穿刺導航系統(tǒng)存在著操作復雜、定位不精確、穿刺角度固定麻煩等問題，所以穿刺手術對醫(yī)生手法的依賴程度高，而且經常需要進行多次穿刺。針對上述情況，本文提出基于電磁定位方式的超聲自由穿刺導航方法；并針對影響穿刺精度的關鍵因素--軟組織變形，采用有限元方法進行詳細的分析；最后基于便攜式超聲成像系統(tǒng)，提出自由穿刺導航

2、的軟硬件設計方案。具體研究內容如下：
　　 1)超聲穿刺導航算法研究。本文根據超聲穿刺導航系統(tǒng)的臨床應用，分析現有系統(tǒng)的不足和各種定位方式的優(yōu)缺點，得出電磁定位系統(tǒng)具有定位準確、體積小、重量輕、受環(huán)境因素影響小等特性，適合用于超聲穿刺系統(tǒng)實時定位的結論。故本文將電磁定位應用于現有的超聲成像系統(tǒng)中，進而設計了基于電磁定位方式的實時導航算法--建立坐標變換的數學模型，研究將磁場坐標與聲場坐標進行精確配準的手段，以便實時標示穿刺針相對

3、于超聲圖像的位置，從而為提高穿刺準確性，縮短穿刺時間提供有效方法。
　　 2)穿刺過程軟組織形變的有限元仿真。軟組織形變是影響穿刺精度最主要的因素，研究軟組織變形對提高穿刺的準確性具有重要的臨床意義。本文基于有限元方法，將軟組織離散化為有限個單元，并對各個離散單元進行彈性力學分析，建立軟組織的線性彈性模型。根據該理論模型，采用ANSYS有限元分析軟件進行軟組織變形仿真，根據軟組織的材料屬性、單元參數、應用邊界條件和初值條件對網格

4、化的模型施加載荷，仿真得出穿刺過程中軟組織的形變數據。該形變模型可為穿刺導航系統(tǒng)實現穿刺前的路徑規(guī)劃和避障預警提供一種有效的手段。
　　 3)軟硬件方案設計。針對現有數字化便攜式超聲成像系統(tǒng)，本文設計了超聲穿刺導航系統(tǒng)軟硬件方案。硬件設計采用ARM+FPGA雙核處理器外加電磁定位器的方案，系統(tǒng)中ARM除負責系統(tǒng)的實時控制，如按鍵響應、字符界面的顯示、應用軟件的選擇、FPGA的信號控制等任務外，還進行定位系統(tǒng)位置信號的采集工作；而