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医学超声穿刺导航的实时定位及软组织建模研究

作　者: 汤月华
导　师: 段会龙；郑音飞
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 超声穿刺导航有限元 ANSYS仿真 ARM9+FPGA
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 68次
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内容摘要

超声穿刺导航可以实时显示穿刺针在组织内的运动情况,为穿刺路径选择提供依据,是超声辅助治疗的重要手段,具有广阔的发展空间。然而,现有超声穿刺导航系统存在着操作复杂、定位不精确、穿刺角度固定麻烦等问题,所以穿刺手术对医生手法的依赖程度高,而且经常需要进行多次穿刺。针对上述情况,本文提出基于电磁定位方式的超声自由穿刺导航方法；并针对影响穿刺精度的关键因素——软组织变形,采用有限元方法进行详细的分析；最后基于便携式超声成像系统,提出自由穿刺导航的软硬件设计方案。具体研究内容如下：1)超声穿刺导航算法研究。本文根据超声穿刺导航系统的临床应用,分析现有系统的不足和各种定位方式的优缺点,得出电磁定位系统具有定位准确、体积小、重量轻、受环境因素影响小等特性,适合用于超声穿刺系统实时定位的结论。故本文将电磁定位应用于现有的超声成像系统中,进而设计了基于电磁定位方式的实时导航算法——建立坐标变换的数学模型,研究将磁场坐标与声场坐标进行精确配准的手段,以便实时标示穿刺针相对于超声图像的位置,从而为提高穿刺准确性,缩短穿刺时间提供有效方法。2)穿刺过程软组织形变的有限元仿真。软组织形变是影响穿刺精度最主要的因素,研究软组织变形对提高穿刺的准确性具有重要的临床意义。本文基于有限元方法,将软组织离散化为有限个单元,并对各个离散单元进行弹性力学分析,建立软组织的线性弹性模型。根据该理论模型,采用ANSYS有限元分析软件进行软组织变形仿真,根据软组织的材料属性、单元参数、应用边界条件和初值条件对网格化的模型施加载荷,仿真得出穿刺过程中软组织的形变数据。该形变模型可为穿刺导航系统实现穿刺前的路径规划和避障预警提供一种有效的手段。3)软硬件方案设计。针对现有数字化便携式超声成像系统,本文设计了超声穿刺导航系统软硬件方案。硬件设计采用ARM+FPGA双核处理器外加电磁定位器的方案,系统中ARM除负责系统的实时控制,如按键响应、字符界面的显示、应用软件的选择、FPGA的信号控制等任务外,还进行定位系统位置信号的采集工作；而FPGA主要负责超声图像信息的采集和处理、探头控制、图像存储、定位信息的合成显示。系统软件体系结构的设计采用消息驱动的方式,以保证代码的运行效率。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-17
  1.1 概述  11
  1.2 超声穿刺导航技术的历史与现状  11-12
  1.3 超声穿刺导航的临床应用及意义  12-15
    1.3.1 超声引导下穿刺  12-13
    1.3.2 现有超声穿刺导航系统存在的问题  13-15
  1.4 研究目标与内容  15-17
2 基于电磁定位的超声穿刺导航算法研究  17-29
  2.1 定位方式的选择  17-18
    2.1.1 光学定位方式  17
    2.1.2 声学定位方式  17
    2.1.3 机械定位方式  17
    2.1.4 磁定位方式  17-18
  2.2 系统总体设计方案  18-20
    2.2.1 系统基本组成  18-19
    2.2.2 系统工作流程  19-20
  2.3 电磁定位原理  20-23
  2.4 数据预处理  23-24
  2.5 算法模型  24-25
  2.6 校准  25-27
  2.7 讨论  27-28
  2.8 本章小结  28-29
3 软组织的有限元方法研究  29-42
  3.1 软组织形变力学研究  29-37
    3.1.1 应力  29-30
    3.1.2 应变  30-32
    3.1.3 本构方程  32-33
    3.1.4 离散方法  33-36
    3.1.5 大应变分析  36-37
  3.2 软组织二维线性弹性模型  37-38
    3.2.1 线性应变  37-38
    3.2.2 二次应变  38
  3.3 弹性材料的动力学问题  38-39
  3.4 穿刺过程组织变形有限元仿真流程  39-41
  3.5 本章小结  41-42
4 穿刺过程软组织形变仿真  42-53
  4.1 ANSYS有限元软件  42-43
  4.2 穿刺过程软组织有限元仿真实验  43-48
    4.2.1 模型建立  43-46
    4.2.2 网格的细化  46-47
    4.2.3 约束条件和施加载荷  47-48
  4.3 仿真过程与实验结果分析  48-52
  4.4 本章小结  52-53
5 系统软硬件设计  53-68
  5.1 系统硬件设计  53-60
    5.1.1 需求分析  53-54
    5.1.2 硬件设计框图  54
    5.1.3 模块设计  54-60
  5.2 系统软件设计  60-67
    5.2.1 嵌入式Linux系统开发环境  60-61
    5.2.2 系统软件设计框图  61-63
    5.2.3 超声导航应用软件设计  63-67
  5.3 本章小结  67-68
6 总结与展望  68-70
  6.1 总结  68-69
  6.2 展望  69-70
作者简介  70-71
参考文献  71-74

医学超声穿刺导航的实时定位及软组织建模研究

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