随着社会的发展以及生产力的提高,人们的生活质量得到了很大的改善。但与此同时,不良的生活方式和环境污染也对人们的健康造成了极大的威胁。根据2018年世界癌症状况调查结果,2018年新发病例约有1810万,与2012年相比增加了约400万,全球因癌致死人数由2012年的820万上升到2018年的960万。活体组织检查(简称活检)是目前进行癌症检测的最有效的手段之一,其中经皮穿刺活检因其创伤小,成本低的特点,成为活体检测主要的发展方向。但因体内环境复杂、组织变形以及穿刺针受力弯曲等因素的影响,目前经皮活检穿刺仍然存在穿刺精度不高,效率低下的问题。针对存在问题,本文开展穿刺过程中针与组织交互作用建模分析及路径规划研究,以期提高穿刺取样精度和效率。本文在课题组之前研究的基础上得出组织的本构方程,以Kelvin模型和三元件模型为基础建立了弹簧-阻尼-节点模型,分析了组织不同受力位置以及力大小对靶点偏移量的影响,并运用Abaqus有限元仿真软件对组织变形进行了仿真。通过将仿真得到的不同深度应力应变关系与所建立的模型相比较,证明了模型的有效性。本文通过分析组织与穿刺针的相互作用关系研究了针的弯曲变形。将柔性针视为悬臂梁,其受力与挠曲量的关系可由Euler-Bemoulli理论推导得出。经过对针穿刺过程进行分析,认为针在穿刺组织过程中受到切割反作用力、摩擦力和组织变形抗力的作用,并分析得到影响这些力大小的因素包括针直径、尖端倾斜角、穿刺速度、明胶质量比和穿刺深度等,为实验探究针的弯曲特性提供了理论依据。以明胶假体作为实验对象进行穿刺实验,探究了近似圆弧半径与穿刺深度、明胶质量比、穿刺速度、针半径以及针尖倾斜角之间的关系。实验结果表明,随着穿刺深度增加,等效圆弧半径逐渐增大;随着针尖倾角和穿刺针的半径等穿刺针自身参数的增加,圆弧等效半径也逐渐增大;而随着明胶假体中水含量的降低和穿刺速度的增加,等效圆弧半径则会逐渐减小。为方便进行柔性针路径规划实验,搭建了由控制系统和执行系统两部分组成的三自由度穿刺平台。本穿刺平台由针体旋转模块、同时本文为该平台的控制系统编写了一套步进梯形图控制算法,能通过三个步进电机的协调运动实现调整入刺角、直线进针和转针功能。本文引进粒子群算法作为穿刺路径规划的主要算法。以穿刺过程中单段圆弧圆心角以及圆弧之间的旋转角度作为变量,设定末段圆弧端点与目标点的距离作为目标函数,通过设定合适的学习因子得到收敛的圆心角和旋转角度的组合,从而规划出符合精度要求的柔性针进针路径。通过实验对规划结果进行验证,实验结果表明运用该路径规划方法进行穿刺能够使针尖点与目标点的距离保持在实际需要的精度范围内。