穿刺针是应用在一般活检、局部麻醉、介入放射和近距治疗等外科诊疗中最基本的微创手术器械。大量外科诊断、治疗和研究都需要针穿刺到特定靶点,其中大多数穿刺靶点都集中在软组织器官。靶点位置运动和针穿刺运动轨迹的不确定性而引起的穿刺靶点误差严重限制了针刺手术的临床应用。本论文以柔性针精确穿刺动态靶点为目标,深入分析了柔性针与软组织之间交互作用机理,提出了基于改进局部约束法的软组织变形有限元模型,采用MATLAB程序包实现了穿刺过程组织变形的二维仿真,实验验证了所提算法的有效性。将计算机实验分析方法应用于软组织内部靶点和障碍物运动的实时预测,建立了基于Kriging元模型的组织变形预测模型,与有限元计算结果对比表明Kriging预测模型能够克服有限元计算代价大的缺陷。利用机器人运动学理论建立了穿刺过程中柔性针运动学模型,描述了针座与针尖之间的运动传递关系,进而建立了以调整角为控制参数的针体逆运动学方程,实验结果验证了运动学模型的正确性。利用人工势场概念定义了考虑靶点和障碍物运动的广义穿刺误差,利用针体正逆运动学方程将组织变形动态环境下的轨迹规划问题转化为广义穿刺误差优化问题,并提出了具体轨迹规划算法,实验验证了动态轨迹规划算法的可行性。本论文共分六章,主要内容简述如下:第一章,详细介绍了计算机辅助软组织针穿刺技术的研究背景和现状,归纳出针穿刺误差原因分类及表现。综述了柔性针穿刺软组织过程中针与软组织相互作用机理、柔性针操控技术及穿刺运动规划等方面的研究现状,分析了现有组织变形模型和轨迹规划方法存在的挑战。最后概述了本论文的主要研究内容和目标。第二章,在线弹性软组织有限元模型和柔性针悬臂梁模型的基础上,基于改进局部约束法建立了柔性针-软组织耦合模型,将针节点上作用力关系融入到软组织模型中。采用MATLAB软件实现了针穿刺软组织过程仿真。设计了与仿真条件相同的实验环境,并通过在PVA假体内部添加标识物来记录节点位移情况,分析和比较了靠近针约束、远离针约束和靠近边界约束等三类节点位移的实验和仿真结果,平均误差在0.50mm以内。所提耦合算法可拓展适用于非线性非匀质软组织材料。第三章,将计算机实验分析和元模型方法应用于软组织内部靶点和障碍物运动的实时预测。介绍了Kriging元模型的基本原理和计算机实验设计的拉丁超方格方法。建立了考虑软组织和针材料性能参数、穿刺角度等11个变量的软组织最大位移Kriging预测模型,分析了不同相关函数的预测性能和参数敏感性。建立了基于泛函响应的软组织变形实时预测Kriging模型,分析了模型对参数变化和时间指标变化的适应性能;与有限元仿真结果对比表明,Kriging实时模型预测相对残差在35%之内,可较好地反映组织变形规律。第四章,在分析柔性针挠曲作用机理的基础上,利用机器人运动学理论建立了斜角柔性穿刺针的正向和逆向运动学模型。采用准静态思想,对挠曲针体分段研究,将穿刺过程分解为n个子过程,每个子过程针尖运动可分解为两个旋转运动和一个平移运动,利用D-H方法描述了针座与针尖之间的运动关系。搭建了运动学实验平台,实验结果表明运动学模型预测与实验针尖偏移量误差在0.80mm之内,靶点穿刺误差小于0.78mm,能够符合柔性针在软组织内部的变形规律。第五章,在讨论针体逆运动学解存在性的基础上,提出了无障碍和有障碍静态环境下的针体轨迹规划方法。利用欧式距离和人工势场概念定义了考虑避障和中靶的广义穿刺误差,将动态环境下轨迹规划问题转化为穿刺误差优化问题,结合Kriging软组织实时模型提出了动态轨迹规划算法。实验结果表明,所提出的静动态轨迹算法综合考虑了针体的操控性能和轨迹可行性,均可获得可行的柔性针穿刺轨迹。第六章,归纳总结了本论文的主要研究工作,并对柔性针穿刺软组织的后续研究工作进行了展望。