核磁图像导航机器人辅助的靶向穿刺手术是目前临床上进行组织活检与放射性粒子种植所普遍采用的方式,该系统是集医学图像处理、机器人技术、生物力学等多学科为一体的综合性研究,有助于实现高精度、高可靠性的穿刺,从而提高活检成功率或患者治愈率。本研究以提高经皮穿刺手术的精度为目的,分别从刚性与柔性穿刺的关键技术对该手术系统展开研究,论文主要研究工作如下:(1)提出了标准化的图像质量分析方法,采用核磁图像信噪比以及图像变化因子的相对变化分析方法,验证了标准化的核磁图像扫描序列,并且分析了机器人对核磁图像质量的影响。提出了基于模式识别的模型标定算法,量化分析了核磁图像的变形失真,提高了核磁图像导航机器人辅助的刚性靶向穿刺的精度。(2)为了提高机器人辅助的柔性靶向穿刺精度,建立了针刺组织的力学预测模型。基于Sneddon积分法以及改进的Winkler地基梁模型,分别建立了针刺单层软组织的接触力模型以及摩擦力模型,并拓展了针刺多层组织力学模型。分别从穿刺针的几何特性,软组织的力学特性以及穿刺方式等方面,探究了各影响因素与穿刺力的相关性,为后续穿刺针与软组织的交互变形分析提供了有效的指导。(3)在力学建模的基础上,采用非线性Winkler地基梁模型与Euler-Bernoulli梁原理,建立了柔性针的非线性挠曲模型,获得了准确的穿刺针变形预测。提出了基于人工势能场法的柔性针刺软组织的轨迹规划方法,并且将柔性针变形预测结果作为人工势能场搜索算法中的临界约束条件,获得了柔性针在生理解剖结构环境下的规划路径。(4)提出了基于Webster自行车模型的运动学操控模型,结合占空比算法,建立了改进的柔性针三维运动学模型。通过改变占空比,获得不同曲率的穿刺路径,拟合得出了占空比与柔性针曲率的经验关系。建立了针尖方向角误差与偏距误差控制器,实现了实时校正针尖误差的目的,解决了针刺过程中对规划路径进行操控与追踪的难题。(5)设计与研制了男性盆腔器官群模型,通过制备不同配比不同性能的PVA水凝胶,比较了PVA水凝胶与人体前列腺组织的微观结构特性以及穿刺变形特性。通过图像分割与三维重建,结合人体解剖学知识,制作出人体盆腔器官群模型。通过穿刺力学实验,验证了该人体盆腔器官群模型具有与临床穿刺实验相似的穿刺力值。通过柔性针操控实验,验证了机器人辅助的柔性靶向穿刺精度为1.15 mm,满足临床手术需求。