为了提高经皮穿刺手术的安全性和精确性,合理利用医疗资源,减轻医疗压力,本文面向机器人辅助下的远程经皮穿刺手术,对穿刺路径规划和远程控制等关键技术展开研究。主要研究内容及成果如下:首先,针对临床经皮穿刺过程中针与组织交互中偏转变形的问题,基于非完整运动学模型,结合临床穿刺实际需求,建立三维环境下的单弯曲穿刺针变形预测模型,搭建自动穿刺和针轨迹采集实验平台,实施仿生材料模型穿刺实验获取模型参数并验证模型的准确性,实验结果显示该模型的平均预测精度在1mm以内。为自动穿刺路径规划提供了理论基础。其次,针对三维生理解剖结构中穿刺路径规划问题,提出了一种基于代价地图的路径规划方法。基于斥力场理论从术前图像中编码穿刺代价地图,该代价地图能够定量描述针在三维解剖结构空间进行穿刺的危险程度,基于代价地图,考虑到针在组织中的实际偏转,以模拟退火方法获得三维规划空间中安全可行的穿刺路径。该路径结果用于指导自动穿刺过程。最后,基于对机器人辅助手术流程和远程手术功能需求的分析,针对远程手术系统涉及的关键技术进行研究,包括远程控制策略、远程控制系统网络模型和指令编码等技术。制定相关技术的解决方案,建立远程手术控制系统网络模型,完成远程手术硬件平台和软件系统的搭建。使用该系统完成系列测试实验,包括远程手术平台的延时测试实验,在穿刺路径规划结果指导下的模体穿刺实验。结果显示在校园网环境下,远程控制系统指令最大延时为169ms,平均延时为161.48ms,无指令丢失状况,音视通讯流畅,远程监控画面未出现视觉可见延时。此外,在远程穿刺操作实验中,靶点穿刺误差为1.47±0.27mm,较按传统直线路径的穿刺精度提高80%以上。研究结果表明本文提出的路径规划方法能够有效提高自动穿刺手术的安全性和精确性,远程手术系统网络适应性良好,具有较高的可行性和可靠性。本文的研究工作对机器人辅助的远程自动经皮穿刺手术具有一定的指导意义和应用价值。