医用自动穿刺针偏转系统的设计与实现

作     者：朱勤 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨红官;黄嵩人

授予年度：2018年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 10[医学] 

主      题：自动穿刺活检系统 超声引导 角度偏转 FPGA PID控制器 

摘      要：近年来,甲状腺、乳腺等浅表器官癌症发生率越来越高,癌症的准确诊断是研究者关注的热点。在当前甲状腺、乳腺等浅表器官的穿刺活检手术中,大多凭借医生的经验在体外图像引导下手动穿刺取细胞活检,穿刺精度不高,容易出现穿刺手术失败的情况。本文针对当前甲状腺、乳腺等浅表器官的穿刺活检系统进行改进,采用自动穿刺活检系统代替手动穿刺活检,即机器人辅助经皮穿刺取细胞进行活检。相比手动穿刺,自动穿刺活检系统具有穿刺路径规划准确、自动进针和穿刺精度更高等优点,同时降低人为因素的影响。在未来穿刺手术中,自动穿刺活检系统将越来越有价值。该自动穿刺活检系统分为多普勒超声成像、穿刺针偏转和穿刺针进针三个主要部分,论文研究的主要内容是对自动穿刺活检系统中穿刺针偏转部分的设计与实现。首先介绍了甲状腺、乳腺等浅表器官的自动穿刺活检系统研究背景以及在国内外的发展状况,接着阐述了自动穿刺活检系统的相关原理,给出了穿刺针偏转系统的整体结构,然后对穿刺针偏转系统软硬件平台进行分析和设计,首先实现硬件电路中FPGA最小系统的设计（包含时钟模块、复位模块、电源模块和下载电路等模块的设计）,接着对FPGA外围功能电路进行设计（包括与上位机进行通信的串口电路、电平转换电路和AD采集电路等）,同时采用增量式PID控制算法设计PID控制器,将FPGA外围器件连成整体,对穿刺针的偏转进行闭环控制。在上位机平台和下位机平台搭建的软件平台中,下位机设计利用Quartus II 15.0软件进行开发,采用Verilog HDL语言硬件实现串口接收发送模块、步进电机驱动模块和采样时钟模块;上位机设计利用LabVIEW虚拟仪器平台进行开发,实现向下位机传送角度控制参数和接收下位机传送的角度数据,将角度数据进行显示、监测。最后对穿刺针偏转系统中PID控制器和步进电机模块进行Modelsim仿真验证,以及对穿刺针角度偏转的准确性进行测试,测试结果表明角度偏转误差均在1°的要求以内。设计该自动穿刺活检系统对推动浅表器官穿刺活检技术的发展具有重要的理论意义和临床应用价值。