CN104248471B - 一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法，通过术前规划获得穿刺平台的位置和穿刺路径；移动定位机构到指定位置，并定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点；根据规划的穿刺路径进行穿刺；路径规划模块根据三维电磁定位传感器和C型臂在穿刺过程中反馈的柔性针针尖位置信息、姿态信息和穿刺区域组织图像对柔性针穿刺路径进行实时在线优化；控制器按照路径规划模块的实时在线优化策略对柔性针进行矫正；达到目标位置后，结束穿刺过程。本发明能够实时获得针尖位置，实时获得针尖受力，根据组织变形对穿刺策略进行在线修正，保证斜尖柔性针能够绕过不可穿刺区域，准确到达病灶，将穿刺过程置于医生的监控下，保证穿刺手术的安全。

Description

一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法

技术领域

本发明涉及胸腹腔软组织穿刺手术领域，尤其涉及一种使用机器人辅助医生完成斜尖柔性针软组织穿刺的系统及方法。

背景技术

穿刺术是微创外科手术(Minimally Invasive Surgery)中较典型的技术，在影像和其它传感信息引导下，针经皮穿腔进入软组织靶点，完成药物放置、活检、局部麻醉、近距离放射和消融治疗等操作。传统穿刺治疗中，医生在C形臂、超声等医学图像监控设备监视下手动完成穿刺过程。尽管有先进的医学图像设备为医生提供穿刺位置的视觉反馈，但是受技术限制，医学图像设备只能在穿刺后确定穿刺是否正确，无法在穿刺前为操作提供指导，很大程度上穿刺效果仍然受到医生经验、情绪、体力等主观因素影响。医生手动穿刺具有精度低，受主观因素影响等缺点。

针对手动穿刺的缺点，相关研究人员提出了机器人辅助穿刺系统。在中国专利CN102113904A的“经皮肾手术机械手穿刺系统”中对此做了介绍。与手动穿刺相比，机器人辅助穿刺具有精度高、可重复性强的优点，并能减轻病人的痛苦和医生的疲劳程度。该专利面向传统穿刺针，即刚性穿刺针。在穿刺的过程中，刚性穿刺针穿刺轨迹几乎为直线，但是由于组织形变、组织非均匀分布等特点使得穿刺针针尖受力不均匀，导致穿刺轨迹并非完全的直线，针尖与目标靶点位置产生偏差，降低手术效果。另外，穿刺轨迹近乎直线，使得有些由血管、神经等不可穿刺区域遮挡的病灶无法到达，这限制了穿刺术的应用。

针对传统刚性针的缺点，一些研究机构提出了斜尖柔性针的概念。柔性针，即针体由弹性材料较好的镍钛合金制成，针尖为非对称斜面，在穿刺的时候针尖受到组织施加的非均匀力，针尖会沿着受力方向发生偏转，通过控制针尖斜面朝向控制柔性针偏转方向，从而控制柔性针穿刺轨迹，进而达到控制针尖精度和绕过不可穿刺区域的目的。

软组织里的血管和神经，柔性针的弯曲，使得针尖路径规划面对障碍、运动学、动力学等各类约束。避障和最小创伤是针尖路径规划考虑的重要因素，同时兼顾针弯曲曲率约束。现有的穿刺规划算法对空间障碍进行确定性描述，导致简单物体在位形空间上的表示复杂和非常不规则，计算复杂度也呈指数增长，不能很好地解决非完整性约束条件下的实时规划问题。

目前的微创外科非常缺少力传感器，无法感知操作器械在组织上的力信息，临床应用受到局限。

中国专利CN102018575A的“机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法”中提出了一种柔性针的控制方法及设备，但是该专利中柔性针模型局限于二维穿刺，针尖受力及针尖位置使用模型预测获得，无法应用于实时控制，没有监控设备导致该专利只能应用于离体穿刺实验，而无法应用于临床。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种斜尖柔性针高精度实时穿刺系统及方法。该方法使用三维电磁定位传感器获取针尖位置信息作为控制系统的反馈；使用C形臂监控穿刺过程，结合三维电磁定位传感器对机器人控制进行在线规划；使用光纤力传感器获取针尖与组织的接触力。最终实现针尖的高精度定位及组织生理特性的在线分析，主要应用于软组织内的药物注射、活体检验、局部麻醉和肿块消融等。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于，光纤力传感器通过光纤连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机的输入接口；C型臂设置于穿刺现场，与计算机的输入接口连接；三维电磁定位传感器设置于柔性针针尖的凹槽中，与计算机的输入接口连接，计算机的输出接口通过信号线连接控制器的输入端，控制器的输出端连接穿刺平台。

所述光纤力传感器包括激光器、光频隔离器、分光镜、力-光强转换元件和光强测量模块，激光器通过光纤依次连接光频隔离器和分光镜，分光镜分别连接光强测量模块和力-光强转换元件；

所述光强测量模块由光电二极管、电流电压转换器顺次连接组成；

所述力-光强转换元件包括嵌入柔性针针尖外壁凹槽中的光纤上，相隔断面上的两个反光镜。

所述穿刺平台包括定位机构和穿刺机构，其中定位机构为六自由度机械臂，末端固定连接穿刺机构，穿刺机构包括直线电机、旋转电机和柔性针。

所述控制器包括机械臂控制器、直线电机控制器和旋转电机控制器；

所述机械臂控制器连接六自由度机械臂，用于控制柔性针针尖的定位，

所述直线电机控制器连接直线电机，用于控制柔性针针尖的直线进给；

所述旋转电机控制器连接旋转电机，用于控制柔性针针尖的旋转方向。

一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，包括如下步骤：

获得通过术前规划后穿刺平台的位置和穿刺路径；

移动定位机构到指定位置，定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点，并根据规划的穿刺路径进行穿刺；

根据光纤力传感器反馈的柔性针针尖与组织接触力信息对柔性针模型进行参数修正，并将修正后的柔性针模型进行路径规划；

根据三维电磁定位传感器和C型臂在穿刺过程中反馈的柔性针针尖位置信息和姿态信息进行实时路径规划；

控制器按照路径规划后的实时在线优化策略对柔性针针尖进行实时矫正，直至达到目标位置，结束穿刺过程。

所述光纤力传感器反馈柔性针针尖与组织接触力信息的步骤为：

激光器发射的激光通过光频隔离器后，经分光镜分成两路激光；

一路激光依次经光电二极管和电流电压转换器完成从光强到电压的转换，并经数据采集卡将模拟电压值转化为数字电压值，作为入射光的参考值；

另一路激光通过光纤传输到力-光强转换元件，在力-光强转换元件内，激光经过两个反光镜完成两次反射，反射光在光纤内发生干涉，相干光在分光镜处分为两路，一路相干光传至光频隔离器停止，另一路相干光经光电二极管和电流电压转换器完成反射光强测量；

通过反射光强与相干光相位差的关系计算光纤力传感器内部两次反射光的相位差，进而得到两个反光镜之间的距离，根据反光镜之间距离变化与光纤力传感器顶端受力关系得出顶端受力大小，完成柔性针针尖与组织的接触力的测量。

所述柔性针模型为自适应独轮车模型。

所述自适应独轮车模型的建立方法如下：

穿刺半径与柔性针针尖与组织的接触力的关系为：

r＝K*F

其中，r为穿刺半径，K为系数，F为柔性针针尖与组织的接触力;t+l时刻坐标变换关系为:

$g_{\mathrm{po}}(t+1)=g_{\mathrm{po}}\left(t\right)e^{\widehat{V_{o\left(t\right)}}}=g_{\mathrm{po}}\left(t\right)e^{v\left(t\right)\widehat{V_1}+\mathrm{\ω}\left(t\right)\widehat{V_2}}$

其中g_po(t)为t时刻坐标变换关系，V_o为针尖速度，v为穿刺速度，ω为旋转速度， $V_o=\left[\begin{array}{c}{v}_o\\ {\mathrm{\ω}}_o\end{array}\right]=v{V}_1+\mathrm{\ω}{V}_2,V_1=\left[\begin{array}{c}{e}_3\\ \frac{1}{r}{e}_1\end{array}\right],V_2=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×1}\\ e_3\end{array}\right],v_0={\left[\begin{array}{ccc}{v}_1& v_2& v_3\end{array}\right]}^T$ 为针尖线速度，ω_o=[ω₁ ω₂ ω₃]^T为针尖角速度，r为穿刺半径， $e_1=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right],$ $e_3=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$ 为单位向量。

还包括三维电磁定位传感器在两次C型臂成像的时间间隔中，对柔性针针尖的位置信息和姿态信息进行反馈。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明基于斜尖柔性针受力分析，建立柔性针动力学模型，能够根据针尖的受力对模型进行在线修正使得模型更加准确；

2.本发明使用C型臂完成对组织和穿刺针的监控，能够根据软组织形变修正目标位置，对穿刺进行重规划，减小由于形变引起的偏差；

3.本发明中三维电磁定位能够实时获得针尖位置和姿态，在两次C型臂成像间隔中，为控制算法提供针尖位置的实时反馈，使得控制算法更加稳定、精准；

4.本发明使用基于法布里-珀罗干涉原理(FBI)的光纤力传感器获得针尖力，不仅能够对动力学模型进行在线修正，也可以获取组织生理特性，进而得出组织器官的状况，及时判断器官病变严重程度。

附图说明

图1是本发明系统结构框图；

图2是本发明中穿刺系统的控制流程图；

图3为光纤力传感器的系统结构图及力-光强转换元件说明放大图；

图4为在柔性针上集成传感器的示意图；

其中1为激光器、2为光频隔离器、3为分光镜、4为光纤力传感器、5为激光束、6为反光镜、7为光电二极管、8为电流电压传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利做进一步说明。

如图1所示为本发明的系统结构框图，本柔性针穿刺系统包括运动规划控制部分、传感设备和穿刺平台。

第一部分，根据针尖位置和穿刺图像信息对穿刺进行在线路径规划，根据C型臂成像的反馈对变形后的目标位置进行重新设定，并根据斜尖柔性针针尖、障碍物和目标位置对柔性针穿刺轨迹进行重规划，得到新的路径规划结果，然后将路径规划结果传递给控制器；

根据光纤力传感器反馈的针尖受力信息对柔性针模型进行在线路径规划修正；控制器根据柔性针针尖受力信息和三维电磁定位传感器的反馈信息完成路径规划部分传递的控制指令，使得柔性针针尖按照预定轨迹穿刺。

第二部分，传感设备包括C型臂、光纤力传感器和三维电磁定位传感器。其中C型臂对穿刺组织区域进行成像，根据需要放置在穿刺组织周围；光纤力传感和三维电磁定位传感器安放在柔性针内部，完成对穿刺针尖力和位置的测量。

C型臂负责对穿刺区域的软组织和穿刺针进行成像，提供组织变形信息。

为了对斜尖柔性针进行实时控制，需要实时获取组织形变和针尖位置进行，然后对穿刺进行重规划，对术前规划的控制策略进行修正，从而达到精确控制针尖位置的目的。本发明使用C型臂获取组织图像。由于C型臂是放射成像，具有辐射危害，且C型臂的成像时间较长，故不宜频繁使用。在本发明中，每隔一段时间使用C型臂对组织进行成像，然后对图像进行处理，重新设定变形后的目标位置；据此进行重规划。

三维电磁定位传感器设置于柔性针针尖，负责实时追踪针尖位置和姿态，根据运动指令对柔性针穿刺进行闭环控制。三维电磁定位传感器采样频率高，可获得针尖的位置和姿态信息。在两次C型臂成像的间隔中，使用该位置对柔性针进行控制。

三维电磁定位传感器使用Ascension公司制造的3DGudianceDriveBAYDB-011-DD，由发射器、传感器和控制单元组成。发射器在工作区域内建立有源电磁场。传感器有两个垂直的线圈组成，线圈在交变的电磁场中感生电压，并将电压传回控制单元。控制单元，控制传感器的发射磁场的强度和频率，接受从传感器传回的电压信号，通过二者计算传感器的位置和姿态。本发明中，将传感器与柔性针固连在一起，上位机通过GetAsynchronousRecord或者GetSynchronousRecord接口从控制单元获取传感器位置和姿态信息，从而获取电磁定位系统内的针尖坐标。

光纤力传感器负责感受针尖受力情况，然后将力反馈到规划控制部分，并对组织的生理特性进行分析，提供在线病情诊断；

本发明基于法布里-泊罗干涉仪(FPI)原理使用光纤测力针尖与组织的接触力。其测量过程为：光沿输入光纤传播，经转换元件产生两次反射，两次反射光在光纤内发生干涉，光干涉公式如下，

其中I₁，I₂为发生干涉的光的强度，I为干涉后的光强度，为两相干光之间的相位差。

若针头受力，转换元件变形，转换元件的距离与受力的关系如下，

d＝d₀+K·F (2)

其中d为转换元件的距离，d_O为原始长度，K为受力与形变的关系，这两个参数通过标定获得，F为针尖受力。

两次反射光相位差发生变化，经过转换元件两个束反射光相位差与转换元件距离的关系如下

其中ξ_x为转换元件光介质常数，d为转换元件的距离，λ为光波长，为两相干光之间的相位差。

相干光光强随即变化，沿输出光纤继续传播，直至光探测器，生成电信号。信号强弱反映了光强变化，而这与转换元件（例如反光镜）变形相关，源头则是针头受力。据此，在针体外测量光探测器电流，根据公式(1～3)即可获得在针尖处的力信息。此类针尖力测量手段，以光强转换机制为基础。通过改变转换元件反射面与光纤头的距离，光纤光强相应地被调节。根据针尖与组织的接触力分析组织的生理特性，进而判断组织是否病变及病变的程度，提供在线诊断的能力。

第三部分，穿刺平台包括两部分：定位机构和穿刺机构。

定位机构为六自由度机械臂，根据需要布置于手术室内；定位机构末端固定穿刺机构，穿刺机构上安放旋转电机和直线电机，实现柔性针的旋转和直线进给控制。为了减少连线，将旋转电机和直线电机的控制单元安放在穿刺机构上，只引出电源线和控制单元信号线。

定位机构根据术前规划确定柔性针穿刺机构的姿态，达到预定姿态后机构锁死。定位机构为主被动式，可以由医生拖动定位机构末端到预定位置，到达预定位置后定位机构锁死；也可以根据规划得到的预定位置自动移动，到达目标位置后机构锁死。定位机构的结构设计和控制算法在相关领域内是很成熟的，在此不过多赘述。

根据柔性针的原理可知：穿刺机构需要有两个自由度，直线进给和旋转控制。直线进给负责柔性针的进给控制；旋转控制负责柔性针的斜面朝向，即控制针尖的偏转方向。在定位机构锁死后，根据算法对穿刺进行规划，得到控制策略；基于此，控制柔性针的进给和旋转。

如图2所示为本发明中穿刺系统的控制流程图。首先，对病灶进行成像，设定穿刺目标位置和不可穿刺的区域，据此使用规划算法进行穿刺规划，获得穿刺平台的位置和穿刺路径。然后，移动定位机构移动到预定位置，并锁死机构，控制穿刺机构直线电机，使得针尖到达穿刺刺入点。其次，根据预规划的穿刺策略进行穿刺。最后，使用电磁定位系统追踪针尖位置，判断是否到达预定目标，如果到达了算法流程结束；如果没用到达，程序返回控制穿刺控制步骤。该位置控制环频率较高，使得针尖位置能精确跟踪给定位置。外环为穿刺策略修正环，控制频率较低。每隔一段时间对组织进行C型臂成像，然后将图像反馈给在线规划模块，该模块对穿刺目标位置和穿刺策略进行修正，然后开始新的控制周期。

如图3所示为光纤力传感器的系统结构图及力-光强转换元件说明放大图。光纤力传感器由激光发生、力-光强转换和光强测量三部分组成，并由分光镜连接。激光发生部分主要是激光器，产生固定频率的单色光。力-光强转换部分核心是力-光强转换元件，如图3中反光镜6所示，转换元件由反射腔和固定在反射腔内的两根光纤组成，两根光纤之间有反射距离。转换元件安放在柔性针针尖，通过传导光纤将之与分光镜相连。光强测量部分由光电二极管、电流电压转换器、数据采集卡和PC机组成。

力-光强转换元件4嵌入柔性针针尖。激光器1发射激光，通过光频隔离器2后，经分光镜3分成两束激光，一路经光电二极管7和电流电压转换器8完成从光强到电压的转换，并经数据采集系统将模拟电压值转化为数字值，将之作为入射光的参考值；另一路传输到力-光强转换元件4，在力-光强转换元件内，激光束5经过两个反光镜6完成两次反射，反射光在光纤内发生干涉，相干光在分光镜处分为两路，一路相干光传至光频隔离器2处停止，另一路相干光经光电二极管7和电流电压转换器8完成反射光强测量。通过光强与相干光相位差的关系计算力-光强转换元件4内部两次反射光的相位差，进而得到两个反光镜6之间的距离，根据距离变化与传感器顶端受力的关系得出顶端受力大小，完成力的测量。

如图4所示，为在柔性针上集成传感器的示意图，针体上有均等的凹槽用来安放传感器。将光纤力传感器和电磁定位传感器放置在凹槽内，固定在柔性针末端，以准确的测量柔性针针尖的受力和位置。

传感器内用于反射和投射激光束的设备为分束镜，该元件通过在光学玻璃表面镀上一层或多层膜制成。当一束激光投射到分束镜上时，通过反射和折射，激光被分成两束或者多束，反射与折射的光强比可以通过镀膜的性质进行控制。

获得针尖受力后，将之与组织特性结合，分析组织的生理特性，作为组织或器官的病情诊断依据。

本发明提出一个基于快速探索随机树的规划理论和优化方法。我们采用糅合A*算法理论的RRT随机采样路径规划方法，在采样空间先进行全局宏规划，初步获得少量路图。这样在后续的RRT搜索缩小了范围，减少了随机采样节点，进而加速随机树收敛至空间目标。在采样点扩展过程中，定义启发度量函数，计算随机采样点分别至初始和目标节点的总代价，克服距离度量单纯考虑相邻采样节点代价的局限性。在下一步寻优搜索过程中，利用避障、最短穿刺距离、最少拐点等参量建立无量纲创伤目标函数，进行碰撞检测和随机树筛选，获得最优针尖穿刺路径。

在手术前对穿刺路径进行预规划，首先使用A*（A-star）算法对工作区域进行优化，缩小可行工作区域范围，然后使用RRT(快速扩展随机树)算法对可行工作区域进行搜索，完成穿刺路径的优化。其详细过程为：首先，对工作区域进行粗略的离散化处理，标明每个离散化网格的中心位置；然后，考虑工作区域内不可穿刺区域，将处于不可穿刺区域的网格中心点标识为不可用，将剩余的每个网格中心点与相邻的中心点连接，建立静态路网；其次，按照给定的优化指标，使用A*算法搜索建立的静态路网，得到从开始位置到目标位置的优化路径；再次，将优化路径上每个离散化网格相连接，从而得到缩小的优化工作区域，为了下一步使用RRT算法进行穿刺路径搜索，对优化工作区域进行平滑处理；最后，使用RRT算法在优化的工作区域内进行随即采样搜索，得到优化的穿刺路径。

使用RRT(快速随机生长树算法)进行柔性针穿刺术前和术中路径规划。具体算法参考XuJijie,V.Duindam,R.Alterovitz,andK.Goldberg,'Motion Planning forSteerable Needles in 3d Environments with Obstacles Using Rapidly-ExploringRandom Trees and Backchaining',in Automation Science and Engineering,2008.CASE2008.IEEE International Conference on,2008),pp.41-46.

柔性针模型为自适应独轮车模型，穿刺过程中能够通过光纤力传感器的力信息反馈，对独轮车模型的参数进行修正。独轮车模型引用出自Robert Webster,Noah Cowan,Gregory Chirikjian,and Allison Okamura,'Nonholonomic ModelingofNeedle Steering Experimental Robotics Ix',ed.by Marcelo Ang and OussamaKhatibSpringer Berlin/Heidelberg,2006),pp.35-44。

柔性针模型确定针尖位置与输入控制量的关系，是进行柔性针穿刺轨迹控制的基础。本发明采用自适应独轮车模型。自适应独轮车模型中柔性针针尖以半径为r做圆弧运动，定义世界坐标系P和针尖坐标系O，坐标系O的坐标原点为针尖，则坐标系P与O的坐标坐换关系为 $g_{\mathrm{po}}=\left[\begin{array}{cc}{R}_{3\×3}& p_{3\×1}\\ 0_{1\×3}& 1\end{array}\right],$ R_3×3为3×3的旋转矩阵，针尖位置为p_3×1。针尖速度V_o为

$V_o=\left[\begin{array}{c}{v}_o\\ {\mathrm{\ω}}_o\end{array}\right]={\mathrm{vV}}_1+{\mathrm{\ωV}}_2,V_1=\left[\begin{array}{c}{e}_3\\ \frac{1}{r}{e}_1\end{array}\right],V_2=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×1}\\ e_3\end{array}\right],$

其中v为穿刺速度，ω为旋转速度，v_o＝[v₁ v₂ v₃]^T为针尖线速度，ω_o＝[ω₁ ω₂ ω₃]^T为针尖角速度。单位向量 $e_1=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right],$ $e_3=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

速度与坐标变换的关系为：

${\hat{V}}_o=g_{\stackrel{.}{p}o}$

其中， ${\hat{V}}_o=\left[\begin{array}{cccc}0& -{\mathrm{\ω}}_3& {\mathrm{\ω}}_2& v_1\\ {\mathrm{\ω}}_3& 0& -{\mathrm{\ω}}_1& v_2\\ -{\mathrm{\ω}}_2& {\mathrm{\ω}}_1& 0& v_3\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ 为g_po的导数。

求解上述微分方程可得:其中g_po(O)为g_po的初值。

已知t时刻坐标变换关系g_po(t)，可得t+1时刻坐标变换关系为:

$g_{\mathrm{po}}(t+1)=g_{\mathrm{po}}\left(t\right)e^{\widehat{V_{o\left(t\right)}}}=g_{\mathrm{po}}\left(t\right)e^{v\left(t\right)\widehat{V_1}+\mathrm{\ω}\left(t\right)\widehat{V_2}}.$

设定初始变化关系g_po(0)，即可以根据t时刻控制量v(t)，ω(t)预测针尖位置。

对于相同的柔性针，穿刺半径r与针尖受力F有关系。本发明通过理论分析和实验确定穿刺力与受力之间的关系为：r＝K*F，K为系数，需要实验确定。

通过以上关系，建立柔性针自适应独轮车模型如下：

r＝K*F

$g_{\mathrm{po}}(t+1)=g_{\mathrm{po}}\left(t\right)e^{\widehat{V_{o\left(t\right)}}}=g_{\mathrm{po}}\left(t\right)e^{v\left(t\right)\widehat{V_1}+\mathrm{\ω}\left(t\right)\widehat{V_2}}$

模型中，F为光纤力传感器实时反馈的针尖受力。

Claims (6)

1.一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于，光纤力传感器通过光纤连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机的输入接口；C型臂设置于穿刺现场，与计算机的输入接口连接；三维电磁定位传感器设置于柔性针针尖的凹槽中，与计算机的输入接口连接，计算机的输出接口通过信号线连接控制器的输入端，控制器的输出端连接穿刺平台；

所述系统，获得通过术前规划后穿刺平台的位置和穿刺路径，移动定位机构到指定位置，定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点，并根据规划的穿刺路径进行穿刺；

所述光纤力传感器反馈柔性针针尖与组织接触力信息，对柔性针模型进行参数修正，并将修正后的柔性针模型进行路径规划；

所述三维电磁定位传感器和C型臂，反馈柔性针针尖位置信息和姿态信息进行实时路径规划；

所述控制器，按照路径规划后的实时在线优化策略对柔性针针尖进行实时矫正，直至达到目标位置；

所述柔性针模型为自适应独轮车模型；

所述自适应独轮车模型为：

穿刺半径与柔性针针尖与组织的接触力的关系为：

r＝K*F

其中，r为穿刺半径，K为系数，F为柔性针针尖与组织的接触力；

t+1时刻坐标变换关系为：

其中g_po(t)为t时刻坐标变换关系，V_o为针尖速度，v为穿刺速度，ω为旋转速度，v_o＝[v₁ v₂ v₃]^T为针尖线速度，ω_o＝[ω₁ ω₂ ω₃]^T为针尖角速度，r为穿刺半径，为单位向量。

2.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述光纤力传感器包括激光器、光频隔离器、分光镜、力-光强转换元件和光强测量模块，激光器通过光纤依次连接光频隔离器和分光镜，分光镜分别连接光强测量模块和力-光强转换元件；

所述光强测量模块由光电二极管、电流电压转换器顺次连接组成；

所述力-光强转换元件包括嵌入柔性针针尖外壁凹槽中的光纤上，相隔断面上的两个反光镜。

3.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述穿刺平台包括定位机构和穿刺机构，其中定位机构为六自由度机械臂，末端固定连接穿刺机构，穿刺机构包括直线电机、旋转电机和柔性针。

4.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述控制器包括机械臂控制器、直线电机控制器和旋转电机控制器；

所述机械臂控制器连接六自由度机械臂，用于控制柔性针针尖的定位，

所述直线电机控制器连接直线电机，用于控制柔性针针尖的直线进给；

所述旋转电机控制器连接旋转电机，用于控制柔性针针尖的旋转方向。

5.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述光纤力传感器反馈柔性针针尖与组织接触力信息为：

激光器发射的激光通过光频隔离器后，经分光镜分成两路激光；

一路激光依次经光电二极管和电流电压转换器完成从光强到电压的转换，并经数据采集卡将模拟电压值转化为数字电压值，作为入射光的参考值；

另一路激光通过光纤传输到力-光强转换元件，在力-光强转换元件内，激光经过两个反光镜完成两次反射，反射光在光纤内发生干涉，相干光在分光镜处分为两路，一路相干光传至光频隔离器停止，另一路相干光经光电二极管和电流电压转换器完成反射光强测量；

通过反射光强与相干光相位差的关系计算光纤力传感器内部两次反射光的相位差，进而得到两个反光镜之间的距离，根据反光镜之间距离变化与光纤力传感器顶端受力关系得出顶端受力大小，完成柔性针针尖与组织的接触力的测量。

6.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：还包括三维电磁定位传感器，在两次C型臂成像的时间间隔中，对柔性针针尖的位置信息和姿态信息进行反馈。