本文发表于 *Medical & Biological Engineering & Computing*，作者为来自天津大学机械工程学院先进机构与机器人中心的 Pan Li、Zhiyong Yang 与 Shan Jiang。该文是一篇综述，系统回顾了过去十年中图像引导机器人辅助微创手术中柔性针与软组织交互机制及转向控制的研究进展。

文章首先指出，图像引导机器人辅助微创手术在活检与局部靶向治疗中具有重要价值。由于传统技术难以到达某些靶区，临床中常使用细长柔性针穿刺软组织，但软组织具有大变形和非线性力学特性，针刺过程中的靶向精度直接影响检测与治疗效果。因此，作者围绕针-组织交互机制、路径规划和转向控制三个核心问题展开综述，分析现有技术的主要成就、局限与未来研究方向。

在针-组织交互力建模方面，文章详细介绍了穿刺力的组成与建模方法。Okamura 等人将穿刺针受力分解为刚度力（stiffness force）、摩擦力（friction force）和切割力（cutting force）三类。刚度力主要出现在针刺入前组织发生大变形阶段，通常使用非线性弹簧模型描述；摩擦力在针体进入组织后始终存在，可由改进的 Karnopp 模型、Dahl 模型或修改的 Winkler 弹性地基模型描述；切割力则被近似视为给定组织中的常数。部分研究进一步引入断裂力学中的能量法，基于 J 积分和材料断裂韧性建立组织破裂力模型，以解释穿刺过程中力的突然下降现象。此外，Carra 和 Li 等人针对多层组织穿刺过程进行了建模，提出当针穿过皮肤、脂肪和肌肉等不同层次时，瞬时穿刺力应等于不同层内刚度力、摩擦力与切割力的叠加，并在模型中考虑各层组织的杨氏模量和泊松比等因素。Asadian 等人则基于改进的 LuGre 模型和多重卡尔曼滤波器建立针-组织接触力模型，以提高对穿刺、切割和摩擦各阶段力变化的适应性。文章还总结了影响穿刺力的因素，主要包括针的几何参数（直径、针尖类型、斜面角度）、穿刺方式（速度、驱动模式、旋转）和组织特性（不同组织类型、离体或在体状态等），并建议未来将这些影响因素作为优化参数纳入更精确的力模型中。

在手术仿真方面，文章从针偏转和组织变形两条主线进行回顾。柔性斜面针尖在刺入软组织时，由于针尖两侧受力不对称，会产生横向载荷并导致针体弯曲。Kataoka 等人提出力-挠度模型，通过测量针末端横向力沿插入深度的微分分布，结合梁弯曲方程求解针的偏转量。Abolhassani 等人将柔性针视为悬臂梁，利用针基部六维力/力矩传感器测量力和力矩变化，计算针尖的实际偏转量，并通过在针上施加附加力矩将靶点处针偏转减少约 90%。Misra 等人提出基于能量的 Rayleigh-Ritz 方法预测针在弹性介质中的偏转，该模型同时考虑了组织断裂韧性、非线性弹性和交互刚度等参数，并可用于虚拟穿刺仿真。部分研究还在针体内集成光纤布拉格光栅传感器，通过测量轴向应变重建针的三维形状和实时偏转。在组织变形方面，文章指出超弹性模型和黏弹性模型是常用的本构模型。Misra 等人通过单轴压缩实验拟合 neo-Hookean 模型，并发现器官几何形状和边界约束对组织变形影响最大；Mousavi 等人通过有限元模型结合映射函数实现了特定器官的实时变形估计。此外，Ahn 和 Basafa 等人建立了基于 Prony 级数的非线性黏弹性模型，用于描述软组织在大变形下的时变响应。

在路径规划方面，文章将现有柔性针路径规划算法归纳为数值法、逆解法和搜索法三类。数值法包括概率密度函数方法和目标函数方法，能考虑穿刺过程中的不确定性和组织变形补偿，但计算量大，在复杂环境中适应性较差。逆解法基于几何逆运动学，将规划问题分解为针尖对准目标方向和剩余二维逆运动学求解，计算效率高，但有时不能保证解的存在性。搜索法主要包括人工势场法、路线图法和快速扩展随机树法。人工势场法将目标设为引力场、障碍物设为斥力场，通过势场引导针运动，但易出现局部极小问题；路线图法和快速扩展随机树法可以在复杂环境中在线规划并实现路径重规划，其中快速扩展随机树法因其高效率和实时性而应用最广。作者指出，当前路径规划多用于几何静态环境，建议未来研究应面向具有组织变形特性的解剖环境和可变形环境。

在转向控制方面，文章重点介绍了非完整运动学模型与占空比旋转（duty-cycled spinning）相结合的针转向控制方法。Webster 等人基于李群理论将标准三轮车模型推广为六自由度非完整模型，以斜面针尖的切割方向控制弯曲方向。Minhas 等人将占空比旋转引入该运动学模型，通过控制旋转时间与插入时间的比例，实现针轨迹曲率的比例控制。Majewicz 等人进一步提出了连续插入伴随单向旋转、双向旋转以及带插入停止的翻转式占空比旋转等不同控制策略。Wood 等人基于 Stanley 方法设计了针转向跟踪控制律，利用航向误差和横向误差修正针的曲率，实现二维和三维空间的路径跟踪。多项实验研究表明，占空比旋转结合非完整运动学模型在生物组织中能够有效降低靶向误差。但作者也指出，现有研究通常假设组织和目标发生匀速运动，这与实际组织变形的非线性特征不符，因此建议在闭环控制中引入触觉反馈和针-组织交互机制，实时补偿非线性组织变形。

总结而言，该综述系统梳理了柔性针穿刺软组织过程中的力学建模、手术仿真、路径规划与转向控制方法，指出当前研究的主要不足在于多层非均质组织的精确建模、非静态可变形环境下的路径规划以及闭环转向控制中非线性组织变形的实时补偿。作者建议未来研究应重点发展多层非均质组织的穿刺仿真，探索面向解剖与可变形环境的路径规划，并推广基于非完整运动学模型与占空比旋转的控制策略，以提高图像引导机器人辅助微创手术的靶向精度和临床安全性。该文为相关领域的研究者提供了较为全面的技术脉络和具有参考价值的研究方向。