用于动态虚拟碰撞物体的系统和方法技术方案

技术编号:14274264 阅读:103 留言:0更新日期:2016-12-23 18:56
一种动态虚拟碰撞物体的系统和方法包括用于医疗设备的控制单元。该控制单元包括一个或多个处理器以及将该控制单元耦连至该医疗设备的接口。该控制单元被配置为:确定该医疗设备的第一可移动区段的位置,由该第一可移动区段占据的体积被一个或多个第一虚拟碰撞物体(VCO)接近;基于该医疗设备的位置和运动目标对第一VCO的一个或多个特性进行调整;基于该位置和这些特性确定第一VCO的第一几何结构;接收与第二设备的第二区段相关的一个或多个第二VCO的第二几何结构;确定第一VCO与第二VCO之间的关系;并且基于这些关系调整该医疗设备的运动规划。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及设备之间的协调运动,更具体地涉及动态虚拟碰撞物体。
技术介绍
越来越多的设备正在被替换为自主和半自主电子设备。现今的在手术室、介入套房、重症监护病房、急诊室等中具有大批自主的和半自主的电子设备的医院尤其如此。例如,玻璃和水银温度计由电子温度计取代,静脉滴注管线现在包括电子监视器和流量调节器,并且传统的手持式手术器械正由计算机辅助医疗设备所取代。这些电子设备为操作它们的人员提供了优势和挑战。这些电子设备中的许多设备都可以使一个或多个铰接臂和/或末端执行器进行自主或半自主运动。当这些电子设备自动地和/或在操作者的命令下使铰接臂和/或末端执行器在工作空间中移动时,它们通常尽量避免铰接臂、末端执行器和/或工作空间中的其他物体之间的碰撞。避免碰撞是很重要的,因为碰撞可能经常导致损坏电子设备、铰接臂、末端执行器和/或工作空间中的其他物体。碰撞还可能增加在工作空间附近的人员和/或患者受伤的风险。避免碰撞问题的一个解决方案是电子设备的操作者(例如医务人员)监视并操作每个电子设备,同时保持合适的分隔距离和/或以不干扰和/或无法彼此碰撞的方式来操作这些设备。例如,只允许将计算机辅助手术设备放在手术室中的不会干扰到或碰撞到也存在于该手术室中的成像系统的区域。这种限制可能限制计算机辅助手术设备和成像系统两者的功能。其他方法包括使这些电子设备交换有关其当前位置、几何形状和/或规划运动的信息,以便每个设备可以停留在其他电子设备占据的区域以外的地方。在一些情况下,这还可以包括保持安全裕度,用以考虑传感器的不确定性、控制算法的不精确性和/或类似情况。这些方案通常采取安全裕度的静态方法,并且很少或不支持基于电子设备的动态行为和/或运动目标的变化的安全裕度的调整。因此,理想的是提供支持具有移动区段的设备之间的避免碰撞和/或协调运动的改进方法和系统。
技术实现思路
与一些实施例一致,一种用于医疗设备的控制单元包括:一个或多个处理器以及将该控制单元耦连至该医疗设备的接口。该控制单元被配置为:确定该医疗设备的第一可移动区段的位置,该第一可移动区段占据的体积被一个或多个第一虚拟碰撞物体(VCO)接近;基于该医疗设备的位置和运动目标,对第一VCO的一个或多个特性进行调整;基于该位置和这些特性,确定第一VCO的第一几何结构;接收与第二设备的第二区段相关的一个或多个第二VCO的第二几何结构;确定第一VCO与第二VCO之间的关系;并且基于这些关系,对该医疗设备的运动规划进行调整。与一些实施例一致,一种控制医疗设备中的运动的方法包括:由控制单元确定该医疗设备的第一区段的位置,该控制单元通过接口耦连至该医疗设备;基于该医疗设备的位置和运动目标,对与该第一区段相关的一个或多个第一VCO的一个或多个特性进行调整;基于该位置和这些特性,确定第一VCO的第一几何结构;接收与第二设备相关的一个或多个第二VCO的第二几何结构;确定第一VCO与第二VCO之间的关系;并且基于这些关系,对该医疗设备的运动规划进行调整。与一些实施例一致,一种协调运动系统包括:经由第一接口耦连至第一医疗设备的第一控制单元以及经由第二接口耦连至第二医疗设备的第二控制单元。该第一控制单元被配置为:确定该第一医疗设备的第一区段的第一位置;基于该第一医疗设备的第一位置和第一运动目标,对与该第一区段相关的一个或多个第一VCO的一个或多个第一特性进行调整;基于该第一位置和第一特性,确定第一VCO的第一几何结构;向该第二控制单元发送第一VCO的第一几何结构;从该第二控制单元接收与该第二医疗设备相关的第二区段的一个或多个第二VCO的第二几何结构;确定第一VCO与第二VCO之间的第一关系;并且基于第一关系,对该第一医疗设备的第一运动规划进行调整。该第二控制单元被配置为:确定该第二区段的第二位置;基于该第二医疗设备的第二位置和第二运动目标,对第二VCO的一个或多个第二特性进行调整;基于该第二位置和第二特性,确定第二VCO的第二几何结构;向该第一控制单元发送第二几何结构;从该第一控制单元接收第一几何结构;确定第一VCO与第二VCO之间的第二关系;并且基于第二关系对该第二医疗设备的第二运动规划进行调整。该第一运动规划和该第二运动规划包括该第一医疗设备与该第二医疗设备之间的协调运动。附图说明图1是根据一些实施例的协调运动系统的简图。图2是示出了根据一些实施例在工作空间中使用虚拟碰撞物体的简图。图3是根据一些实施例的避免碰撞的方法的简图。图4是根据一些实施例的弹性虚拟碰撞物体之间的相互作用的简图。图5是根据一些实施例的协调运动的方法的简图。在附图中,具有相同标号的元件具有相同或类似的功能。具体实施方式在以下描述中,阐明了具体细节以便描述与本公开一致的一些实施例。然而,对于本领域技术人员显而易见的是,可以实践一些实施例而无需这些特定细节中的一些或所有细节。在此公开的具体实施例是示例性的,而不是限制性的。尽管没有具体说明,但本领域技术人员可以实现落入本公开的范围和精神内的其他要素。另外,为了避免不必要的重复,所示出且描述的与一个实施例相关的一个或多个特征可以与其他实施例相结合,除非另外具体说明或者一个或多个特征会使实施例是非功能性的。图1是根据一些实施例的协调运动系统100的简图。如图1所示,协调运动系统100包括设备110,该设备具有一个或多个可移动臂和/或一个或多个末端执行器。在一些示例中,设备110可以与计算机辅助手术设备一致。设备110可以包括支持手术器械、成像设备和/或类似设备的一个或多个可移动区段或铰接臂115。设备110还可以耦连至操作者工作站(未示出),其可以包括用于操作设备110和/或一个或多个铰接臂115的一个或多个主控件。在一些实施例中,设备110和该操作者工作站可以对应于由加利福尼亚州的桑尼维尔(Sunnyvale)的Intuitive Surgical公司商业化的da手术系统。在一些实施例中,具有其他配置的计算机辅助手术设备、更少或更多铰接臂和/或类似设备可以与协调运动系统100一起使用。设备110经由接口耦连至控制单元120。控制单元120包括耦连至存储器124的处理器122。由处理器122对控制单元120的操作进行控制。并且,尽管控制单元120显示只有一个处理器122,可以理解的是处理器122可以代表控制单元120中的一个或多个中央处理单元、多核处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或类似设备。控制单元120可以被实现为添加到计算设备中的独立子系统和/或电路板,或者实现为虚拟机。在一些实施例中,控制单元可以被包括作为操作者工作站的一部分和/或与该操作者工作站分离但协作地操作。存储器124可以用于存储由控制单元120和/或在控制单元120的操作过程中使用的一个或多个数据结构执行的软件。存储器124可以包括一种或多种类型的机器可读介质。一些普通形式的机器可读介质可以包括软盘、柔性磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔洞图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或卡盒和本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于医疗设备的控制单元,包括:一个或多个处理器;以及将所述控制单元耦连至所述医疗设备的接口;其中所述控制单元被配置为:确定所述医疗设备的第一可移动区段的位置,由所述第一可移动区段占据的体积被一个或多个第一虚拟碰撞物体即第一VCO接近;基于所述医疗设备的位置和运动目标对所述第一VCO的一个或多个特性进行调整;基于所述位置和所述特性确定所述第一VCO的第一几何结构;接收与第二设备的第二区段相关的一个或多个第二VCO的第二几何结构;确定所述第一VCO与所述第二VCO之间的关系;以及基于所述关系调整所述医疗设备的运动规划。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.05 US 61/936,0061.一种用于医疗设备的控制单元,包括:一个或多个处理器;以及将所述控制单元耦连至所述医疗设备的接口;其中所述控制单元被配置为:确定所述医疗设备的第一可移动区段的位置,由所述第一可移动区段占据的体积被一个或多个第一虚拟碰撞物体即第一VCO接近;基于所述医疗设备的位置和运动目标对所述第一VCO的一个或多个特性进行调整;基于所述位置和所述特性确定所述第一VCO的第一几何结构;接收与第二设备的第二区段相关的一个或多个第二VCO的第二几何结构;确定所述第一VCO与所述第二VCO之间的关系;以及基于所述关系调整所述医疗设备的运动规划。2.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为向与所述第二设备相关的第二控制单元传送所述第一几何结构和所述特性。3.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述运动规划是无碰撞的。4.根据权利要求1所述的控制单元,其中对所述运动规划的调整避免了所述第一VCO与所述第二VCO之间的交叠。5.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述第一VCO的所述特性包括选自由以下各项组成的群组中的一个或多个特性:每个所述第一VCO的尺寸、每个所述第一VCO的形状、第一VCO的数量以及每个所述第一VCO的弹性系数。6.根据权利要求5所述的控制单元,其中所述弹性系数在至少一个所述第一VCO的所述体积中是不均匀的。7.根据权利要求5所述的控制单元,其中至少一个所述第一VCO的所述弹性系数基于所述至少一个所述第一VCO的相应的第一几何形状而变化。8.根据权利要求5所述的控制单元,其中至少一个所述第一VCO的所述弹性系数基于所述至少一个所述第一VCO的运动方向而变化。9.根据权利要求5所述的控制单元,其中至少一个所述第一VCO的所述弹性系数被建模为所述至少一个所述第一VCO的相应的第一几何形状上的向量或张量。10.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为确定所述第一可移动区段的速度。11.根据权利要求10所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为基于所述第一可移动区段的速度对一个或多个所述第一VCO的尺寸进行调整。12.根据权利要求10所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为基于所述第一可移动区段的动量对一个或多个所述第一VCO的尺寸进行调整。13.根据权利要求10所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为基于所述第一可移动区段的速度对数个所述第一VCO进行调整。14.根据权利要求10所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为基于所述第一可移动区段的动量对数个所述第一VCO进行调整。15.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为增大所述第一VCO中的一个的尺寸,以便在所述第二设备中引起紧急停止。16.根据权利要求11所述的控制单元,其中所述尺寸被增大至由所述医疗设备和所述第二设备占据的工作空间的尺寸。17.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为增大所述第一VCO中的一个的尺寸,以便在所述第二设备中引起回撤。18.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为增大所述第一VCO中的一个选定的第一VCO的尺寸,以便由所述选定的第一VCO占据的第一体积扩大至恰好在所述第一体积接触由所述第二VCO中最近的一个第二VCO占据的第二体积之前。19.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为创建一个或更多个第三VCO,用以预留所述医疗设备的操作体积。20.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为创建一个或更多个第三VCO,用以在工作空间中创建一个或多个受保护区域。21.根据权利要求20所述的控制单元,其中所述一个或多个受保护区域包括物体或受保护的患者解剖体。22.根据权利要求20所述的控制单元,其中所述一个或多个受保护区域是动态变化的。23.根据权利要求20所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为:确定所述第一VCO与所述第三VCO之间的额外关系;以及基于所述额外关系对所述医疗设备的所述运动规划进行调整。24.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为调整所述第一VCO的特性,用以支持所述医疗设备的精细运动操作。25.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为调整所述第一VCO的特性,用以支持所述医疗设备与所述第二设备的接近操作。26.根据权利要求1所述的控制单元,其中所述控制单元被进一步配置为基于所述第一可移动区段与所述医疗设备的第三区段之间的取向的变化来调整所述第一VCO的特性。27.根据权利要求1所述的控制单元,其中从由球体、圆柱体、卵形体、胶囊形和长方体组成的群组中选择每个所述第一VCO的形状。28.根据权利要求1所述的控制单元,其中确定所述关系包括确定在所述第一VCO与所述第二VCO之间是否存在交叠。29.根据权利要求1所述的控制单元,其中确定所述关系包括确定所述第一VCO之一与所述第二VCO之一是否间隔小于阈值距离。30.根据权利要求1所述的控制单元,其中确定所述关系包括确定所述第一VCO与所述第二VCO之间的虚拟位移力。31.根据权利要求30所述的控制单元,其中所述虚拟位移力基于所述第一VCO与所述第二VCO之间的相应距离。32.根据权利要求31所述的控制单元,其中所述虚拟位移力与所述相应距离成反比关系。33.根据权利要求30所述的控制单元,其中所述虚拟位移力基于所述第二VCO的相应弹性系数。34.根据权利要求33所述的控制单元,其中所述虚拟位移力与所述相应弹性系数成比例。35.根据权利要求30所述的控制单元,其中当所述第一VCO与所述第二VCO中相应一个之间没有交叠时,...

【专利技术属性】
技术研发人员:M·阿兹兹安J·索格H·昆泽L·布鲁赫姆
申请(专利权)人:直观外科手术操作公司西门子公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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