基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法技术

本发明专利技术适用于手术机器人技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，所述方法包括以下步骤：S1、基于数字孪生技术，对穿刺取样手术环境的应用场景进行建模，得到数字孪生场景模型，其中，所述应用场景包含实物元素；S2、根据所述实物元素对所述数字孪生场景模型进行虚拟封装，得到不同的所述实物元素的虚拟机理模型；S3、为不同的所述虚拟机理模型编写控制变量，并将所述控制变量与数据通信协议关联，从而完成穿刺手术机器人虚拟测试环境的构建。本发明专利技术构建的虚拟测试环境，能够快速地、安全地、可重复地、高精度地获取不同情况下的穿刺测试数据。度地获取不同情况下的穿刺测试数据。度地获取不同情况下的穿刺测试数据。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法


[0001]本专利技术适用于手术机器人
，尤其涉及一种基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的不断发展，机器人的应用进一步推动了医疗技术进步，在全球医疗机器人市场中，手术机器人份额占比达到60％以上，是技术含量最高、市场需求量最大的产品类型。穿刺手术机器人是手术机器人的一种，是通过MRI、超声、CT等成像技术将目标解剖定位，引导反馈针头达到目标解剖结构，辅助完成穿刺手术的机器人。与传统的医生手动穿刺相比，穿刺手术机器人具有稳定性与精确度更高的优点。穿刺手术机器人具有诊断与治疗作用，可实现活检、引流、消融、植入等功能，在诊断方面，穿刺手术机器人可穿刺肺、肝、肾、乳腺、前列腺、胰腺、脊椎等器官，在影像技术协助下到达目标解剖结构，取出目标组织样本，进行病理检查；在治疗方面，穿刺手术机器人可用于肾结石手术、肿瘤消融手术、放射粒子植入治疗癌症手术等方面。
[0003]手术机器人穿刺取样应用主要包含以下结构：扫描建模设备(CT、MRI)、带控制器的手术机器人、带力传感器的末端穿刺取样器械、患者位置标定相机。术前，通过CT、MRI等成像设备采集患者病灶部位图像，医生据此分离病灶部位边界，规划手术路径，避开重要血管、神经等组织，给出靶点区域，并根据软件算法，完成患者注册，对患者坐标系、图像坐标系、机械臂坐标系进行标定；术中，机械臂按照医师规划路径以规划入针姿态到达规划入针点，医师可根据跟踪装置实时获取器械进入人体的状态信息。
[0004]手术机器人作为三类医疗器械产品，对其进行注册管理，在产品全生命周期中必须考虑其对患者、医师及预期使用医疗环境造成的潜在危害，严格管控器械安全性和有效性。而手术机器人系统在研发过程中，不管是在项目开发前期的调试验证，还是在投入临床使用后对机器人程序仿真优化和快速的验证测试，都需要大量的穿刺测试数据，测试数据获取快慢也严重制约了系统研发的进度。因此，如何大量、快速、可重复、安全地获取穿刺测试数据成为穿刺手术机器人系统研发过程中的一大问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，旨在解决现有技术难以获取穿刺手术机器人测试数据的技术问题。
[0006]具体的，本专利技术提供一种基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]S1、基于数字孪生技术，对穿刺取样手术环境的应用场景进行建模，得到数字孪生场景模型，其中，所述应用场景包含实物元素；
[0008]S2、根据所述实物元素对所述数字孪生场景模型进行虚拟封装，得到不同的所述实物元素的虚拟机理模型；
[0009]S3、为不同的所述虚拟机理模型编写控制变量，并将所述控制变量与数据通信协议关联，从而完成穿刺手术机器人虚拟测试环境的构建。
[0010]更进一步地，所述实物元素包括穿刺手术机器人、人体和位置标定相机，所述数字孪生场景模型包括穿刺手术机器人模型、人体模型和位置标定相机模型。
[0011]更进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
[0012]S21、对所述穿刺手术机器人模型进行封装，其中，对所述穿刺手术机器人模型的本体和穿刺针力传感器分别进行封装，分别得到穿刺手术机器人虚拟机理模型和穿刺针力传感器虚拟机理模型；
[0013]S22、对所述人体模型进行封装，得到人体虚拟机理模型；
[0014]S23、对所述位置标定相机模型进行封装，得到位置标定相机虚拟机理模型。
[0015]更进一步地，步骤S21包括以下子步骤：
[0016]S2111、构建所述穿刺手术机器人模型的运动链，将所述穿刺手术机器人模型中本体的各个关节拆分为子模型，并建立所述子模型的子父关系；
[0017]S2112、根据所述子模型的子父关系构建运动学关系；
[0018]S2113、根据所述子模型的子父关系构建动力学关系，并计算出相连的所述子模型之间的驱动力矩，从而完成所述穿刺手术机器人虚拟机理模型的封装。
[0019]更进一步地，步骤S21包括以下子步骤：
[0020]S2121、根据所述穿刺针力传感器构建穿刺组织检测算法，所述穿刺组织检测算法用于判断所述穿刺针力传感器的位姿；
[0021]S2122、根据所述穿刺针力传感器构建穿刺力计算算法，所述穿刺力计算算法用于计算所述穿刺针力传感器的穿刺和穿刺力大小，从而完成所述穿刺针力传感器虚拟机理模型的封装。
[0022]更进一步地，步骤S22包括以下子步骤：
[0023]S221、将所述人体模型分割为多个人体结构子模型；
[0024]S222、将所述人体模型调整位姿，并建立人体模型坐标系；
[0025]S223、根据所述人体结构子模型构建多个大小不同的比例缩放子模型；
[0026]S224、根据所述人体结构子模型构建多个形状不同的变化子模型；
[0027]S225、根据所述人体结构子模型构建人体呼吸效果模拟模型；
[0028]S226、在所述人体模型中预置人体位置标定点，从而完成所述人体虚拟机理模型的封装。
[0029]更进一步地，步骤S23具体为：
[0030]将所述位置标定相机模型与所述人体位置标定点进行对准，使所述位置标定相机模型能够获取所述人体位置标定点的深度信息，从而完成所述位置标定相机虚拟机理模型的封装。
[0031]本专利技术所达到的有益效果，在于提出了一种基于数字孪生技术的穿刺手术机器人虚拟测试环境的构建方法，通过虚拟测试环境，能够快速地、安全地、可重复地、高精度地获取不同情况下的穿刺测试数据，同时基于虚拟环境，能够解决实物穿刺测试环境的问题，从而加快穿刺手术机器人开发进度推进，避免实际穿刺测试对患者的危害与风险。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例提供的基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0034]请参照图1，图1是本专利技术实施例提供的基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法的步骤流程示意图，所述方法包括以下步骤：
[0035]S1、基于数字孪生技术，对穿刺取样手术环境的应用场景进行建模，得到数字孪生场景模型，其中，所述应用场景包含实物元素。
[0036]更进一步地，所述实物元素包括穿刺手术机器人、人体和位置标定相机，所述数字孪生场景模型包括穿刺手术机器人模型、人体模型和位置标定相机模型。
[0037]具体的，在本专利技术实施例中，数字孪生场景模型使用SolidWorks、Unigraphics NX、3D Studio Max等三维建模软件建模得到。穿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、基于数字孪生技术，对穿刺取样手术环境的应用场景进行建模，得到数字孪生场景模型，其中，所述应用场景包含实物元素；S2、根据所述实物元素对所述数字孪生场景模型进行虚拟封装，得到不同的所述实物元素的虚拟机理模型；S3、为不同的所述虚拟机理模型编写控制变量，并将所述控制变量与数据通信协议关联，从而完成穿刺手术机器人虚拟测试环境的构建。2.如权利要求1所述的基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，其特征在于，所述实物元素包括穿刺手术机器人、人体和位置标定相机，所述数字孪生场景模型包括穿刺手术机器人模型、人体模型和位置标定相机模型。3.如权利要求2所述的基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：S21、对所述穿刺手术机器人模型进行封装，其中，对所述穿刺手术机器人模型的本体和穿刺针力传感器分别进行封装，分别得到穿刺手术机器人虚拟机理模型和穿刺针力传感器虚拟机理模型；S22、对所述人体模型进行封装，得到人体虚拟机理模型；S23、对所述位置标定相机模型进行封装，得到位置标定相机虚拟机理模型。4.如权利要求3所述的基于数字孪生的穿刺手术机器人虚拟测试环境构建方法，其特征在于，步骤S21包括以下子步骤：S2111、构建所述穿刺手术机器人模型的运动链，将所述穿刺手术机器人模型中本体的各个关节拆分为子模型，并建立所述子模型的子父关系；S2112、根据所述子模型的子父...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖苑鹏，张浩，刘强，赵荣丽，林贵祥，邓加喜，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：