基于改进Bi-RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法技术

本发明专利技术涉及智能医疗辅助机器人控制技术领域，具体为基于改进Bi

【技术实现步骤摘要】
基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法


[0001]本专利技术涉及智能医疗辅助机器人控制
，具体为基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法。

技术介绍

[0002]随着微创手术的迅速发展，穿刺术作为一种微创手术在临床上得到广泛应用，可完成活检、近距离放射治疗、药物输送和靶向治疗等任务。与传统的人工穿刺相比，机器人辅助穿刺具有更高的准确性和稳定性，可以避免医生长期直接暴露在辐射环境中，可以大大减轻医生的劳动强度，受到人们的广泛关注和重视，是未来的发展趋势[1]。
[0003]目前，临床上使用的穿刺针为刚性针。当针尖偏离靶点或穿刺路径上有神经、血管、重要器官等组织时，医生会手动调整针尾，强行纠正偏差或避开重要组织器官，这会对病人造成二次伤害，增加病人的痛苦和术后时间。[2]。
[0004]为了解决上述问题，美国约翰斯霍普金斯大学的Webster等人首先提出非对称斜尖柔性针的概念[3]，柔性针由镍钛合金制成，它在组织中的穿刺路径可以是一道或多道圆弧，能够灵活避开神经、血管、重要的器官等组织，精确地达到传统钢针达不到的位置。由于针尖的非完整约束[4][5]，以及敏感组织(如神经和血液)和障碍物(如骨骼)的存在，柔性针在体内穿刺轨迹需要较高的精度，对柔性针精准操控要求较高，需要对柔性针进行合理的路径规划，因此柔性针路径规划是精确穿刺的基础，在微创手术领域具有重要意义。
[0005]柔性针路径规划是医疗机器人精确控制的基础。在机器人辅助穿刺手术过程中，需要借助成像技术根据靶点规划出灵活的进针路径。其原则是：在已有骨骼血管或器官障碍物的环境中，穿刺针的路径应合理避开障碍物，在准确到达目标的要求下，保证不与病人的其他器官发生碰撞，并使穿刺路径的长度尽可能短，以减轻患者的痛苦。研究人员相继提出了柔性针插入路径规划的概率法[6]、目标函数法[7]、人工势场法[8]和逆运动学法[9]等。目前，参考文献[10]将RRT与可达性引导抽样启发结合提出一种快速算法，使得搜索效率大大增加。参考文献[7]基于环境特征提出一种改进RRT算法，结合包含路径长度、弧段数、安全度的路径评估函数，根据环境中障碍物情况设置路径评估函数中的权重系数，通过评估函数再从样本路径中选出相应的最优路径。参考文献[11]结合了旧点跟踪策略和极端趋势扩展策略，提出一种实时的柔性针穿刺路径规划算法，可以动态地对路径进行调整，来达到实时的目的。参考文献[12]针对柔性针运动特点，对RRT
*
算法进行改进，同时将人工势场应用到算法的避障策略。然而，由于传统RRT算法的随机性，算法生成的确定路径可能会碰到障碍物，且计算收敛速度慢，不适合用作实时柔性穿刺针路径规划。
[0006]参考文献如下：
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[0018][12]Zhang Y,Qi Z,Zhang H.An Improved RRT Algorithm Combi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(S1)图像识别：通过医学成像设备获取病灶部位的环境信息，从而确定如针点、靶点以及障碍物位置信息；步骤(S2)建立穿刺模型：建立柔性针的穿刺路径模型；步骤(S3)环境膨胀：进行环境膨胀，在同一地图上将障碍物半径扩大至1.5倍；步骤(S4)目标偏置：设定与传统RRT算法中相同的步长和阈值，引入目标偏置策略并基于目标偏置策略寻找汇合点；步骤(S5)预生长：预生长缩短建树距离；步骤(S6)快速扩展：分别从起点和目标点向汇合点方向快速扩展，同时避开障碍物；步骤(S7)到达汇合点：双向扩展树到达汇合点或与汇合点的距离小于阈值后停止建树，形成一条从初始点到目标点且无碰撞的路径；步骤(S8)删除多余节点：去除路径上多余节点；步骤(S9)平滑处理：对新的路径进行平滑处理，最后得到一条光滑曲线；步骤(S10)判断拟合的路径是否符合穿刺约束条件，若符合，则输出当前路径，若不符合，则结束路径规划或调整算法中步长或阈值，且继续执行步骤(S5)至步骤(S9)。2.根据权利要求1所述的基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法，其特征在于：步骤(S2)中柔性针的穿刺路径模型的表达方式为：Path＝[(X1，D1，l1，r1)，(X2，D2，l2，r2)，(X
n
，D
n
，l
n
，r
n
)]路径Path是由n段路径组成，式中，X
i
表示第i段路径的起点，D
i
表示第i段圆弧与上一段切线方向，l
i
表示第i段圆弧的长度，r
i
表示第i段圆弧的半径。3.根据权利要求1所述的基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法，其特征在于：步骤(S4)中在起始点和目标点之间选取采样汇合点P
converge
，作为两棵树的扩展方向；当起始点O
init
(x
init
，y
init
)与目标点O
goal
(x
goal
，y
goal
)连线中点检测到障碍物时，直接取中点作为汇合点；当起始点与目标点连线中点未检测到障碍物时，以中点为圆心，以连线长度的1/50为半径R，过中心点做连线的垂直平分线，若垂直平分线与圆交点已经摆脱障碍物，则以该点为P
converge
，若交点未能摆脱障碍物，则将半径扩大一倍，直至摆脱障碍物为止。4.根据权利要求3所述的基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性穿刺针路径规划方法，其特征在
于：中点在障碍物上的P
converge
坐标的计算公式如下：求解方程组取不在障碍物中的点作为P
converge
。5.根据权利要求1所述的基于改进Bi
‑
RRT算法的柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：张非凡，黄晔，彭帮龙，余龙峰，高朝茹，
申请(专利权)人：安徽医科大学，
类型：发明
国别省市：