基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法技术

本发明专利技术提供了基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法，包括以下步骤：S1，通过柔性针运动学及动力学模型选用独轮车模型作为研究对象；S2，基于混合参数的柔性针路径规划算法建立目标函数；S3，基于Matlab进行二维及三维仿真实验，并与普通带惩罚机制的PSO算法进行对比；S4，总结分析，基于混合参数的柔性针路径规划目标函数，综合考虑了路径本身和柔性针运动的影响，通过设计的目标函数可以获得更加精准的穿刺路径，为进一步实现柔性针路径规划的绝对精准化奠定了基础，也为临床上使用柔性针经皮穿刺路径规划提供了数据支持。本发明专利技术的研究可以为临床柔性针经皮穿刺确定一条最优路径，减轻病人痛苦，并帮助医生更好的实施治疗。治疗。治疗。

【技术实现步骤摘要】
基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法


[0001]本专利技术涉及医疗
，具体而言，涉及基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法。

技术介绍

[0002]近年来微创诊疗手术大力发展，目前已被广泛应用于内窥镜检查、脊柱外科、神经外科和经皮穿刺等过程中。传统钢性穿刺针只能实现近似直线的穿刺轨迹，难以在结构复杂的器官组织中安全到达目标靶点，这极大的限制了穿刺手术应用领域。
[0003]对比于刚性针在穿刺过程中的种种限制，柔性针在穿刺手术应用中表现出巨大的潜力。2004年美国约翰斯霍普金斯大学的Webster等人首次提出了柔性针相关研究，从此开始了柔性针的不断改进发展。其中柔性针的术前路径规划研究是穿刺手术运动控制的基础，对于准确穿刺具有重要意义。因此合理运用先进的算法进行柔性针的术前路径规划对穿刺治疗具有重要意义，近年来已成为国内外研究的热点问题。路径规划的目的是寻找针尖到达目标靶点的最佳可行路径。穿刺过程中，柔性针轨迹需要通过针体变形来避开人体内骨头、神经、血管和其他敏感器官等障碍物。而由于针体和软组织作用导致障碍物和靶点运动，给穿刺路径规划增加了难度。因此，柔性针的穿刺路径规划存在很多研究难点。本专利技术不考虑障碍物和靶点的运动过程，仅讨论静态环境下柔性针躲避障碍物和到达靶点的路径规划问题，即寻找一条从起始点到目标靶点的、安全无碰撞的最优穿刺路径。
[0004]张永德等在2011年提出柔性针针尾的运动决定针尖穿刺路径，进针的速度和加速度以及转针的速度和加速度是四个重要的规划参数。2015年霍本岩等人提出基于粒子群优化算法的柔性针路径规划方法，设置三个相应优化目标，从而把三维空间路径规划问题转为多目标优化问题。2017年李霞等人提出基于环境特征的RRT算法，对路径评估函数重新定义，在考虑路径长度、弧段数、安全度和障碍物风险度等基本代价的同时，根据障碍物风险等级设定不同的权重系数。2019年Hong等人基于采样的RRT算法和柔性针物理约束，将成本函数优化路径的步骤合并到构建随机树的过程中，使得算法直接输出优化后的路径，而无需对多条可行路径进行优化函数成本计算，提升了规划器的性能和效率。2020年蔡晨宇等基于柔性针圆弧模型，研究了三维空间路径规划的变换方法。通过改变圆弧圆心角和针体旋转角度，将粒子群算法应用到路径规划过程中。2021年李沐蓉等提出一种基于迭代学习的轨迹规划算法，基于可达域理论生成刚性空间下的初始路径集，并通过遗传模拟退火优化算法选择出最优路径。2022年熊鹏文等提出了一种基于福克
‑
普朗克方程和析取克里金模型的柔性针路径预测方法，通过对概率密度算法和析取克里金算法推导的均值、协方差参数的数据分析处理有效地优化路径预测模型。
[0005]最优穿刺路径的选择与目标函数的设置有着密切的关系。在目标函数设置方面，霍本岩等曾根据路径规划终点距靶点的距离、路径长度和路径的危险度这三个优化目标建立柔性针轨迹优化的目标函数，根据优化目标函数的特性引入粒子群算法，并使用动态加权算法将粒子群算法进一步简化。此种方法虽提高了计算效率，但没有结合穿刺过程中柔
性针的转动对最终路径选择的影响。李浩源等则在目标函数设置中基于穿刺路径长度和距障碍物最短距离又加入了柔性针转动次数。这种方法虽然考虑了柔性针转动次数对病人伤害和对最优路径选择的影响，但本专利技术在柔性针运动模型的研究中发现转针角度的大小也是最优路径选择问题不可或缺的因素之一。粒子群优化算法(PSO)具有高效、快速等优势，能够较快得出准确路线，成为了很多研究人员的首选。
[0006]根据文献学习，目前较少有将穿刺对象的位置和柔性针转动本身的因素结合考虑的研究，这就难以将穿刺规划与柔性针本身作为一个整体来分析，无法实现穿刺路径的实时修正问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的实施例提供了基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法，旨在解决现有的基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法在使用和结构上存在一定不足的问题。
[0008]本专利技术实施例提供了基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法，包括以下步骤：
[0009]S1，通过柔性针运动学及动力学模型选用独轮车模型作为研究对象；
[0010]S2，基于混合参数的柔性针路径规划算法建立目标函数；
[0011]S3，基于Matlab进行二维及三维仿真实验，并与普通带惩罚机制的PSO算法进行对比；
[0012]S4，总结分析；
[0013]所述S1步骤中，通过旋转针尾控制针尖斜面的朝向，控制针尖偏转方向，进而控制穿刺轨迹，为了建立柔性针控制作用和针尖位置的关系，建立柔性针模型，柔性针模型包括运动学模型和动力学模型，再接根据软组织内柔性针穿刺轨迹的实验数据建立自行车模型，并根据实验数据辨识模型参数，隐藏了柔性针与软组织交互的复杂，再将独轮车模型是自行车模型进一步简化，将自行车模型的三个参数减少为一个，采用独轮车模型通过控制柔性针转针次数与转针角度两个变量对进针轨迹进行评估，对其各赋予不同的权重系数作为目标函数的两个重要变量。
[0014]本专利技术的一种实施方案中，所述S2步骤中目标的设置主要由路径长度(L)、路径与障碍物之间的距离(d)、柔性针转针次数(N)和转针角度(θ)决定，基于上述四个参数，根据临床实际应用情况将其赋予不同的权重，定义适用于柔性针穿刺的路径评估函数，并建立目标函数为：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020]其中，i＝{1,2,3,L,n}：n为所有评估路径的总数量；公式(1)(2)中L
(i)
为第i条路径的长度，L
avg
为所有路径长度的平均值；公式(1)(3)中d
(i)
为第i条路径距离障碍物的最小距离，d
avg
为所有路径距离障碍物的最小距离的平均值，；公式(1)(4)中N
(i)
为第i条路径柔性针转针次数，N
avg
为所有路径转针次数的平均值；公式(1)(5)中θ
(i)
为第i条路径柔性针转针角度，θ
avg
为所有路径转针角度的平均值，如上述公式所示，四个参数分别得到平均值并去除量纲后，对其赋予四个不同的权重系数即为公式(1)，获得柔性针路径规划目标函数。
[0021]本专利技术的一种实施方案中，所述目标函数公式(1)中，ω
L
、ω
d
、ω
N
、ω
θ
为权重系数，且有ω
L
+ω
d
+ω
N
+ω
θ
＝1，根据临床实际情况调整ω
L
、ω
d
、ω
N
、ω
θ
，就可以在最短路径、与障碍物最大间隙、转针次数及转针角度之间获得平衡，在选定权重系数后，通过计算所有可行路径的评估函数F，由于期望路径长度L越小越本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过柔性针运动学及动力学模型选用独轮车模型作为研究对象；S2，基于混合参数的柔性针路径规划算法建立目标函数；S3，基于Matlab进行二维及三维仿真实验，并与普通带惩罚机制的PSO算法进行对比；S4，总结分析；所述S1步骤中，通过旋转针尾控制针尖斜面的朝向，控制针尖偏转方向，进而控制穿刺轨迹，为了建立柔性针控制作用和针尖位置的关系，建立柔性针模型，柔性针模型包括运动学模型和动力学模型，再接根据软组织内柔性针穿刺轨迹的实验数据建立自行车模型，并根据实验数据辨识模型参数，隐藏了柔性针与软组织交互的复杂，再将独轮车模型是自行车模型进一步简化，将自行车模型的三个参数减少为一个，采用独轮车模型通过控制柔性针转针次数与转针角度两个变量对进针轨迹进行评估，对其各赋予不同的权重系数作为目标函数的两个重要变量。2.根据权利要求1所述的基于混合参数的PSO柔性针经皮穿刺路径规划方法，其特征在于，所述S2步骤中目标的设置主要由路径长度(L)、路径与障碍物之间的距离(d)、柔性针转针次数(N)和转针角度(θ)决定，基于上述四个参数，根据临床实际应用情况将其赋予不同的权重，定义适用于柔性针穿刺的路径评估函数，并建立目标函数为：的权重，定义适用于柔性针穿刺的路径评估函数，并建立目标函数为：的权重，定义适用于柔性针穿刺的路径评估函数，并建立目标函数为：的权重，定义适用于柔性针穿刺的路径评估函数，并建立目标函数为：的权重，定义适用于柔性针穿刺的路径评估函数，并建立目标函数为：其中，i＝{1,2,3,L,n}：n为所有评估路径的总数量；公式(1)(2)中L
(i)
为第i条路径的长度，L
avg
为所有路径长度的平均值；公式(1)(3)中d
(i)
为第i条路径距离障碍物的最小距离，d
avg
为所有路径距离障碍物的最小距离的平均值，；公式(1)(4)中N
(i)
为第i条路径柔性针转针次数，N
avg
为所有路径转针次数的平均值；公式(1)(5)中θ
(i)
为第i条路径柔性针转针角度，θ
avg
为所有路径转针角度的平均值，如上述公式所示，四个参数分别得到平均值并去除量纲后，对其赋予四个不同的权重系数即为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婷，孙茹，陈碧，嵇桂娟，
申请(专利权)人：徐州医科大学，
类型：发明
国别省市：