一种穿刺方位解算方法以及穿刺作业执行系统技术方案

本申请医疗器械运动控制技术领域，特别是涉及一种穿刺方位解算方法以及穿刺作业执行系统

【技术实现步骤摘要】
一种穿刺方位解算方法以及穿刺作业执行系统


[0001]本申请涉及医疗器械运动控制
，特别是涉及一种穿刺方位解算穿刺方法
、
装置
、
计算机设备
、
存储介质和计算机程序产品以及穿刺作业执行系统
。

技术介绍

[0002]传统的经皮介入穿刺手术是医生在
CT
机设备引导下，将小型手术器械，如穿刺针送入患者体内，对病变部位进行检测或治疗的一种微创手术
。
经皮介入微创穿刺手术与其他微创手术一样，具有创面小
。
康复快和术后并发症少等优点
。
在进行经皮穿刺时，医生通过病灶附近的二维或三维扫描图像判断合适的入针点和入针方向，然后凭借经验通过手动调整穿刺通道完成穿刺操作，常规的
X
射线透视下穿刺需要医生根据
CT
机
X
射线的图像反复多次手动调整操作才能将穿刺针准确穿刺患者体内
。
[0003]穿刺诊疗针对不同的部位其需要解决的问题相对来说是一致的，目前常用的治疗手段是基于体外图像引导的微创穿刺手术，如穿刺活检
、
消融等，该方法具有创伤小
、
疼痛轻
、
恢复快等优点，也是恶性肿瘤诊断与治疗的重要手段之一
。
但该方法存在徒手穿刺精度低
、
不可视
、
遭受辐射时间长
、
易引发并发症等问题，手术效果严重依赖医生的经验<br/>。
因此希望借助机器人技术解决穿刺诊疗中的痛点问题
。
[0004]相关技术中，随着现代工业技术的发展，已经出现了能够辅助医师进行穿刺处理的机器人，通过机器人的辅助效果，提高穿刺手术的流程完成效率，并降低在手术过程中医职人员的介入时间，从而在保证手术效果的基础上降低对医职人员的伤害
。
[0005]然而，目前的应用穿刺机器人辅助实现穿刺手术的方法，存在如下的技术问题：穿刺机器人所需要执行的穿刺定位的对象存在个体差异性较强的特征，常规的运动控制算法倾向于确定穿刺方位的范围，难以给出具体的优选穿刺方案
。

技术实现思路

[0006]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够根据感知参数确定穿刺方位，提高穿刺安全性的一种穿刺方位解算方法
、
装置
、
计算机设备
、
计算机可读存储介质和计算机程序产品
。
[0007]第一方面，本申请提供了一种穿刺方位解算方法
。
所述方法包括：获取执行设备的结构参数，根据所述结构参数得到所述执行设备的运动约束关系；获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的环境约束关系，所述环境约束关系基于所述影像数据中的非相关目标确定；基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量还包括与所述非相关目标的距离约束关系；根据所述穿刺方位向量以及所述运动约束关系对关节运动参数进行逆向运动求解，得到轨迹规划信息，所述轨迹规划信息用于控制所述执行设备在所述穿刺方位向量上
执行穿刺
。
[0008]在其中一个实施例中，所述基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量还包括与所述非相关目标的距离约束关系包括：基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系，得到与所述非相关目标距离最大化的所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量包括约束向量，所述约束向量如下式所示：式中，和
q
均为关节位置信息，为对应于环境约束关系的第一代价函数，所述第一代价函数还表示所述穿刺方位向量与所述非相关目标距离最大化的距离约束关系，为对应于运动约束关系的第二代价函数
。
[0009]在其中一个实施例中，所述基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量包括：获取对所述第一代价函数的第一权重系数，以及对所述第二代价函数的第二权重系数，基于所述第一权重系数以及所述第二权重系数确定所述约束向量，所述约束向量如下式所示：式中，为所述第一代价函数的第一权重系数，为所述第二代价函数的第二权重系数
。
[0010]在其中一个实施例中，所述获取执行设备的结构参数，根据所述结构参数得到所述执行设备的运动约束关系包括：基于所述结构参数构建用于描述所述执行设备运动规律的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节
、
被动关节以及末端执行器；根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述运动约束关系，所述运动约束关系为所述执行设备的关节位置与末端位置的约束关系，如下式所示：式中，为所述末端位置信息，为穿刺方向的旋转矩阵，为所述数字结构模型中的关节位置信息
。
[0011]在其中一个实施例中，所述根据所述穿刺方位向量以及所述运动约束关系对关节运动参数进行逆向运动求解，得到轨迹规划信息包括：基于对所述执行设备的结构约束关系的微分处理，得到所述执行设备的微分运动约束关系，所述微分运动约束关系为所述执行设备的期望运动参数与关节运动参数的约束关系，如下式所示：关系，如下式所示：关系，如下式所示：
式中，
v
为所述执行设备的末端速度向量，为根据所述执行设备的所述主动关节位置确定的雅克比矩阵，为所述执行设备的所述主动关节速度向量；在得到所述主动关节速度向量之后，对所述微分运动约束关系进行积分处理，得到所述关节运动参数
。
[0012]在其中一个实施例中，所述根据所述穿刺方位向量以及所述运动约束关系对关节运动参数进行逆向运动求解，得到轨迹规划信息包括：若通过所述逆向运动求解得到所述关节位置信息超过了所述数字结构模型的关节限位，则缩小所述运动约束关系以及所述环境约束关系对应的约束空间，直至所述关节位置信息符合所述关节限位
。
[0013]第二方面，本申请还提供了一种穿刺方位解算装置
。
所述装置包括：运动约束模块，用于获取执行设备的结构参数，根据所述结构参数得到所述执行设备的运动约束关系；环境约束模块，用于获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的环境约束关系，所述环境约束关系基于所述影像数据中的非相关目标确定；方位向量模块，用于基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量还包括与所述非相关目标的距离约束关系；逆向求解模块，用于根据所述穿刺方位向量以及所述运动约束关系对关节运动参数进行逆向运动求解，得到轨迹规划信息，所述轨迹规划信息用于控制所述执行设备在所述穿刺方位向量上执行穿刺
。
[0014]在其中一个实施例中，所述方位向量模块包括：约束向量模块，用于基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系，得到与所述非相关目标距离最大化的所述执行设备的穿刺方位向量，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种穿刺方位解算方法，其特征在于，所述方法包括：获取执行设备的结构参数，根据所述结构参数得到所述执行设备的运动约束关系；获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的环境约束关系，所述环境约束关系基于所述影像数据中的非相关目标确定；基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量还包括与所述非相关目标的距离约束关系；根据所述穿刺方位向量以及所述运动约束关系对关节运动参数进行逆向运动求解，得到轨迹规划信息，所述轨迹规划信息用于控制所述执行设备在所述穿刺方位向量上执行穿刺
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量还包括与所述非相关目标的距离约束关系包括：基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系，得到与所述非相关目标距离最大化的所述执行设备的穿刺方位向量，所述穿刺方位向量包括约束向量，所述约束向量如下式所示：式中，和
q
均为关节位置信息，为对应于环境约束关系的第一代价函数，所述第一代价函数还表示所述穿刺方位向量与所述非相关目标距离最大化的距离约束关系，为对应于运动约束关系的第二代价函数
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述运动约束关系以及所述环境约束关系得到所述执行设备的穿刺方位向量包括：获取对所述第一代价函数的第一权重系数，以及对所述第二代价函数的第二权重系数，基于所述第一权重系数以及所述第二权重系数确定所述约束向量，所述约束向量如下式所示：式中，为所述第一代价函数的第一权重系数，为所述第二代价函数的第二权重系数
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取执行设备的结构参数，根据所述结构参数得到所述执行设备的运动约束关系包括：基于所述结构参数构建用于描述所述执行设备运动规律的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节
、
被动关节以及末端执行器；根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述运动约束关系，所述运动约束关系为所述执行设备的关节位置与末端位置的约束关系，如下式所示：
式中，为所述末端位置信息，为穿刺方向的旋转矩阵，为所述数字结构模型中的关节位置信息
。5.
根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述穿刺方位向量以及所述运动约束关系对关节运动参数进行逆向运动求解，得到轨迹规划信息包括：基于对所述执行设备的结构约束关系的微分处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖志祥，孙步梁，
申请(专利权)人：苏州恒瑞宏远医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：