【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于辅助穿刺机器人控制，具体为一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统及其控制方法。
技术介绍
1、在现代医疗领域，前列腺癌作为一种严重威胁人类健康的疾病，其高发病率与高死亡率给患者带来了沉重的负担。早期前列腺癌若能及时发现并治疗，治愈率较高，但晚期前列腺癌往往预后不佳，死亡率居高不下。因此，精准的早期诊断成为提高前列腺癌患者生存率的关键所在。穿刺活检作为前列腺癌诊断的“金标准”，目前主要依赖医生手动操作确定穿刺位置，通过穿刺针到达靶点获得组织样本，具有创伤小、恢复快等优点。但由于患者身体情况不同，医疗技术人员技术水平及手术状态不同，类似前列腺的深部小脏器穿刺手术仍然面临诸多挑战和风险。
2、传统的穿刺手术需要医生手持活检枪根据影像系统及经验进行穿刺，但由于手术时间相对较长，手动操作尤其是多次进行深部小脏器穿刺时，穿刺行程长，术者注意力集中，容易疲劳，从而导致穿刺精度降低。
3、手持穿刺机器人在前列腺癌穿刺活检中优势明显，但也存在问题。相比传统手动穿刺，它借助高精度机械结构和先进传感器，避免了医生因经验、疲劳、情绪等因素产生的操作误差，实现精准定位和稳定操作，提高穿刺准确性与重复性。其灵活轻便的设计，方便医生在狭小手术空间调整穿刺角度和深度，增加操作自由度，提升手术成功率。然而，人体组织的非线性特性、组织密度变化导致的系统参数时变，以及呼吸、心跳等生理活动产生的扰动，给手持穿刺机器人的控制带来挑战。传统控制算法难以适应这些复杂情况，导致穿刺精度和稳定性欠佳。
4、调谐算法为解决手持穿刺机
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统及其控制方法，以提升手持穿刺机器人在复杂情况下的穿刺准确性与稳定性。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，包括：
3、手持穿刺机器人本体，用于在医生的操作或指导下能够精确地进行穿刺手术，其设计轻便灵活，便于医生在手术过程中灵活操作，同时保证了手术的稳定性和安全性；
4、控制上位机模块，用于采集、监视与控制穿刺机器人及患者的状态信息，并提供一个用于分析病情并制定手术策略的交互界面；
5、导航模块，用于为医生提供实时手术导航信息，通过构建患者的三维解剖结构模型，实时跟踪穿刺针和患者的位置关系，并自动规划出最佳穿刺路径，帮助医生进行精确操作，避免损伤重要组织器官；
6、所述手持穿刺机器人本体包括：
7、人机交互模块，用于提供用户与手持穿刺机器人本体的交互界面，包括前后、上下、左右移动指令，电源开关以及活检枪的自动化触发功能；
8、执行模块，通过电气组件与结构组件集成得到；所述电气组件包括三个直流电动机、一个线性推杆、一条直线导轨以及激发活检枪的驱动控制元件；所述结构组件包括传感器阵列，用于捕获各模块的运动参数；
9、控制模块，用于处理信号，且集成了部分驱动电路，以缩减设备体积；
10、系统支撑模块，用于提供穿刺机器人的基础保障，所述基础保障包括电源管理、电路保护、状态监测以及设备消毒，以确保所述手持穿刺机器人本体的稳定运行及卫生安全。
11、进一步地，所述控制模块包括通信接口，所述通信接口与上位机相连，用于对设备整体运行状态进行监控与分析。
12、进一步地，所述控制上位机模块包括：
13、通信接口模块，用于实现上位机与机器人系统、导航组件之间的信息流通，以实现物理层面的信号交互；
14、核心处理单元，用于提供操控机器人与导航组件的工具，包括调整设备参数，制定治疗规划，提供交互式的操控途径，并展现穿刺机器人各子系统的工作状况；
15、工业控制计算机，用于执行穿刺机器人自动控制的核心算法，通过通信链路收集各模组的数据，为控制上位机模块与硬件层级的交互搭建桥梁。
16、进一步地，所述导航模块包括：
17、传感组件，所述传感组件集成了电磁定位子系统与超声探测子系统，通过将电磁定位子系统与超声探测子系统的信息进行融合处理，以提升系统的定位准确性，用于采集患者相关数据，实现对患者穿刺环境及穿刺器械状态的描绘；
18、图形处理工作站，用于接收、处理并转发由所述传感组件采集的患者相关数据，执行融合算法以提炼目标信息，并将处理结果上传至控制上位机模块；为用户提供实时的定位可视化界面，便于用户根据实际需求调整治疗方案；
19、通信接口模块，用于与其他模块进行通信，传输手术过程中患者和设备的状态。
20、本专利技术还提供了一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统的控制方法，包括如下步骤：
21、（1）定义手持穿刺机器人系统的参数，设系统的时间离散采样时刻为；
22、输入向量：定义三输入向量，其中，和分别对应两个旋转关节的控制输入，影响关节角度和，表示穿刺针伸出长度；
23、输出向量：三输出向量，表示机器人末端在三维空间中的坐标，；
24、参考输入向量：，表示期望的机器人末端坐标；
25、误差向量：；
26、控制器参数向量：，控制器的输入－输出关系为，其中表示参数化的控制器结构；
27、（2）定义相关函数，互相关函数：定义输出误差向量与参考输入向量的互相关函数矩阵，其中为时间延迟，n表示时间序列的总长度；
28、；
29、使用有限时间的估计：
30、；
31、其中，是采样数据的数量；是一个的矩阵，其元素为；
32、（3）构建目标函数 ：；
33、其中，表示最大时间延迟，表示矩阵的迹运算；
34、（4）采用梯度下降法更新控制器参数，以最小化目标函数 ；
35、计算目标函数关于控制器参数的梯度；根据链式法则得到：
36、；
37、其中，表示控制器参数的第m个分量，表示互相关函数对控制器参数的偏导数；
38、控制器参数的更新公式为：；
39、其中，表示学习率，用于控制参数更新的步长；
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【技术保护点】
1.一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，所述控制模块包括通信接口，所述通信接口与上位机相连，用于对设备整体运行状态进行监控与分析。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，所述控制上位机模块包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，所述导航模块包括：
5.一种根据权利要求1-4任一项所述基于数据驱动的手持穿刺机器人系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现如权利要求5所述的基于数据驱动的手持穿刺机器人系统的控制方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求5所述的基于数据驱动的手持穿刺机器人系统的控制方法。
【技术特征摘要】
1.一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，所述控制模块包括通信接口，所述通信接口与上位机相连，用于对设备整体运行状态进行监控与分析。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，所述控制上位机模块包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的手持穿刺机器人系统，其特征在于，所述导航模块包括：
5.一种根据...
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