一种穿刺方位解算方法以及穿刺作业执行系统与流程

本技术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。

背景技术：

1、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。

2、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。因此希望借助机器人技术解决穿刺诊疗中的痛点问题。

3、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。

4、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：

5、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

1、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。

2、第一方面，本技术提供了一种穿刺方位解算方法。所述方法包括：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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。

7、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：

8、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：

9、

10、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。

11、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：

12、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：

13、

14、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。

15、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：

16、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；

17、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：

18、

19、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。

20、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：

21、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：

22、

23、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；

24、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。

25、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：

26、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。

27、第二方面，本技术还提供了一种穿刺方位解算装置。所述装置包括：

28、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；

29、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；

30、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；

31、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。

32、在其中一个实施例中，所述方位向量模块包括：

33、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，所述穿刺方位向量包括约束向量，所述约束向量如下式所示：

34、

35、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。

36、在其中一个实施例中，所述方位向量模块包括：

37、权重系数模块，用于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：

38、

39、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。

40、在其中一个实施例中，所述运动约束模块包括：

41、数字结构模型模块，用于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；

42、运动仿真模块，用于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：

43、

44、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。

45、在其中一个实施例中，所述逆向求解模块包括：

46、约束关系模块，用于基于对所述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：

47、

48、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；

49、积分求解模块，用于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。

50、在其中一个实施例中，所述逆向求解模块包括：

51、关节限位模块，用于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。

52、第三方面，本技术还提供了一种穿刺作业执行系统，所述系统包括：

53、图像处理模块，用于接收并处理目标对象的影像数据；

54、穿刺控制模块，用于接收所述目标对象的影像数据，并根据如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺方位解算方法生成并输出轨迹规划信息；

55、执行设备模块，用于接收所述轨迹规划信息，并根据所述轨迹规划信息指示的穿刺路径完成穿刺作业。

56、第四方面，本技术还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺方位解算方法中的步骤。

57、第五方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺方位解算方法中的步骤。

58、第六方面，本技术还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺方位解算方法中的步骤。

59、上述一种穿刺方位解算方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，通过独权中的技术特征进行推导，能够达到对应背景技术中的技术问题的如下有益效果：

60、在进行穿刺方位控制时，根据执行设备的结构参数构建数字结构模型，从而有助于通过数字结构模型对执行设备的运动范围进行计算，得到运动约束关系。随后，获取目标对象的影像数据，通过对影像数据的识别分析确定目标位置信息以及非相关目标的位置，从而得以根据非相关目标的位置信息确定环境约束关系，通过环境约束关系对穿刺方位的约束，有助于降低在穿刺中穿刺针对对象的非相关的器官造成接触的可能性。最终以环境约束关系以及运动约束关系进行限制，得到穿刺方位向量，并在穿刺方位向量中设置穿刺方位与肺血管目标的距离约束关系，进而由目标位置信息逆向运动求解得到轨迹规划信息，最终利用轨迹规划信息控制执行设备的穿刺方位，此时得到的穿刺方位不仅能够规避血管脏器等障碍，还可以与其保持距离最大化的特征，同时能够满足穿刺机器人的运动范围。在实施中，通过影像数据以及执行设备的结构参数对穿刺方位进行多维度地约束，并由目标位置结合数字结构模型进行逆向求解，从而得到最终的轨迹规划信息，有助于使得轨迹规划信息一方面符合执行设备的运动规律、另一方面符合目标对象的影像数据，在保证轨迹规划信息可行性的同时，降低了对目标对象造成非预期的损伤的可能性，从而提高了穿刺设备的控制精确度以及安全性。