基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法

本发明适用于手术机器人，尤其涉及一种基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法。

背景技术：

1、随着机器人技术的不断发展，机器人的应用进一步推动了医疗技术进步，在全球医疗机器人市场中，手术机器人份额占比达到60％以上，是技术含量最高、市场需求量最大的产品类型。穿刺手术机器人是手术机器人的一种，是通过mri、超声、ct等成像技术将目标解剖定位，引导反馈针头达到目标解剖结构，辅助完成穿刺手术的机器人。与传统的医生手动穿刺相比，穿刺手术机器人具有稳定性与精确度更高的优点。穿刺手术机器人具有诊断与治疗作用，可实现活检、引流、消融、植入等功能，在诊断方面，穿刺手术机器人可穿刺肺、肝、肾、乳腺、前列腺、胰腺、脊椎等器官，在影像技术协助下到达目标解剖结构，取出目标组织样本，进行病理检查；在治疗方面，穿刺手术机器人可用于肾结石手术、肿瘤消融手术、放射粒子植入治疗癌症手术等方面。

2、手术机器人穿刺取样应用主要包含以下结构：扫描建模设备(ct、mri)、带控制器的手术机器人、带力传感器的末端穿刺取样器械、患者位置标定相机。术前，通过ct、mri等成像设备采集患者病灶部位图像，医生据此分离病灶部位边界，规划手术路径，避开重要血管、神经等组织，给出靶点区域，并根据软件算法，完成患者注册，对患者坐标系、图像坐标系、机械臂坐标系进行标定；术中，机械臂按照医师规划路径以规划入针姿态到达规划入针点，医师可根据跟踪装置实时获取器械进入人体的状态信息。

3、手术机器人作为三类医疗器械产品，对其进行注册管理，在产品全生命周期中必须考虑其对患者、医师及预期使用医疗环境造成的潜在危害，严格管控器械安全性和有效性。目前穿刺手术机器人获取测试数据，主要是通过实物穿刺测试，即穿刺生物组织或进行活体穿刺实验，虽然通过这种途径获取的数据具有更高的可信度，但是仍存在以下不可避免的缺点：

4、一、实物穿刺测试的准备时长较长，成本较高，且可重复利用性差，模拟效率低，难以快速得出大量测试数据；

5、二、实物穿刺测试获取穿刺数据的便利性较差，对测试人员的操作要求较高，操作不当的话容易出现脏数据；

6、三、实物穿刺测试的危险性较高，容易出现安全风险。

7、综上所述，现有技术缺乏快速的、安全的、可重复的、高精度的穿刺测试数据获取方法，以及有效验证手术机器人系统的安全性和有效性的方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，旨在解决现有技术对于穿刺测试数据获取难度较高的技术问题。

2、具体的，本发明实施例提供一种基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，所述方法包括以下步骤：

3、s1、基于数字孪生技术，构建穿刺取样手术环境的数字孪生体模型；

4、s2、基于所述数字孪生体模型构建半实物仿真测试平台，并建立所述半实物仿真测试平台与手术机器人控制系统的通讯连接；

5、s3、通过所述手术机器人控制系统进行控制，在所述半实物仿真测试平台进行穿刺取样手术的半实物仿真。

6、更进一步地，步骤s1包括以下子步骤：

7、s11、根据所述穿刺取样手术环境中的环境元素的位置和形状，使用三维建模软件分别进行独立建模；

8、s12、将所述穿刺取样手术环境中的所述环境元素的建模按照运动关联关系进行封装，得到所述数字孪生体模型。

9、更进一步地，所述环境元素包括手术机器人、人体、标定相机。

10、更进一步地，步骤s2中的所述半实物仿真测试平台，包括：

11、显示层，用于为半实物仿真提供观看与操作交互画面；

12、仿真层，用于连接所述数字孪生体模型；

13、业务层，用于根据所述手术机器人控制系统的指令控制所述数字孪生体模型中所述环境元素的运动状态；

14、数据层，用于在所述手术机器人控制系统与所述半实物仿真测试平台之间实现数据通讯。

15、更进一步地，步骤s3包括以下子步骤：

16、s31、通过所述半实物仿真测试平台发送所述数字孪生体模型的配置数据至所述手术机器人控制系统；

17、s32、在所述手术机器人控制系统中，根据所述配置数据设置穿刺取样手术的仿真参数及目标病灶点，并开始半实物仿真的仿真流程；

18、s33、通过手术机器人控制系统将所述仿真参数发送至所述半实物仿真测试平台；

19、s34、所述半实物仿真测试平台根据所述仿真参数控制所述数字孪生体模型中的所述环境元素的运动状态，并获取其位姿状态反馈给所述手术机器人控制系统；

20、s35、判断所述位姿状态是否到达所述目标病灶点，若否，返回步骤s33；若是，执行步骤s36；

21、s36、根据所述位姿状态生成所述穿刺取样手术的测试结果，完成所述半实物仿真的流程。

22、更进一步地，所述测试结果包括精准性测试结果、安全性测试结果和可靠性测试结果，其中：

23、所述精准性测试结果用于反馈所述位姿状态在接近所述目标病灶点时的穿刺速度，以判定所述手术机器人控制系统的精准性；

24、所述安全性测试结果用于反馈所述手术机器人控制系统是否具有预案措施；

25、所述可靠性测试结果用于反馈步骤s35中所述位姿状态未到达所述目标病灶点的概率。

26、本发明所达到的有益效果，在于提出了一种基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，通过引入数字孪生技术建立的虚拟测试环境，能够快速地、安全地、可重复地、高精度地获取不同情况下的穿刺测试数据，且通过多个不同的测试项，测试手术机器人系统的安全性和有效性，本发明在很大程度上解决了上述实物穿刺测试的问题，在大大加速穿刺手术机器人系统开发进度推进的同时，也极大的降低了对患者潜在的危害与风险。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，其特征在于，步骤s1包括以下子步骤：

3.如权利要求1所述的基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，其特征在于，所述环境元素包括手术机器人、人体、标定相机。

4.如权利要求1所述的基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，其特征在于，步骤s2中的所述半实物仿真测试平台，包括：

5.如权利要求2所述的基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，其特征在于，步骤s3包括以下子步骤：

6.如权利要求5所述的基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，其特征在于，所述测试结果包括精准性测试结果、安全性测试结果和可靠性测试结果，其中：

技术总结
本发明适用于手术机器人技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的手术机器人穿刺取样手术半实物仿真方法，所述方法包括以下步骤：S1、基于数字孪生技术，构建穿刺取样手术环境的数字孪生体模型；S2、基于所述数字孪生体模型构建半实物仿真测试平台，并建立所述半实物仿真测试平台与手术机器人控制系统的通讯连接；S3、通过所述手术机器人控制系统进行控制，在所述半实物仿真测试平台进行穿刺取样手术的半实物仿真。本发明通过引入数字孪生技术建立的虚拟测试环境，能够快速地、安全地、可重复地、高精度地获取不同情况下的穿刺测试数据，且通过多个不同的测试项，测试手术机器人系统的安全性和有效性。

技术研发人员：刘强,赖苑鹏,赵荣丽,张浩,冷杰武
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13