[發明專利]一種基于時空相關性的心臟表面目標點運動預測方法

有效

• 申請號: 201510979738.1
• 申請日: 2015-12-23
• 公開（公告）號: CN105631864B
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 楊波;鄭文鋒;劉珊;謝建軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/246
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

本發明公開了一種基于時空相關性的心臟表面目標點運動預測方法，利用心臟表面目標點運動軌跡的時間自相關性，以及與周圍輔助點之間的空間相關性，建立預測目標點的線性模型GLM，再基于當前GLM模型下獲得預測值，從而解決了長時間跨度預測時，由于時間自相關性減弱導致的預測誤差急劇增大的問題。

技術領域

本發明屬于運動預測技術領域，更為具體地講，涉及一種基于時空相關性的心臟表面目標點運動預測方法。

背景技術

近年來，機器人技術越來越多的用于微創手術領域，用于減輕患者痛苦，降低手術醫生的工作強度，提高手術精度和降低手術難度。世界各地的研究機構都在積極開展機器人輔助外科手術技術的研究。而很多先進的機器人輔助手術技術的臨床應用，都需要建立在對手術器官表面目標點的精準定位之上。

在現有技術中，機器人輔助心臟外科手術中的“心跳同步”技術，手術中需要實時跟蹤心臟表面目標點的運動，并主動控制手術器械與其同步運動，從而為醫生提供一個虛擬穩定的操控環境，使得手術醫生在進行切割或縫合等精準手術操控時，無需再手動的克服快速心跳運動的干擾。為此，人們采用了不同的傳感器系統對心臟表面目標點的運動進行測量，如基于立體內窺鏡的視覺測量系統、基于超聲波探測器的測量系統和基于激光探測器的測量系統等。

然而，在實際臨床應用中，想要實時、準確和穩定的測量和跟蹤快速跳動的心臟表面目標點的運動并不容易。手術器械的遮擋、器官表面軟組織流血、電刀切割產生的煙霧等手術過程中的各種動態干擾都可能中斷測量系統對目標點的測量，使其暫時無法獲得測量值。為了彌補測量空白并在干擾消失后重啟測量系統，就需要對目標點的運動進行精準的預測。另外，從提高機械手臂控制精度的角度，也需要運動預測技術。由于機械手臂和手術器械自身的質量和控制環節的時滯，要驅動和控制其與快速運動的心臟表面目標點同步運動時，僅僅依靠常規的反饋控制無法實現，需要借助預測控制技術，提前預測目標點的運動，給出相應的控制量。

現有的運動預測方法，多從心跳運動的準周期性出發，基于目標點運動軌跡在時間上的自相關性，利用最近的若干歷史測量值通過建立預測模型，對當前或未來的目標點進行預測。這類方法在進行長時間跨度的預測時，由于長時間未獲得有效的測量值，隨著時間的推移，較早時刻獲取的歷史測量值與目標點當前位置之間的相關性急劇減弱，形成了利用預測值的預測值的…預測值來進行預測的局面，預測誤差會不斷的累計和放大。另一方面，心跳運動的頻率和幅度等特性是隨時間變化的，目標點歷史測量值與當前的運動之間的相關性也會隨時間變化，因此，在長時間跨度的預測中，這種基于時間自相關性的預測方法會引入較大的預測誤差。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于時空相關性的心臟表面目標點運動預測方法，利用目標點與其周圍輔助點在空間上的相關性，解決長時間跨度預測，同時降低預測誤差急劇增大的問題。

為實現上述發明目的，本發明一種基于時空相關性的心臟表面目標點運動預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、建立并初始化線性預測模型GLM

(1.1)、建立GLM模型：利用心臟表面目標點p的N個歷史測量值和M個輔助點建立L＝M+N+1階的GLM模型，用方程表示為：

其中，為三維列向量，表示心臟表面目標點p在k時刻的三維空間坐標預測值；Q(k-1)是3×L維的模型設計矩陣，可表示為：

它是由心臟表面目標點p在k時刻之前的N個歷史測量值：p(k-N),p(k-N+1),...,p(k-1)和M個輔助點在k-1時刻的測量值h₁(k-1),h₂(k-1),...,h_M(k-1)，以及一個元素全為1的三維列向量組成；w(k-1)是k-1時刻的模型參數，是由L個權值系數組成的列向量；