[發(fā)明專利]一種主從導(dǎo)絲控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010521475.0
• 申請(qǐng)日: 2020-06-10
• 公開（公告）號(hào): CN111797506B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡陟;張微;虞磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G16H50/20;A61B34/00;A61B34/10;A61B34/37;G06F119/14
• 代理公司: 上海統(tǒng)攝知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

本發(fā)明涉及一種主從導(dǎo)絲控制方法，為基于虛擬現(xiàn)實(shí)力觸覺渲染的主從導(dǎo)絲控制，通過力觸覺渲染在主手端進(jìn)行力觸覺再現(xiàn)，操作者通過力觸覺信息控制從手端導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)，其中，所述力觸覺渲染模型為采用一維弧長(zhǎng)坐標(biāo)確定任意拉格朗日歐拉(ALE)導(dǎo)絲單元中接觸檢測(cè)點(diǎn)位置的基于任意拉格朗日歐拉(ALE)導(dǎo)絲?血管壁高效接觸檢測(cè)算法。本發(fā)明使用一維弧長(zhǎng)坐標(biāo)代替現(xiàn)有技術(shù)的三維笛卡爾坐標(biāo)確定ALE導(dǎo)絲單元中接觸檢測(cè)點(diǎn)的位置，簡(jiǎn)化導(dǎo)絲?血管壁間的接觸檢測(cè)過程，在保證精度不變的前提下，提高了碰撞檢測(cè)效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于主從導(dǎo)絲控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種主從導(dǎo)絲控制方法，具體是涉及一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)微創(chuàng)血管介入式手術(shù)導(dǎo)絲與血管多點(diǎn)動(dòng)態(tài)線接觸的主從導(dǎo)絲控制方法。

背景技術(shù)

微創(chuàng)心血管介入手術(shù)如圖1所示，以其減少術(shù)后疼痛、縮短恢復(fù)時(shí)間、創(chuàng)傷小等優(yōu)點(diǎn)廣泛使用，其中導(dǎo)絲作為關(guān)鍵介入器械要深入到心臟冠狀動(dòng)脈腔壁變狹窄或阻塞處。遙操作醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)輔助醫(yī)生在本地為遠(yuǎn)距離的病人進(jìn)行手術(shù)，使處于新疆等偏遠(yuǎn)地區(qū)或?yàn)?zāi)區(qū)的病人得到及時(shí)診治，同時(shí)有效減少手術(shù)的費(fèi)用和時(shí)間，保護(hù)醫(yī)生免受術(shù)中X射線輻射的危害。遙操作醫(yī)療機(jī)器人分為主端和從端兩部分，使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，從端機(jī)構(gòu)把持和操作導(dǎo)絲等介入器械，醫(yī)生則在主端控制導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為提升臨場(chǎng)感的關(guān)鍵技術(shù)被應(yīng)用到介入式手術(shù)中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，重構(gòu)一個(gè)與現(xiàn)實(shí)手術(shù)系統(tǒng)環(huán)境完全一致的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，操作者直接通過人機(jī)交互設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境交互，即時(shí)產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺、力覺等感官感受。同時(shí)，主端醫(yī)生的交互指令被發(fā)送到從端，這樣便可降低時(shí)延的消極影響。

介入手術(shù)操作過程中，導(dǎo)絲和血管壁動(dòng)態(tài)接觸存在大范圍的摩擦受力，主端使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行其物理形變特征的實(shí)時(shí)仿真是一個(gè)有挑戰(zhàn)的工作。而手術(shù)器械與血管壁碰撞的檢測(cè)是非常耗時(shí)的，碰撞檢測(cè)算法的好壞很大程度上決定了系統(tǒng)的整體性能。

對(duì)于導(dǎo)絲等細(xì)長(zhǎng)物體的物理形變實(shí)時(shí)仿真，一般將導(dǎo)絲沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行離散化，分析各微元的形變及受力。當(dāng)前在模擬導(dǎo)絲和血管之間的動(dòng)態(tài)接觸作用方面存在以下幾個(gè)問題：

(1)缺乏較高實(shí)時(shí)性的導(dǎo)絲-血管動(dòng)力學(xué)建模仿真方法

傳統(tǒng)的導(dǎo)絲建模方法采用Lagrange方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)描述。而對(duì)于導(dǎo)絲-血管壁接觸類似問題，使用Lagrange方法對(duì)導(dǎo)絲進(jìn)行動(dòng)力學(xué)描述，其離散的網(wǎng)格必須足夠密(網(wǎng)格的尺寸需遠(yuǎn)小于血管長(zhǎng)度)以保證血管壁與導(dǎo)絲之間的接觸檢測(cè)是準(zhǔn)確的，因此整個(gè)系統(tǒng)的自由度較多，計(jì)算效率較低。

(2)缺乏高效檢測(cè)導(dǎo)絲與血管壁多點(diǎn)移動(dòng)線接觸仿真方法

導(dǎo)絲與血管壁屬于動(dòng)態(tài)多點(diǎn)線接觸，是接觸實(shí)時(shí)仿真和碰撞檢測(cè)研究的難點(diǎn)問題。通常采用AABB包圍盒方法來判斷三維空間中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)絲單元是否與血管壁發(fā)生碰撞。AABB包圍盒實(shí)際上是各個(gè)面分別與xy、yz、zx面平行的一個(gè)長(zhǎng)方體，其優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)造簡(jiǎn)單、接觸檢測(cè)效率高。其問題在于，相鄰的包圍盒相互重疊，所以有時(shí)也很難確定檢測(cè)點(diǎn)到底位于哪個(gè)包圍盒中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種主從導(dǎo)絲控制方法，具體是涉及一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)微創(chuàng)血管介入式手術(shù)導(dǎo)絲與血管多點(diǎn)動(dòng)態(tài)線接觸的主從導(dǎo)絲控制方法，用于虛擬現(xiàn)實(shí)中導(dǎo)絲的大變形運(yùn)動(dòng)仿真及高效碰撞檢測(cè)技術(shù)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為提升臨場(chǎng)感的關(guān)鍵技術(shù)被應(yīng)用到主從式手術(shù)中。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可在主從式手術(shù)的主端模擬一個(gè)類似從端的三維虛擬世界。假想在主-從式手術(shù)系統(tǒng)中，結(jié)合預(yù)知信息與從端反饋的多種傳感器信息，在主端重構(gòu)一個(gè)與從端環(huán)境完全一致的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，操作者直接通過人機(jī)交互設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境交互，即時(shí)產(chǎn)生觸覺、力覺等感官感受。同時(shí)，主端醫(yī)生的交互指令被發(fā)送到從端，這樣便可降低時(shí)延的消極影響。