[發明專利]基于二階振蕩粒子群優化算法的柔性穿刺針路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202010574710.0
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111821022A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 張丹;譚楨
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B17/34;G06N3/00;G16H40/63
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

本發明提出基于二階振蕩粒子群優化算法的柔性穿刺針路徑規劃方法，包括通過醫學成像設備對待穿刺區域進行醫學圖像掃描并生成環境信息，獲取靶點和障礙物的位置；建立柔性針穿刺模型和優化目標函數；種群及算法參數初始化和粒子適應值計算；利用目標函數計算并記錄每個粒子的個體最優值和初始種群的全局最優值；利用二階振蕩粒子群優化算法對種群個體進行位置和速度更新；調整各粒子速度和位置使其在設定范圍內；對慣性權重系數w進行更新；利用目標函數計算并更新每個粒子的個體最優值和初始種群的全局最優值；輸出近似最優控制序列。本發明在保證路徑長度小，路徑誤差小的情況下降低計算量和計算復雜度，加快收斂速度提高路徑規劃效率。

技術領域

本發明涉及智能醫療機器人控制技術領域，尤其是涉及基于二階振蕩粒子群優化算法的柔性穿刺針路徑規劃方法。

背景技術

經皮穿刺介入診斷治療是現代臨床醫學領域的一個重要組成部分，可應用于多種不同人體部位的手術，其實現原理是通過穿刺針刺入人體組織中，并到達預定靶點，以此實現給藥、組織活檢、局部麻醉等操作。與傳統人工穿刺相比，機器人輔助穿刺具有更高的精度和穩定性，可避免醫生長時間直接暴露在射線環境中，并且可以大幅度降低醫生的勞動強度。

在實際手術中，穿刺路徑上可能會存在神經、血管、骨骼等障礙，使用剛性針進行直線路徑穿刺可能會對人體的其他部位造成不必要的傷害，增加患者的痛苦，延長患者的康復時間。Webster等對傳統的穿刺針進行改進，提出了非對稱斜針尖柔性針概念，柔性針的針尖具有非對稱的特點，在穿刺入人體組織后針尖會受到組織的非對稱壓迫力，使柔性針的針尖前進方向發生偏轉，由此我們可以通過控制針尖偏轉方向來控制針尖的前進方向，從而避開障礙，保護患者的重要器官和人體組織。

目前路徑規劃的方法有基于正向運動學的規劃方法、基于逆向運動學的規劃方法、人工勢場法等方法，但基于正向或逆向運動學的方法計算復雜，人工勢場法對局部極小值較為敏感，規劃成功率低，相比來說，基于優化問題的路徑規劃方法計算量小，優化精度高，計算收斂速度快，很適合用作實時柔性穿刺針路徑規劃。

優化算法的種類繁多，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、狼群算法等，這幾種算法魯棒性高，適用性廣，能夠有效對復雜問題進行優化，但也存在收斂速度慢，參數數量多等缺點。雖然標準粒子群優化算法的收斂速度較快，使用較為方便，但存在容易陷入局部最優的缺點。

發明內容

本發明解決了現有柔性針穿刺路徑規劃中存在收斂速度慢，計算量和計算復雜度高的問題，提出基于二階振蕩粒子群優化算法的柔性穿刺針路徑規劃方法，通過二階振蕩粒子群優化算法求解穿刺最優控制序列，通過最優控制序列建立最優穿刺路徑，在保證路徑長度小，路徑誤差小的情況下降低計算量和計算復雜度，加快收斂速度提高路徑規劃效率。

為實現上述目的，本發明提供以下的技術方案：

基于二階振蕩粒子群優化算法的柔性穿刺針路徑規劃方法，包括以下步驟：

S1，通過醫學成像設備對待穿刺區域進行醫學圖像掃描并生成環境信息，獲取靶點和障礙物的位置；