[發(fā)明專利]一種用于微創(chuàng)手術(shù)軟體操作器的路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011459746.0
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112741688B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何彥霖;祝連慶;湯晨;孫廣開;董明利;何巍;張雯
• 申請（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學(xué)
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10
• 代理公司: 北京恒律知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11416
• 代理人: 龐立巖;顧珊

本發(fā)明涉及微創(chuàng)軟體手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，具體表現(xiàn)為通過改良算法來實(shí)現(xiàn)軟體操作器在微創(chuàng)手術(shù)前的準(zhǔn)備工作，主要對軟體操作器路徑進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使得軟體機(jī)器人在手術(shù)前能通過了解人體組織以及病灶位置來實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑，達(dá)到病灶位置并進(jìn)行相關(guān)后續(xù)操作。本發(fā)明主要通過對人體內(nèi)部組織進(jìn)行建模重構(gòu)并通過改良A*算法來達(dá)到路徑規(guī)劃的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)及醫(yī)療器械領(lǐng)域，特別涉及一種用于微創(chuàng)手術(shù)軟體操作器的路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

隨機(jī)機(jī)器人的不斷發(fā)展，越來越多的機(jī)器人被應(yīng)用于手術(shù)領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的手術(shù)機(jī)器人由于其剛性材料的限制，在手術(shù)的過程中實(shí)際起到的輔助手術(shù)完成的作用，具有高度精確性的特點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域各類手術(shù)，但是它的適應(yīng)性、安全性以及靈活性都相對較差，容易在手術(shù)過程中對人體內(nèi)部組織造成傷害，所以如何在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域采用軟體操作器并能讓其在擁有良好適應(yīng)性、安全性的基礎(chǔ)上達(dá)到傳統(tǒng)手術(shù)機(jī)器人的精度成為了當(dāng)今研究的熱門方向。

在傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)中，醫(yī)生們往往通過利用分析CT圖像的三維軟件，例如proplanCMF等，將患者得多數(shù)CT圖像通過算法擬合成真實(shí)的三維模型，通過觀察不同角度的3D模型來尋找患者的病灶區(qū)域，在找到病灶區(qū)域后繼續(xù)通過軟件來進(jìn)行手術(shù)路徑及過程的規(guī)劃，模擬真實(shí)手術(shù)去切除病灶區(qū)域，然后確定方案后再進(jìn)行實(shí)際的手術(shù)操作。這些方法因?yàn)橐婕暗綄?shí)際手術(shù)后對附近細(xì)胞組織的影響，不僅對操作者的經(jīng)驗(yàn)要求非常高，而且因?yàn)椴糠质中g(shù)要深入到組織內(nèi)部，對操作器靈活度要求非常高，傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)機(jī)器人在這方面還存在著技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種用于微創(chuàng)手術(shù)軟體操作器的路徑規(guī)劃方法，軟體操作器通過感知障礙物能進(jìn)行自主的路徑規(guī)劃，可以很大程度的降低操作者在手術(shù)前的規(guī)劃難度，增加裝置的適用性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于微創(chuàng)手術(shù)軟體操作器的路徑規(guī)劃方法，包括所述方法包括以下步驟：

步驟a、對路徑規(guī)劃進(jìn)行整體建模，所述整體建模包括對軟體操作器的建模、障礙物的建模以及環(huán)境的建模；

步驟b、對路徑規(guī)劃進(jìn)行相應(yīng)的評價(jià)，所述評價(jià)包括以下步驟：步驟b1、通過歐幾里得距離對路徑規(guī)劃效率進(jìn)行評價(jià)；步驟b2、通過A*算法對路徑規(guī)劃安全性進(jìn)行評價(jià)，所述A*算法表達(dá)式為：

f(n)＝g(n)+H(n)

H(n)＝h(n)+b(n)

其中，f(n)表示初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的估價(jià)函數(shù)；g(n)表示在狀態(tài)空間中最優(yōu)路徑實(shí)際代價(jià)；h(n)表示起始點(diǎn)到n節(jié)點(diǎn)最佳估計(jì)代價(jià)；b(n)表示防止觸碰邊界的懲罰函數(shù)；

步驟b3、所述A*算法通過OPEN表和CLOSED表中的節(jié)點(diǎn)來生成在一步步規(guī)劃中的最佳父節(jié)點(diǎn)，沿著生成的父節(jié)點(diǎn)生成一條整體行徑鏈，得到最佳節(jié)點(diǎn)。

優(yōu)選的，所述OPEN表和所述CLOSED表中包含了對g和f的估計(jì)值。

優(yōu)選的，對所述環(huán)境建模包括以下步驟：將整個(gè)3D模型還原在一個(gè)三維空間坐標(biāo)系中，設(shè)置其間距將整個(gè)三維空間分解成一系列尺寸相同的網(wǎng)格單元，統(tǒng)一整個(gè)坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)，再對整體進(jìn)行三維重構(gòu)以后再將建模好的軟體操作器和障礙物病灶投入其中。

優(yōu)選地，對所述軟體操作器建模包括以下步驟：以軟體操作器出發(fā)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，所述軟體操作器在操作器頂端的探頭為移動(dòng)的靶點(diǎn)，探頭朝著XYZ不同方向移動(dòng)，其在環(huán)境中的坐標(biāo)就會(huì)隨著移動(dòng)的方向和移動(dòng)位置多少來改變相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，對所述障礙物建模包括以下步驟：通過探頭所帶的拉曼分析器識別出病灶區(qū)域和其他組織，并將其相應(yīng)的位置在環(huán)境中以坐標(biāo)的形式呈現(xiàn)出來。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：