CN108123940A - 基于socket的异步通信方法、存储介质及处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于socket的异步通信方法、存储介质及处理器，该异步通信方法包括：一机器设备中的第一客户端向其他任一机器设备中的第二服务器发送连接请求的报文；连接成功后，第二服务器发送连接成功的反馈信号至第一客户端，第一客户端与第二服务器进行通信；第二服务器将成功连接的信息告知本机器设备中的第二客户端；第二客户端发送连接请求至第一客户端所在机器设备中的第一服务器；连接成功后，第一服务器发送连接成功的反馈信号至第二客户端，第二客户端与第一服务器进行通信；可实现异步的通信连接，满足简单和可拓展的点对点通信，不仅仅满足影响导航的血管介入系统，更适用于任何机器人辅助的介入手术系统，更加具有普遍性。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种基于socket的异步通信方法、存储介质及处理器。
背景技术
近年来，微创手术(MIS)已经成为机器人系统非常适合的领域。微创手术在医学领域越来越受欢迎，既能用于诊断又能用于手术。内窥镜或导管的许多诊断和医疗手术如今在微创手术中都能够进行。相比开放式治疗，微创手术治疗切口小，患者恢复快，不需要全身麻醉，手术风险低；能够将药物送达指定位置，提高药物疗效，对其他组织机构的损伤降低。然而，临床医生在手术的过程中需要长期暴露在放射线下，即使穿铅制防护服也不能避免因辐射引起的白内障和癌症的风险。如今，机器人技术应用于医疗领域，能够解决这个问题。而具有影像引导的远程导管、导丝操作机器人系统，通过将操作者与辐射源分开，可以显著减少操作者的辐射暴露，而不必增加患者的暴露。另一个重要的原因是可以模拟外科医生的操作技能，并且训练无技术的外科医生。
现在机器人辅助的微创手术机器人系统针对不同的疾病，有针对颅底手术、下颌骨重建手术、血管手术等，应用范围很广，并且医疗机器人如今趋势是往遥控操作医疗机器人来发展，如最负盛名的达芬奇机器人。遥控操作医疗机器人各个设备之间需要进行信息的传递，需要进行通信。现有的分布式模块架构，它可以适用于多种手术机器人的系统，为远程医疗机器人提供了参考。而随着机器人辅助的血管介入机器人研究的深入，制定一套标准的、开放性的和可拓展的通信协议显得更加的迫切。Junichi Tokuda等人已经制定了一套标准的通信协议，用来在影像导航时设备和软件之间数据的共享。这是一套标准的、具有开放性和可拓展的通信协议。这套协议满足实时性的要求，不管是一类数据传输还是两类数据同时传输，报文发送的延时都是在允许的范围内，并且运用在了多个案例中。这个指定的协议，虽然满足实时性，具有开放性和可拓展性，但是这个仅仅只应用到了影像导航的机器人辅助的介入手术系统，不具有普遍性。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于socket的异步通信方法、存储介质及处理器，以至少解决现有技术的通信协议无法应用到任何影像导航机器人辅助的介入手术系统中的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于socket的异步通信方法，用于多个机器设备之间的通信，每个机器设备均包括有客户端和服务器；异步通信方法包括：
一机器设备中的第一客户端向其他任一机器设备中的第二服务器发送连接请求的报文；
连接成功后，第二服务器发送连接成功的反馈信号至第一客户端，第一客户端发送握手信号至第二服务器与第二服务器进行通信；
第二服务器将第一客户端与第二服务器之间成功连接的信息告知本机器设备中的第二客户端；
第二客户端发送连接请求至第一客户端所在机器设备中的第一服务器；
连接成功后，第一服务器发送连接成功的反馈信号至第二客户端，第二客户端发送握手信号至第一服务器与第一服务器进行通信。
进一步地，异步通信方法还包括：
主动断开的一机器设备中的第三客户端向与第三客户端进行通信的其他任一机器设备中的第四服务器发送断开连接的报文；
第四服务器将断开连接的报文告知本机器设备中的第四客户端；
第四客户端发送断开连接的确认报文至第三客户端；
断开成功后，第三客户端与第四服务器之间、第四客户端与第三服务器之间均断开连接。
进一步地，每个机器设备中的客户端均处于监听其他机器设备主动连接的状态，在接收到其他机器设备主动连接的信号后，接受此主动连接，并保存自身进行通信的socket，并对所在机器设备的通信进行连接管理。
进一步地，异步通信方法还包括：在通信的同时进行连接诊断，并在诊断出通信断开的情况下，通信自动恢复连接。
进一步地，报文包括：报文头部和报文主体；报文头部包括：
数据类型，用于表征报文的类型；
本地ID，用于表征发送报文的机器设备；
目标ID，用于表征接收报文的机器设备；
时间戳，用于表征报文传输的延时；
报文长度，用于表征报文的长度。
进一步地，数据类型的大小为2字节，报文的类型包括：连接管理的报文和机器设备信息的报文。
进一步地，报文包括图像报文，报文主体包括图像报文头部和图像报文主体。
进一步地，图像报文主体按照下述公式拆分为n个：
n＝Limage/LDatagram-Lheader-LimageHeader；
其中，Limage表示图像报文的数据大小，LDatagram表示每个图像报文的大小，Lheader表示图像报文头部的大小，LimageHeader表示图像报文头部的数据大小。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备实施上述任意一项异步通信方法。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行实施上述任意一项异步通信方法。
在本发明实施例中，一机器设备中的客户端和服务器与其他任一机器设备中的客户端和服务器进行异步的通信连接，满足简单和可拓展的点对点通信，不仅仅只是满足影响导航的血管介入系统，更适用于任何机器人辅助的介入手术系统，更加具有普遍性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为具体实施例中异步通信的握手示意图；
图2为具体实施例中异步通信的断开示意图；
图3为具体实施例中报文的组成示意图；
图4为具体实施例中报文头部的组成示意图；
图5为具体实施例中图像报文头部的组成示意图；
图6为具体实施例中图像报文主体的组成示意图；
图7为具体实施例中一对一的通信架构示意图；
图8为具体实施例中一对多的通信架构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了满足血管介入手术机器人的主从遥控操作的通信需求，本实施例定义了一套标准的通信协议，包含了可拓展的报文结构的建立，管理以及通信连接的关闭规则等，即一套标准的，简单的和可拓展的点对点通信协议。它适用于任何机器人辅助的介入手术系统，不仅仅只是满足影响导航的血管介入系统，更加具有普遍性。
实施例1
根据本发明的实施例，提供了一种基于socket的异步通信方法，用于多个机器设备之间的通信，每个机器设备均包括有客户端和服务器；异步通信方法包括：
一机器设备中的第一客户端向其他任一机器设备中的第二服务器发送连接请求的报文；
连接成功后，第二服务器发送连接成功的反馈信号至第一客户端，第一客户端发送握手信号至第二服务器与第二服务器进行通信；
第二服务器将第一客户端与第二服务器之间成功连接的信息告知本机器设备中的第二客户端；
第二客户端发送连接请求至第一客户端所在机器设备中的第一服务器；
连接成功后，第一服务器发送连接成功的反馈信号至第二客户端，第二客户端发送握手信号至第一服务器与第一服务器进行通信。
各机器设备在通信连接完成后，会进行彼此间的对话，这样就需要建立对话机制。如图1所示，在准备对话时，应用程序会提醒Client1开始尝试连接Server2；如果连接成功，Client1会收到来自Server2连接成功的反馈信号。连接过程完成后，Client1会发送握手信号告知Server2连接成功。Server2收到握手信号后，Server2会通知Client2存在其他机器设备中的Client1连接Server2，这样Client2会尝试开始连接已连接Server2的Client1所对应的Server1，重复上述连接过程。如果允许连接则会收到一个已经连接的信号，这时Client1会发送连接确认的信号。至此，对话连接成功，可以进行互相对话。
通信的载体一般是服务器/客户端，是作为半双工通信；而本实施例设计的通信方式是通过握手机制建成了一个双通道的通信方式，从而实现数据的相互传送、互不干涉。应用程序既可以使控制者用来控制机器设备，又可以使监测者用来检测机器设备的状态。此种方式建立的P2P通信网络，通信效率更高，而且各个主机处理数据的能力完全足够胜任。
在实施例中，一机器设备中的客户端和服务器与其他任一机器设备中的客户端和服务器进行异步的通信连接，满足简单和可拓展的点对点通信，不仅仅只是满足影响导航的血管介入系统，更适用于任何机器人辅助的介入手术系统，更加具有普遍性。
本实施例设计的通信协议，符合通信标准，具有易用性和可拓展性的特点，满足手术机器人系统通信需求的多类报文。例如在通信协议的应用案例中，分别检测了传感器反馈数据的报文传输和图像报文以及传输的延时。在通信的数据传输过程中，传感器反馈的数据传输至关重要，其对于机器人的控制和手术的顺利进行起到重要的作用。医生可以根据反馈数据进行判断，从而对机器人的控制进行调整，保证手术的顺利进行。而图像数据的传输可以让操作者实时的观测到介入手术过程中的影像，从而在手术过程中进行影像引导，直接观测到手术过程中导丝和导管的位置。
作为优选，每个机器设备中的客户端均处于监听其他机器设备主动连接的状态，在接收到其他机器设备主动连接的信号后，接受此主动连接，并保存自身进行通信的socket，并对所在机器设备的通信进行连接管理。
其中异步通信方法中通信断开的步骤包括：
主动断开的一机器设备中的第三客户端向与第三客户端进行通信的其他任一机器设备中的第四服务器发送断开连接的报文；
第四服务器将断开连接的报文告知本机器设备中的第四客户端；
第四客户端发送断开连接的确认报文至第三客户端；
断开成功后，第三客户端与第四服务器之间、第四客户端与第三服务器之间均断开连接。此处的第三客户端与上述中的第一客户端可以为同一个，也可以不同；此处的第四服务器与上述的第二服务器可以为同一个，也可以不同。
如图2所示，当通信需要断开时，主动断开的一方的Client1会向对方Server2发送断开连接的报文，Server2收到请求断开的报文后，告知Client2对方请求断开。Client2会发送返回断开连接的确认报文给Client1，Client1确认后开始准备断开连接。一段时间之后，Client1自动断开与Server2的连接，Client2也会自动断开与Server1的连接。至此，通话完全断开。
作为优选，该异步通信方法在通信的同时进行连接诊断，并在诊断出通信断开的情况下，通信可自动恢复连接。
实施例2
此通信协议的网络架构是基于TCP/IP的点对点网络通信，各点之间采用的通信方式是socket的异步通信方式。基于点对点的网络通信，使得通信效率明显提高。同时，此套通信协议适用于多类血管介入手术机器人，例如影像引导的血管介入手术机器人，磁导航下的血管介入手术机器人。
2.1报文具体介绍
在此通信协议中，定义最小数据传输单元为数据报文。数据报文类型有很多种，但基本都由两部分组成，数据报文的头部和主体部分，如图3所示。由于血管介入手术机器人系统由多个机器设备组成，各个机器设备之间需要相互进行通信，因此此通信协议需要使用不同类型的数据报文。在此通信协议中，数据报文的头部占用的内存大小是固定的字节数，主要用于识别信息传输的来源，存储信号源的基本信息，包含数据类型，设备的标识符，时间戳以及数据的长度。而主体部分是可变的，根据信号源的数据类型的改变而改变。
2.11报文的头部
数据报文的头部在信息传输过程中起着关键性的作用，其包含了信号源的基本信息。在接收者收到数据报文时，如图4所示，接收者依靠数据报文的头部信息就能正确地识别信息的来源，从而通过解码得到数据报文的数据信息。数据报文的头部占用的内存大小是固定的，包含了数据报文的数据类型、发送此数据报文的设备的标识符、报文的接收者标识符、时间戳和报文的长度。所有数值(整数，浮点型和固点型)都以大端方式存储。
下表1为报文头部包含的各个数据信息的作用：
2.12报文的主体
数据报文的主体部分会根据信号源的数据类型的不同而有所不同。报文主体的数据存储方式，除了图像报文以小端方式存储外，其他报文均以大端方式存储。报文主体部分的数据类型主要分成两种：1.对通信连接进行管理的数据类型；2.关于机器人信息的数据类型。
数据类型的分类如表2所示。由于报文头部的Data Type有两个字节，使得报文主体的类型达到216种，完全可以满足血管介入手术机器人系统通信过程中所需求的报文类型。由于管理连接的报文类型较少，在满足其需求的前提下，预留了0～255用来表示第一类管理连接的数据报文类型。同时，预留256～(216-1)来表示第二类关于机器人信息的报文类型，这样可以为此通信协议适用于更多的机器人类型提供足够的拓展空间。
表2为报文主体数据类型的分类及各部分功能：
医学图像：这个报文用来传输影像数据，例如CT、DSA和MRI等。在血管介入手术机器人中，我们需要借助影像导航来帮助我们确定导丝的运动。这样能准确控制导丝的运动，使介入手术更加顺利。图像数据报文的主体部分我们分为图像报文头部和图像报文主体，如图5所示。图像报文头部表示了图像的一些参数信息，例如图像的长、宽、高等。
如图6所示，由于图像数据比较大，我们需要将图像分成多个报文来发送，如Limage表示图像报文的数据大小，LDatagram表示每个图像报文的大小，Lheader表示图像报文头部的大小，LimageHeader表示图像报文头部的数据大小，从而得出拆分成报文的数量n。
实施例3
为满足血管介入手术机器人系统中的多个机器设备相互通信的需求，本实施例设计了一套适用于多机器设备通信的网络系统框架。这套网络系统架构适用于多类血管介入手术机器人系统，能够轻易的将系统的各组成部分连接通信。
为了使得TCP/IP通信方式具有实时性，本实施例设计了一套不同的TCP/IP通信方式，如图7所示的一对一通信方式，这种通信方式建立了两个互不干涉的通路。在互相通信过程中，报文来回传输之间不会存在等待的问题，满足了在血管介入手术机器人系统中报文实时传输的要求。在通信的同时，会进行连接诊断；如果出现通信断开的情况，通信系统能够及时连上。
基于双通路的TCP/IP的通信方式，本实施例设计了一套血管介入手术机器人系统的通信架构，这样，这套通信架构就确保了通信的流畅性和实时性，如图8所示，在每个机器设备上都有一个客户端一直处于监听其他设备主动连接的状态，一旦其他机器设备出现与此机器设备主动连接的信号，就会接受此主动连接，并保存自己进行通信的socket，并且能够对机器设备的连接进行管理。当机器设备之间的通信断开时，由于可以对设备进行连接管理，所以可以使得通信进行再连接。此通信架构采用的通信方式是异步通信，这样可以保证通信不会发生信号阻塞。此通信架构可以适用于多类血管介入手术机器人系统，满足其进行实时操作和反馈的通信需求。
实施例4
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备实施上述任意一项异步通信方法。
实施例5
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行实施上述任意一项异步通信方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通信协议适用于所有的机器人辅助的血管介入手术系统；
2.通信连接的握手和断开使连接更加可靠，安全性更高；
3.经过实验与验证，该通信的延时在允许的范围内，实验证明具有很好的实时性。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于socket的异步通信方法，用于多个机器设备之间的通信，每个机器设备均包括有客户端和服务器；其特征在于，所述异步通信方法包括：
一机器设备中的第一客户端向其他任一机器设备中的第二服务器发送连接请求的报文；
连接成功后，所述第二服务器发送连接成功的反馈信号至所述第一客户端，所述第一客户端发送握手信号至所述第二服务器与所述第二服务器进行通信；
所述第二服务器将所述第一客户端与所述第二服务器之间成功连接的信息告知本机器设备中的第二客户端；
所述第二客户端发送连接请求至所述第一客户端所在机器设备中的第一服务器；
连接成功后，所述第一服务器发送连接成功的反馈信号至所述第二客户端，所述第二客户端发送握手信号至所述第一服务器与所述第一服务器进行通信。
2.根据权利要求1所述的异步通信方法，其特征在于，所述异步通信方法还包括：
主动断开的一机器设备中的第三客户端向与所述第三客户端进行通信的其他任一机器设备中的第四服务器发送断开连接的报文；
所述第四服务器将所述断开连接的报文告知本机器设备中的第四客户端；
所述第四客户端发送断开连接的确认报文至所述第三客户端；
断开成功后，所述第三客户端与所述第四服务器之间、所述第四客户端与所述第三服务器之间均断开连接。
3.根据权利要求1所述的异步通信方法，其特征在于，每个机器设备中的客户端均处于监听其他机器设备主动连接的状态，在接收到其他机器设备主动连接的信号后，接受此主动连接，并保存自身进行通信的socket，并对所在机器设备的通信进行连接管理。
4.根据权利要求1所述的异步通信方法，其特征在于，所述异步通信方法还包括：在通信的同时进行连接诊断，并在诊断出通信断开的情况下，通信自动恢复连接。
5.根据权利要求1或2所述的异步通信方法，其特征在于，所述报文包括：报文头部和报文主体；所述报文头部包括：
数据类型，用于表征报文的类型；
本地ID，用于表征发送报文的机器设备；
目标ID，用于表征接收报文的机器设备；
时间戳，用于表征报文传输的延时；
报文长度，用于表征报文的长度。
6.根据权利要求5所述的异步通信方法，其特征在于，所述数据类型的大小为2字节，所述报文的类型包括：连接管理的报文和机器设备信息的报文。
7.根据权利要求5所述的异步通信方法，其特征在于，所述报文包括图像报文，所述报文主体包括图像报文头部和图像报文主体。
8.根据权利要求7所述的异步通信方法，其特征在于，所述图像报文主体按照下述公式拆分为n个：
n＝Limage/LDatagram-Lheader-LimageHeader；
其中，Limage表示图像报文的数据大小，LDatagram表示每个图像报文的大小，Lheader表示图像报文头部的大小，LimageHeader表示图像报文头部的数据大小。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至8中任意一项所述的异步通信方法。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至8中任意一项所述的异步通信方法。
Priority Applications (1)
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