CN111759464A - 基于双向反馈的血管机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双向反馈的血管机器人的控制方法，其包括如下步骤：预先获取机器人导航路径信息；根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息；将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数；根据获取的位置离散化模型参数以及已知参数重新生成血管机器人第一前进控制信息，通过第一前进控制信息控制血管机器人前进。

Description

基于双向反馈的血管机器人的控制方法

技术领域

本发明涉及智慧医疗技术领域，特别涉及一种基于双向反馈的血管机器人的控制方法。

背景技术

目前，我国自主研发和设计的具有力反馈功能的血管介入手术机器人系统，可以使使医生远离X射线的辐射，该系统仍采用主从结构。医生可以直接操作主端操作器上的导管，利用遥操作技术远程控制从端导管的运动。从端控制器将采集到的从端导管的力信息通过电流形式反馈到主端，主端操作器再利用电磁感应原理实现力反馈，令医生感知到导管前进受到的阻力信息。同时医生可以通过高清图像和多维信息监控界面监测从端导管的情况，根据触觉和视觉反馈信息进行手术操作。

但现有的血管机器人和结构以及控制系统，依然是在从端通过导管对血管进行介入，使得导管和血管进行碰撞时容易使得血管造成损伤。于是，现有技术中也有采用微型机器人，通过控制运动控制器来控制微型机器人的导航路径。

然而，不但由于血管内血液成分、浓度，以及血管网络的粗细、脉络不同，导致微型机器人在血管内定位、轨迹、运行控制精度达不到理想状态；而且，由于对机器人实施远程控制运动轨迹，在控制时由于影响控制指令效果的参数无法全面掌握进而影响精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供基于双向反馈的血管机器人的控制系统及方法。

一种基于双向反馈的血管机器人的控制方法，其包括如下步骤：

预先获取机器人导航路径信息；

根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息；

将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数；

根据获取的位置离散化模型参数以及已知参数重新生成血管机器人第一前进控制信息，通过第一前进控制信息控制血管机器人前进。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

所述将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数包括：

建立已知参数有效性模型：

σ_i(k)＝w_0,i+w_1,iη₁(k)+...+w_n,iη_n(k)，其中，w_j,i(j＝0,1,...n)为第i个有效性模型的估计值；η_i表示参数输入；k为阻滞系数；

根据建立的已知参数有效性模型，获得加权得到的未知离散化参数：

其中r为导航路径变化值加权输出；Ω_i(η_i,σ_i)为第i个权重函数，σ_i为标准差；

根据预设模型对未知离散化参数进行筛选。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

所述预先获取机器人导航路径信息包括：获得CT扫描获得的原始血管图像信息，并将原始血管图像信息绘制成三维血管骨架网络图像；根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息包括：

根据获取的血管内血液密度信息、血管机器人属性信息、导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

通过第一前进控制信息控制血管机器人前进之后还包括：

实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息；

根据机器人导航路径信息判断血管机器人是否达到预设虚拟位置，在达到预设虚拟位置时，根据CT扫描结果对预设位置进行校验，在校验通过时，确定血管机器人达到预设位置。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

所述根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息之后还包括：

根据三维血管股价网络图像以及导航坐标信息，对机器人的行驶轨迹进行分段，并设置各个分段的时间阈值切片信息。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

对机器人的行驶轨迹进行分段，并设置各个分段的时间阈值切片信息之后，还包括：

根据三维血管骨架网络图像中血管管径、路径分叉信息，分别设置各个分段的时间阈值切片信息的速度阈值信息。

在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

所述实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值之前，还包括：

判断机器人在当前分段的速度是否大于对应的速度阈值信息，在大于时，对第一前进控制信息进行调整得到修正后的第一前进控制信息；相应地，

继续执行实时获取血管机器人传回的压力力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对修正后第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息；

在小于或小于对应的速度阈值信息时，继续执行实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息。

有益技术效果：本发明相对于现有技术，能够实现：通过基于三维血管网络图像来生成血管机器人导航路径信息，使得血管机器人的控制信息可能精确控制血管机器人的移动速度、位置；并且通过设置血管机器人传回的压力信息是否超过预设的报警阈值，使得血管机器人在运行时不至于压力过大而对血管管壁造成伤害；并且，本发明不同于一般不通过导管来控制机器人的定位的方式，本发明通过机器人导航路径信息判断血管机器人是否达到预设虚拟位置，在达到预设虚拟位置时，根据CT扫描结果对预设位置进行校验，在校验通过时，确定血管机器人达到预设位置，保障了机器人能够达到所需的位置；并且通过将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数，来进一步反馈优化获取的参数，使得后续的控制更优化、精确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于双向反馈的血管机器人的控制方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明实施例中，一种基于双向反馈的血管机器人的控制方法，其包括如下步骤：

预先获取机器人导航路径信息；

可选地，

所述预先获取机器人导航路径信息包括：获得CT扫描获得的原始血管图像信息，并将原始血管图像信息绘制成三维血管骨架网络图像；根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息。

可选地，

所述根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息之后还包括：

根据三维血管股价网络图像以及导航坐标信息，对机器人的行驶轨迹进行分段，并设置各个分段的时间阈值切片信息。

在本发明实施例中，三维血管骨架网络图像包括了血管的管径、血管交叉信息、血管内部的曲率信息。所述血管交叉信息是指血管进行分叉，一般来说是一分为二，在遇到分叉时，一般血管的管径、曲率信息会发生变化。

可选地，根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息包括建立三维血管骨架的虚拟坐标系，虚拟坐标系建立方式如下：

选择管面上中心为原点，通过管面半径和原点生成平移向量，并且根据平移向量和沿截面法线向量旋转度获得初始点坐标，并以此类推获得管面上各个点坐标的数据集合A；

并另选一管面中心为另一原点，通过上述方式生成数据集合B；通过数据集合A、数据集合B生成预设血管距离段。

确定相邻预设血管距离段之间的夹角θ，并生成如下表示位置坐标的如下表达式：

其中x、y、z分别为三维坐标系对应三个方向轴；l为预设血管距离段的长度，

为x轴方向的方位角度的变化。通过上述表达式，能够使得机器人导航控制指标数字化，更好地服务于机器人导航。

通过上述表达式，不但可以通过计算获得机器人在血管中的位置信息，还可以通过角度的变化，获得血管管径、曲率变化信息，是否发生了路径的分叉。管面是指血管截面，原点是该截面对应的圆心位置。

可选地，

对机器人的行驶轨迹进行分段，并设置各个分段的时间阈值切片信息之后，还包括：

根据三维血管骨架网络图像中血管管径、路径分叉信息，分别设置各个分段的时间阈值切片信息的速度阈值信息。

具体包括，重构坐标表达式，将三维血管骨架网络划分为平直段、变化段、弯曲段、交叉段、复合段，所述平直段是指血管的管径变化未超过预设值的一段血管；变化段是指血管的管径变化超过预设值的一段血管；弯曲段是指血管的弯曲超过预设值的一段血管；交叉段是指血管出现路径分叉的一段血管；复合段是指包括了管径、弯曲、交叉中两种或两种以上变化的一段血管。

根据划分的平直段、变化段、弯曲段、交叉段、复合段，分别设置各个分段的时间阈值切片信息的速度阈值信息，其目的在于精确控制机器人在血管的运动方向、速度信息，其原因在于管径、弯曲、交叉等发生变化时，机器人传回的压力信息不一定能够完整的反映机器人在血管中造成的实际的压力，比如传感器与血管内壁的接触面、接触角度发生了变化，其值就不能真实反映压力，从最大可能上避免血管造成伤害。

根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息；

可选地，

根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息包括：

根据获取的血管内血液密度信息、血管机器人属性信息、导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息。

本步骤的意义在于，考虑到了血液密度信息对机器人前进造成的影响，以及机器人的大小、形状、传感器所测量的机器人与血管接触面的位置，使得前进控制信息能够更精准控制机器人前进方向。

可选地，初始血管机器人前进控制信息如下：

其中c为血液阻滞系数，ρ为血液密度信息，v为机器人相对于血液流动的速度信息，A为及机器人前进断面与血液的接触面积信息，m为机器人的质量信息，f(t)为基于时间的补偿系数。

通过控制初始血管机器人前进控制信息中加速度信息，可以准确控制机器人的速度。

将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数；

根据获取的位置离散化模型参数以及已知参数重新生成血管机器人第一前进控制信息，通过第一前进控制信息控制血管机器人前进。

可选地，

通过第一前进控制信息控制血管机器人前进之后还包括：

实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息。

可选地，可以设置撤回控制信息，用于在血管机器人传回的压力信息超过第二报警阈值时，对机器人实行撤回操作，所述第二报警阈值大于第一报警阈值，避免因为压力值报警影响本次操作的完整执行，可以在超过第二报警阈值时先行撤回，在确认安全且调整控制信息后，继续执行后续操作。

可选地，

所述实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值之前，还包括：

判断机器人在当前分段的速度是否大于对应的速度阈值信息，在大于时，对第一前进控制信息进行调整得到修正后的第一前进控制信息；相应地，

继续执行实时获取血管机器人传回的压力力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对修正后第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息；

在小于或小于对应的速度阈值信息时，继续执行实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息。

根据机器人导航路径信息判断血管机器人是否达到预设虚拟位置，在达到预设虚拟位置时，根据CT扫描结果对预设位置进行校验，在校验通过时，确定血管机器人达到预设位置。

本步骤的意义在于，通过计算获得的机器人位置的信息相对于实际位置信息可能存在偏差，通过根据CT扫描结果对预设位置进行校验，可以使得血管机器人达到预设位置更为准确，并且本发明与现有技术不同的是，在被操作对象端(比如动物)不需要一直处于辐射状态，仅在最后进行校验时接受CT扫描即可，大大降低了接受辐射量。

值得注意的是，本发明实施例提供的基于双向反馈的血管机器人的控制方法或者系统，并非一种疾病的诊断或者治疗方法，仅仅是对血管机器人在血管中运行的一种基于计算机系统的控制方式。比如本发明实施例的方法可以用于科研过程中，对动物血管中血液流动的分析，对动物血管中结构的分析等等。

可选地，在本发明所述的双向反馈的血管机器人的控制方法中，

所述将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数包括：

建立已知参数有效性模型：

σ_i(k)＝w_0,i+w_1,iη₁(k)+...+w_n,iη_n(k)，其中，w_j,i(j＝0,1,...n)为第i个有效性模型的估计值；η_i表示参数输入，k为阻滞系数，代表所有未知参数的阻滞效果；

该有效性模型可以为线性回归模型。

根据建立的已知参数有效性模型，获得加权得到的未知离散化参数：

其中r为导航路径变化值加权输出；Ω_i(η_i,σ_i)为第i个权重函数，σ_i为标准差；

根据预设模型对未知离散化参数进行筛选。可选地，所述预设模型可以为通过回归分析法来判断估计过程收敛，对未知离散化参数进行筛选获得最终需要确定的未知参数。

有益技术效果：本发明相对于现有技术，能够实现：通过基于三维血管网络图像来生成血管机器人导航路径信息，使得血管机器人的控制信息可能精确控制血管机器人的移动速度、位置；并且通过设置血管机器人传回的压力信息是否超过预设的报警阈值，使得血管机器人在运行时不至于压力过大而对血管管壁造成伤害；并且，本发明不同于一般不通过导管来控制机器人的定位的方式，本发明通过机器人导航路径信息判断血管机器人是否达到预设虚拟位置，在达到预设虚拟位置时，根据CT扫描结果对预设位置进行校验，在校验通过时，确定血管机器人达到预设位置，保障了机器人能够达到所需的位置；并且通过将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数，来进一步反馈优化获取的参数，使得后续的控制更优化、精确。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

预先获取机器人导航路径信息；

根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息；

将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数；

根据获取的位置离散化模型参数以及已知参数重新生成血管机器人第一前进控制信息，通过第一前进控制信息控制血管机器人前进。

2.如权利要求1所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

所述将获取的已知参数、初始血管机器人控制前进信息作为输入，将机器人导航路径变化信息作为输出，获取未知离散化模型参数包括：

建立已知参数有效性模型：

σ_i(k)＝w_0,i+w_1,iη₁(k)+...+w_n,iη_n(k)，其中，w_j,i(j＝0,1,...n)为第i个有效性模型的估计值；η_i表示参数输入；k为阻滞系数；

根据建立的已知参数有效性模型，获得加权得到的未知离散化参数：

其中r为导航路径变化值加权输出；Ω_i(η_i,σ_i)为第i个权重函数，σ_i为标准差；

根据预设模型对未知离散化参数进行筛选。

3.如权利要求1所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

所述预先获取机器人导航路径信息包括：获得CT扫描获得的原始血管图像信息，并将原始血管图像信息绘制成三维血管骨架网络图像；根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息。

4.如权利要求1所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

根据导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息包括：

根据获取的血管内血液密度信息、血管机器人属性信息、导航路径信息生成初始血管机器人前进控制信息。

5.如权利要求1所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

通过第一前进控制信息控制血管机器人前进之后还包括：

实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息；

根据机器人导航路径信息判断血管机器人是否达到预设虚拟位置，在达到预设虚拟位置时，根据CT扫描结果对预设位置进行校验，在校验通过时，确定血管机器人达到预设位置。

6.如权利要求4所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

所述根据三维血管骨架网络图像生成机器人导航路径信息之后还包括：

根据三维血管股价网络图像以及导航坐标信息，对机器人的行驶轨迹进行分段，并设置各个分段的时间阈值切片信息。

7.如权利要求6所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

对机器人的行驶轨迹进行分段，并设置各个分段的时间阈值切片信息之后，还包括：

根据三维血管骨架网络图像中血管管径、路径分叉信息，分别设置各个分段的时间阈值切片信息的速度阈值信息。

8.如权利要求5所述的双向反馈的血管机器人的控制方法，其特征在于，

所述实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值之前，还包括：

判断机器人在当前分段的速度是否大于对应的速度阈值信息，在大于时，对第一前进控制信息进行调整得到修正后的第一前进控制信息；相应地，

继续执行实时获取血管机器人传回的压力力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对修正后第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息；

在小于或小于对应的速度阈值信息时，继续执行实时获取血管机器人传回的压力信息，判断压力信息是否超过第一报警阈值，在超过第一报警阈值时，对第一前进控制信息进行调整得到第二前进控制信息。

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