CN112641515B - 用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，包括导管、形状传感光纤、光纤光珊解调仪、机器人平台、致动器、微控制器、具有用户界面的计算机工作站以及使用神经网络的控制系统；致动器用于操纵导管沿纵向运动、导管尖端部旋转和偏转运动；导管内沿纵向设置有形状感应光纤，形状感应光纤用于传感导管形状，并将导管形状信号传输到控制系统；神经网络用于接收导管形状信号。本发明依据导管形状与导管非线性动态之间存在的关系，利用当前的光纤技术作支撑，实现提供导管实时的形状感测反馈。因此，可以使用处理形状传感数据的机器人导管控制系统来更好地控制导管，实现对微创机器人导管的精确、稳定和自动化的控制。

Description

用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统

技术领域

本发明涉及机器人导管系统，尤其是涉及用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统。

背景技术

目前，微创导管用于诊断或治疗，可通过静脉或动脉进入人体。在大多数手动导管中，导管尖端部（远端）的运动（推动、拉动、偏转或旋转）可以通过导管医师在导管手柄（导管近端）操作实现。导管的设计可具有一根或多根转向线（拉线），其允许导管尖端部根据每一根拉线在任一个方向上偏转。手动导管的缺点是难以通过手柄操纵导管的尖端部运动，导致对使用导管进行微创手术的培训可能需要花费数年时间。此外，在防止X射线辐射的过程中，要求导管医师佩戴很重的铅围裙；铅围裙的沉重通常会导致医师遭受慢性背部伤害，并且也无法覆盖医师身体的某些部位，例如头部。

当前，存在不同类型的成像系统用于手术期间观察患者体内的导管。最常见的是荧光透视法用于导管手术，其中X射线用于观察在血管内发射的荧光染料。在许多导管设计中，传感器被嵌入导管尖端部以提供额外的反馈。位置传感器可以嵌入导管中，以提供实时跟踪导管的位置和运动的信息。接触力传感器也可以嵌入导管尖端部中，以向需要尖端与组织壁接触的导管提供接触力反馈，例如在心脏消融手术中。

在导管控制方面，当前存在机器人导管系统，医师可以在该机器人导管系统中从远程工作站进行手术，以改善手术过程。机器人导管系统的潜在好处包括减少操作时间、改善治疗或诊断功效以及改善导管的可控性。但是由于长的软体具有高度非线性的动态特性，因此在机器人导管系统中，准确、直观和自动控制仍然是一个问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，实现对微创机器人导管的精确、稳定和自动化控制。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，包括导管、形状传感光纤、光纤光珊解调仪、机器人平台、致动器、微控制器、具有用户界面的计算机工作站以及使用神经网络的控制系统；所述致动器用于操纵所述导管沿纵向运动、导管尖端部旋转和偏转运动；导管内沿纵向设置有至少一根所述形状感应光纤，形状感应光纤用于传感导管形状，并将所述导管形状信号传输到所述控制系统；所述神经网络用于接收导管形状信号，神经网络的输入特征包含以下一项或多项特征：导管形状、导管状态、导管尖端部的目标位置坐标、导管尖端部当前位置与所述目标位置坐标之间的误差、导管尖端部当前旋转角度与目标旋转角度之间的误差、控制器的输出、血管系统的形状先验、预先计划的导航路线、所需的操作任务、温度、血管结构的图像分割、导管尖端部接触力传感反馈信号，以及电极或阻抗反馈信号。

优选地，所述神经网络用于自动化诊断或治疗导管手术任务；所述导管手术任务包括：导管插入、导管尖端部控制、导管尖端部移动到预定目标位置、消融、血管成形术、血管造影、心脏活检、通过导管中的针头注入液体、右心导管检查、心脏缺陷修复、瓣膜成形术、瓣膜置换、内部可视化或标测、旋切术和血栓切除术；并通过训练神经网络来完成导管运动的决策，实现外科手术任务的自动化；所述训练神经网络采用深度强化学习模型（DeepQ Learning）、深度学习模型或循环神经网络模型。

优选地，训练后的所述神经网络用于动态调整所述控制系统的参数，包括神经模糊控制器或神经PID控制器。

优选地，训练后的所述神经网络用于动态地调整被控对象模型的参数。

优选地，端到端的所述深度学习模型用于控制机器人系统。

优选地，所述导管尖端部设置有标测电极、消融电极、相控超声阵列、接触力传感器、嵌入式磁体或/和针；所述标测电极，用于检测心脏组织的物理或电特性；所述消融电极，用于在消融手术期间在心脏组织内产生损伤；所述相控超声阵列，用于检测心脏组织的各种特性；所述接触力传感器，用于在导管尖端部与血管壁碰撞时提供接触力反馈；所述嵌入式磁体，用于电磁位置感测；所述针，用于将治疗溶液注入心脏组织。

优选地，所述致动器包括：压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩材料、形状记忆聚合物、电活性聚合物、双组分纤维、电流变或磁流变流体。

优选地，所述导管尖端部的偏转运动通过一根或多根转向线操作，所述的转向线附接到导管尖端部，由所述致动器控制。

优选地，所述形状传感光纤由光纤体和沿纵向间隔布置在所述光纤体内的多个光栅组成。

优选地，位于所述导管尖端部的所述光栅布置密度大于位于导管其他位置处的光栅布置密度。

本发明依据导管形状与导管非线性动态之间存在的关系，利用当前的光纤技术作支撑，实现提供导管实时的形状感测反馈。因此，可以使用处理形状传感数据的机器人导管控制系统来更好地控制导管，实现对微创机器人导管的精确、稳定和自动化的控制。

附图说明

图1是本发明所述机器人微创手术导管系统的示意图；图中示出了具有嵌入式形状传感光纤的导管4、光纤光珊解调仪10、机器人致动器9、转向线7、微控制器11和计算机工作站12。

图2a是本发明所述导管沿纵向轴线未偏转状态示意图；图中示出了导管尖端部5（远端部）沿纵向轴线伸缩状态。

图2b是本发明所述导管尖端部5发生偏转或旋转状态示意图。

图3是本发明所述导管4固定于手术台上的示意图。

图4是本发明具有多个所述光栅3的形状传感光纤8的示意图。

图5a是本发明包含神经网络控制系统的实施例框图，该神经网络将多个反馈信号作为输入特征并动态输出最佳参数以调整控制器。

图5b是本发明显示一个附加的神经网络实施例框图，该网络可以决定如何移动以完成外科手术任务。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，包括导管4、形状传感光纤8、光纤光珊解调仪10、机器人平台、致动器9、微控制器11、具有用户界面的计算机工作站12以及使用神经网络的控制系统。

图2a示出了未偏转状态导管4的尖端部5沿纵向轴线伸缩状态。

图2b示出了导管4的尖端部5偏转或旋转状态。

导管4的近端部可以附接到支撑基座或手柄6上，致动器9用于操纵导管4沿纵向轴线平移运动及操纵导管尖端部5（远端部）的旋转和偏转运动。

如图1所示，本发明机器人微创手术导管系统的主要部件，包含导管4、形状传感光纤8、光纤光珊解调仪10、三个机器人致动器9、一根转向线7、一个微控制器11以及一个远程计算机工作站12；形状传感光纤8反馈信号通过光纤光珊解调仪10发送到远程计算机工作站12；每个致动器9分别连接到微控制器11，微控制器11用于从计算机工作站12接收用户信息和控制信息对各致动器9进行控制，并将来自各致动器9的反馈信息发送到计算机工作站12。

导管4的尖端部5用于执行各种医学治疗或诊断程序；在一个实施例中，导管尖端部5可以包括一个或多个标测电极，其可以例如用于检测心脏组织的物理或电特性；在一实施例中，尖端部5可包括一个或多个消融电极，其可例如用于在消融手术期间在心脏组织内产生损伤；在一个实施例中，尖端部5可以包括相控超声阵列，其可以例如用于检测心脏组织的各种特性；在一个实施例中，导管尖端部5可以包括针，该针可以例如用于将治疗溶液注入心脏组织；在一个实施例中，导管尖端部5可以包括接触力传感器，该接触力传感器可以例如在导管尖端部5与血管壁碰撞时提供接触力反馈信息；在一个实施例中，导管尖端部5可以包括用于电磁定位感测的嵌入式磁体。此外，本发明不限于特定的导管尖端部5设计，并且导管尖端部5可以包含一个或多个前述特征；来自前述特征的附加传感器信息也可以用作控制系统的反馈信息。

在一个实施例中，导管4的纵向平移、偏转或旋转的每个运动，由一个或多个致动器9控制；在一个实施例中，导管尖端部5的定向通过磁场来控制，以定向导管尖端部5内的嵌入式磁体；在一个实施例中，导管4由软体或智能材料制成的致动器9进行操纵，例如压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩材料、形状记忆聚合物、电活性聚合物、双组分纤维、电流变或磁流变流体。此外，本发明不限于特定的致动方式，并且本发明的实施例可以包括一个或多个前述特征的各种组合。

如图3所示，机器人平台13附接到可调节机械臂15上，该机械臂15固定在夹具14上，夹具又固定在手术台1上。机器人平台13包含可以在近端控制导管4的致动器9；导管4可以固定在机器人平台13的顶面上，在该平台13上，手柄6通过设置于平台13内部的致动器9向前和向后滑动；在一个实施例中，导管手柄6可以被组装到配置成与机器人平台13对接的一次性药筒上，致动器9与设置在电控箱2内的微控制器11连接。

如图4所示，是具有多个光栅3的形状传感光纤8和光纤光珊解调仪10的实施例；在此实施例中，形状传感光纤8由光纤体和沿纵向间隔布置在光纤体内的多个光栅3组成；布置在光纤体内位于导管尖端部5的光栅3密度大于位于导管4其他位置处的光栅3布置密度；在光纤体内位于靠近光纤光珊解调仪10位置处设置一个参考光栅3.1，参考光栅3.1用于将其固定在非移动平台上以确定导管4的平移运动；此外，形状传感光纤8的结构不限于一种光纤类型或一种光栅3布置。

如图5a所示，神经网络用于处理来自形状传感光纤8的形状传感反馈；在一个实施例中，使用端到端深度学习模型来提供对导管尖端部5位置的精确和稳定的控制。在一个实施例中，神经网络可以用于动态地调节控制器的参数；导管尖端部5位置的反馈用于确定当前位置与目标位置之间的误差e；在一个实施例中，导管尖端部5方向的反馈用于确定当前旋转角度与目标旋转角度之间的误差；在图5a的实施例中，导管状态和形状传感反馈、控制器的输出u、用户输入和误差e用作神经网络的输入特征；可以使用根据第一原理、系统识别或线性化的方法来创建被控对象模型；PID控制器、神经PID控制器、模糊逻辑控制器或者神经模糊控制器可以用作控制器模型。

如图5b所示，在一个实施例中，可以使用附加神经网络来做出决定以自动控制机器人以执行导管手术任务；导管手术任务包括自动导管插入、导管尖端部控制、将导管尖端部移动到目标位置、消融、血管成形术、血管造影、心脏活检、通过导管尖端部中的针头注射液体、右心导管插管、心脏缺损修复、瓣膜成形术、瓣膜置换术、内部可视化或绘图，动脉切除术和血栓切除术。此外，导管手术任务不限于一种类型的动作，本发明的实施例可以包括自动执行任何导管手术任务的系统。在一个实施例中，附加神经网络被训练成具有避免导管和血管壁之间过度碰撞的安全特性；在一个实施例中，附加神经网络只用于对手术操作做出决定，而不用于调整控制器的参数。此外，控制器、被控对象模型和控制系统类型不限于一种类型或配置，并且本发明的实施例可以包括使用神经网络来处理形状传感反馈的各种类型的控制系统。

神经网络、附加神经网络的输入特征包括形状传感光纤8反馈、导管4状态、导管尖端部5的目标坐标、误差e、控制器的输出u、血管系统的形状先验、预先计划的导航路线、所需的操作任务、温度、血管结构的图像分割、导管4的状态、致动器9状态，接触力传感反馈以及电极或阻抗反馈。导管状态可以包括导管4是处于张力还是压缩的情况、偏转的情况、旋转的情况以及导管4沿主动脉弓的距离。导管状态的数值可以归一化为零到一之间的范围，例如，未偏转的导管尖端部5的值为零，而完全偏转的导管尖端部5的值为一。此外，神经网络不限于输入特征，并且本发明的实施例可以包括一个或多个前述输入特征。

本发明可以使用计算机模拟或物理模型通过重复的随机运动来训练神经网络、附加神经网络，为每个模拟或运动收集数据；其中包括先前所述的神经网络输入和输出特征；可以使用系统识别和自动调整方法自动生成每个数据集的被控对象模型或PID控制器的参数值。在一个实施例中，一旦收集到足够的数据，就可以使用具有反向传播的监督学习方法来训练神经网络、附加神经网络。在一个实施例中，使用具有适应度函数的遗传算法来执行控制器的训练。在一个实施例中，可以使用Q深度学习、加强深度学习或递归神经网络来训练用于自动决策的附加神经网络。在一个实施例中，可以使用Q深度学习、加强深度学习或循环神经网络来训练端到端深度学习模型。此外，用于神经网络的训练方法不限于一种方法。

Claims (10)

1.一种用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：包括导管、形状传感光纤、光纤光珊解调仪、机器人平台、致动器、微控制器、具有用户界面的计算机工作站以及使用神经网络的控制系统；所述致动器用于操纵所述导管沿纵向运动、导管尖端部旋转和偏转运动；导管内沿纵向设置有至少一根所述形状传感光纤，形状传感光纤用于传感导管形状，并将所述导管形状信号传输到所述控制系统；所述神经网络用于接收导管形状信号，神经网络的输入特征包含以下一项或多项特征：导管形状、导管状态、导管尖端部的目标位置坐标、导管尖端部当前位置与所述目标位置坐标之间的误差、导管尖端部当前旋转角度与目标旋转角度之间的误差、控制器的输出、血管系统的形状先验、预先计划的导航路线、所需的操作任务、温度、血管结构的图像分割、导管尖端部接触力传感反馈信号，以及电极或阻抗反馈信号。

2.根据权利要求1所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：所述神经网络用于自动化诊断或治疗导管手术任务；所述导管手术任务包括：导管插入、导管尖端部控制、导管尖端部移动到预定目标位置、消融、血管成形术、血管造影、心脏活检、通过导管中的针头注入液体、右心导管检查、心脏缺陷修复、瓣膜成形术、瓣膜置换、内部可视化或标测、旋切术和血栓切除术；并通过训练神经网络来完成导管运动的决策，实现外科手术任务的自动化；所述训练神经网络采用深度强化学习模型、深度学习模型。

3.根据权利要求2所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：训练后的所述神经网络用于动态调整所述控制系统的参数，包括神经模糊控制器或神经PID控制器。

4.根据权利要求2所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：训练后的所述神经网络用于动态地调整被控对象模型的参数。

5.根据权利要求2所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：端到端的所述深度学习模型用于控制机器人系统。

6.根据权利要求1或2所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：所述导管尖端部设置有标测电极、消融电极、相控超声阵列、接触力传感器、嵌入式磁体或/和针；所述标测电极，用于检测心脏组织的物理或电特性；所述消融电极，用于在消融手术期间在心脏组织内产生损伤；所述相控超声阵列，用于检测心脏组织的各种特性；所述接触力传感器，用于在导管尖端部与血管壁碰撞时提供接触力反馈；所述嵌入式磁体，用于电磁位置感测；所述针，用于将治疗溶液注入心脏组织。

7.根据权利要求1所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：所述致动器包括：压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩材料、形状记忆聚合物、电活性聚合物、双组分纤维、电流变或磁流变流体。

8.根据权利要求1所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：所述导管尖端部的偏转运动通过一根或多根转向线操作，所述的转向线附接到导管尖端部，由所述致动器控制。

9.根据权利要求1所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：所述形状传感光纤由光纤体和沿纵向间隔布置在所述光纤体内的多个光栅组成。

10.根据权利要求9所述用于诊断或治疗的机器人微创手术导管系统，其特征在于：位于所述导管尖端部的所述光栅布置密度大于位于导管其他位置处的光栅布置密度。

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