CN113040922A - 聚焦超声手术执行机构的运动控制方法、介质、系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种聚焦超声手术执行机构的运动控制方法、存储介质、手术设备及聚焦超声手术系统，该方法、通过建立手术场景相应的虚拟障碍边界；接收操作者输入将所述治疗头从当前位置移动至目标位置的动作指令；计算所述治疗头从所述当前位置移动至所述目标位置时，所述执行机构避让所述虚拟障碍边界的执行路径，以使所述执行机构带动所述治疗头无障碍的从当前位置移动至所述目标位置。本发明通过建立虚拟障碍边界，以避让该虚拟障碍边界的方式制定执行路径，有利于减少执行机构运动过程中发生碰撞的几率，提高执行机构运动的安全性。

Description

聚焦超声手术执行机构的运动控制方法、介质、系统和设备

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及聚焦超声手术执行机构的运动控制方法、存储介质、手术设备及聚焦超声手术系统。

背景技术

常规的手术方式中，外科医生直接操作手术器械来进行手术，随着医疗水平的发展，已出现了一种手术系统，该手术系统中，外科医生在主控制台处遥控执行机构进行手术动作。

传统的聚焦超声手术系统中，执行机构自由度不够高，使得末端执行器的在自由度受限的情况下其移动的路径是受限的，现有一些手术系统中，执行机构的自由度足够高，使末端执行器能够以任意路径进行移动，若将这种利用主控台控制执行机构的方式和这种自由度足够高的执行机构都直接应用在有聚焦超声手术设备中，可能存在执行机构与其他设备或装置发生碰撞的情况。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种聚焦超声手术执行机构的运动控制方法、存储介质、手术设备及聚焦超声手术系统，以减少执行机构运动过程中发生碰撞的可能性，提高执行机构运动的安全性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，所述执行机构的末端设置有治疗头，所述方法包括：

建立手术场景相应的虚拟障碍边界；

接收操作者输入的动作指令，所述动作指令包括将所述治疗头从当前位置移动至目标位置；

计算所述治疗头从所述当前位置移动至所述目标位置时，所述执行机构避让所述虚拟障碍边界的执行路径，以使所述执行机构带动所述治疗头无障碍的从当前位置移动至所述目标位置。

可选的，建立手术场景相应的虚拟障碍边界的方法包括：

建立虚拟初始障碍边界；

建立手术场景中的虚拟液体边界，

在所述虚拟初始障碍边界所围成的空间中排除所述虚拟液体边界所围成的空间，以形成所述虚拟障碍边界。

可选的，建立手术场景中虚拟液体边界的方法还包括：

建立虚拟初始液体边界：

建立被手术患者的虚拟人体边界，

在所述虚拟液体边界所围成的空间中排除所述虚拟初始液体边界所围成的空间，以形成所述虚拟液体边界。

可选的，当操作者输入的所述动作指令未指定所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的路径时，采用第一避让算法计算所述执行路径，所述第一避让算法包括：

根据所述执行机构的数学模型，确定所述治疗头从当前位置移动至目标位置的最短直线路径，并建立所述治疗头以所述最短直线路径移动时，所述执行机构相应的第一虚拟运动轮廓边界；

判断所述最短直线路径对应的所述第一虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则所述最短直线路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动第二避让算法计算所述执行路径。

可选的，当操作者输入的所述动作指令指定了所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的指定路径时，采用第三避让算法计算所述执行路径，所述第三避让算法包括：

根据所述执行机构的数学模型，建立所述治疗头以所述指定路径移动时，所述执行机构相应的第二虚拟运动轮廓边界；

判断所述第二虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则以所述指定路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动所述第一避让算法计算执行路径。

可选的，所述第二避让算法包括：

将当前位置和目标位置的连线所在的方向定义为受限方向，将垂直于所述受限方向且经过所述当前位置的平面定义为治疗头的安全运动平面，

计算所述治疗头在所述安全运动平面内的安全运动区域；

预设所述治疗头在所述安全运动区域内的平面移动路径；

虚拟或现实的以所述平面路径移动所述治疗头，将所述治疗头在所述平面移动路径上的位置定义为过渡位置；

计算所述治疗头从当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的第三虚拟运动轮廓边界是否与所述虚拟障碍边界有无重叠；

若无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置移动至所述转向位置，再从所述转向位置以最短直线路径移动至所述目标位置；

若有重叠，继续以所述平面路径移动治疗头，直至当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的所述第三虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置移动至所述转向位置，再从所述转向位置以最短直线路径移动至所述目标位置。

一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一种所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法。

一种手术设备，其特征在于：包括处理器及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述系统执行上述任一种所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法。

一种系统，该系统用于实施聚焦超声手术执行机构的运动控制，所述系统包括执行机构，所述执行机构的末端设置有治疗头，所述系统还包括：

障碍边界识别组件，其用于采集手术场景中的障碍边界数据，以建立虚拟障碍边界；

动作指令输入装置，所述动作指令输入装置用于供操作者输入的动作指令，所述动作指令包括将所述治疗头从当前位置移动至目标位置；

处理器，其用于计算所述治疗头从所述当前位置移动至所述目标位置时，所述执行机构避让所述虚拟障碍边界的执行路径，以使所述执行机构带动所述治疗头无障碍的从当前位置移动至所述目标位置。

可选的，所述障碍边界识别组件包括：

整体场景边界识别组件，其用于根据手术场景识别手术场景中的障碍物，以建立虚拟初始障碍边界；

液体边界识别组件，其用于识别手术场景中的液体，以建立虚拟液体边界；

其中，所述虚拟初始障碍边界所围成的空间排除所述虚拟液体边界所围成的空间后，形成所述虚拟障碍边界。

可选的，所述液体边界识别组件包括：

液体边界识别传感器，其用于在手术场景中识别液体，以形成虚拟初始液体边界；

人体边界识别传感器，其用于在手术场景中识别人体，以形成人体虚拟人体边界；

其中，所述虚拟初始液体边界所围成的空间排除所述人体虚拟边界所围成的空间后，形成所述虚拟液体边界。

可选的，所述计算单元包括第一避让路径计算单元和第二避让路径计算单元，

当操作者输入的所述动作指令未指定所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的路径时，采用所述第一避让路径计算单元计算所述执行路径，所述第一避让路径计算单元被配置为：

根据所述执行机构的数学模型，确定所述治疗头从当前位置移动至目标位置的最短直线路径，并建立所述治疗头以所述最短直线路径移动时，所述执行机构相应的第一虚拟运动轮廓边界；

判断所述最短直线路径对应的所述第一虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则所述最短直线路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动第二避让路径计算单元计算所述执行路径。

可选的，所述计算单元还包括第三避让路径计算单元，当所述动作指令指定了所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的路径时，采用所述第三避让路径计算单元计算所述执行路径，所述第三避让路径单元被配置为：

根据所述执行机构的数学模型，建立所述治疗头以所述指定路径移动时，所述执行机构相应的第二虚拟运动轮廓边界；

判断所述第二虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则以所述指定路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动所述第一避让路径计算单元计算所述执行路径。

可选的，所述第二避让路径计算单元被配置为：

将当前位置和目标位置的连线所在的方向定义为受限方向，将垂直于所述受限方向且经过所述当前位置的平面定义为治疗头的安全运动平面，

计算所述治疗头在所述安全运动平面内的安全运动区域；

预设所述治疗头在所述安全运动区域内的平面移动路径；

虚拟或现实的以所述平面路径移动所述治疗头，将所述治疗头在所述平面移动路径上的位置定义为过渡位置；

计算所述治疗头从当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的第三虚拟运动轮廓边界是否与所述虚拟障碍边界有无重叠；

若无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置移动至所述转向位置，再从所述转向位置以最短直线路径移动至所述目标位置；

若有重叠，继续以所述平面路径移动治疗头，直至当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的所述第三虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界无重叠，确定相应的所述执行路径。

本发明通过建立虚拟障碍边界，以避让该虚拟障碍边界的方式制定执行路径，有利于减少执行机构运动过程中发生碰撞的几率，提高执行机构运动的安全性。

附图说明

图1显示为本发明的聚焦超声手术系统的原理框图；

图2显示为动作指令输入装置的一示例性的结构示意图；

图3显示为治疗头从当前位置到目标位置的最短直线路径的示意图；

图4显示为治疗头从当前位置到目标位置的指定路径的一示例性的示意图；

图5显示为通过本发明中第三避让路径计算单元或第三避让算法所计算的执行路径的一示例性的示意图；

图6显示为确定执行路径的原理图；

实施例中附图标记说明包括：

动作指令输入装置100、基座110、握持部120、操作响应机构130、连杆131、关节132；

处理器200、第一避让路径计算单元210、第二避让路径计算单元220、第三避让路径计算单元230；

执行机构300、治疗头310；

障碍边界识别组件400、整体场景边界识别组件410、液体边界识别组件420、液体边界识别传感器421、人体边界识别传感器422；

当前位置A、目标位置B、转向位置C、虚拟障碍边界D、第一虚拟运动轮廓边界E、第二虚拟运动轮廓边界F、第三虚拟运动轮廓边界G、安全运动平面H、最短直线路径I、指定路径J。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，自始至终相同附图标记表示相同的组件。

本发明还提供一种聚焦超声手术系统，结合参见图1至图6，该系统用于实施聚焦超声手术执行机构300的运动控制，所述系统包括执行机构300，所述执行机构300的末端设置有治疗头310，所述系统还包括：

障碍边界识别组件400，其用于采集手术场景中的障碍边界数据，以建立虚拟障碍边界D；

动作指令输入装置100，所述动作指令输入装置100用于供操作者输入的动作指令，所述动作指令包括将所述治疗头310从当前位置A移动至目标位置B；

处理器200，其用于计算所述治疗头310从所述当前位置A移动至所述目标位置B时，所述执行机构300避让所述虚拟障碍边界D的执行路径，以使所述执行机构300带动所述治疗头310无障碍的从当前位置A移动至所述目标位置B。

本发明通过建立虚拟障碍边界D，以避让该虚拟障碍边界D的方式制定执行路径，有利于减少执行机构300运动过程中发生碰撞的几率，提高执行机构300运动的安全性。

在实际实施过程中，该系统中设置有控制台，动作指令输入装置100可以设置在该控制台处，若设置有多个控制台，可以在一个控制台处设置该动作指令输入装置100，也可以在多个控制台处均设置该动作指令输入装置100。

在一些实施例中，所述障碍边界识别组件400包括：

整体场景边界识别组件410，其用于根据手术场景识别手术场景中的障碍物，以建立虚拟初始障碍边界；

液体边界识别组件420，其用于识别手术场景中的液体，以建立虚拟液体边界；

其中，所述虚拟初始障碍边界所围成的空间排除所述虚拟液体边界所围成的空间后，形成所述虚拟障碍边界D。

此处的液体可以为水或其他适用于超声波手术的液体，在超声波手术中利用这些液体来实现人体冷却，将该虚拟液体边界排除在虚拟障碍边界D外，治疗头310可以进入水中或穿过水中，不仅治疗头310活动的可运动区域更大，且治疗头310埋入水中对患者进行聚焦超声治疗，更有利于降低患者被手术位置的温度，减少灼伤。

该整体场景识别组件可以包括设置在手术场景周围的摄像头、或者传感器等，通过将采集的数据进行处理后建立虚拟初始障碍边界，其识别的边界可能已经包含了或者未包含液体所在区域。

在一些实施例中，所述液体边界识别组件420包括：

液体边界识别传感器421，其用于在手术场景中识别液体，以形成虚拟初始液体边界；

人体边界识别传感器422，其用于在手术场景中识别人体，以形成人体虚拟人体边界；

其中，所述虚拟初始液体边界所围成的空间排除所述人体虚拟边界所围成的空间后，形成所述虚拟液体边界。

在实际实施过程中，治疗头虽然能够移动至人体表面，但是不能直接穿过人体，人体本身也应该被识别为障碍物，这种将人体边界排除在虚拟液体边界外的方式，有利于将治疗头限制在更安全的运动范围内。

在实际实施过程中，液体边界识别传感器421可以采用声纳传感器和液面传感器组合的形式，将声纳传感器放置在液体中，将液面传感器放置在手术台的液面上方，由于人体很多部位的密度和水的密度是较为接近的，声纳传感器测量的数据可能存在一定误差，且患者躺在手术台上后，液面和体表可能很难被液面传感器区分，人体边界识别传感器422可以采用人体红外传感器等进行识别，可以将人体红外传感器安装在患者周围。

在一些实施例中，所述计算单元包括第一避让路径计算单元210和第二避让路径计算单元220，

当操作者输入的所述动作指令未指定所述治疗头310从当前位置A移动至所述目标位置B的路径时，采用所述第一避让路径计算单元210计算所述执行路径，所述第一避让路径计算单元210被配置为：

根据所述执行机构300的数学模型，确定所述治疗头310从当前位置A移动至目标位置B的最短直线路径I，并建立所述治疗头310以所述最短直线路径I移动时，所述执行机构300相应的第一虚拟运动轮廓边界E；

判断所述最短直线路径I对应的所述第一虚拟运动轮廓边界E与所述虚拟障碍边界D是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则所述最短直线路径I为执行路径；

若有重叠区域，则启动第二避让路径计算单元220计算所述执行路径。

此种方式通过优先以第一避让路径计算单元210预先判断最短直线路径I是能够避让虚拟障碍边界D，使最短路径优选作为执行路径，有利于提高手术效率。

在一些实施例中，所述计算单元还包括第三避让路径计算单元230，当所述动作指令指定了所述治疗头310从当前位置A移动至所述目标位置B的指定路径J时，采用所述第三避让路径计算单元230计算所述执行路径，所述第三避让路径单元被配置为：

根据所述执行机构300的数学模型，建立所述治疗头310以所述指定路径J移动时，所述执行机构300相应的第二虚拟运动轮廓边界F；

判断所述第二虚拟运动轮廓边界F与所述虚拟障碍边界D是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则以所述指定路径J为执行路径；

若有重叠区域，则启动所述第一避让路径计算单元210计算所述执行路径。

此种方式中，执行路径的优先级排序中，将指定路径J排在最前面，其次是最短直线路径I，在这两种路径上都有障碍时，再选择其他方式进行避让。将指定路径J排在前面有利于提高操控体验，在实际实施过程中，要实现指定路径J，可以采用机械式的操控器作为动作指令输入装置100，以操控器上某一位置的轨迹对应治疗头310的轨迹，例如，操控器可以采用图2中的结构，其包括基座110、握持部120和操作响应机构130，所述握持部120用于供操作者握持并输入动力，所述操作响应机构130设置在所述基座110和所述握持部120之间并根据所述握持部120的受力响应所述握持部120进行动作，可以将握持部120或操作响应结构上的任一关节132的路径对应治疗头310的路径，通过设置传感器或在关节132处设置编码器等方式获取握持部120或者各关节132的路径。而执行机构300也可以采用这种结构，区别在于执行机构300各关节132处需要设置相应的驱动机构，执行机构300的末端设置的不是握持部120而是治疗头310。在实际实施过程中，可以利用这种操控器实现路径指定，这种操控器也能够不指定路径J操控执行机构300；当然若不指定路径J，也可以采用鼠标点选坐标、键盘输入坐标等方式实现。

图2中，操作响应机构130开链式空间连杆131机构，该开链式空间连杆131机构包括多根依次串联的连杆131，相邻两连杆131之间铰接，该连杆131机构的一端与所述基座110铰接，该连杆131机构的另一端与所述握持部120铰接，整个所述操作器中握持部120的自由度为6，使握持部120能够在其极限空间中移动至任意位置，并转动至任意角度，每个铰接位置为一个转动关节132，每个转动关节132处设置编码器。在实际实施过程中，操作响应机构130也可以采用其他结构。

在一些实施例中，所述第二避让路径计算单元220被配置为：

将当前位置A和目标位置B的连线所在的方向定义为受限方向，将垂直于所述受限方向且经过所述当前位置A的平面定义为治疗头310的安全运动平面H，

计算所述治疗头310在所述安全运动平面H内的安全运动区域；

预设所述治疗头310在所述安全运动区域内的平面移动路径；

虚拟或现实的以所述平面路径移动所述治疗头310，将所述治疗头310在所述平面移动路径上的位置定义为过渡位置；

计算所述治疗头310从当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置B时，执行机构300相应的第三虚拟运动轮廓边界G是否与所述虚拟障碍边界D有无重叠；

若无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置C，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置A移动至所述转向位置C，再从所述转向位置C以最短直线路径移动至所述目标位置B；

若有重叠，继续以所述平面路径移动治疗头310，直至当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置B时，执行机构300相应的所述第三虚拟运动轮廓边界G与所述虚拟障碍边界D无重叠，确定相应的所述执行路径。

在一些实施例中，治疗头310的外壁上周向设置传感器，比如位置传感器等，通过这些传感器获取安全运动区域。

在一些实施例中，所述治疗头310在所述安全运动平面H内的运动轨迹被设定为以所述当前位置A为中心的为阿基米德螺旋线，能够以较快的速度寻找到安全的执行路径。

本发明还提供一种聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，所述执行机构的末端设置有治疗头，所述方法包括：

建立手术场景相应的虚拟障碍边界D；

接收操作者输入的动作指令，所述动作指令包括将所述治疗头从当前位置A移动至目标位置B；

计算所述治疗头从所述当前位置A移动至所述目标位置B时，所述执行机构避让所述虚拟障碍边界D的执行路径，以使所述执行机构带动所述治疗头无障碍的从当前位置A移动至所述目标位置B。

在一些实施例中，建立手术场景相应的虚拟障碍边界D的方法包括：

建立虚拟初始障碍边界；

建立手术场景中的虚拟液体边界，

在所述虚拟初始障碍边界所围成的空间中排除所述虚拟液体边界所围成的空间，以形成所述虚拟障碍边界D。

在一些实施例中，建立手术场景中虚拟液体边界的方法还包括：

建立虚拟初始液体边界：

建立被手术患者的虚拟人体边界，

在所述虚拟液体边界所围成的空间中排除所述虚拟初始液体边界所围成的空间，以形成所述虚拟液体边界。

在一些实施例中，当操作者输入的所述动作指令未指定所述治疗头从当前位置A移动至所述目标位置B的路径时，采用第一避让算法计算所述执行路径，所述第一避让算法包括：

根据所述执行机构的数学模型，确定所述治疗头从当前位置A移动至目标位置B的最短直线路径I，并建立所述治疗头以所述最短直线路径I移动时，所述执行机构相应的第一虚拟运动轮廓边界E；

判断所述最短直线路径I对应的所述第一虚拟运动轮廓边界E与所述虚拟障碍边界D是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则所述最短直线路径I为执行路径；

若有重叠区域，则启动第二避让算法计算所述执行路径。

在一些实施例中，当操作者输入的所述动作指令指定了所述治疗头从当前位置A移动至所述目标位置B的指定路径J时，采用第三避让算法计算所述执行路径，所述第三避让算法包括：

根据所述执行机构的数学模型，建立所述治疗头以所述指定路径J移动时，所述执行机构相应的第二虚拟运动轮廓边界F；

判断所述第二虚拟运动轮廓边界F与所述虚拟障碍边界D是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则以所述指定路径J为执行路径；

若有重叠区域，则启动所述第一避让算法计算执行路径。

在一些实施例中，所述第二避让算法包括：

将当前位置A和目标位置B的连线所在的方向定义为受限方向，将垂直于所述受限方向且经过所述当前位置A的平面定义为治疗头的安全运动平面H，

计算所述治疗头在所述安全运动平面H内的安全运动区域；

预设所述治疗头在所述安全运动区域内的平面移动路径；

虚拟或现实的以所述平面路径移动所述治疗头，将所述治疗头在所述平面移动路径上的位置定义为过渡位置；

计算所述治疗头从当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置B时，执行机构相应的第三虚拟运动轮廓边界G是否与所述虚拟障碍边界D有无重叠；

若无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置C，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置A移动至所述转向位置C，再从所述转向位置C以最短直线路径移动至所述目标位置B；

若有重叠，继续以所述平面路径移动治疗头，直至当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置B时，执行机构相应的所述第三虚拟运动轮廓边界G与所述虚拟障碍边界D无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置C，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置A移动至所述转向位置C，再从所述转向位置C以最短直线路径I移动至所述目标位置B。

在一些实施例中，所述治疗头在所述安全运动平面H内的运动轨迹被设定为以所述当前位置A为中心的为阿基米德螺旋线。

本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器200执行时实现上述任一种所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法。

本发明还提供一种手术设备，其特征在于：包括处理器200及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器200用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述系统执行上述任一种所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法。

在本发明描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”＝可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

本发明的描述中，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、组件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、组件、部件和/或组的存在或添加。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，所述执行机构的末端设置有治疗头，其特征在于，包括：

建立手术场景相应的虚拟障碍边界；

接收操作者输入的动作指令，所述动作指令包括将所述治疗头从当前位置移动至目标位置；

计算所述治疗头从所述当前位置移动至所述目标位置时，所述执行机构避让所述虚拟障碍边界的执行路径，以使所述执行机构带动所述治疗头无障碍的从当前位置移动至所述目标位置。

2.根据权利要求1所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，其特征在于，建立手术场景相应的虚拟障碍边界的方法包括：

建立虚拟初始障碍边界；

建立手术场景中的虚拟液体边界，

在所述虚拟初始障碍边界所围成的空间中排除所述虚拟液体边界所围成的空间，以形成所述虚拟障碍边界。

3.根据权利要求2所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，其特征在于，建立手术场景中虚拟液体边界的方法还包括：

建立虚拟初始液体边界：

建立被手术患者的虚拟人体边界，

在所述虚拟液体边界所围成的空间中排除所述虚拟初始液体边界所围成的空间，以形成所述虚拟液体边界。

4.根据权利要求1所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，其特征在于，当操作者输入的所述动作指令未指定所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的路径时，采用第一避让算法计算所述执行路径，所述第一避让算法包括：

根据所述执行机构的数学模型，确定所述治疗头从当前位置移动至目标位置的最短直线路径，并建立所述治疗头以所述最短直线路径移动时，所述执行机构相应的第一虚拟运动轮廓边界；

判断所述最短直线路径对应的所述第一虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则所述最短直线路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动第二避让算法计算所述执行路径。

5.根据权利要求4所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，其特征在于：当操作者输入的所述动作指令指定了所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的指定路径时，采用第三避让算法计算所述执行路径，所述第三避让算法包括：

根据所述执行机构的数学模型，建立所述治疗头以所述指定路径移动时，所述执行机构相应的第二虚拟运动轮廓边界；

判断所述第二虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则以所述指定路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动所述第一避让算法计算执行路径。

6.根据权利要求4或5所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法，其特征在于：所述第二避让算法包括：

将当前位置和目标位置的连线所在的方向定义为受限方向，将垂直于所述受限方向且经过所述当前位置的平面定义为治疗头的安全运动平面，

计算所述治疗头在所述安全运动平面内的安全运动区域；

预设所述治疗头在所述安全运动区域内的平面移动路径；

虚拟或现实的以所述平面路径移动所述治疗头，将所述治疗头在所述平面移动路径上的位置定义为过渡位置；

计算所述治疗头从当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的第三虚拟运动轮廓边界是否与所述虚拟障碍边界有无重叠；

若无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置移动至所述转向位置，再从所述转向位置以最短直线路径移动至所述目标位置；

若有重叠，继续以所述平面路径移动治疗头，直至当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的所述第三虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置移动至所述转向位置，再从所述转向位置以最短直线路径移动至所述目标位置。

7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求1～6中任一项所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法。

8.一种手术设备，其特征在于：包括处理器及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述系统执行如权利要求1～6中任一项所述的聚焦超声手术执行机构的运动控制方法。

9.一种聚焦超声手术系统，该系统用于实施聚焦超声手术执行机构的运动控制，所述系统包括执行机构，所述执行机构的末端设置有治疗头，其特征在于，包括：

障碍边界识别组件，其用于采集手术场景中的障碍边界数据，以建立虚拟障碍边界；

动作指令输入装置，所述动作指令输入装置用于供操作者输入的动作指令，所述动作指令包括将所述治疗头从当前位置移动至目标位置；

处理器，其用于计算所述治疗头从所述当前位置移动至所述目标位置时，所述执行机构避让所述虚拟障碍边界的执行路径，以使所述执行机构带动所述治疗头无障碍的从当前位置移动至所述目标位置。

10.根据权利要求9所述的聚焦超声手术系统，其特征在于：所述障碍边界识别组件包括：

整体场景边界识别组件，其用于根据手术场景识别手术场景中的障碍物，以建立虚拟初始障碍边界；

液体边界识别组件，其用于识别手术场景中的液体，以建立虚拟液体边界；

其中，所述虚拟初始障碍边界所围成的空间排除所述虚拟液体边界所围成的空间后，形成所述虚拟障碍边界。

11.根据权利要求10所述的聚焦超声手术系统，其特征在于：所述液体边界识别组件包括：

液体边界识别传感器，其用于在手术场景中识别液体，以形成虚拟初始液体边界；

人体边界识别传感器，其用于在手术场景中识别人体，以形成人体虚拟人体边界；

其中，所述虚拟初始液体边界所围成的空间排除所述人体虚拟边界所围成的空间后，形成所述虚拟液体边界。

12.根据权利要求9所述的聚焦超声手术系统，其特征在于：

所述计算单元包括第一避让路径计算单元和第二避让路径计算单元，

当操作者输入的所述动作指令未指定所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的路径时，采用所述第一避让路径计算单元计算所述执行路径，所述第一避让路径计算单元被配置为：

根据所述执行机构的数学模型，确定所述治疗头从当前位置移动至目标位置的最短直线路径，并建立所述治疗头以所述最短直线路径移动时，所述执行机构相应的第一虚拟运动轮廓边界；

判断所述最短直线路径对应的所述第一虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则所述最短直线路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动第二避让路径计算单元计算所述执行路径。

13.根据权利要求12所述的聚焦超声手术系统，其特征在于：

所述计算单元还包括第三避让路径计算单元，当所述动作指令指定了所述治疗头从当前位置移动至所述目标位置的路径时，采用所述第三避让路径计算单元计算所述执行路径，所述第三避让路径单元被配置为：

根据所述执行机构的数学模型，建立所述治疗头以所述指定路径移动时，所述执行机构相应的第二虚拟运动轮廓边界；

判断所述第二虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界是否具有重叠区域；

若无重叠区域，则以所述指定路径为执行路径；

若有重叠区域，则启动所述第一避让路径计算单元计算所述执行路径。

14.根据权利要求12或13所述的聚焦超声手术系统，其特征在于：

所述第二避让路径计算单元被配置为：

将当前位置和目标位置的连线所在的方向定义为受限方向，将垂直于所述受限方向且经过所述当前位置的平面定义为治疗头的安全运动平面，

计算所述治疗头在所述安全运动平面内的安全运动区域；

预设所述治疗头在所述安全运动区域内的平面移动路径；

虚拟或现实的以所述平面路径移动所述治疗头，将所述治疗头在所述平面移动路径上的位置定义为过渡位置；

计算所述治疗头从当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的第三虚拟运动轮廓边界是否与所述虚拟障碍边界有无重叠；

若无重叠，确认相应的过渡位置为转向位置，则所述执行路径为先以所述平面移动路径从所述当前位置移动至所述转向位置，再从所述转向位置以最短直线路径移动至所述目标位置；

若有重叠，继续以所述平面路径移动治疗头，直至当前所述过渡位置以最短直线路径移动至目标位置时，执行机构相应的所述第三虚拟运动轮廓边界与所述虚拟障碍边界无重叠，确定相应的所述执行路径。

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