CN113171177A - 可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统 - Google Patents

可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统，其中方法包括：采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置；根据期望加速度、期望速度和期望位置控制电机的输出力矩控制穿刺针移动；采集实时的穿刺力，计算穿刺力微分与操作力方向的乘积，并在乘积由负值跃升过零值转为正值后，由峰值下降重新回归至负值时，识别为穿透组织层。与现有技术相比，本发明基于穿刺力微分与操作力得到的速度方向相结合的智能组织层突破辨识算法精确感知微弱的组织层突破感，辅助医生对穿刺手术状态进行判断，从而提高穿刺过程的安全性。

Description

可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统
技术领域
本发明涉及腰椎导纳控制领域，尤其是涉及一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统。
背景技术
腰椎穿刺一直以来都是临床上的一种常见的操作技术，旨在抽取一定量的脑脊液标本、测定压力或是鞘内注射药物进行疾病的诊断与治疗。中枢神经系统炎症、脑血管疾病、各类型白血病、淋巴瘤等疾病的诊疗过程中都需要进行多次腰穿手术。据统计，儿童专科医院每年进行的腰椎穿刺手术量过万。对于个体而言，在疾病的诊断和治疗过程中，根据疾病严重性和危险度分组的不同，每个患儿一般会经历20-30场腰椎穿刺及鞘内注射化疗药物。目前，腰椎穿刺手术主要使用盲穿，医生根据手术过程中由穿破皮肤和黄韧带带来的两次突破感来判断手术针是否到达穿刺位置。手术效果完全依赖操作医生的经验，且在进针后无法保障穿刺位置和进针方向的稳定性。对于医生的临床经验及操作熟练度有着较高的要求，存在一定程度的医源性损伤隐患。一般来说，一次成功率低于60％，平均需要扎针5～6次才能成功获。反复的穿刺在给患儿带去巨大痛苦的同时也增加了术后感染的概率。此外，医生在手术过程中精神高度紧张、操作费力、疲劳感极大。一旦发生意外，很有可能会造成椎管组织损伤等医疗事故。
为减轻医生的操作负担并提高手术稳定性，能够智能感知医生操作意图从而辅助医生进行手术的控制算法具有着重要的研究价值。
早在1980s，就有研究团队开始将机器人应用于穿刺手术中，但大多应用于器官穿刺，且大多基于影像导航，并仍旧高度依赖医生的经验及操作。例如：将Puma200应用于脑部穿刺，Puma 560应用于前列腺穿刺，PAKY应用于肾脏穿刺等。尽管在过去的几十年内，医疗机器人系统的研发受到了广泛的关注，针对腰椎穿刺的手术机器人系统，尤其是针对婴幼儿腰椎穿刺的智能手术机器人系统的相关研究尚处于空白。
目前，人机交互性的机器人控制算法主要可分为阻抗控制及导纳控制两种。两种算法的原理不同，阻抗控制以位移量作为输入，输出操作力；导纳控制以力为输入，输出期望的加速度/速度/位置信息。阻抗控制多用于刚性环境，受机器人惯性和摩擦力的影响较大，导纳控制更能实现人机交互中对柔顺性的要求。然而，固定的导纳参数无法依据环境或操作意图的变化灵活进行调整，导致机器人的动作迟缓，影响交互效果。甚至有时会放大错误信号，在高精度、安全性要求的应用场景下造成恶劣影响。可变导纳控制方法通过改变导纳控制的参数很大程度上改善了上述不足。文献[“Variable Admittance Control ofRobot Manipulators Based on Human Intention”(Gitae Kang,Hyun Seok Oh,JoonKyue Seo,et al.,IEEE-ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS,2019,24(3):1023-1032)]中介绍了一种单自由度的变导纳控制方法。通过设置参照控制力，控制运动速度随着实际与参照控制力差值相位的变化而变化，提升了操作柔顺度。但这种方法受到速度信号噪声影响大，实际应用效果较差。文献[“Sparse Bayesian Learning-Based AdaptiveImpedance Control in Physical Human-Robot Interaction”(Kelin Li,Huan Zhao,YeHuan,Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Robotics andBiomimetics,December 12-15,2018,Kuala Lumpur,Malaysia,18:2376-2385)]使用离散贝叶斯模型预测操作意图调节变阻抗控制中的阻尼系数，意图预测效果好，但柔顺性尚待提高。由于缺少可靠性人机交互型、具有智能感知功能的穿刺控制方法，可以精度、柔顺度，以及黄韧带穿透识别方面的问题，造成了大多数的相关学术研究依旧停留在仿真、模拟层面，在医学领域的儿童腰椎穿刺方面的相关研究尚处空缺。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统，基于穿刺力微分与操作力得到的速度方向相结合的智能组织层突破辨识算法精确感知微弱的组织层突破感，辅助医生对穿刺手术状态进行判断，从而提高穿刺过程的安全性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法，包括：
采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置；
根据期望加速度、期望速度和期望位置控制电机的输出力矩控制穿刺针移动；
采集实时的穿刺力，计算穿刺力微分与操作力方向的乘积，并在所述乘积由负值跃升过零值转为正值后，由峰值下降重新回归至负值时，识别为穿透组织层。
所述方法还包括：在识别为穿透组织层后，控制位置锁启动使针头锁定在当前位置。
所述采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置，包括：
采集实时操作力，并计算期望操作力与实时操作力的差值；其中用户根据自己的操作习惯在系统中灵活设置期望操作力的具体数值，实时操作力由安装在手柄部分的高精度力传感器收集，并经过系统的滤波等处理后用于计算。
将所述差值输入至导纳控制器，根据
Figure BDA0003009760970000031
得到期望加速度和期望速度，其中，Fe为期望操作力与实时操作力的差值，mx为惯性系数，cx为阻尼系数，α为可变导纳控制器控制参数，用户初次使用时，根据其操作特性灵活进行调整匹配，设置完成后将参数值记录保存于系统中，后续过程无需再次调试，
Figure BDA0003009760970000032
为实时操作力，
Figure BDA0003009760970000033
为期望加速度，
Figure BDA0003009760970000034
为期望速度；
根据实时位置数据和期望速度、期望加速度得到期望位置。
所述方法还包括：采集实时加速度、实时速度和实时位置，并显示。
所述方法还包括：在识别为穿透组织层后，发出报警信号。
一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制系统，包括控制器、支撑机器人，辅助动力模块和穿刺模块，所述穿刺模块包括依次设置的操作手柄、操作力传感器、穿刺力传感器、穿刺针夹持器，所述辅助动力模块包括高精度编码器和电机，所述电机的输出轴连接穿刺模块，所述操作力传感器、穿刺力传感器、高精度编码器和电机均连接控制器，所述控制器被配置为执行上述方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)基于穿刺力微分与操作力得到的速度方向相结合的智能组织层突破辨识算法精确感知微弱的组织层突破感，辅助医生对穿刺手术状态进行判断，从而提高穿刺过程的安全性。
2)依靠力、位多传感器融合信号提出的具有操作意图感知功能的可变导纳算法辅助医生进行操作，提高人机交互性能，减轻医生的操作负担。
3)机器人各关节配置的高精度编码器在无辅助成像设备的环境下提供可靠的针头位置信息；医生把持手柄操纵机器人的姿态、角度及运动，针头及手柄部分的两个力传感器分别实时精确检测穿刺力与操作力。
4)位置锁及报警器精确锁定针头位置，保障手术安全性。
附图说明
图1为本发明实施例中的逻辑框图；
图2为本发明实施例中控制系统的示意图；
图3为本发明实施例中可变导纳控制器设计原理图；
图4为本发明实施例中智能组织层突破辨识判据；
其中：1、显示及控制系统，2、支撑机器人，3、穿刺操作医生，4、操作手柄，5、操作力传感器，6、穿刺力传感器，7、穿刺针夹持器，8、穿刺针，9、高精度编码器，10、电机，11、滚珠丝杠平移控制台，12、轴承，13、手术床，14、待腰椎穿刺患儿，15、辅助医生。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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的实施例。
如图1所示，在一场婴幼儿腰椎穿刺手术中，操作医生通过操作穿刺手术机器人进行手术。机器人上装配有高精度力、位传感器以提供多传感器融合信息至控制系统。控制系统根据输入的多传感器融合信号进行相应的计算，估计医生的操作意图，并输出控制信号至电机，以辅助医生轻松地操纵穿刺手术机器人。同时，控制系统根据信号情况依照设定的智能组织层突破辨识判据判断穿刺针针头是否到达了目标位置。一旦检测到穿刺成功，即立刻启动位置锁将针头位置锁定在当前位置，避免医生未感知到微弱的突破感继续操作。同时，拉响报警器对医生进行提示。
图2所示为实现本申请构思的控制系统的系统构成示意图，系统包括显示及控制系统1、六自由度的支撑机器人2、穿刺操作医生3、操作手柄4、操作力传感器5、穿刺力传感器6、穿刺针夹持器7、穿刺针8、高精度编码器9、电机10、滚珠丝杠平移控制台11、轴承12、手术床13、待腰椎穿刺患儿14、辅助医生15。六自由度支撑机器人2为穿刺机械臂提供稳定、可靠的支撑。手术过程中，穿刺操作医生3通过移动操作手柄4表达操作意图，控制穿刺机械臂进行前进、后退及角度调整等一系列操作。操作力传感器5与操作手柄之间固定连接，直接检测操作力。穿刺力传感器6通过穿刺针夹持器7与穿刺针8固定连接，精确检测穿刺力信号。与安装在电机10后的高精度编码器9记录在滚珠丝杠平移控制台11上穿刺机械臂的位移量，丝杆两端由轴承12固定。传感器检测到的力、位置信号实时反馈至机器人控制系统与显示及控制系统1，从而完成力、位多信号的实时、精确采集。辅助医生15控制患儿14以侧卧位躺在手术床13上接受腰椎穿刺手术。本申请依赖于在儿童腰椎穿刺机器人的操作手柄处和穿刺针处分别装配两个高精度力传感器，并在机器人的各个关节配置高精度编码器检测位置信号；板卡采集机器人机械臂两端的操作力、穿刺力、位置信息，并进行滤波等处理。医生通过操作手柄来实现对机器人进针姿态及进针或撤针的控制并进行脑脊液的获取。四自由度的定位机械臂的所有关节皆可逆向驱动以提供灵活、舒适的操作感；平行四边形机构构建的远心不动点保障在医生任意调整进针姿态和角度的同时，选定的进针点始终能够精准保持在初始的选定位置。在操作手柄及针头位置分别安装高精度力传感器，实时监测操作力及穿刺力的变化情况。同时，为定位机械臂各关节的电机配置高精度编码器，获取准确的位置数据。控制系统中的AD板卡将力传感器输出的电压信号转化为数字信号，计数器板卡将编码器输出的脉冲信号解码为位置信号反馈至板卡模块，与控制模块相交互。在系统频率为1000Hz控制系统中，再通过滤波处理后得到的一次导数、二次导数获得速度、加速度信息。同样地，控制系统输出的控制信号通过DA板卡输出控制电流至伺服放大器，产生控制电压或驱动力矩驱动关节电机，对机器人进行控制。
设计可变导纳控制器，需要将得到的实时操作力和位置数据作为输入，输出期望的加速度、速度及位置，估计操作者的操作意图；根据可变导纳控制器计算得到的期望数据控制电机的输出力矩辅助操作者进行操作，达到理想的人机交互效果；机器人的控制即通过调节机器人末端位置与力之间的动态特性来实现柔顺性。导纳控制模式中，机器人通过力/力矩传感器感知到的外部作用力来控制末端位移或速度。导纳控制器的基本设计原理遵循如下的动力学方程：
Figure BDA0003009760970000051
其中，Fe为导纳控制器的接收信号；xd,
Figure BDA0003009760970000061
分别为计算得到的期望位置、速度、加速度；mx,cx,kx分别为导纳控制方程的惯性、阻尼、刚度系数。由于医疗应用场景的特殊性，考虑到操作柔顺性的需求，刚度系数往往很小，可以取零。
可变导纳控制器在此基础上根据输入量的变化实时调节控制参数以灵活适应环境的变化。其设计原理为：
Figure BDA0003009760970000062
将作用于机器人手柄部分的操作力作为输入至设计好的可变导纳控制器中，导纳控制器的参数根据输入实时变化以更好地适应变化的应用场景，推测操作者实时的操作意图。低阻尼参数能够使操作者更轻松地操纵机器人，柔顺性好，但限制了交互的稳定性。可变导纳控制参数基于预设，根据场景变化取值，更好地在柔顺性与稳定性中找到平衡。使用积分迭代的方法求解三阶微分方程。将
Figure BDA0003009760970000063
和xd视为当前计算周期前一周期的已知量，记作
Figure BDA0003009760970000064
与xd,n-1，随后对设计原理进行改写，再将
Figure BDA0003009760970000065
积分两次得到
Figure BDA0003009760970000066
与xd,n。具体计算公式如下：
Figure BDA0003009760970000067
其中，
Figure BDA0003009760970000068
和xd的初始值分别设定为零及程序开始时的关节角度。
在实际操作过程中，根据传感器采集到的操作力信息及关节位置/速度/加速度信息，设计的可变导纳控制器结合操作力及医生操纵机器人的速度方向，实时估计操作者的操作意图，输出相应的驱动力/力矩驱动电机，以辅助操作者轻松地实现期望的操作。滚珠丝杠结构的摩擦力也得以在无需进行摩擦力建模的情况下得到补偿。图3所示。Fe表示期望的操作力Fd与实际检测到的操作力Fh之间的差值，控制器接收操作力差值Fe为输入，根据公式推测操作意图。通过积分迭代，计算得到期望的加速度
Figure BDA0003009760970000069
期望的速度
Figure BDA00030097609700000610
期望的位置xd值，并由速度控制器控制机械臂的速度，保障机器人辅助手术的安全性。控制系统输出计算得到的驱动力/力矩并通过板卡转化为相应的电压值控制电机的转动，辅助医生操纵机械臂。操作者可以被简化看作为一个人机交互模型，根据机械臂的实际运动情况及手术情况，医生做出相应的动作，表现为操作力Fh反馈至控制器。
图4所示为智能组织层突破辨识判据。图4中左边上方的是速度方向的图像，下方的是穿刺里微分方向的图像，两者相反的情况为准备进针或已突破组织层后的场景；当且仅当速度方向为正，力的微分方向为正，表示穿刺针针头开始穿刺组织层，当乘积曲线从峰值降至零点(力的微分归零)的时刻即标志着组织层被突破的瞬间；速度方向为负且力的微分方向也为负的情况理论上不存在，在实际应用过程中，假设受到干扰信号等的影响也不会超出一定的阈值，可以被妥善规避。
控制系统中的板卡模块收集采集并处理后得到的数据，与控制模块进行交互；根据针头穿透不同组织层时穿刺力、位传感器检测到的不同信号特征，提出具有针对性的组织层突破判别方法，捕捉临床上由医生徒手操作时难以感知到的微弱突破感；由此在无医学影像导航的情况下实现对针头位置的精确判断。在腰椎穿刺手术中，依照术中穿刺力变化曲线的特性，临床将穿透黄韧带带来的落空感公认为穿刺针针头定位的重要判断依据，视作判断手术是否成功的标准。利用多传感器信号融合技术和人机控制技术，揭示腰椎组织层与机器人穿刺操作特性的物理关系，观察所处理得到的穿刺力及关节位置在术中的变化曲线特性，将穿刺力微分和医生操纵机器人速度方向的乘积曲线作为判断依据。当乘积由负值跃升过零值转为正值即表示开始穿刺具有一定韧性的组织层，当乘积由峰值下降重新回归至负值时，其达到零点的瞬间即精确标志着穿透组织层的时刻。同时，设计位置锁及报警器，在检测到针头突破组织层后即刻控制电机的输出并同步拉响报警蜂鸣器，使针头准确锁定在当前位置，不受操作者操作的影响，保障手术的安全性。

Claims (10)

1.一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法，其特征在于，包括：
采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置；
根据期望加速度、期望速度和期望位置控制电机的输出力矩控制穿刺针移动；
采集实时的穿刺力，计算穿刺力微分与操作力方向的乘积，并在所述乘积由负值跃升过零值转为正值后，由峰值下降重新回归至负值时，识别为穿透组织层。
2.根据权利要求1所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在识别为穿透组织层后，控制位置锁启动使针头锁定在当前位置。
3.根据权利要求1所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法，其特征在于，所述采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置，包括：
采集实时操作力，并计算期望操作力与实时操作力的差值；
将所述差值输入至导纳控制器，根据
Figure FDA0003009760960000011
得到期望加速度和期望速度，其中，Fe为期望操作力与实时操作力的差值，mx为惯性系数，cx为阻尼系数，α为可变导纳控制器控制参数，
Figure FDA0003009760960000012
为实时操作力，
Figure FDA0003009760960000013
为期望加速度，
Figure FDA0003009760960000014
为期望速度；
根据实时位置数据和期望速度、期望加速度得到期望位置。
4.根据权利要求3所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法，其特征在于，所述方法还包括：采集实时加速度、实时速度和实时位置，并显示。
5.根据权利要求1所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在识别为穿透组织层后，发出报警信号。
6.一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制系统，包括控制器、支撑机器人(1)，辅助动力模块和穿刺模块，所述穿刺模块包括依次设置的操作手柄(4)、操作力传感器(5)、穿刺力传感器(6)、穿刺针夹持器(7)，所述辅助动力模块包括高精度编码器(9)和电机(10)，所述电机(10)的输出轴连接穿刺模块，所述操作力传感器(5)、穿刺力传感器(6)、高精度编码器(9)和电机(10)均连接控制器，其特征在于，所述控制器被配置为执行以下步骤：
采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置；
根据期望加速度、期望速度和期望位置控制电机的输出力矩控制穿刺针移动；
采集实时的穿刺力，计算穿刺力微分与操作力方向的乘积，并在所述乘积由负值跃升过零值转为正值后，由峰值下降重新回归至负值时，识别为穿透组织层。
7.根据权利要求6所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制系统，其特征在于，所述系统还包括位置锁，所述控制器还被配置为执行以下步骤：在识别为穿透组织层后，控制位置锁启动使针头锁定在当前位置。
8.根据权利要求6所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制系统，其特征在于，所述采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置，包括：
采集实时操作力，并计算期望操作力与实时操作力的差值；
将所述差值输入至导纳控制器，根据
Figure FDA0003009760960000021
得到期望加速度和期望速度，其中，Fe为期望操作力与实时操作力的差值，mx为惯性系数，cx为阻尼系数，α为可变导纳控制器控制参数，
Figure FDA0003009760960000022
为实时操作力，
Figure FDA0003009760960000023
为期望加速度，
Figure FDA0003009760960000024
为期望速度；
根据实时位置数据和期望速度、期望加速度得到期望位置。
9.根据权利要求8所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制系统，其特征在于，所述控制器还被配置为执行以下步骤：采集实时加速度、实时速度和实时位置，并显示。
10.根据权利要求6所述的一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制系统，其特征在于，所述系统还包括报警器，所述控制器还被配置为执行以下步骤：在识别为穿透组织层后，发出报警信号。
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