CN114067646A - 一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗设备技术领域，具体为一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统。本发明系统包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统；可视化模型建立系统设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口，数据对象接收数据源输出的数据，过滤器接收多重数据对象输出的数据。本发明系统对复合模糊PID控制算法进行仿真研究，以阶跃信号作为输入信号，稳态误差降低，具有优良的控制性能，适合医学背景下的穿刺机器人启动系统；示教系统分为术前规划、术中执行与术后评估，确保规划穿刺路径重合和满足穿刺手术要求。系统结构简单，操作方便，使用效果好。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统。
背景技术
穿刺手术机器人可视化仿真示教系统是一种进行穿刺手术机器人仿真控制的方法，基于医学图像的辅助精准穿刺机器人系统的上位机软件实现的主要功能有研究医学图像的可视化、二维图像处理和三维重建技术，实现对患者体内病灶靶点精确选取，随着科技的不断发展，人们对于穿刺手术机器人可视化仿真示教系统的制造工艺要求也越来越高。
现有的穿刺手术机器人可视化仿真示教系统在使用时存在一定的弊端，首先，不能很方便的进行可视化仿真示教操作，操作的过程不能很好的实现一体化，不利于人们的使用，还有，工作流程较为复杂化，不能很好的用图像模型来描述场景，可视化效果较差，给人们的使用过程带来了一定的不利影响。为此，本发明提出一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的在于提供一种使穿刺定位更准确、可视化效果更优越、操作更方便的穿刺手术机器人可视化仿真示教系统。
本发明通过对复合模糊PID控制算法进行仿真研究，以阶跃信号作为输入信号，稳态误差降低，具有优良的控制性能，适合医学背景下的穿刺机器人启动系统，示教系统分为术前规划、术中执行与术后评估，规划穿刺机器人系统的工作流程，可以有效解决背景技术中的问题。
本发明提供的穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统；其中：
所述可视化模型建立系统，其内部设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口；所述数据对象接收数据源输出的数据，所述过滤器接收多重数据对象输出的数据，并将数据输出到另一组数据对象，并通过映射模块传输到图形接口位置。参见图2所示。
作为一种优选的技术方案，所述术前规划示教系统，其工作内容包括：为患者局部麻醉，贴标记点；CT扫描，将数据传至数据处理计算机；医学图像处理，三维建模；确定病灶点和标记点坐标；确定入针点坐标和穿刺进针路径。
作为一种优选的技术方案，所述术中执行示教系统，其工作内容包括：为注册患者查看资料，引导患者到指定位置、准备引导管与穿刺针；光学定位患者皮肤标记点和机器人末端标定标记点，完成坐标系配准；数据解析，六自由度机器人路径规划并执行运动指令；双目视觉追踪机器人运动轨迹，修正坐标变化，微调机器人定位姿态；医生手动将穿刺针刺入患者，穿刺机器人退出。
作为一种优选的技术方案，所述术后评估示教系统，其工作内容包括：为患者再次进行CT扫描；数据导出至数据处理计算机，做图像分析，比对穿刺针成像是否到达病灶点。
作为一种优选的技术方案，所述术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统依次完成后进行判定，判断是否满足穿刺要求，如果不满足，则返回术前规划示教系统，如果满足穿刺要求，则进行穿刺手术示教系统。
作为一种优选的技术方案，所述穿刺手术示教系统，其工作内容包括：穿刺活检、神经消融、放射性药物植入等穿刺手术。
作为一种优选的技术方案，所述PID控制算法仿真系统，包括三个部分：控制器模块、输入模块与输出模块，所述控制器模块又分为两种，分别为模糊控制器模块与模糊PID控制器模块；所述模糊控制器模块在误差较大、超过阀值时工作，所述模糊PID控制器模块在误差较小接近目标值时工作；根据在线检测到的误差及误差变化率的结果，使用模糊控制器对PID的三个参数进行在线调整，使PID控制器的性能保持在优良的状态。
本发明提供的整个示教系统分为术前规划、术中执行与术后评估，规划穿刺机器人系统的工作流程，（参见图1所示）具体如下：
（1）首先医生选定患者的穿刺部位，并进行局部麻醉，在穿刺部位皮肤附近粘贴不少于4个标记点，该标记点实现患者体内CT图像坐标系与双目摄像机光学坐标系的定位配准连接；
（2）医生可以在患者穿刺相应的部位加装固定支架，以减少在手术过程患者的微动产生误差，造成手术定位的不准确；
（3）CT扫描患者穿刺部位，将数据导出至数据处理计算机，实现医学图像处理和三维重建，医生可以在该操作软件上顺利找出患者体内的病灶靶点和体表的标记点坐标，并确定患者皮肤表层入针点，通过病灶靶点和入针点的到穿刺进针路径位置和姿态的信息，注册患者穿刺部位，注册穿刺引导管和穿刺针，通过机械式四点定位方法和双目视觉完成患者皮肤表面标记点的精确定位，实现CT图像坐标系到机器人手术空间坐标系配准和空间转换；
（4）将CT图像空间的穿刺路径信息发送至数据处理计算机，通过智能控制算法解析六自由度机器人关节角度值和实施穿刺定位的最优路径，并由医生观察最优穿刺路径并发出运动指令，双目视觉定位跟踪穿刺机器人运动轨迹，并实时根据患者标记点坐标判断穿刺入针点的坐标变化，调节机器人定位姿态的目标值，做到误差最小化；
（5）穿刺引导管到达入针点后，由医生手动将穿刺针刺入患者体内，穿刺针到位后将穿刺机器人移动其他位置，将患者再次通过CT扫描，得到医学图像并再次导出至数据处理计算机，通过二维图像和三维图像分析穿剌针在患者体内的位置，判断是否与规划穿刺路径重合和能否满足穿刺手术要求，如果满足穿刺手要求则执行相关的穿刺活检、神经消融、放射性药物植入等手术，如果不能够满足穿刺手术要求，则需要重新执行第（1）步。
与现有技术相比，本发明的穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，具有以下特点和优点：
（一）对复合模糊PID控制算法进行仿真研究，以阶跃信号作为输入信号，稳态误差降低，具有较为优良的控制性能，适合医学背景下的穿刺机器人启动系统；
（二）整个示教系统分为术前规划、术中执行与术后评估，可规划穿刺机器人系统的工作流程；这样：
可以减少在手术过程患者的微动产生误差，造成手术定位的不准确；
通过机械式四点定位方法和双目视觉完成患者皮肤表面标记点的精确定位，实现CT图像坐标系到机器人手术空间坐标系配准和空间转换；
通过智能控制算法解析六自由度机器人关节角度值和实施穿刺定位的最优路径，做到误差最小化；
通过二维图像和三维图像分析穿剌针在患者体内的位置，确保规划穿刺路径重合和满足穿刺手术要求；
（三）整个穿刺手术机器人可视化仿真示教系统结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。
附图说明
图1为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统的整体结构及工作流程图示。
图2为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统中可视化模型系统结构图示。
图3为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统中复合模糊PID控制模块仿真模型的结构示意图。
图4为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统中模糊控制子模块仿真模型的结构示意图。
图5为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统中调整PID参数的模糊控制器子模块仿真模型的结构示意图。
图6为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统中PID控制器子模块仿真模型的结构示意图。
图7为本发明穿刺手术机器人可视化仿真示教系统中复合模糊PID控制算法仿真结果图示。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1、2所示，一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统，所述可视化模型建立系统内部设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口，所述数据对象接收数据源输出的数据，所述过滤器可以接收多重数据对象输出的数据，并将数据输出到另一组数据对象并通过映射模块传输到图形接口位置。
进一步的，所述术前规划示教系统为患者局部麻醉，贴标记点；CT扫描，将数据传至数据处理计算机；医学图像处理，三维建模；确定病灶点和标记点坐标；确定入针点坐标和穿刺进针路径。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图1、2所示，一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统，所述可视化模型建立系统内部设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口，所述数据对象接收数据源输出的数据，所述过滤器可以接收多重数据对象输出的数据，并将数据输出到另一组数据对象并通过映射模块传输到图形接口位置。
进一步的，所述术中执行示教系统为注册患者资料查看，患者到指定位置、准备引导管与穿刺针；光学定位患者皮肤标记点和机器人末端标定标记点，完成坐标系配准；数据解析，六自由度机器人路径规划并执行运动指令；双目视觉追踪机器人运动轨迹，修正坐标变化，微调机器人定位姿态；医生手动将穿刺针刺入患者，穿刺机器人退出。
进一步的，所述术后评估示教系统为患者再次进行CT扫描；数据导出至数据处理计算机，做图像分析，比对穿刺针成像是否到达病灶点。
进一步的，所述术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统依次完成后进行判定，判断是否满足穿刺要求，如果不满足，则返回术前规划示教系统，如果满足穿刺要求，则进行穿刺手术示教系统。
进一步的，所述穿刺手术示教系统为穿刺活检、神经消融、放射性药物植入等穿刺手术。
实施例3：
在实施例2的基础上，如图1、2所示，一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统，所述可视化模型建立系统内部设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口，所述数据对象接收数据源输出的数据，所述过滤器可以接收多重数据对象输出的数据，并将数据输出到另一组数据对象并通过映射模块传输到图形接口位置。
进一步的，所述PID控制算法仿真系统分为三个部分，分别为控制器模块、输入模块与输出模块，所述控制器模块又分为两种，分别为模糊控制器模块与模糊PID控制器模块。
进一步的，所述模糊控制器模块在误差较大，超过阀值时工作，所述模糊PID控制器模块在误差较小接近目标值时工作，根据在线检测到的误差及误差变化率的结果，使用模糊控制器对PID的三个参数进行在线调整，使PID控制器的性能保持在优良的状态。
实施例4：
对复合模糊PID控制算法进行仿真与研究
为了验证复合模糊PID控制算法的控制性能和控制精度，本申请设计了对比仿真试验，仿真模型如图3所示，整个模型主体分为三部分，分别为控制器、输入和输出，其中控制器模块又有两种，分别是模糊控制器模块和模糊PID控制器模块，仿真模型中的子模块如图4、图5与图6所示，分别为模糊控制子模块仿真模型、调整PID参数的模糊控制器子模块仿真模型与PID控制器子模块仿真模型；
结合穿刺机器人使用的医学背景，对阀控缸系统设计复合模糊PID控制器，对控制算法的性能进行验证，首先，对模糊控制、PID控制和复合模糊PID控制三种控制算法进行对比仿真研究，并设计对比实验，通过对仿真和实验的结果进行比较，来验证复合模糊PID控制算法的性能优势，其次，模糊控制可以在线整定PID参数，使得复合模糊PID控制算法对被控系统模型的变化具有一定的适应性，因此，设计变载下PID控制算法和复合模糊PID控制算法的仿真研究和实验研究，通过对比两种算法变载下的控制效果，来验证复合模糊PID算法对被控系统模型变化的适应性，最后，进行穿刺实验，对样机进行整机调试，测定穿刺机器人的定位误差和进针误差；
误差较大，超过阈值时，模糊控制器模块工作；误差较小，接近目标值时，模糊PID控制器工作，根据在线检测到的误差及误差变化率的结果，使用模糊控，制器对PID的3个参数进行在线调整，使PID控制器的性能保持在优良的状态，阈值的选取与PID参数的初始值有关，为了使两种算法切换平滑，一般选择PID控制波谷曲线与模糊控制曲线的交点处的误差作为参考阈值，具体值还需要反复实验进行调整；
对复合模糊PID控制算法进行仿真研究，结果如图7 所示，以阶跃信号作为输入信号，幅值为1mm，仿真结果显示，系统无超调量，调整时间减少，稳态误差降低，响应时间只有0.4s左右，具有较为优良的控制性能，适合医学背景下的穿刺机器人气动系统。
工作原理：本发明包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统，可视化模型建立系统内部设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口，数据对象接收数据源输出的数据，过滤器可以接收多重数据对象输出的数据，并将数据输出到另一组数据对象并通过映射模块传输到图形接口位置，首先医生选定患者的穿刺部位，并进行局部麻醉，在穿刺部位皮肤附近粘贴不少于4个标记点，该标记点实现患者体内CT图像坐标系与双目摄像机光学坐标系的定位配准连接，医生可以在患者穿刺相应的部位加装固定支架，以减少在手术过程患者的微动产生误差，造成手术定位的不准确，CT扫描患者穿刺部位，将数据导出至数据处理计算机，实现医学图像处理和三维重建，医生可以在该操作软件，上顺利找出患者体内的病灶靶点和体表的标记点坐标，并确定患者皮肤表层入针点，通过病灶靶点和入针点的到穿刺进针路径位置和姿态的信息，注册患者穿刺部位，注册穿刺引导管和穿刺针，通过机械式四点定位方法和双目视觉完成患者皮肤表面标记点的精确定位，实现CT图像坐标系到机器人手术空间坐标系配准和空间转换，将CT图像空间的穿刺路径信息发送至数据处理计算机，通过智能控制算法解析六自由度机器人关节角度值和实施穿刺定位的最优路径，并由医生观察最优穿刺路径并发出运动指令，双目视觉定位跟踪穿刺机器人运动轨迹，并实时根据患者标记点坐标判断穿刺入针点的坐标变化，调节机器人定位姿态的目标值，做到误差最小化，穿刺引导管到达入针点后，由医生手动将穿刺针刺入患者体内，穿刺针到位后将穿刺机器人移动其他位置，将患者再次通过CT扫描，得到医学图像并再次导出至数据处理计算机，通过二维图像和三维图像分析穿剌针在患者体内的位置，判断是否与规划穿刺路径重合和能否满足穿刺手术要求，如果满足穿刺手要求则执行相关的穿刺活检、神经消融、放射性药物植入等手术，如果不能够满足穿刺手术要求则需要重新执行第一步。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二（一号、二号）等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (5)
1.一种穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，其特征在于，包括术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统、穿刺手术示教系统、可视化模型建立系统与PID控制算法仿真系统；其中：
所述可视化模型建立系统，其内部设置有数据源、数据对象、过滤器、映射模块与图形接口；所述数据对象接收数据源输出的数据，所述过滤器接收多重数据对象输出的数据，并将数据输出到另一组数据对象，并通过映射模块传输到图形接口位置。
2.根据权利要求1所述穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，其特征在于：
所述术前规划示教系统，其工作内容包括：为患者局部麻醉，贴标记点；CT扫描，将数据传至数据处理计算机；医学图像处理，三维建模；确定病灶点和标记点坐标；确定入针点坐标和穿刺进针路径；
所述术中执行示教系统，其工作内容包括：为注册患者查看资料，引导患者到指定位置、准备引导管与穿刺针；光学定位患者皮肤标记点和机器人末端标定标记点，完成坐标系配准；数据解析，六自由度机器人路径规划并执行运动指令；双目视觉追踪机器人运动轨迹，修正坐标变化，微调机器人定位姿态；医生手动将穿刺针刺入患者，穿刺机器人退出；
所述术后评估示教系统，其工作内容包括：为患者再次进行CT扫描；数据导出至数据处理计算机，做图像分析，比对穿刺针成像是否到达病灶点；
所述术前规划示教系统、术中执行示教系统、术后评估示教系统依次完成后进行判定，判断是否满足穿刺要求，如果不满足，则返回术前规划示教系统，如果满足穿刺要求，则进行穿刺手术示教系统。
3.根据权利要求2所述穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，其特征在于，所述穿刺手术示教系统，其工作内容包括：穿刺活检、神经消融、放射性药物植入这些穿刺手术。
4.根据权利要求2所述穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，其特征在于，所述PID控制算法仿真系统包括三个部分：控制器模块、输入模块与输出模块，所述控制器模块包括模糊控制器模块与模糊PID控制器模块；所述模糊控制器模块在误差较大、超过阀值时工作，所述模糊PID控制器模块在误差较小接近目标值时工作；根据在线检测到的误差及误差变化率的结果，使用模糊控制器对PID的三个参数进行在线调整，使PID控制器的性能保持在优良的状态。
5.根据权利要求4所述穿刺手术机器人可视化仿真示教系统，其特征在于，系统的工作流程具体如下：
（1）首先医生选定患者的穿刺部位，并进行局部麻醉，在穿刺部位皮肤附近粘贴不少于4个标记点，该标记点实现患者体内CT图像坐标系与双目摄像机光学坐标系的定位配准连接；
（2）医生可以在患者穿刺相应的部位加装固定支架，以减少在手术过程患者的微动产生误差，造成手术定位的不准确；
（3）CT扫描患者穿刺部位，将数据导出至数据处理计算机，实现医学图像处理和三维重建，医生可以在该操作软件上顺利找出患者体内的病灶靶点和体表的标记点坐标，并确定患者皮肤表层入针点，通过病灶靶点和入针点的到穿刺进针路径位置和姿态的信息，注册患者穿刺部位，注册穿刺引导管和穿刺针，通过机械式四点定位方法和双目视觉完成患者皮肤表面标记点的精确定位，实现CT图像坐标系到机器人手术空间坐标系配准和空间转换；
（4）将CT图像空间的穿刺路径信息发送至数据处理计算机，通过智能控制算法解析六自由度机器人关节角度值和实施穿刺定位的最优路径，并由医生观察最优穿刺路径并发出运动指令，双目视觉定位跟踪穿刺机器人运动轨迹，并实时根据患者标记点坐标判断穿刺入针点的坐标变化，调节机器人定位姿态的目标值，做到误差最小化；
（5）穿刺引导管到达入针点后，由医生手动将穿刺针刺入患者体内，穿刺针到位后将穿刺机器人移动其他位置，将患者再次通过CT扫描，得到医学图像并再次导出至数据处理计算机，通过二维图像和三维图像分析穿剌针在患者体内的位置，判断是否与规划穿刺路径重合和能否满足穿刺手术要求，如果满足穿刺手要求则执行相关的穿刺活检、神经消融、放射性药物植入手术，如果不能够满足穿刺手术要求，则重新执行第（1）步。
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