CN114886571B - 一种介入手术机器人的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介入手术机器人的控制方法和系统，所述控制方法包括获取包含医疗介入器件的患者的生理腔的对应生理部位在第一时刻的第一图像和第二时刻的第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际运动参数；获取在所述时间段内医生的远程操纵所设置的设置运动参数；对所述实际运动参数与设置运动参数进行比较以确定偏差；在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，使得所述介入手术机器人的运动停下，以及时有效的停止动作，避免对人体生理腔的损伤。

Description

一种介入手术机器人的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及介入手术机器人控制技术领域，具体涉及一种介入手术机器人的控制方法和系统。

背景技术

心脑血管微创介入疗法是针对心脑血管疾病的主要治疗手段，和传统外科手术相比，有着切口小、术后恢复时间短等明显优势。心脑血管介入手术是由医生手动将导管、导丝以及支架等器械送入病患体内完成治疗的过程。为了解决介入手术过程中医护人员遭受X射线过量辐射的问题，近年来介入手术机器人研究兴起，它通过模拟医生的手部动作来实现导管导丝的各项运动，医生远程进行操控，无需在导管床旁完成，避免了射线辐射问题，有着极为重大的临床价值。但另一方面，介入手术作为风险较高的侵入性手术，安全性是最重要的考量，尤其是对于介入机器人这类远程控制导管和导丝手术辅助设备，由于操作者不在病人现场操作，无法及时有效的收集手术现场的全貌，更易发生手术风险。

介入手术机器人在安全方面存在如下几个方面的问题：(1)机器人推送或旋转导管和导丝的过程没有实时反馈对比，无法得知手术状态；(2)导丝或导管在使用过程中，可能出现折叠、严重打弯等异常现象，导致手术失败，机器人没有实时监测能力；(3)目前手术机器人没有对异常状况的实时保护措施，出现异常情况时，不能及时停止动作，可能导致对病人的伤害；(4)介入手术机器人没有快速分析判断手术中的导管和导丝的异常状态的能力。

发明内容

提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。需要一种介入手术机器人的控制方法和系统，其能够实时获取介入手术机器人的操作情况，能够在发生异常情况时，及时停止介入手术机器人运动，以阻止危险行为的发生。

根据本发明的第一方案，提供一种介入手术机器人的控制方法，所述介入手术机器人经由医生的远程操纵而操纵医疗介入器件在患者的生理腔内运动，所述控制方法包括：获取包含医疗介入器件的患者的生理腔的对应生理部位在第一时刻的第一图像和第二时刻的第二图像，其中，所述第二时刻在第一时刻后面；基于所述第一图像和所述第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际移动参数和/或实际旋转参数作为实际运动参数；获取在所述时间段内医生的远程操纵所设置的移动参数和/或设置的旋转参数作为设置运动参数；对所述实际运动参数与设置运动参数进行比较以确定偏差；在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，使得所述介入手术机器人的运动停下。

根据本发明的第二方案，提供一种介入手术机器人的控制系统，所述控制系统包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为执行根据本发明各个实施例所述的介入手术机器人的控制方法。

根据本发明的第三方案，提供一种介入手术机器人系统，包括机器人臂、驱动装置、用户终端和处理器。其中，所述机器人臂设有末端执行器，以作用于要在患者的生理腔内运动的医疗介入器件；驱动装置其配置为根据控制指令驱动所述机器人臂；用户终端其包括用户操纵部，以接收用户的手动操纵，并向所述驱动装置传输与所述手动操纵对应的控制指令；以及至少一个处理器，所述处理器配置为执行根据本发明各个实施例所述的介入手术机器人的控制方法。

根据本发明的第四方案，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本发明各个实施例所述的介入手术机器人的控制方法。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

基于所述第一图像和所述第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际运动参数，在不同时刻下图像的变化，能够实时反馈出医疗介入器件在生理腔内的运动状态。基于所述实际运动参数和设置运动参数进行比较确定偏差，将所确定的偏差与设定阈值范围进行比较，如果偏差超出设定阈值范围，说明医疗介入器件在生理腔内出现异常状况，继续在生理腔内运动会对生理腔造成伤害。通过该控制方法，能够快速分析判断医疗介入器件在生理腔内的异常活动，并在医疗介入器件在生理腔内出现异常状态时及时停止动作，避免对生理腔造成伤害，从而危及病人。

上述的一般描述和以下的详细描述只是示例性和说明性的，并不旨在限制要求保护的发明。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的类似附图标记可以表示相似组件的不同示例。附图通过举例而不是以限制的方式大体上示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。这样的实施例是说明性和示例性的，而并非旨在作为本方法、装置、系统或具有用于实现该方法的指令的非暂时性计算机可读介质的穷尽或排他的实施例。

图1示出根据本发明实施例的介入手术机器人的控制方法流程图；

图2(a)示出根据本发明实施例的介入手术机器人执行导丝推进的控制方法流程图；

图2(b)示出根据本发明实施例的介入手术机器人执行导管推进的控制方法流程图；

图2(c)示出根据本发明实施例的介入手术机器人执行导丝旋转的控制方法流程图；

图2(d)示出根据本发明实施例的介入手术机器人执行导管旋转的控制方法流程图；

图3示出根据本发明实施例的介入手术机器人的控制系统的框图；

图4(a)示出根据本发明实施例的介入手术机器人系统的框图；

图4(b)示出根据本发明实施例的第一操纵机构的框图；

图4(c)示出根据本发明实施例的第二操纵机构的框图；

图5示出根据本发明实施例的介入导管室内介入手术机器人和DSA的整体示意图；

图6示出根据本发明实施例的控制盒的示意图；

其中，501-末端执行器；502-导管床；503-DSA；504-影像工作站；505-机器人工作站；506-显示器；507-触摸屏；508-控制盒；

601-导管摇杆；602-导管滚轮；603-导丝摇杆；604-导丝滚轮；605-支架摇杆；606-急停开关。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分部分的称谓。本发明中使用的术语“第一图像”和“第二图像”只是用来区分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本发明中，当描述到特定设备位于第一部件和第二部件之间时，在该特定设备与第一设备或第二设备之间可以存在居间设备，也可以不存在居间设备。当描述到特定设备连接其它设备时，该特定设备可以与所述其它设备直接连接而不具有居间设备，也可以不与所述其它设备直接连接而具有居间设备。在本发明中，各个步骤在图中所示的箭头仅仅作为执行顺序的示例，而不是限制，本发明的技术方案并不限于实施例中描述的执行顺序，执行顺序中的各个步骤可以合并执行，可以分解执行，可以调换顺序，只要不影响执行内容的逻辑关系即可。

本发明使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本发明所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

图1示出根据本发明实施例的介入手术机器人的控制方法流程图。所述介入手术机器人经由医生的远程操纵而操纵医疗介入器件在患者的生理腔内运动。也就是说，在一些实施例中，所述控制方法可以在所述介入手术机器人经由医生的远程操纵下操纵医疗介入器件在患者的生理腔内运动的过程中执行。

控制方法可以始于步骤S101，获取包含医疗介入器件的患者的生理腔的对应生理部位在第一时刻的第一图像和第二时刻的第二图像，其中，所述第二时刻在第一时刻后面。其中，所述生理部位可以理解为在生理腔内包含医疗介入器件的部分区域。所述图像可以是二维、三维图像，图像可以通过各种成像模态直接获取，例如但不限于通过CT、MR、心肌核素扫描、螺旋CT、正电子发射断层扫描、X射线成像、荧光成像及超声成像等医学造影成像技术。或基于由成像装置获取的原始图像重建获得，例如，可以基于2D图像进行重建获取3D图像。或者，例如通过数字减影血管造影(DSA，digitalsubtraction angiography)设备等造影图像。在一些实施例中，也可以从图像数据库中获取对应的图像，在此不作具体限制。其中，技术术语“获取”包含在有或没有附加降噪、裁剪、重建等图像处理的情况下直接或间接获得的任何方式。

在步骤S102，基于所述第一图像和所述第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际移动参数和/或实际旋转参数作为实际运动参数。具体地，所述第二时刻在第一时刻后面，伴随着时间的推移，医疗介入器件在患者的生理腔内的位置和状态有可能发生变化。比如，相比于第一时刻，在第二时刻时，医疗介入器件向前推进，位置发生移动。或者，相比于第一时刻，在第二时刻时，医疗介入器件的旋转角度发生变化。此时，通过比较在不同时刻的图像，能够及时获取医疗介入器件在生理腔内的运动状态。基于所述第一图像和所述第二图像的差异确定的运动状态，为医疗介入器件在生理腔内的实际运动状态。此外，通过确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际运动参数，能够实现对医疗介入器件在生理腔内的运动状态的实时监测。

在步骤S103，获取在所述时间段内医生的远程操纵所设置的移动参数和/或设置的旋转参数作为设置运动参数。具体地，所述设置运动参数可以理解为医生在操纵医疗介入器件在生理腔内运动之前预先设定的运动参数(也就是医生期望的运动参数)，该运动参数包括移动参数和/或旋转参数。医生进行远程操纵医疗介入器件之前，需要对控制医疗介入器件在生理腔内的运动参数进行设置，比如，医生基于实际手术的状况，确定控制医疗介入器件在生理腔内的移动参数，包括控制医疗介入器件向前推进的移动距离、移动轨迹等。或者，医生认为需要控制医疗介入器件进行旋转时，需要旋转的角度等旋转参数。所述设置运动参数，是医生希望通过操纵医疗介入器件在生理腔内能够达到的运动状态。

在步骤S104，对所述实际运动参数与设置运动参数进行比较以确定偏差。在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，使得所述介入手术机器人的运动停下(参见步骤S105)。具体来说，医疗介入器件在生理腔内的实际运动参数与设置运动参数出现较大的偏差，说明对医疗介入器件的操纵出现异常，比如医疗介入器件出现弯曲、堵塞，或操纵系统出现故障，导致医生无法准确地操纵医疗介入器件在生理腔内的运动状态。通过获取实际运动参数和设置运动参数的偏差，将该偏差与设定阈值范围进行比较，从而判断医生对医疗介入器件的操纵是否出现异常，能够及时发现医疗介入器件是否存在运动异常，从而在医疗介入器件出现异常时及时停止，避免对患者的进一步伤害。其中，所述偏差可以为实际运动参数与设置运动参数的差，或差的绝对值。所述预定阈值范围可以由医生基于实际操纵经验自行设置，对此不做限定。该实施例能够给与医生实时反馈控制医疗介入器件的情况，使得医生操作时更加放心，可以更多精力集中在病情的分析和诊断上，从而提高手术效率。

在一些实施例中，基于所述第一图像和所述第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际移动参数和/或实际旋转参数作为实际运动参数，具体包括获取所述医疗介入器件的代表部在所述第一时刻的第一位置，其中所述代表部相对于所述医疗介入器件在患者的生理腔内的移动方向成角度。其中，医疗介入器件的代表部可以是医疗介入器件的头、包括头的部分可监测区域，或者是便于观测医疗介入器件运动状态的其他代表点或其区域。以医疗介入器件为导丝为例，所述代表部可以是导丝头或者导丝头附近1mm的区域，导丝头或者导丝头附近1mm的区域的变化均可反映出导丝在生理腔内的运动状态。通过确定医疗介入器件的代表部，有利于实现对医疗介入器件的精准定位。

在该实施例中，医疗介入器件的代表部相对于医疗介入器件在生理腔内的移动方向成角度，具体来说，比如，当所述医疗介入器件为导丝时，在导丝头为代表部的情况下，导丝头与移动方向呈30度夹角，意味着导丝头呈现一定程度的弯曲。进一步地，获取所述医疗介入器件的代表部在所述第二时刻的第二位置，基于所述第二位置相对于所述第一位置的变化，确定所述代表部的实际移动参数和/或实际旋转参数作为所述医疗介入器件的实际运动参数。所述医疗介入器件在生理腔内处于运动的状态，医疗介入器件在第二时刻相对于第一时刻运动状态发生变化，即医疗介入器件在第二时刻的第二位置相对于在第一时刻的第一位置发生变化。所述医疗介入器件在第二位置相对于在第一位置时的变化，能够反映出医疗介入器件的代表部的移动轨迹和/或转动角度的变化情况。以医疗介入器件为导丝为例，在生理腔内推进导丝时，基于第二图像获取导丝头的第二位置B，基于第一图像获取导丝头的第一位置A，通过比较导丝头从B点相对于A点的变化，能够知晓导丝头在生理腔内的实际移动距离。在生理腔内旋转导丝时，基于第二图像获取导丝头的第二位置C，基于第一图像获取导丝头的第一位置D，通过比较导丝头从D点相对于C点的变化，能够知晓导丝头在生理腔内的实际旋转角度。基于代表部在不同时刻的不同位置，通过比较在第一图像和第二图像上不同时刻的不同位置的差异，确定代表部的实际运动参数，进一步提高了确定实际运动参数的准确度和分析速度。

在一些实施例中，所述生理腔包括血管、呼吸道和消化道中的任何一种，例如，需要对血管、呼吸道或消化道进行疏通，或者在血管、呼吸道或消化道中利用医疗介入器件进行检查，或者在血管、呼吸道或消化道植入某种医疗介入器件等。进一步地，所述医疗介入器件包括导管、导丝、内窥镜和支架中的任何一种，比如，操纵导丝在血管中向前推进和旋转，或者操纵内窥镜在消化道中对病变区域进行检查，或者在血管中植入支架等。利用医疗介入器件在血管、呼吸道和消化道中进行操纵难度较大，血管、呼吸道和消化道形态复杂且具有较多弯曲，而本实施例所述的控制方法能够实现对医疗介入器件在血管、呼吸道或消化道中运动状态的实时且有效的监测，并能够在医疗介入器件出现运动异常时及时停止介入手术机器人对医疗介入器件的致动，避免对患者造成进一步地伤害，提高了手术的安全性。

在该实施例中，所述第一图像和所述第二图像各自包括二维图像或者三维图像，所述一组步骤在所述介入手术机器人经由医生的远程操纵下操纵医疗介入器件在患者的生理腔内运动的过程中持续地执行，以实现对医疗介入器件在生理腔内运动的实时监测。医疗介入器件在生理腔内持续地执行运动，在第一时刻和在第二时刻分别获取的第一图像和第二图像能够反映出医疗介入器件在生理腔内的实际移动状况和实际旋转状况。同时，在医疗介入器件在生理腔内持续地执行过程中，基于在不同时刻的不同图像，能够向医生实时反馈医疗介入器件的运动状况，实现对医疗介入器件在生理腔内的实时监测，从而使得医生在医疗介入器件发生异常时及时停止操纵，确保手术的安全性。

在一些实施例中，在所述第一图像和所述第二图像中识别出所述代表部，便于判断医疗介入器件在第二图像中相对于在第一图像中的位置或其他运动状态的变化，提高了判断医疗介入器件运动状态变化的准确度，也提高了分析医疗介入器件运动变化的分析速度。比如，通过在所述第一图像和所述第二图像中识别出所述代表部，比如识别出导丝或导管的头部，精准定位到导丝或导管的头部，通过对导丝或导管的头部在第二图像、第一图像中的变化，能够快速判断导丝或导管在生理腔内的运动变化情况，提高了分析速度和判断准确度。

在一些实施例中，所述实际运动参数包括实际移动距离，且基于所述第二位置相对于所述第一位置的变化，确定所述代表部的实际移动参数和/或实际旋转参数作为所述医疗介入器件的实际运动参数，具体包括确定所述第一位置与所述第二位置的距离，基于所确定的距离并考虑所述生理腔的形态参数，确定所述代表部的实际移动距离，作为所述医疗介入器件的实际运动参数。具体地，以介入手术机器人对手术中的导管、导丝的控制为例进行详细说明。介入手术机器人通过摇杆控制导丝运动，运动包括控制导丝向前推送和旋转。医生通过摇杆来控制对导丝(如图2(a))或导管(如图2(b))的推送，通过滚轮来控制对导丝(如图2(c))或导管(如图2(d))的旋转。在具体实施例中，机器人工作站用于收集和处理数据。手术中，医生操作控制盒来进行手术，机器人工作站实时记录介入手术机器人对导丝或导管的控制情况，比如，医生在控制导丝摇杆推送导丝时，机器人工作站就会记录推送过程中的导丝移动距离。又比如医生在控制导管滚轮旋转导管时，机器人工作站就会记录旋转过程中的导管旋转角度。

DSA工作站和机器人工作站之间可以通过线缆连接，可以进行实时的数据交换。DSA用于采集患者的血管影像，这些影像在DSA工作站内，进行对比分析。在手术中，系统会自动识别导丝和导管的位置，然后在机器人控制导丝和导管运动后，进行对导丝或导管的位置再次识别，并实时分析当前导丝或导管和之前的图像的位置的差别，得出导丝或导管在图像上经过分析判断后的旋转角度和移动距离。

具体地，以控制导丝在血管中的推进为示例，以导丝的头部作为代表部分析导丝在血管中的运动情况。如图2(a)所示，准备就绪后，操作DSA工作站进行血管造影，获取第一图像，作为图像数据A(步骤201a)，即得到患者的术前血管图像，保存图像数据A到DSA工作站(步骤202a)，识别导丝的头部，基于所述第一图像获取导丝的头部在第一时刻的第一位置，记录为A点。医生操作导丝摇杆(步骤203a)进行手术，基于医生的经验，判断在第二时刻相对于第一时刻这一时间段内，导丝需要推进的移动距离，作为设置的导丝移动距离。如步骤204a，机器人工作站获取设置的导丝移动距离，介入手术机器人利用末端执行器移动导丝(步骤205a)，使之在血管中向前推进。机器人工作站基于末端执行器的测量，实时记录机器人的末端执行器推进导丝移动距离C(步骤210a)，记录为C点。操作导丝摇杆进行了导丝的向前推送，导丝在持续地推送中发生移动。在导丝移动过程中，DSA工作站实时呈现患者的血管图像，获取在第二时刻的第二图像，作为图像数据B(步骤206a)。如步骤207a，DSA工作站收集到DSA采集到的图像后，进行导丝头的识别。这时DSA工作站获取在第二时刻的第二图像，并对第二图像中的导丝的头部进行识别以及进行分析计算，获取反映导丝移动距离的第二位置B。如步骤208a，对比A和B数据，基于血管的形态，根据血管内的算法，进行一些处理后，计算出实际的导丝移动距离D(步骤209a)，并将数据实时发送给机器人工作站，如步骤211a所示，机器人工作站会将两组数据C和D进行对比，比如，利用C-D获得差值，得到的差值取绝对值后，会和系统设定的阈值N进行对比(见步骤211a)，如果C-D的绝对值超过了N，则说明系统控制导丝移动过程出现了异常，机器人推送导丝的距离明显超过了导丝实际在血管内的运动距离，可以推断在手术中的某个环节出现了问题，需要医生进行核查。此时机器人工作站会立刻发送指令给介入手术机器人的末端执行器，停止运动(如步骤213a)，可以及时阻止对患者的损伤，起到了保护患者的作用。同时机器人工作站也会给医生的显示屏上发送出现异常的情况，向医生给予提示(步骤214a)，进行安全核查。如步骤212a所示，当C-D的绝对值比N值小时，说明系统在安全范围内，可以正常运行。

利用摇杆控制导管在血管中的推进(如图2(b))，控制方法与通过摇杆控制导丝在血管中的推进过程类似。操作DSA工作站进行血管造影，获取第一图像，作为图像数据A(步骤201b)，即得到患者的术前血管图像，保存图像数据A到DSA工作站(步骤202b)，识别导管的头部，基于所述第一图像获取导管的头部在第一时刻的第一位置，记录为A点。医生操作导管摇杆(步骤203b)进行手术，如步骤204b，机器人工作站获取设置的导管移动距离，介入手术机器人利用末端执行器移动导管(步骤205b)，使之在血管中向前推进。机器人工作站基于末端执行器的测量，实时记录机器人的末端执行器推进导管移动距离C(步骤210b)，记录为C点。DSA工作站获取在第二时刻的第二图像，作为图像数据B(步骤206b)。如步骤207b，DSA工作站收集到DSA采集到的图像后，进行导管头的识别以及进行分析计算，获取反映导管移动距离的第二位置B。如步骤208b，对比A和B数据，计算出实际的导管移动距离D(步骤209b)，并将数据实时发送给机器人工作站。如步骤211b所示，机器人工作站会将两组数据C和D进行对比，如果C-D的绝对值超过了N，机器人工作站会立刻发送指令给介入手术机器人的末端执行器，停止运动(如步骤213b)。同时机器人工作站也会给医生的显示屏上发送出现异常的情况，向医生给予提示(步骤214b)。如步骤212b所示，当C-D的绝对值比N值小时，说明系统在安全范围内，可以正常运行。

导丝的旋转监测和保护过程，基本同导丝移动过程类似。如图2(c)，操作DSA工作站进行血管造影，获取第一图像，作为图像数据A(步骤201c)，即得到患者的术前血管图像，保存图像数据A到DSA工作站(步骤202c)，识别导丝的头部，基于所述第一图像获取导丝的头部在第一时刻的第一位置，记录为A点。医生操作导丝滚轮(步骤203c)以设置移动导丝旋转角度，机器人工作站获取设置的移动导丝旋转角度(步骤204c)，介入手术机器人利用末端执行器移动导丝旋转角度(步骤205c)，使之在血管中旋转角度。机器人工作站监测导丝的旋转角度，记录设置的导丝旋转角度C(步骤210c)。DSA采集到在第一时刻的第一图像，记录为图像数据A，传递给DSA工作站，DSA工作站进行导丝头部的识别，尤其是导丝头部的弯曲角度，记录为导丝头部在第一时刻的第一位置为A点。在导丝滚轮旋转后，DSA采集到在第二时刻的第二图像，记录为图像数据B(步骤206c)，图像数据B传递给DSA工作站(步骤207c)，然后识别导丝头部的角度，记录为导丝头部在第二时刻的第二位置为B点。如步骤208c，对比A和B的数据(主要对比角度)，计算出实时的旋转角度，记录为实际的导丝旋转角度D(步骤209c)。DSA工作站会把数据传递到机器人工作站，机器人工作站会把C和D进行相减，计算出图像上的导丝旋转角度，得到的结果跟设定阈值N进行比较(步骤211c)，如果旋转角度的差值的绝对值大于N，则说明导丝在旋转过程中遇到了阻塞等问题，发生了异常状况。此时机器人工作站会立刻发送指令停止运动(步骤213c)，阻止进一步的危险动作。当导丝扭曲后，可能对血管造成损伤，严重的会威胁到患者的生命安全。同时，机器人工作站也会把异常信息发送到显示器上，给予提示(如步骤214c)。如步骤212c所示，当C-D的绝对值比N值小时，说明系统在安全范围内，可以正常运行。

利用滚轮控制导管在血管中的旋转(如图2(d))，控制方法与通过滚轮控制导丝在血管中的旋转的控制过程类似。类似地，操作DSA工作站进行血管造影，获取第一图像，作为图像数据A(步骤201d)，即得到患者的术前血管图像，保存图像数据A到DSA工作站(步骤202d)，识别导管的头部，基于所述第一图像获取导管的头部在第一时刻的第一位置，记录为A点。如步骤203d，医生操作导管滚轮设置移动导管旋转角度，机器人工作站获取设置的移动导管旋转角度(步骤204d)，介入手术机器人利用末端执行器移动导管旋转角度(步骤205d)。机器人工作站监测导管的旋转角度，记录设置的导管旋转角度C(步骤210d)。DSA采集到在第二时刻的第二图像，记录为图像数据B(步骤206d)，图像数据B传递给DSA工作站(步骤207d)，然后识别导管头部的角度，记录为导管头部在第二时刻的第二位置为B点。如步骤208d，对比A和B的数据(主要对比角度)，计算出实时的旋转角度，记录为实际的导管旋转角度D(步骤209d)。DSA工作站会把数据传递到机器人工作站，机器人工作站会把C和D进行相减，计算出图像上的导管旋转角度，得到的结果跟设定阈值N进行比较(步骤211d)。如果旋转角度的差值的绝对值大于N，则说明导管在旋转过程中发生了异常状况。此时机器人工作站会立刻发送指令停止运动(步骤213d)，阻止进一步的危险动作。同时，机器人工作站也会把异常信息发送到显示器上，给予提示(如步骤214d)。如步骤212d所示，当C-D的绝对值比N值小时，说明系统在安全范围内，可以正常运行。

整个手术过程中，机器人工作站和DSA工作站会全程监测手术中导管和导丝的动作，可以有效避免医生因为注意力不集中等原因带来了手术风险，真正有效的保护了病人的介入手术的安全。通过该实施例，可以实时监测手术中导管和导丝的运行状态，一旦发生异常情况，能够第一时间停止机器人操作，并提示医生，有效的保护了患者的安全。上述示例仅为具体说明，不形成对保护范围的具体限制。注意，虽然图2(a)-图2(d)以DSA工作站和机器人工作站作为处理站的示例进行说明，但本发明不限于此，本发明的控制方法可以利用多种定位的处理器(参见图3中的处理器301)来执行，其可以位于云端，也可以集成在介入手术机器人的机器人臂侧，也可以集成到用户终端侧，可以位于机器人工作站或DSA工作站，等等，在此不赘述。

在一些实施例中，基于所确定的距离并考虑所述生理腔的形态参数，确定所述代表部的实际移动距离具体包括：响应于医生调整投影角度使得所述生理腔的投影变形程度小于预设变形阈值，获取调整投影角度后的包含医疗介入器件的所述生理腔的对应生理部位的图像，确定所获取的调整投影角度后的图像上所述代表部附近的所述生理腔的形态参数，用于确定所述代表部的实际移动距离，其中，所述形态参数包括曲率和倾斜角度中的至少一种。具体地，所述预设变形阈值可以认为设定，也可以出厂时确定好。假设预设变形阈值为1，如果生理腔的投影变形程度大于预设变形阈值1，则说明生理腔变形程度较大，容易发生危险。因此，控制生理腔的投影变形程度在合理范围，既有利于确定代表部的旋转角度又有利于降低危险，提高安全性。在该实施例中，关于角度的识别可以有多种方式，例如，代表部的旋转角度可以与代表部在图像上的投影长度相关。比如，确定头部弯曲的导丝的末端为代表部，第1时刻为初始时刻，此时，代表部在图像上的投影距离轴线的长度为基准长度，旋转导丝，在第2时刻，代表部在图像上的投影距离轴线的长度相对于基准长度发生变化，依次类推，伴随着旋转过程，代表部在图像上的投影的位置以及各个位置距离轴线的长度发生变化，此时，代表部的旋转角度与代表部在图像上的投影长度相关。具体地，可以设定在初始时刻时，获取代表部在图像上的基准角度，建立代表部的基准角度和当前识别出的长度之间的三角函数关系。或者，构建所述代表部的旋转角度与长度之间的关系表格，通过获取代表部在图像上的投影长度处于表格中的位置，获取旋转角度。仅以此为示例，不构成对保护范围的具体限定。

例如，通过DSA工作站，获取从初始图像到调整投影角度后的所有图像。首先，在导丝和/或导管的代表部在第1时刻的图像a(可以理解为初始图像)中识别出导丝和/或导管的代表部在第1时刻的对应角度θ₁，并记录导丝和/导管的代表部在第1时刻的位置，接着，在第2时刻的图像b(相对于图像a的下一帧图像)中识别出所述代表部在第2时刻的对应角度θ₂，再次识别出所述代表部在第2时刻的位置并记录，同时，获取所述代表部在第2时刻相对于在第1时刻的角度差A1(A1＝θ₂-θ₁)。以此类推，获取在第3时刻的图像c(相对于图像b的下一帧图像)中识别出所述代表部在第3时刻的对应角度θ₃，再识别出所述代表部在第3时刻的位置并记录，同时，获取所述代表部在第3时刻相对于在第2时刻的角度差A2(A2＝θ₃-θ₂)。以此类推，直到识别出全部图像，在第n时刻的图像n中识别出所述代表部在第n时刻的对应角度θ_n以及在第n时刻的位置并记录，获取所述代表部在第n时刻相对于在第n-1时刻的角度差An-1(An-1＝θ_n-θ_n-1)。将所识别的所有的图像的角度的差作和，即为旋转角度(旋转角度A＝A1+A2+A3+……+An-1)。所有记录的位置可形成运动点迹，将运动点迹做曲线拟合(比如最小二乘法)，获得的曲线长度即为实际移动距离，由此可得到上述形态参数。

在一些实施例中，设置的旋转参数包括设置旋转角度，且所述设置旋转角度小于2圈，以实现对旋转角度的可控监测和识别，从而获取的实际运动参数的准确性，进而提高对医疗介入器件控制的精确性。

在一些实施例中，在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，使得所述介入手术机器人的运动停下进一步包括在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，使得所述介入手术机器人的运动暂停，锁定维持所述介入手术机器人的当前状态并提示医生进行核查。在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，可以推断操作出现异常，此时，只是确保介入手术机器人的运动暂停即可，医生对当前状态进行核查，进一步确定出现异常情况的原因或者异常情况的严重程度。在核查结果为排除故障时，解锁恢复所述介入手术机器人继续运动，此时，通过简单的核查，可以确定操控系统并没有出现故障，可能是由于医生操作不当导致的操作异常。在此情况下，恢复介入手术机器人继续运动，医生操作时调整状态，规范操作即可。

在核查结果为确认故障时，识别故障水平，基于故障水平，进一步调整操作系统。在所识别的故障水平等于或低于第一阈值水平时，继续锁定维持所述介入手术机器人的当前状态，同时自动或半自动地控制所述介入手术机器人的驱动装置以增加夹紧力和推进力中的至少一种并提示医生进行核查，直到核查结果变为排除故障。介入手术机器人的驱动装置的夹紧力和推进力对于操纵医疗介入器件在生理腔内的运动至关重要，夹紧力或推进力无法达到要求时，无法实现对医疗介入器件的精确控制，比如，由于夹紧力较低，导致医疗介入器件在运动过程中脱落。这种故障可以通过增加夹紧力的方式解决，因此，当系统显示故障水平等于或低于第一阈值水平时，无需关闭所述介入手术机器人的驱动装置，只要通过调节增加夹紧力或推进力即可。此外，不排除其他可以通过对系统的调节以排除故障的方法。

进一步地，在所识别的故障水平高于第一阈值水平时，关闭所述介入手术机器人的驱动装置，提示医生转为人工操控所述医疗介入器件在所述生理腔中移动。此时，较高的故障水平意味着系统出现较为严重的难以通过简单调整即可修复的问题，因此，在所识别的故障水平高于第一阈值水平时，关闭所述介入手术机器人的驱动装置，进而由医生进行人工操控，从而避免了系统故障对患者造成的伤害，确保了患者的生命安全。通过该实施例，能够解决现有介入手术机器人没有异常保护机制，介入机器人无法判断手术异常状态，介入机器人没有实时监测异常状态，当出现异常情况时，机器人没有及时停止，没有实时反馈信息等一系列的问题。

在一些实施例中，如图3所示，提供一种介入手术机器人的控制系统300，所述介入手术机器人的控制系统300包括至少一个处理器301，所述至少一个处理器301被配置为执行本发明各个实施例所述的介入手术机器人的控制方法。该控制系统分析速度快，提高了介入手术机器人的自动化程度和安全性，能够医生实时反馈控制导管和导丝的情况，使得医生操作时更加放心，可以更多精力集中在病情的分析和诊断上，从而提高手术效率。

在一些实施例中，如图4(a)所示，介入手术机器人系统400包括机器人臂401、驱动装置402、用户终端403和至少一个处理器404。如图5所示，所述机器人臂401设有末端执行器501(如图5)，以作用于要在患者的生理腔内运动的医疗介入器件，比如，利用末端执行器501操纵导丝或导管在血管中移动。具体说来，末端执行器501可以是钳夹、爪形件、缝合构件、吻合构件、推进构件等等，只要能够作用于医疗介入器件执行相应的操作即可。驱动装置402被配置为根据控制指令驱动所述机器人臂401，通过控制机器人臂401，实现利用末端执行器501对导丝、导管或支架的操纵。其中，所述用户终端403包括用户操纵部，以接收用户的手动操纵，并向所述驱动装置402传输与所述手动操纵对应的控制指令。比如，医生利用介入手术机器人操纵导丝时，通过用户终端403传输控制指令。所述介入手术机器人系统400还包括至少一个处理器404，该处理器404配置为执行本发明各个实施例所述的介入手术机器人的控制方法。

在一些实施例中，如图4(a)所示，所述用户终端403包括分立的用于转动的第一操纵机构405和用于推进的第二操纵机构406，具体地，用于转动的第一操纵机构405和用于推进的第二操纵机构406包括各自分别用于转动和推进的相关功能件，以操纵医疗介入器件在血管内的转动和推进。

在一些实施例中，如图4(b)所示，用于转动的第一操纵机构405包括分立的用于第一类医疗介入器件的转动的第一操纵构件407和用于第二类医疗介入器件的转动的第二操纵构件408。比如，当第一类医疗介入器件为导丝时，如图6所示，第一操纵构件407具体可以为导丝滚轮604，当第二类医疗介入器件为导管时，所述第二操纵构件408可以为导管滚轮602。如图4(c)所示，用于推进的第二操纵机构406包括分立的用于第一类医疗介入器件的推进的第三操纵构件409和用于第二类医疗介入器件的推进的第四操纵构件410。比如，当第一类医疗介入器件导丝时，如图6所示，所述第三操纵构件409可以为导丝摇杆603，当第二类医疗介入器件为导管时，所述第四操纵构件410可以为导管摇杆601，所述第一类医疗介入器件和所述第二类医疗介入器件用于在所述生理腔的术中配合使用。具体地，以导丝和导管作为医疗介入器件为例进行说明。

如图5所示，DSA设备包括导管床502，DSA503和影像工作站504。其中，导管床502用于支撑患者，DSA503用于手术中在对患者输注造影剂前后发射X射线成像，并基于前后所拍摄的血管图像来生成血管造影成像。影像工作站504用于数据处理，集成控制和驱动DSA503。机器人设备包括末端执行器501和主端设备，主端设备里有控制盒508、触摸屏507、显示器506、机器人工作站505。其中，末端执行器501用于夹持和控制导管、导丝的运动，可以连同机器人臂一起安装在导管床502侧面的导轨上。机器人工作站505用于数据处理，收发指令等。触摸屏507用于人机交互，显示器506用于显示系统信息，呈现DSA图像。除了DSA图像之外，显示器506还可以显示其他信息，诸如实际运动参数、设置运动参数等。例如，显示器506可以是LCD、CRT或LED显示器。控制盒508用于医生操作控制机器人。控制盒508内有3组控制摇杆和2组控制滚轮。

在一些实施例中，如图6所示，所述介入手术机器人系统400还包括急停开关606，其配置为用于控制驱动装置402的启停，急停开关606用于人工紧急制动。所述第一操纵机构405包括导管滚轮602、导丝滚轮604，所述第二操纵机构406包括导管摇杆601、导丝摇杆603和支架摇杆605。导管摇杆601用于推送导引导管，导管滚轮602用于旋转导管，导丝摇杆603用于推送导丝，导丝滚轮604用于旋转导丝，支架摇杆605用于推送支架导管。系统中，影像工作站504和机器人工作站505通过线缆进行连接，可以进行相互通讯，可以完成实时数据传输和处理。

如图4(a)和图5所示，至少一个处理器404可以分布于机器人工作站505、影像工作站504和驱动装置402中的至少一处，所述机器人工作站505包括在所述介入手术机器人系统400中或者与所述介入手术机器人系统400通信连接，所述影像工作站504与所述介入手术机器人系统400通信连接。处理器404可以是包括一个或多个通用处理设备(诸如微处理器，中央处理单元(CPU)，图形处理单元(GPU)等)的处理设备。更具体地说，处理器404可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、运行其他指令集的处理器或运行指令集的组合的处理器。处理器404也可以是一个或多个专用处理设备，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、片上系统(SoC)等等。如本领域技术人员将理解的，在一些实施例中，处理器404可以是专用处理器，而不是通用处理器。处理器404可以包括一个或多个已知处理设备，诸如由英特尔公司制造的Pentium ^TM、Core ^TM、Xeon^TM或Itanium ^TM系列的微处理器，由AMD公司制造的Turion ^TM、Athlon ^TM、Sempron ^TM、Opteron ^TM、FX^TM、Phenom^TM系列的微处理器或太阳微系统(SunMicrosystems)制造的各种处理器的任一种。处理器404还可以包括图形处理单元，诸如来自Nvidia公司制造的

系列的GPU，由英特尔TM制造的GMA、Iris ^TM系列的GPU或者由AMD公司制造的Radeon ^TM系列GPU。处理器404还可以包括加速的处理单元，诸如AMD公司制造的桌面A-4(6,8)系列，英特尔公司制造的XeonPhi ^TM系列。所公开的实施例不限于任何类型的处理器或处理器电路，这些处理器或处理器电路以其他方式被配置为满足如下计算需求：执行诸如根据本发明各实施例的冠状动脉路径图的生成方法。另外，术语“处理器”或“图像处理器”可以包括多于一个处理器，例如，多核设计或多个处理器，所述多个处理器中的每个处理器具有多核设计。处理器404可以执行存储在存储器(未示出)中的计算机程序指令的序列，以执行本文公开的各种操作、过程、方法。

处理器404可以通信地耦合到存储器并且被配置为执行存储在其中的计算机可执行指令。存储器可以包括只读存储器(ROM)、闪存，随机存取存储器(RAM)、诸如同步DRAM(SDRAM)或Rambus DRAM的动态随机存取存储器(DRAM)、静态存储器(例如，闪存，静态随机存取存储器)等，其上以任何格式存储计算机可执行指令。计算机程序指令可以被处理器404访问，从ROM或者任何其他合适的存储位置读取，并加载到RAM中供处理器404执行。例如，存储器可以存储一个或多个软件应用程序。存储在存储器中的软件应用程序可以包括例如用于通用计算机系统的操作系统(未示出)以及软控制设备(未示出)。此外，存储器可以存储整个软件应用程序或仅存储软件应用程序的一部分以能够由处理器404执行。另外，存储器可以存储多个软件模块，用于实现与本发明各个实施例所述的各个步骤。

本发明描述了各种操作或功能，其可以被实现为软件代码或指令或被定义为软件代码或指令。此类内容可以是可以直接执行的源代码或差分代码(“增量”或“补丁”代码)(“对象”或“可执行”形式)。软件代码或指令可以存储在计算机可读存储介质中，并且在被执行时，可以使机器执行所描述的功能或操作，并且包括以机器(例如，计算装置、电子系统等)可访问的形式存储信息的任何机制，例如可记录或不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存装置等)。

本发明描述的示例性方法可以至少部分地由机器或计算机实现。在一些实施例中，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本发明各个实施例所述的介入手术机器人的控制方法。这样的方法的实现可以包括软件代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。可以使用各种软件编程技术来创建各种程序或程序模块。例如，程序部分或程序模块可以用或借助Java、Python、C、C++、汇编语言或任何已知的编程语言来设计。可以将这样的软件部分或模块中的一个或多个集成到计算机系统和/或计算机可读介质中。这样的软件代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该软件代码可以形成计算机程序产品或计算机程序模块的一部分。此外，在示例中，软件代码可以有形地存储在一个或多个易失性，非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如光盘和数字视频盘)、盒式磁带、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

对本发明的方法、装置和系统可以进行各种变型和更改。鉴于所公开的系统和相关方法的描述和实践，可以由本领域的技术人员衍生出其他实施例。本发明的各个权利要求都可理解为独立实施例，并且它们之间的任意组合也用作本发明的实施例，并且这些实施例被视为都包括在本发明中。

示例仅视为示例性的，真实范围由所附权利要求书及其等效来表示。

Claims (13)

1.一种介入手术机器人的控制系统，所述介入手术机器人经由医生的远程操纵而操纵医疗介入器件在患者的生理腔内运动，其特征在于，所述控制系统包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：

获取包含医疗介入器件的患者的生理腔的对应生理部位在第一时刻的第一图像和第二时刻的第二图像，其中，所述第二时刻在第一时刻后面；

基于所述第一图像和所述第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际移动参数和/或实际旋转参数作为实际运动参数；

获取在所述时间段内医生的远程操纵所设置的移动参数和/或设置的旋转参数作为设置运动参数；

对所述实际运动参数与设置运动参数进行比较以确定偏差；

在所确定的偏差超出设定阈值范围的情况下，使得所述介入手术机器人的运动暂停，锁定维持所述介入手术机器人的当前状态并提示医生进行核查；在核查结果为排除故障时，解锁恢复所述介入手术机器人继续运动；

在核查结果为确认故障时，识别故障水平；

在所识别的故障水平等于或低于第一阈值水平时，继续锁定维持所述介入手术机器人的当前状态，同时自动或半自动地控制所述介入手术机器人的驱动装置以增加夹紧力和推进力中的至少一种并提示医生进行核查，直到核查结果变为排除故障；

在所识别的故障水平高于第一阈值水平时，关闭所述介入手术机器人的驱动装置，提示医生转为人工操控所述医疗介入器件在所述生理腔中移动。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，基于所述第一图像和所述第二图像，确定所述医疗介入器件在生理腔内在所述第一时刻与所述第二时刻之间的时间段内的实际移动参数和/或实际旋转参数作为实际运动参数，具体包括：

获取所述医疗介入器件的代表部在所述第一时刻的第一位置，其中所述代表部相对于所述医疗介入器件在患者的生理腔内的移动方向成角度；

获取所述医疗介入器件的代表部在所述第二时刻的第二位置；

基于所述第二位置相对于所述第一位置的变化，确定所述代表部的实际移动参数和/或实际旋转参数作为所述医疗介入器件的实际运动参数。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述生理腔包括血管、呼吸道和消化道中的任何一种，和/或所述医疗介入器件包括导管、导丝、内窥镜和支架中的任何一种，和/或所述第一图像和所述第二图像各自包括二维图像或者三维图像，所述控制系统中的所述介入手术机器人经由医生的远程操纵下操纵医疗介入器件在患者的生理腔内运动的过程中持续地执行。

4.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，还包括：在所述第一图像和所述第二图像中识别出所述代表部。

5.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述实际运动参数包括实际移动距离，且基于所述第二位置相对于所述第一位置的变化，确定所述代表部的实际移动参数和/或实际旋转参数作为所述医疗介入器件的实际运动参数，具体包括：

确定所述第一位置与所述第二位置的距离；

基于所确定的距离并考虑所述生理腔的形态参数，确定所述代表部的实际移动距离，作为所述医疗介入器件的实际运动参数。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，基于所确定的距离并考虑所述生理腔的形态参数，确定所述代表部的实际移动距离具体包括：

响应于医生调整投影角度使得所述生理腔的投影变形程度小于预设变形阈值，获取调整投影角度后的包含医疗介入器件的所述生理腔的对应生理部位的图像；

确定所获取的调整投影角度后的图像上所述代表部附近的所述生理腔的形态参数，用于确定所述代表部的实际移动距离，其中，所述形态参数包括曲率和倾斜角度中的至少一种。

7.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，设置的旋转参数包括设置旋转角度，且所述设置旋转角度小于2圈。

8.一种介入手术机器人系统，其特征在于，包括：

机器人臂，所述机器人臂设有末端执行器，以作用于要在患者的生理腔内运动的医疗介入器件；

驱动装置，其配置为根据控制指令驱动所述机器人臂；

用户终端，其包括用户操纵部，以接收用户的手动操纵，并向所述驱动装置传输与所述手动操纵对应的控制指令；以及

至少一个处理器，其配置为：执行根据权利要求1-7任一所述的介入手术机器人的控制系统中所述处理器执行的步骤。

9.根据权利要求8所述的介入手术机器人系统，其特征在于，所述用户终端包括分立的用于转动的第一操纵机构和用于推进的第二操纵机构。

10.根据权利要求9所述的介入手术机器人系统，其特征在于，用于转动的第一操纵机构包括分立的用于第一类医疗介入器件的转动的第一操纵构件和用于第二类医疗介入器件的转动的第二操纵构件，用于推进的第二操纵机构包括分立的用于第一类医疗介入器件的推进的第三操纵构件和用于第二类医疗介入器件的推进的第四操纵构件，所述第一类医疗介入器件和所述第二类医疗介入器件用于在所述生理腔的术中配合使用。

11.根据权利要求9所述的介入手术机器人系统，其特征在于，还包括急停开关，其配置为用于控制驱动装置的启停；

所述第一操纵机构包括导管滚轮、导丝滚轮；

和/或所述第二操纵机构包括导管摇杆、导丝摇杆和支架摇杆。

12.根据权利要求8所述的介入手术机器人系统，其特征在于，至少一个处理器分布于机器人工作站、影像工作站和驱动装置中的至少一处，所述机器人工作站包括在所述介入手术机器人系统中或者与所述介入手术机器人系统通信连接，所述影像工作站与所述介入手术机器人系统通信连接。

13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行如权利要求1-7任一所述的介入手术机器人的控制系统中所述处理器执行的步骤。

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