CN115005978A - 计算机可读存储介质、电子设备、路径规划及机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种计算机可读存储介质、电子设备、路径规划及机器人系统，计算机可读存储介质上存储有程序，当程序被执行时，执行如下步骤：根据手术区域的第一图像信息建立第一三维模型；根据手术区域的局部区域的第二图像信息建立第二三维模型，第二三维模型用于规划预期手术操作位置；将预期手术操作位置映射至第一三维模型，并在第一三维模型上得到目标手术操作位置；根据手术器械的起始位置、第一三维模型和目标手术操作位置生成手术器械的运动路径。该计算机可读存储介质应用于手术机器人系统时，结合手术区域在术前的全部范围内的信息以及术中局部信息以进行手术器械的路径规划，使得规划的运动路径更符合实际情况，提高手术效率和安全性。

Description

计算机可读存储介质、电子设备、路径规划及机器人系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及计算机可读存储介质、电子设备、路径规划及机器人系统。
背景技术
手术机器人的设计理念是采用微创伤的方式精准地实施复杂的外科手术。在传统的手术操作面临种种局限的情况下发展出现了手术机器人，手术机器人突破了人眼的局限，其能够利用立体成像技术将人体内部的器官更加清晰地呈现给施术者。并且对于一些人的手部无法伸入的狭小区域，手术机器人仍可控制手术器械完成挪动、摆动、夹持及360°转动，并可避免抖动，提高手术精确度，进一步达到创口小、出血少、术后恢复快、极大地缩短手术对象术后住院时间的优势。因此，手术机器人深受广大医患的青睐，广泛应用于各自临床手术中。
现有技术中，利用手术机器人执行手术操作时，通常利用术前获取的医学影像例如CT影像、MRI影像、B超影像等规划手术器械的运动路径，然后由医生控制手术机器人的工具臂运动，以带动连接在所述工具臂末端的手术器械沿着运动路径运动至手术操作位置并执行相应的手术操作。这种方案仅利用术前的医学影像规划手术器械的运动路径，没有考虑到手术过程中患者的实际情况可能与医学影像所显示的情况不同，例如实际手术边界大于医学影像所显示的边界、原本在医学影像中未被遮挡的运动路径在患者体内被遮挡等，导致预先规划的运动路径不能适应实际情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质、电子设备、路径规划及机器人系统，旨在规划出符合术中实际情况的手术器械的运动路径，以提高手术操作的效率和安全性。
为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：
根据手术区域在术前的第一图像信息建立第一三维模型；
根据手术区域在术中的第二图像信息建立第二三维模型，所述第二三维模型用于规划预期手术操作位置；
将所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并在所述第一三维模型上得到目标手术操作位置；
根据手术器械的起始位置、所述第一三维模型和所述目标手术操作位置生成所述手术器械的运动路径，以使所述手术器械沿所述运动路径移动时，能够从所述起始位置移动至所述目标手术操作位置。
可选地，所述第一图像信息为所述手术区域的全部范围内的图像信息；所述第二图像信息为手术区域的局部区域的图像信息。
可选地，根据手术区域在术前的第一图像信息建立第一三维模型的步骤具体包括：
对所述第一图像信息进行灰度归一化处理和二值化处理，并提取特征值；
在模型库中进行特征值比对，并识别所述第一图像信息中的组织；
根据识别的组织建立所述第一三维模型。
可选地，根据手术区域在术中的第二图像信息建立第二三维模型的步骤具体包括：
对所述第二图像信息进行灰度归一化处理和二值化处理，并提取特征值；
在模型库中进行特征值比对，以识别所述第二图像信息中的组织；
根据识别的组织建立所述第二三维模型。
可选地，将所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并在所述第一三维模型上得到目标手术操作位置的步骤具体包括：
对所述第一三维模型和所述第二三维模型进行配准，建立所述第一三维模型的坐标系与所述第二三维模型的坐标系之间的转换关系；
根据所述预期手术操作位置在所述第二三维模型的坐标系下的坐标和所述转换关系得到所述预期手术操作位置在所述第一三维模型的坐标系下的坐标，以作为所述目标手术操作位置。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
产生第一介入提示信息，以提示对所述预期手术操作位置进行规划。
可选地，在规划所述运动路径时，所述程序还以第一预设条件作为生成所述运动路径时的限制因素，所述第一预设条件包括如下的至少一者：
所述运动路径为途径至少一个所述目标操作位置的环线；
所述运动路径与所述第一三维模型中所显示的组织间隔预定距离，且在平面投影上，所述运动路径沿所述组织的表面设置；
所述运动路径不穿行于所述第一三维模型中所显示的组织的内部。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
将所述运动路径发送至显示装置进行显示。
可选地，所述程序规划多条所述运动路径；所述程序以第二预设条件作为显示所述运动路径时的限制因素，所述第二预设条件包括路径的长短、到达时间的长短、操作难易度中的任一者。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
产生第二介入提示信息，以提示确认所述运动路径是否符合要求。
可选地，当所述运动路径不符合要求，且所述预期手术操作位置被更新时，所述程序还执行如下步骤：
将更新后的所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并得到更新后的目标手术操作位置；以及，
根据所述起始位置、所述第一三维模型和更新后的所述目标操作位置更新所述运动路径。
可选地，所述程序规划多条所述运动路径，所述程序还执行如下步骤：
产生第三介入提示信息，以提示选择符合要求的运动路径。
可选地，所述计算机可读存储介质上存储有多种路径生成算法，所述程序还执行如下步骤：
产生第四介入提示信息，以提示选择路径生成算法。
为实现是夯实目的，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
为实现上述目的，本发明还提供了一种路径规划系统，包括：
图像采集装置，用于采集手术区域的第一图像信息和手术区域的局部区域的第二图像信息；以及，
控制单元，与所述图像采集装置通信连接，并被配置用于执行如前中任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
可选地，所述路径规划装置还包括人机交互单元，所述人机交互单元与所述控制单元通信连接，并包括显示模块，所述显示模块用于显示所述运动路径。
可选地，当所述程序被执行时，所述程序还产生介入提示信息，以提示执行介入操作；所述显示模块还显示所述介入提示信息，且所述人机交互单元还包括输入模块，以用于根据所述介入提示信息输入介入指令。
为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括：
图像臂，
图像采集装置，设置在所述图像臂上，并用于采集手术区域的第一图像信息和手术区域的局部区域的第二图像信息；以及，
控制单元，与所述图像采集装置通信连接，并被配置用于执行如前任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质、电子设备、路径规划及机器人系统具有如下优点：
前述的计算机可读存储介质上存储有程序，当所述程序被执行时执行如下步骤：根据手术区域在术前的第一图像信息建立第一三维模型；根据手术区域在术中的第二图像信息建立第二三维模型，所述第二三维模型用于规划预期手术操作位置；将所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，以在所述第一三维模型上得到目标手术操作位置；根据手术器械的起始位置、所述第一三维模型和所述目标手术操作位置生成所述手术器械的运动路径，以使所述手术器械沿所述运动路径运动时能够从所述起始位置移动至所述目标手术操作位置。所述第一图像信息通常是术前采集的手术区域的全部范围的图像信息，所述第二图像信息是术中的手术区域的局部区域的实时图像信息，也就是说，本发明结合手术区域在术前的第一三维模型和术中的实时三维模型来规划手术器械的运动路径，使得所述运动路径能够较好地适应术中的实际情况，进而提高手术效率和安全性。
进一步地，所述程序还执行如下步骤：产生第一介入提示信息，以提示对所述预期手术操作位置进行规划。也即，所述预期手术操作位置可以由施术者进行规划，兼顾施术者在术中根据实际情况进行方案调整的需要，并还可以结合施术者的个人经验，具有更高的灵活性，可以更好的适应术中实际情况，也更便于施术者的操作。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的应用场景示意图；
图2是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的第一显示装置的示意图；
图3是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的工具臂及连接于工具臂的末端手术器械的结构示意图；
图4是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在执行手术时，规划手术器械的运动路径的流程图。
图5是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的图像采集装置采集第一图像信息及第二图像信息的示意图；
图6是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元的组成框图；
图7是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的图像采集装置、控制单元及人机交互单元的连接关系示意图；
图8是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元识别第一图像信息或识别第二图像信息中的组织，进而建立相应的三维模型的流程图；
图9是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元根据识别的组织建立的三维模型的示意图，图示中显示了病灶的模型；
图10是本发明根据一具体实施例所提供的手术机器人系统执行手术操作时，获取手术器械的运动路径的过程示意图，图示中控制单元产生第一介入提示信息，且由施术者规划并确定预期手术操作位置；
图11是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元根据蚁群算法规划路径时的流程图；
图12是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的显示模块所显示的内容的示意图，图中显示第一预设条件以供施术者选择；
图13是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统执行手术操作时，获取手术器械的运动路径的过程示意图，图示中显示控制单元规划的运动路径不符合要求，施术者重新规划预期手术操作位置，以更新运动路径的情形；
图14是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的显示模块所显示的内容的示意图，图中显示了施术者执行动作选择项以供施术者选择；
图15是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统执行手术操作时，获取手术器械的运动路径的过程示意图，图示中显示控制单元规划多条运动路径，施术者选择符合要求的运动路径，或所有运动路径均不符合要求，施术者重新规划预期手术操作位置以更新运动路径的情形。
图16是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的显示模块所显示的内容的示意图，图中显示第二预设条件以供施术者选择；
图17是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的显示模块所显示的内容的示意图，图中显示了路径规划方法以供施术者选择。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
图1示出了本发明实施例所提供的手术机器人系统的应用场景示意图。请参考图1，所述手术机器人系统包括控制端和执行端，所述控制端包括医生控制台和设置在所述医生控制台上的医生端控制装置10，所述医生端控制装置10包括沉浸式显示装置11。所述执行端包括患者端控制装置(图中未示出)、手术操作装置20、第一显示装置30(如图1及图2所示)等设备。其中，所述患者端控制装置可与所述手术操作装置20集成于一体，且所述手术操作装置20上挂载有机械臂，所述机械臂包括图像臂21和工具臂22。所述工具臂22用于挂载手术器械40(如如1及图3所示)，所述手术器械40用于插入患者的手术区域并执行手术操作。所述图像臂21用于挂载图像获取装置50，所述图像获取装置50用于获取感兴趣的区域或装置的图像信息(例如后文中述及的手术区域的第一图像信息和手术区域的局部区域的第二图像信息)。所述手术机器人系统还包括一控制单元60(请参考图6中的标注)，所述控制单元60与所述图像臂21、所述工具臂22、所述图像获取装置50、所述第一显示装置30、所述沉浸式显示装置11通信连接。所述控制单元60可设置在所述患者端控制装置处，或设置在医生端控制装置处，或一部分设置在所述患者端控制装置处，另一部分设置在所述医生端控制装置处，或者完全独立于所述患者端控制装置及所述医生端控制装置。也就是说，本发明对所述控制单元60的具体设置方式不作限定，只要其能够执行相关功能即可。
利用所述手术机器人系统执行手术操作时，需要对所述手术器械40的运动路径进行规划，然后通过控制所述工具臂22运动以带动所述手术器械40沿所述运动路径运动，直至所述手术器械40抵达手术操作位置。于本实施例中，请参考图4，所述运动路径的规划方法包括如下步骤：
步骤S1：根据手术区域在术前的第一图像信息建立第一三维模型，以及根据手术区域在术中的第二图像信息建立第二三维模型。
步骤S2：在所述第二三维模型上规划预期手术操作位置。
步骤S3：将所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型上，并在所述第一三维模型上得到目标手术操作位置。
以及，步骤S4：根据所述手术器械40的起始位置、所述第一三维模型和所述目标手术操作位置规划所述手术器械40的运动路径。如此一来，当所述手术器械40沿所述运动路径运动时，能够从所述起始位置运动至所述目标手术操作位置。
其中，所述“手术区域”根据具体的手术来确定，例如在腹腔镜手术中，所述手术区域即是指腹腔，在胸腔镜手术中，所述手术区域即是胸腔，后文中一律以腹腔镜手术，也即所述手术区域是腹腔为例进行说明。所述第一图像信息实际是腹腔的全部范围的图像信息。所述第二图像信息一般是腹腔内的局部区域的图像信息。也就是说，本发明实施例所提供的运动路径的规划方法结合了手术区域在术前的全部范围内的图像信息和术中的局部区域的实时图像信息来规划所述手术器械40的运动路径，使得所述运动路径能够较好地适应术中的实际情况，进而提高手术效率和安全性。
可选地，所述第一图像信息和所述第二图像信息均由所述图像获取装置50获取，在一个示范性的实施例中，如图5所示，所述图像获取装置50是内窥镜，所述图像获取装置50通过插入体内以采集所述第一图像信息和所述第二图像信息。本领域技术人员知晓，在执行腹腔镜手术时，需要在患者腹部的第一孔位和第二孔位处打孔，通常所述内窥镜先从所述第一孔位处进入腹腔，之后所述手术器械40从所述第二孔位处进入腹腔。当所述内窥镜进入腹腔后在其允许的最大旋转角度范围内旋转一圈以获取所述腹腔的全部范围内的图像信息，该图像信息即可作为所述第一图像信息。当所述手术器械40进入腹腔后，施术者在内窥镜所提供的图像信息的指引下驱动所述工具臂21运动，并带动所述手术器械40移动至病灶(也即需要执行手术操作的位置)。所述内窥镜的视野范围有限，因此，在移动所述手术器械40的过程中，施术者需要实时地根据需要调整所述内窥镜的位姿(即位置和姿态)，并获取腹腔内不同区域的图像信息，以更好地引导所述手术器械40移动。于本实施例中，所述内窥镜在每一次位姿调整后所获取的图像信息即可作为所述第二图像信息。也就是说，本发明实施例中所述的“术前”是指所述手术器械40进入患者体内之前的时间范围，“术中”包括所述手术器械40从所述第二孔位移动至病灶的过程及所述所述手术器械40抵达病灶之后的时间范围。
如图6所示，于本实施例中，所述控制单元60可包括识别模块61和建模模块62，如图7所示，所述识别模块61与所述图像采集装置50通信连接，所述建模模块62与所述识别模块61通信连接。所述步骤S1可由所述控制单元60来执行。具体的步骤如图8所示，包括：
步骤S1a：所述识别模块61先采用常规方法对图像信息进行灰度归一化处理和二值化处理，再通过组织特征值算法从处理后的图像信息中提取特征值。
步骤S1b：所述识别模块61还将所述步骤S1a获取的特征值与模型库中预存的特征值进行对比，并识别图像信息中的组织。所述模型库中以特征值加名称的形式存储有各类组织或病灶的模型。
以及，步骤S1c：所述建模模块62根据所述识别模块61所识别的组织建立如图9所示的三维模型。本领域技术人员可以理解，图9仅示意性地表示所建立的三维模型，其中示出了病灶的三维模型1。
也即，所述控制单元60针对所述第一图像信息执行所述步骤S1a至步骤S1c时，建立所述第一三维模型，针对所述第二图像信息执行所述步骤S1a至步骤S1c时，建立所述第二三维模型。
所述第二三维模型用于规划预期手术操作位置。本发明实施例中，所述预期手术操作位置可采用任意合适的方式规划。在一种可选的方式中，由所述控制单元60执行所述预期手术操作位置规划的步骤。在另一种可选的方式中，由施术者规划所述预期操作位置，这样做的好处是可以兼顾施术者在术中根据实际情况进行方案调整的需要，并还可以结合施术者的个人经验，具有更高的灵活性，可以更好地适应术中的实际情况，也更便于施术者的操作。
当所述预期操作位置由施术者规划时，请参考图10，在所述步骤S1之后，以及所述步骤S2之前，所述路径规划方法还包括步骤S5：所述控制单元60产生第一介入提示信息，以提示施术者对预期手术操作位置进行规划。同时所述步骤S2具体为：施术者在所述第二三维模型上规划并输入所述预期手术操作位置。因此，请返回参考图7，所述手术机器人系统的部分部件构成人机交互单元，在一个可选的实现方式中，所述人机交互单元包括显示模块和输送模块，所述显示模块包括所述第一显示装置30和/或所述沉浸式显示装置11，所述显示模块用于显示所述第一介入提示信息，所述第一介入信息例如显示为“输入预期操作位置”的选项。所述输入模块用于输入所述预期手术操作位置，其可以是鼠标、键盘、机械按键、或者设置在所述显示模块上的虚拟按钮等。此外，所述显示模块还与所述图像采集装置50(即所述内窥镜)通信连接，以显示所述图像采集装置50所采集的图像信息。
请返回参考图6，所述控制单元60还包括转换模块63，所述转换模块63与所述建模单元62通信连接。所述步骤S3可由所述转换模块63执行，如图4所示，所述步骤S3具体包括步骤S3a：对所述第一三维模型和所述第二三维模型进行配准，建立所述第一三维模型的坐标系和所述第二三维模型的坐标系之间的映射关系。以及步骤S3b：根据所述预期手术操作位置在所述第二三维模型的坐标系下的坐标和所述转换关系得到所述预期手术操作位置在所述第一三维模型的坐标系下的坐标，并以该坐标所在的位置作为所述目标手术操作位置。对所述第一三维模型和所述第二三维模型进行配准以获取所述第一三维模型的坐标系和所述第二三维模型的坐标系之间的转换关系，是本领域技术人员可以习知的内容，故而此处不做详细介绍。
所述步骤S4中，所述起始位置根据需要设定，其可以是所述第二孔位所在的位置。并且，请参考图6及图7，所述控制单元60还包括路径生成单元64，所述路径生成单元与所述建模单元62及所述转换单元63通信连接，且用于生成所述运动路径，也即，所述步骤S4可以由所述控制单元60执行。所述路径生成单元64中可预先存储至少一种路径生成算法以生成所述运动路径，可选的路径生成算法包括蚁群算法。
蚁群算法的原理为：设整个蚂蚁群中蚂蚁的数量为m，总的靶点数量为n，这里，一个靶点即为一个所述目标操作位置。靶点i与靶点j之间的距离为dij，t时刻，靶点i与靶点j之间的路径上的信息素浓度为τij(t)，初始时，各个路径上的信息素浓度相同，均设为τij(0)＝τ0。蚂蚁k根据各个靶点之间的路径上的信息素浓度决定下一个访问的靶点，以
Figure BDA0003654759080000161
表示t时刻蚂蚁k从靶点i走到靶点j的转移概率，转移概率公式为：
Figure BDA0003654759080000162
其中，ηij(t)为蚂蚁k从靶点i转移到靶点j的期望程度，α表示τ的比重，β表示η的比重，allowωk表示蚂蚁k待访问的靶点集合，且初始时，allowωk包括除起始靶点以外的所有靶点，当蚂蚁遍历所有靶点后，allowωk为空。完成一次循环(即遍历一遍所有靶点)后，每只蚂蚁走过的路径就是一个解。
由于蚂蚁释放信息素的同时，各个靶点之间的路径上的信息素逐渐消失(即逐渐挥发)，以ρ(0＜ρ＜1)代表信息素的挥发程度。当所有蚂蚁完成一次循环之后，各个靶点的信息素浓度需要更新，更新公式如下：
Figure BDA0003654759080000163
其中，
Figure BDA0003654759080000164
表示蚂蚁k在靶点i与靶点j之间的路径上释放的信息素浓度；Δτij表示所有蚂蚁在靶点i和靶点j之间的路径上释放的信息素浓度之和。优选地，在利用蚁群算法规划路径时，选择信息素释放模型时，以满足路径越短释放的信息素浓度越高为原则。
基于以上原理，采用蚁群算法的过程如图11所示，具体包括：
步骤S4a：计算各个靶点之间的初始路径距离，并初始化信息素浓度等参数。
步骤S4b：将三维空间内的多目标路径规划问题等效于已知路径长度的旅行商问题，并将蚂蚁随机置于不同的靶点以作为出发点，且按照转移概率公式确定下一个访问的靶点，直至所有蚂蚁访问完所有靶点。
步骤S4c：计算各个蚂蚁经过的路径长度，并根据更新公式对各个靶点路径上的信息素浓度进行更新，同时记录当前更新次数中的最优解。
步骤S4d：判断已进行的更新次数，如果没有达到预设的更新总次数，则重复执行步骤S4a、步骤S4b和步骤S4c，如果达到预设的更新总次数，则执行步骤S4e。
步骤S4e：将各次更新时的最优解中路径总长度最小的解作为最终解，也即作为最终得到的所述运动路径。
在替代性的实施例中，也可以采用其他算法例如遗传算法来生成所述运动路径。遗传算法是一种现有的路径生成算法，本领域技术人员可以习知其具体的执行步骤，此处不赘述。
进一步地，在进行路径规划时，所述控制单元60还可以以第一预设条件作为生成所述运动路径时的限制因素，所述第一预设条件包括但不限于以下(1)～(3)中的至少一种：(1)所述运动路径为途径至少一个所述目标操作位置的环线，(2)所述运动路径与所述第一三维模型中所显示的组织间隔预定距离，且在平面投影上，所述手术路径沿所述组织的表面设置，(3)所述运动路径不穿行于所述第一三维模型所显示的组织的内部。其中的(2)和(3)可以确保所述手术器械40沿所述运动路径运动时不与组织发生碰撞，保证安全性。在一些情况下，所述控制单元60已经预先设定了作为生成所述运动路径时的限制因素的所述第一预设条件，在另一些情况下，需要施术者选择合适的所述第一预设条件作为生成所述运动路径时的限制因素，在此，所述控制单元60在执行所述步骤S4之前，还执行步骤S6(图中未示出)：产生第五介入提示信息，以提示选择生成所述运动路径时的限制因素。如图12所示，本步骤可通过在所述显示模块上显示多种所述第一预设条件的选项以供施术者选择的方式来实现。之后施术者执行步骤S7(图中未示出)：点选至少一种所述第一预设条件以作为生成所述运动路径时的限制因素。
可选地，如图10及图13所示，所述运动路径的规划方法还包括步骤S8，所述步骤S8在所述步骤S4之后执行，其包括：将所述运动路径发送至所述显示模块进行显示，以便于施术者直观地查看所述运动路径。
在一些实施例中，所述控制单元60可以一次性规划出一条符合要求的运动路径，但在另一些实施例中，所述控制单元60根据当前的所述目标操作位置所规划的运动路径可能并不符合要求。因此，请返回参考图10及图13，在所述步骤S8之后，所述规划方法还包括步骤S9：确认所述运动路径是否符合要求。具体是，如图10及图13所示，所述控制单元60可先执行步骤S9a：产生第二介入提示信息，以提示确认所述运动路径是否符合要求。这里，所述运动路径符合要求包括所述运动路径未被遮挡，以使得所述手术器械40能够沿所述运动路径运动，且不会触碰组织或病灶。当施术者确认所述运动路径符合要求时，如图10及图13所示，施术者执行步骤S9b：输入确认指令，以使得所述路径规划过程结束。当施术者确认所述运动路径不符合要求时，可以对所述预期手术操作位置进行更新，也就是说，如图13所示，所述规划方法还可包括步骤S10：所述控制单元60产生第六介入提示信息，以提示对所述预期手术操作位置进行更新。所述步骤S9a和所述步骤S10可以由所述显示模块显示施术者动作选择项(如图14所示)的方式实现，图14中显示的动作选择项包括确认运动路径、输入新的预期手术操作位置等，其中“输入新的预期手术操作位置”选项即为所述第六介入提示信息的显示形式。当施术者执行所述步骤S9b时，施术者只需点选“确认运动路径”的选项即可，当施术者点选“输入新的预期手术操作位置”选项时，即表明施术者判定所述运动路径不满足要求，需要对所述预期操作位置进行更新。当施术者点选“输入新的预期手术操作位置”选项之后，施术者将执行步骤S11：输入新的预期手术操作位置。之后所述运动路径的规划方法将返回至所述步骤S3及其后的步骤，也即，所述控制单元60将更新后的所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并得到更新后的所述目标手术操作位置，且根据所述起始位置、所述第一三维模型和更新后的所述目标操作位置更新所述运动路径。
或者，在再一些实施例中，所述控制单元60可以一次性规划出多条运动路径，例如所述控制单元60中预存多种路径规划方法，以图15所示为例，所述控制单元60中预存了蚁群算法和遗传算法，在进行路径规划时，所述控制单元60可以同时采用两种路径生成算法方法得到两条不同的运动路径。于此情形下，所述步骤S9可包括步骤S9c和步骤S9d(即所述步骤S9不包括步骤S9a和步骤S9d)，所述步骤S9c为：产生第三介入提示信息，以提示选择符合要求的运动路径。所述步骤S9d为：施术者输入选择指令，以选择符合要求的运动路径。可以理解，本实施例中，所述显示模块上通过显示两个“确认运动路径”选项的方式来显示所述第三介入提示信息，两个“确认运动路径”选项分别针对两条所述运动路径设置。若施术者判定两条所述运动路径均不符合要求时，施术者将点选“输入新的预期手术操作位置”选项。若施术者判定至少一条所述运动路径符合要求时，施术者通过点选一个“确认运动路径”选项来执行所述步骤S9d，并使得路径规划过程结束。
另外，当所述控制单元60规划多条运动路径时，所述控制单元60以第二预设条件作为所述显示模块显示所述运动路径时的限制因素。所述第二预设条件包括但不限于运动路径的长短、到达时间的长短、运动的难易程度中的任一者。举例来说，当以路径的长度作为限制因素时，所述显示模块可以以路径由短到长的顺序依次显示所有的所述运动路径。当以到达时间的长短作为限制因素时，所述显示模块可以到达时间由短到长的顺序依次显示所有的所述运动路径。当以运动的难易程度为限制因素时，所述显示模块以运动时由简到难的顺序依次显示所有所述运动路径。
在一些情况下，所述控制单元60中预先设定了作为显示所述运动路径时的限制因素的所述第二预设条件，在另一些情况下，需要施术者根据需要选择合适的所述第二预设条件以作为显示所述运动路径时的限制因素，故而，所述控制单元还可以执行步骤S12(图中未示出)：产生第七介入提示信息，以提示选择显示所述运动路径时的限制因素。如图16所示，本步骤以所述显示模块显示所有所述第二预设条件的选项以供施术者选择的方式实现。之后，施术者执行步骤S13(图中未示出)：点选合适的所述第二预设条件以作为显示所述运动路径时的限制因素。所述步骤S12及所述步骤S13在所述步骤S8之前执行。
可以理解，在所述控制单元60中预存多种路径规划方法时，所述路径规划方法还可以包括步骤S14(图中未示出)：产生第四介入提示信息，以提示选择路径生成算法，从而所述控制单元60可以仅利用一种路径生成算法生成所述运动路径。实践中，如图17所示，本步骤通过在所述显示模块上显示路径生成算法的选项以供施术者选择的方式来实现。之后，施术者执行步骤S15：点选合适的所述路径生成算法的选项，以选择合适的路径生成算法。所述步骤S14可以在所述步骤S4之前执行，且本发明实施例对所述步骤S14与所述步骤S6的执行顺序没有特别限定。
进一步地，本发明实施例还提供了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程序，当所述程序被执行时，执行前述的运动路径的规划方法中所述控制单元60所执行的步骤。
再进一步地，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和如前所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
更进一步地，本发明实施例还提供了一种路径规划系统，所述路径规划系统包括图像采集装置和控制单元，所述图像采集装置用于采集手术区域的第一图像信息和手术区域的局部区域的第二图像信息。所述控制单元与所述图像采集装置通信连接，并被配置用于执行如前所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
优选地，所述路径规划系统还包括人机交互单元，所述人机交互单元与所述控制单元通信连接，并包括显示模块，所述显示模块用于显示所述运动路径。进一步优选地，所述显示模块还用于显示前述的各种介入提示信息，以及所述人机交互单元还包括输入模块，所述输入模块用于供施术者根据所述介入提示信息输入介入指令。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：
根据手术区域在术前的第一图像信息建立第一三维模型；
根据手术区域在术中的第二图像信息建立第二三维模型，所述第二三维模型用于规划预期手术操作位置；
将所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并在所述第一三维模型上得到目标手术操作位置；
根据手术器械的起始位置、所述第一三维模型和所述目标手术操作位置生成所述手术器械的运动路径，以使所述手术器械沿所述运动路径移动时，能够从所述起始位置移动至所述目标手术操作位置。
2.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述第一图像信息为所述手术区域的全部范围内的图像信息；所述第二图像信息为手术区域的局部区域的图像信息。
3.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，根据手术区域在术前的第一图像信息建立第一三维模型的步骤具体包括：
对所述第一图像信息进行灰度归一化处理和二值化处理，并提取特征值；
在模型库中进行特征值比对，并识别所述第一图像信息中的组织；
根据识别的组织建立所述第一三维模型。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的计算机可读存储介质，其特征在于，根据手术区域在术中的第二图像信息建立第二三维模型的步骤具体包括：
对所述第二图像信息进行灰度归一化处理和二值化处理，并提取特征值；
在模型库中进行特征值比对，以识别所述第二图像信息中的组织；
根据识别的组织建立所述第二三维模型。
5.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，将所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并在所述第一三维模型上得到目标手术操作位置的步骤具体包括：
对所述第一三维模型和所述第二三维模型进行配准，建立所述第一三维模型的坐标系与所述第二三维模型的坐标系之间的转换关系；
根据所述预期手术操作位置在所述第二三维模型的坐标系下的坐标和所述转换关系得到所述预期手术操作位置在所述第一三维模型的坐标系下的坐标，以作为所述目标手术操作位置。
6.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
产生第一介入提示信息，以提示对所述预期手术操作位置进行规划。
7.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，在规划所述运动路径时，所述程序还以第一预设条件作为生成所述运动路径时的限制因素，所述第一预设条件包括如下的至少一者：
所述运动路径为途径至少一个所述目标操作位置的环线；
所述运动路径与所述第一三维模型中所显示的组织间隔预定距离，且在平面投影上，所述运动路径沿所述组织的表面设置；
所述运动路径不穿行于所述第一三维模型中所显示的组织的内部。
8.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
将所述运动路径发送至显示装置进行显示。
9.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序规划多条所述运动路径；所述程序以第二预设条件作为显示所述运动路径时的限制因素，所述第二预设条件包括路径的长短、到达时间的长短、操作难易度中的任一者。
10.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
产生第二介入提示信息，以提示确认所述运动路径是否符合要求。
11.根据权利要求9所述的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述运动路径不符合要求，且所述预期手术操作位置被更新时，所述程序还执行如下步骤：
将更新后的所述预期手术操作位置映射至所述第一三维模型，并得到更新后的目标手术操作位置；以及，
根据所述起始位置、所述第一三维模型和更新后的所述目标操作位置更新所述运动路径。
12.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序规划多条所述运动路径，所述程序还执行如下步骤：
产生第三介入提示信息，以提示选择符合要求的运动路径。
13.根据权利要求1所述的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多种路径生成算法，所述程序还执行如下步骤：
产生第四介入提示信息，以提示选择路径生成算法。
14.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和如权利要求1-12中任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
15.一种路径规划系统，其特征在于，包括：
图像采集装置，用于采集手术区域的第一图像信息和手术区域的局部区域的第二图像信息；以及，
控制单元，与所述图像采集装置通信连接，并被配置用于执行如权利要求1-13中任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
16.根据权利要求15所述的路径规划系统，其特征在于，所述路径规划装置还包括人机交互单元，所述人机交互单元与所述控制单元通信连接，并包括显示模块，所述显示模块用于显示所述运动路径。
17.根据权利要求16所述的路径规划系统，其特征在于，当所述程序被执行时，所述程序还产生介入提示信息，以提示执行介入操作；所述显示模块还显示所述介入提示信息，且所述人机交互单元还包括输入模块，以用于根据所述介入提示信息输入介入指令。
18.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：
图像臂；
图像采集装置，设置在所述图像臂上，并用于采集手术区域的第一图像信息和手术区域的局部区域的第二图像信息；以及，
控制单元，与所述图像采集装置通信连接，并被配置用于执行如权利要求1-13中任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
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