CN115844544B - 介入机器人导管弯曲控制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种介入机器人导管弯曲控制方法、系统、设备及存储介质，涉及一般的控制或调节系统技术领域，包括：获取由摇杆输入的动作数据；根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作。通过摇杆控制导管进入到人体内后根据DSA影像操控导管进行不同的控制模式下不同形状的弯曲，可应用于血管介入手术中可弯曲导管的弯曲控制。

Description

介入机器人导管弯曲控制方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及一般的控制或调节系统技术领域，特别是涉及一种介入机器人导管弯曲控制方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

在传统的血管介入手术中，医生需要在DSA（数字减影血管造影）等放射成像设备的辅助下，根据人体不同的血管结构选取不同规格的预弯导管进行介入治疗；但是，由于人体的差异性，需要的预弯导管种类繁多，并且需要医生有较丰富的临床经验才能较为精准的选取合适的预弯导管，存在一定的误判风险；再者，预弯导管的弯曲方向、弯曲角度都是固定的，无法根据手术进程进行自适应调节。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种介入机器人导管弯曲控制方法、系统、设备及存储介质，通过摇杆控制导管进入到人体内后根据DSA影像操控导管进行不同的控制模式下不同形状的弯曲，可应用于血管介入手术中可弯曲导管的弯曲控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种介入机器人导管弯曲控制方法，包括：

获取由摇杆输入的动作数据；

根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作。

作为可选择的实施方式，所述弯曲方向为：

其中，为X轴采样值，/>为Y轴采样值。

作为可选择的实施方式，所述弯曲角度为：

其中，为X轴采样值，/>为Y轴采样值，/>为设定的动作数据范围圆的半径。

作为可选择的实施方式，所述牵拉钢丝的长度变化量为：

其中，为牵拉钢丝未弯曲时的长度，/>为牵拉钢丝弯曲后的长度，/>为导管半径，弯曲方向，/>弯曲角度，/>为牵拉钢丝的长度变化量。

作为可选择的实施方式，所述控制模式包括正常模式；

在正常模式下，若导管不存在弯曲，则根据当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度，控制电机动作；

若导管已存在弯曲，则将当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度与上次的弯曲方向和弯曲角度进行累加，得到最终的弯曲方向和弯曲角度后，控制电机动作。

作为可选择的实施方式，所述控制模式包括固定弯曲角度模式和固定弯曲方向模式；

在固定弯曲角度模式下，根据弯曲方向和固定弯曲角度，控制电机动作，此时，弯曲方向为摇杆控制的弯曲方向，固定弯曲角度为已存在的弯曲角度；

在固定弯曲方向模式下，根据弯曲角度和固定弯曲方向，控制电机动作，此时，弯曲角度为摇杆控制的弯曲角度，固定弯曲方向为已存在的弯曲方向。

作为可选择的实施方式，在采样周期内，计算当前弯曲方向与上周期弯曲方向的增量值和当前弯曲角度与上周期弯曲角度的增量值；若有一项超过设定阈值，则将本周期产生的增量值过滤；若均未超过设定阈值，则将本周期产生的增量值与历史增量值累加，累加结果为实际控制值。

第二方面，本发明提供一种介入机器人导管弯曲控制系统，包括：

数据获取模块，被配置为获取由摇杆输入的动作数据；

数据计算模块，被配置为根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

运动控制模块，被配置为根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了一种介入机器人导管弯曲控制方法及系统，通过摇杆控制导管进入到人体内后根据DSA影像操控导管进行不同的控制模式下不同形状的弯曲，可应用于血管介入手术中可弯曲导管的弯曲控制，可实现在手术进程中的自适应调节。

本发明提出了一种介入机器人导管弯曲控制方法及系统，获取由摇杆输入的动作数据，计算弯曲方向和弯曲角度，从而在不同的控制模式下，通过电机的动作控制牵拉钢丝的弯曲，最终实现对导管的弯曲控制，控制精度高。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的介入机器人导管弯曲控制方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的摇杆示意图；

图3为本发明实施例1提供的导管示意图；

图4为本发明实施例1提供的导管截面图；

图5为本发明实施例1提供的摇杆动作数据坐标系；

图6为本发明实施例1提供的导管柔性段弯曲坐标系；

其中，1、拇指摇杆，2、解锁按钮，3、使能按钮，4、第一牵拉钢丝，5、第二牵拉钢丝，6、第三牵拉钢丝，7、导管柔性段，8、固定环，9、显像环，10、第一空腔，11、第二空腔，12、第三空腔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种介入机器人导管弯曲控制方法，如图1所示，包括：

获取由摇杆输入的动作数据；

根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作。

如图2所示，所述摇杆包括拇指摇杆1、解锁按钮2和使能按钮3，如图3-图4所示，所述导管为可弯曲的导管，包括第一空腔10、第二空腔11、第三空腔12，以及分别设于上述三个空腔内的第一牵拉钢丝4、第二牵拉钢丝5和第三牵拉钢丝6，三根牵拉钢丝的端部通过固定环8固定，固定环8连接有显像环9；三根牵拉钢丝均匀分布在导管圆周上，两两夹角为120度，通过摇杆输入对导管弯曲控制的信号；

具体地，操作人员按住使能按钮3时，控制导管进入弯曲准备状态，此时移动拇指摇杆1，则将通过控制电机的动作控制牵拉钢丝的弯曲，以实现导管执行与拇指摇杆输入动作相对应的动作；

释放使能按钮3后，导管将保持住当前弯曲形状，直到按下解锁按钮2后，导管进入自然放松状态，此时通过电机反转，使得牵拉钢丝不再绷紧，牵拉钢丝对导管不产生影响；

松开使能按钮3后，若未按下解锁按钮2，将拇指摇杆1移动到原点位置后再次按下使能按钮3并移动拇指摇杆1，则将本次摇杆输入的动作数据与导管当前弯曲状态进行叠加，并控制导管弯曲到叠加后的位置。

在本实施例中，摇杆动作数据中X轴和Y轴的范围均为0-4096，构建摇杆动作数据坐标系，如图5所示，摇杆动作数据范围即图5中圆内的范围，摇杆动作数据范围圆与X轴负半轴相交处采样值为0，与X轴正半轴相交处采样值为4096，原点处采样值为2048，Y轴同理。

在本实施例中，对图3所示的导管进行弯曲分析，构建如图6所示的导管柔性段弯曲坐标系；其中，、/>、/>、/>、/>、/>为牵拉钢丝通过的点，/>为第一牵拉钢丝，/>为第二牵拉钢丝，/>为第三牵拉钢丝；以/>为X轴，在截面上建立坐标系/>，设弯曲旋转角度（弯曲方向与/>轴的夹角）为/>，弯曲角度为/>，且通过牵拉钢丝产生的导管弯曲为固定曲率的圆弧。

在本实施例中，根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值/>，将矢量的模作为导管的弯曲角度，将矢量的方向作为导管的弯曲方向，具体过程包括：

（1）在如图5所示的摇杆动作数据坐标系中，根据X轴采样值和Y轴采样值/>，判定当前摇杆输入的动作数据所在的象限。

（2）弯曲方向的计算：结合图6中的导管柔性段弯曲坐标系，将图5和图6的两坐标系进行映射，则在第一象限中计算弯曲方向为/>。

（3）弯曲度数的计算：将图5中的摇杆动作数据范围与图6中导管的弯曲角度进行映射，设定摇杆从原点位置移动到最大值时对应控制导管弯曲30度，即图5中摇杆动作数据范围圆的半径与30度相对应，设图5中摇杆动作数据范围圆的半径为，则当前摇杆控制的弯曲角度/>为/>。

在本实施例中，设导管柔性段7未弯曲时长度为，导管半径为r，发生弯曲后，第一牵拉钢丝的长度变化量为/>，第二牵拉钢丝的长度变化量为/>，第三牵拉钢丝的长度变化量为/>，第一牵拉钢丝当前（也就是弯曲后）的长度为/>，第二牵拉钢丝当前的长度为，第三牵拉钢丝当前的长度为/>，过/>点向/>作垂线交于N点；

则，第一牵拉钢丝的长度变化量为：

（1）

由于三根牵拉钢丝均匀分布在导管圆周上，两两夹角为120度，则同理可得第二牵拉钢丝的长度变化量和第三牵拉钢丝的长度变化量：

（2）

（3）

在本实施例中，所述控制模式包括正常模式、固定弯曲角度模式和固定弯曲方向模式；根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，采用式（1）-式（3），确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作，最终实现导管弯曲。

具体地，在正常模式下，若导管不存在弯曲，则根据当前动作下的弯曲方向和弯曲角度，采用式（1）-式（3）得到每根牵拉钢丝的长度变化量，并以此控制电机动作。

若导管已存在弯曲，则将当前动作下的弯曲方向和弯曲角度在上次弯曲状态下执行，并将当前动作下的弯曲方向和弯曲角度与上次的弯曲方向和弯曲角度进行累加，得到最终的弯曲方向和弯曲角度后，采用式（1）-式（3）得到每根牵拉钢丝的长度变化量，并以此控制电机动作。

在固定弯曲角度模式下，只取弯曲方向的值，根据弯曲方向和固定弯曲角度，采用式（1）-式（3）得到每根牵拉钢丝的长度变化量，并以此控制电机动作。

在固定弯曲方向模式下，只取弯曲角度的值，根据弯曲角度和固定弯曲方向，采用式（1）-式（3）得到每根牵拉钢丝的长度变化量，并以此控制电机动作。

在本实施例中，通过ADC采集由摇杆输入的动作数据，即X轴采样值和Y轴采样值，并通过中位值滤波的方式将可能出现的异常突变值进行过滤。

在本实施例中，出于安全考虑，设定导管弯曲的速度，当摇杆运动过快时，将此时产生的弯曲控制值进行过滤，使之不产生控制效果，当摇杆运动速度正常时，才继续控制导管弯曲。

在本实施例中，在采样周期内，计算当前弯曲方向与上周期弯曲方向的增量值和当前弯曲角度与上周期弯曲角度的增量值；若有一项超过设定阈值，则将本周期产生的增量值过滤；若均未超过设定阈值，则将本周期产生的增量值与历史增量值累加，累加结果为实际控制值。

实施例2

本实施例提供一种介入机器人导管弯曲控制系统，包括：

数据获取模块，被配置为获取由摇杆输入的动作数据；

数据计算模块，被配置为根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

运动控制模块，被配置为根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.介入机器人导管弯曲控制系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，被配置为获取由摇杆输入的动作数据；

数据计算模块，被配置为根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

运动控制模块，被配置为根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作；

所述控制模式包括正常模式、固定弯曲角度模式和固定弯曲方向模式；

在正常模式下，若导管不存在弯曲，则根据当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度，控制电机动作；

若导管已存在弯曲，则将当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度与上次的弯曲方向和弯曲角度进行累加，得到最终的弯曲方向和弯曲角度后，控制电机动作；

在固定弯曲角度模式下，根据弯曲方向和固定弯曲角度，控制电机动作；

在固定弯曲方向模式下，根据弯曲角度和固定弯曲方向，控制电机动作；

所述弯曲方向为：

所述弯曲角度为：

所述牵拉钢丝的长度变化量为：

其中，为X轴采样值，/>为Y轴采样值，/>为设定的动作数据范围圆的半径；/>为牵拉钢丝未弯曲时的长度，/>为牵拉钢丝弯曲后的长度，/>为导管半径，/>为弯曲方向，/>为弯曲角度，/>为牵拉钢丝的长度变化量。

2.如权利要求1所述的介入机器人导管弯曲控制系统，其特征在于，在采样周期内，计算当前弯曲方向与上周期弯曲方向的增量值和当前弯曲角度与上周期弯曲角度的增量值；若有一项超过设定阈值，则将本周期产生的增量值过滤；若均未超过设定阈值，则将本周期产生的增量值与历史增量值累加，累加结果为实际控制值。

3.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成介入机器人导管弯曲控制方法，所述介入机器人导管弯曲控制方法包括：

获取由摇杆输入的动作数据；

根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作；

所述控制模式包括正常模式、固定弯曲角度模式和固定弯曲方向模式；

在正常模式下，若导管不存在弯曲，则根据当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度，控制电机动作；

若导管已存在弯曲，则将当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度与上次的弯曲方向和弯曲角度进行累加，得到最终的弯曲方向和弯曲角度后，控制电机动作；

在固定弯曲角度模式下，根据弯曲方向和固定弯曲角度，控制电机动作；

在固定弯曲方向模式下，根据弯曲角度和固定弯曲方向，控制电机动作；

所述弯曲方向为：

所述弯曲角度为：

所述牵拉钢丝的长度变化量为：

其中，为X轴采样值，/>为Y轴采样值，/>为设定的动作数据范围圆的半径；/>为牵拉钢丝未弯曲时的长度，/>为牵拉钢丝弯曲后的长度，/>为导管半径，/>为弯曲方向，/>为弯曲角度，/>为牵拉钢丝的长度变化量。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成介入机器人导管弯曲控制方法，所述介入机器人导管弯曲控制方法包括：

获取由摇杆输入的动作数据；

根据动作数据中X轴采样值和Y轴采样值确定弯曲方向和弯曲角度；

根据所选的控制模式以及弯曲方向、弯曲角度和导管半径，确定导管内牵拉钢丝的长度变化量，以此控制电机动作；

所述控制模式包括正常模式、固定弯曲角度模式和固定弯曲方向模式；

在正常模式下，若导管不存在弯曲，则根据当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度，控制电机动作；

若导管已存在弯曲，则将当前动作数据下的弯曲方向和弯曲角度与上次的弯曲方向和弯曲角度进行累加，得到最终的弯曲方向和弯曲角度后，控制电机动作；

在固定弯曲角度模式下，根据弯曲方向和固定弯曲角度，控制电机动作；

在固定弯曲方向模式下，根据弯曲角度和固定弯曲方向，控制电机动作；

所述弯曲方向为：

所述弯曲角度为：

所述牵拉钢丝的长度变化量为：

其中，为X轴采样值，/>为Y轴采样值，/>为设定的动作数据范围圆的半径；/>为牵拉钢丝未弯曲时的长度，/>为牵拉钢丝弯曲后的长度，/>为导管半径，/>为弯曲方向，/>为弯曲角度，/>为牵拉钢丝的长度变化量。