CN116531090A - 医用导丝控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种医用导丝控制方法及控制系统，涉及血管介入手术技术领域。其中，该医用导丝控制方法包括：获得所述导丝当前位置的实际位置和实际方向，确定所述导丝下一位置的期望位置；根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向；根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变所述导丝的方向。本发明公开了一种利用指数滑模控制方法的双环控制策略，使得导丝可以自主转向并到达指定的位置。
Description
技术领域
本发明涉及血管介入手术技术领域，特别涉及一种医用导丝控制方法及控制系统。
背景技术
心脑血管疾病具有高发病率与高死亡率，严重威胁人类身体健康，目前普遍采用血管介入手术作为心脑血管治疗的重要手段。传统血管介入手术由医生手动将导管、导丝以及支架等器械送入病患体内，一方面，手术过程中，随着医生体力的下降，其注意力及稳定性随之降低，导致操作精度下降，易发生事故；另一方面，医生长期暴露在辐射之下会大幅地增加其罹患白血病、癌症以及急性白内障的几率，严重威胁医生健康。
新兴的借助机器人导管、导丝遥操作的手术方法能够有效应对上述问题，但目前的介入手术机器人多为开环控制，精度较低，容易发生超调情况，影响手术成功率。此外，机器人的导丝在磁场中转向具有强非线性的特点，因此其转向任务多由医生远程控制完成，医用导丝不能完全实现自主控制，导致借助医用导丝的血管介入手术的效率也不高。
发明内容
针对以上存在的技术问题，本发明提供了一种医用导丝控制方法及控制系统，公开了一种利用指数滑模控制方法的双环控制策略，使得导丝可以自主转向并到达指定的位置。所述技术方案如下：
本发明具体提供了一种医用导丝控制方法，所述方法包括：获得所述导丝当前位置的实际位置和实际方向，确定所述导丝下一位置的期望位置；根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向；根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变所述导丝的方向。
进一步，所述根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向，具体包括：根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值设计第一滑模面，并对所述第一滑模面引入第一指数函数，根据所述第一滑模面计算第一控制律，利用所述第一控制律改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向。
进一步，所述根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变所述导丝的方向，具体包括：根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值设计第二滑模面，并对所述第二滑模面引入第二指数函数，根据所述第二滑模面计算第二控制律，利用所述第二控制律改变所述导丝的方向。
进一步，所述获得所述导丝当前位置的实际位置和实际方向，具体为：对所述导丝的头部进行成像，并根据所述成像信息得到导丝头部的位置和方向。
进一步，所述确定所述导丝下一位置的期望位置，具体为：确定所述导丝的期望运行轨迹，根据所述导丝当前位置的实际位置，确定下一位置的期望位置。
本发明还具体提供了一种医用导丝控制系统，包括固定于所述导丝头部的磁性结构、与所述导丝驱动连接的驱动装置；还包括：方向调节模块，其包括磁铁和驱动连接所述磁铁的位移组件；成像模块，所述导丝的预期运动轨迹处于所述成像模块的成像范围内，并用于识别所述磁性结构的位置信息；控制模块，其分别信号连接所述成像模块、驱动装置和位移组件，并根据所述位置信息控制所述驱动装置和位移组件，以驱使所述导丝运动至所述预期运动轨迹的预定位置。
进一步，所述导丝的头部颜色和导丝的其他部位颜色不同。
进一步，所述磁铁为永磁体，所述磁性物质为永磁铁。
进一步，所述位移组件包括机械臂，所述永磁体设置在所述机械臂的执行端。
本发明的有益效果：
本发明所提出的双环滑模控制方法和构建的转向控制系统可以在没有任何人工远程协助的情况下完成对医用导丝的自主控制，并能够进行精准的路径跟随、方向控制，且不存在超调情况，可以有效的保护血管，有效的提高了血管介入治疗手术的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是医用导丝控制系统的结构示意图；
图2是弯曲导丝的近似物理模型的示意图；
图3是医用导丝控制方法流程示意图；
图4是医用导丝控制方法流程框图。
在所有的视图中，相同的标号表示等同或类似的零件或部件。
1、成像模块；2、磁铁；3、位移组件；4、血管模型；5、导丝；6、驱动装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，若出现术语″实施例一″、″本实施例″、″在一个实施例中″等描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。
在本说明书的描述中，术语″连接″、″安装″、″固定″、″设置″、″具有″等均做广义理解，例如，″连接″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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，诸如“第一”和“第二”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。
在一个实施例中，如图1所示，一种医用导丝5控制系统包括固定于导丝5头部的磁性结构和与导丝5驱动连接的驱动装置6。医用导丝5控制系统还包括方向调节模块、成像模块1和控制模块。方向调节模块包括磁铁2和驱动连接磁铁2的位移组件3。导丝5的预期运动轨迹处于成像模块1的成像范围内，成像模块1用于识别磁性结构的位置信息。控制模块分别信号连接成像模块1、驱动装置6和位移组件3，并根据位置信息控制驱动装置6和位移组件3，以驱使导丝5运动至预期运动轨迹的预定位置。其中，控制模块可以设置为运行Linux系统的计算机，成像模块1可以为Blackfly S BFS-U3-50S5C相机，驱动装置6可以为直流电机。
导丝5是几乎无弹性的刚体线，因此导丝5接收到的速度可以直接转换到导丝5的头部，即导丝5头部的速度等于驱动装置6输出的速度，因此只需改变驱动装置6输出的速度即可改变导丝5头部速度。导丝5头部的磁性物质处于磁铁2形成的磁场范围内，因此磁铁2可以通过和磁性物质之间的磁力控制导丝5头部的方向，通过位移组件3调整磁铁2的位置即可进一步调整导丝5头部的方向。成像模块1可以对导丝5头部成像，控制模块根据所述成像计算导丝5头部的位置和姿态，然后控制模块根据导丝5的期望路径与导丝5实际的位置和姿态调控驱动装置6、方向调节模块，最终可实现将导丝5驱动到血管模型4内指定的位置，实现了医用导丝5的自主控制，提高了借助医用导丝5的血管介入手术的效率。
在一个实施例中，导丝5的头部颜色和导丝5的其他部位颜色不同，从而使成像模块1对导丝5头部的成像更为清晰，便于后续计算。
在一个实施例中，磁铁2为永磁体，磁性物质为永磁铁2，永磁体和永磁铁2具有稳定的磁性，磁力更为可靠。其中永磁体尺寸可以为75×55×30mm3。
在一个实施例中，位移组件3包括机械臂，永磁体设置在机械臂的执行端。机械臂具有多个自由度，可以控制永磁铁2在三维空间内自由移动。具体地，机械臂可以为UR机械臂。
在一个实施例中，一种医用导丝控制方法，包括：获得导丝当前位置的实际位置和实际方向，确定导丝下一位置的期望位置；根据导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变导丝的速度，并获得导丝下一位置的期望方向；根据导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变导丝的方向。
本实施例的医用导丝控制方法通过改变导丝的速度来消除位置误差、同时获得下一位置的期望方向，通过当前位置的实际位置和上一步骤获得的下一位置的期望方向获得方向误差，通过改变导丝的方向来消除此方向误差，即上一步骤的输出是下一步骤的输入。从而，无需医生人工操纵导丝转向，利用此双环控制方法即可使得导丝按照预期的轨迹自主的移动，精度很高，不易发生超调情况，使得借助医用导丝的血管介入手术的成功率和效率都大大提高。
在一个实施例中，根据导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变导丝的速度，并获得导丝下一位置的期望方向，具体包括：
根据导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值设计第一滑模面，并对第一滑模面引入第一指数函数，根据第一滑模面计算第一控制律，利用第一控制律改变导丝的速度，并获得导丝下一位置的期望方向。
首先对各项参数进行定义，然后建立医用导丝的数学模型：
导丝5在血管模型4中的期望的位置、速度、加速度分别为： 导丝5在血管模型4中的实际的位置、速度、加速度分别为：/>导丝5在血管模型4中的期望的方位角和仰角：ψr(t)＝[θr(t) φr(t)]T。其中，T代表向量的转置；t代表时刻，为了方便描述，后续的公式中省略(t)。
选取导丝5头部第一个点作为观测点，可以测到实际的速度与位置，因此期望路径与实际的路径的位置误差为：e＝xr-x。通过改变速度向量以消除位置误差，驱动装置6输出的速度定义为v，驱动装置6输出的速度v是可控的。偏转速度由机械臂控制，把机械臂末端夹持的永磁体的行为定义为：g(ψr)，控制命令：τ＝v.g(ψr)。其中g(ψr)包含方向信息的所需单位向量。控制执行器是安装在机器人手臂末端执行器上的永磁体和驱动装置6，它们分别负责g(ψ)和v，驱动装置6提供导丝5所需的速度v。
方向向量是的函数，因此：/>位置跟踪系统是一阶动态系统，状态方程为：/>目标是计算适当的v和ψr，控制传送装置与机械臂的末端执行器使导丝5的尖端轨迹为ψr，则ψ＝ψ，其中xend表示永磁体的位置或机器人手臂的末端执行器，/>是导丝5头部角速度。f(.)是由永磁铁2特性和导丝5头部材料决定的已知非线性的映射函数。xend-x代表导丝5头部与机械臂末端永磁体的相对位置，公式/>建立起相对位置与导丝5头部的角速度之间的关系。
磁场的方向会影响导丝5头部的朝向，永磁体会将导丝5头部推向与永磁体形成的磁场相同的方向。因此，由g(ψ)表示的当前导丝5方向也会影响角速度。磁场的计算公式为：其中r＝x-xend。B是磁场，μ0是自由空间的磁导率，I是3×3单位矩阵，m是永磁体的磁矩，由安装在机械臂末端执行器上的永磁体的材料决定。此外，永磁体对导丝5的姿态也会影响m。永磁体的材料是已知的，永磁体对导丝5的姿态也可以确定，因此m是已知的3×1常数向量。
机械臂末端执行器上的永磁体对导丝5头部永磁铁2的扭矩： 其中V是导丝5头部永磁铁2磁矩的已知范数。因此Vg(ψ)是导丝5头部永磁铁2的磁矩(由导丝5头部永磁铁2的材料和姿态决定)。T是一个3×1向量，×为分叉乘积。
导丝5由特殊的材料制成，具有软刚体的特性，这里不考虑导丝5自身的旋转如图2所示，导丝5的物理模型可以定义为：/> 其中ε是一个3×1向量，包括方向角、俯仰角、自身旋转三个方向的小运动，/>是一个中间变量，它被驱动装置6限制为零。E是由磁性导丝5头的形状确定的给定常数，S是导丝5头的刚度参数。
最后，我们可以进行一次积分运算得到角度表达式，即：其中l是由传送的导丝5的长度,ζ是一个常数向量。计算对时间t的导数，获得：
在实际应用中，很小，因为转向任务中的导丝5的移动较缓慢，因此/>项被忽略，相应的负面影响被视为系统不确定性，适当的控制策略可以消除这种影响。/>即传送速度。因此上式：/>此为导丝5头部角速度的计算公式，其中r＝x-xend，此公式建立起了导丝5头部永磁铁2与机械臂末端永磁体的相对位置与导丝5头部的角速度之间的关系。
接下来，设置一个外环控制器来控制医用导丝的位置，减小位置误差e＝xr-x，使位置误差收敛到0，具体地：
步骤一，根据导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值e设计一个第一滑模面，并对第一滑模面引入第一指数函数。在第一滑模面使用积分项来保证位置误差趋近0，加入积分项，消除稳态误差，系统最终会在滑模面内。滑动面函数为：sout＝c1e+c2∫edt。其中c1和c2是用户调整的正参数，参数应满足Hurwitz条件(用于判断实系数多项式的所有根是否具有负实部的充要条件)，且c2＝1，其中out表示变量属于外环控制器。
步骤二，根据第一滑模面计算第一控制律。由于速度是可控状态，位置误差的导数项没有添加到设计的第一滑模面，滑动面函数的导数是： 对其使用指数趋近律，得到：/>其中α、β是可调参数，在滑动面趋近律中利用指数近似来实现快速收敛性能。
b是饱和函数sat(n)使用的边界正参数，表示n是参数，上式中参数n就是sout。如果输入n变为向量，则sat(n)的结果将是一个向量，并且将逐一计算所有输入向量元素。b始终设置为较小的值。使用sat(sout)而的动机是可以抑制SMC方法的抖动问题。
步骤三，利用第一控制律改变导丝的速度，并获得导丝下一位置的期望方向。用上述公式联立方程，移项消去得到的：/> 再带入e＝xr-x，移向得到/>(这里是位置求导，得到速度)：/>
李亚普诺夫(Lyaponuv)函数定义为：对其求导得到：将/>式子带入：/>为了满足Lyaponuv函数，/>需要：α>0,β>0同时满足。利用李亚普诺夫理论可以获得稳定的控制器参数约束。
通过计算欧几里德范数(‖·‖)和归一化方向向量分别获得v和g(ψr)。综上所述，外环控制策略为:
可以通过调节参数c1、c2参数设置，使sout＝0位于滑模面上，也就是稳定收敛。
这是前述建模的公式，用于计算速度v与姿态(方向角，仰角)。速度v将由驱动装置6输出。同时，期望的方向命令/>将被发送到下述的内环控制器。
此实施例通过外环控制来减少位置误差，并确定驱动装置6需要输出的速度v，为了解决设计系统中的不确定性和非线性，应用了滑模控制(SMC)方法，并且在滑动面趋近律中利用指数近似来实现快速收敛性能，此外，还应用李亚普诺夫理论推导收敛参数约束，最终使得实现了医用导丝平稳的移动，并自主到达指定的位置的目的。
在一个实施例中，对根据导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变导丝的方向，具体包括：根据导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值设计第二滑模面，并对第二滑模面引入第二指数函数，根据第二滑模面计算第二控制律，利用第二控制律改变导丝的方向。
安装在机器人手臂上的永磁体用于调整导丝5的运动方向。实际上，存在两种导丝5的引导模式，模式1为轨迹跟随，模式2为轨迹追踪。具体地，在模式1中，对导丝5的引导任务没有速度要求，用户可以设置合适的恒定速度，只关注对导丝5的方向控制。在模式2中，对导丝5的引导任务有速度要求，要求导丝5准确跟踪达到参考轨迹中不同位置的预定速度。模式1是模式2的特例，我们主要解决模式2的引导方法。
设置一个内环控制器来控制医用导丝的方向，减小方向误差ea＝ψr-ψ，使方向误差收敛到0，具体地：
步骤一，类似地，根据导丝当前位置的实际方向和通过外环控制器获得的下一位置的期望方向的差值设计第二滑模面，并对第二滑模面引入第二指数函数。在导丝5方向上开发了一种具有指数逼近律的积分滑模控制算法。将相应的滑模设计为：sin＝k1ea+k2∫eadt。其中上标in表示内环控制器，k1、k2是SMC参数,且为正值。
步骤二，根据第二滑模面计算第二控制律。为了计算角速度，对上式求导，得到关于角速度的方程：使用指数趋近律逼近此公式得到：/>
步骤三，利用第二控制律改变导丝的方向。通过计算sin的导数，结合趋近律得到：其中，使用了一些新参数来帮助指示内环和外环控制器之间的差异。上述公式联立求解导出控制策略，导丝5头部的可控角速度表示为：移向得到：/> 其中η>0γ>0，需要同时满足。可以通过调节参数k1、k2参数设置，使sin＝0位于滑模面上，也是稳定收敛。同时，系统模型的不确定性、外部干扰和模型参数扰动可以通过选择较大的η、γ或α、β来克服。
利用前述得到的这个非线性函数，求反函数得到xend,并带入得到机器人手臂的末端永磁体位置的计算公式为：按照此公式，机器人手臂末端执行器将被操纵以改变当前导丝5头的角速度/>最终实现预期的实现方向ψr。
本实施例通过内环控制来减少方向误差，为了解决设计系统中的不确定性和非线性，应用了滑模控制(SMC)方法，并且在滑动面趋近律中利用指数近似来实现快速收敛性能，滑模控制(SMC)方法具有结构简单、对多种扰动、非线性参数摄动和建模不确定性具有较强鲁棒性等优点。此外，还应用李亚普诺夫理论推导收敛参数约束。而且，使用指数滑模控制方法的双环磁控制策略，可快速收敛且不存在超调问题，可以显着避免血管损坏，最终使得实现了医用导丝平稳的移动，并自主到达指定的位置的目的。
在一个实施例中，获得导丝当前位置的实际位置和实际方向，具体为：对导丝的头部进行成像，并根据成像信息计算得到导丝头部的实际位置和实际方向。选取导丝的尖端点作位置测量点，通过视觉测量的方式获得位置和方向信息，再计算位置误差e和方向误差ea。本实施例是通过两个相机计算出空间中的三维点的坐标、方向角和仰角，得到x和ψ；导丝的路径是已知的，则期望的位置xr已知，外环控制器计算获得导丝的期望方向ψr；做差值获得位置误差：e＝xr-x和方向误差：ea＝ψr-ψ。在其他实施例中，导丝头部的实际位置和实际方向还可以通过其他视觉测量仪器得到。
在一个实施例中，确定导丝下一位置的期望位置，具体为：确定导丝的期望运行轨迹，根据导丝当前位置的实际位置，利用医学影像、数学模型、计算机模拟等技术确定下一位置的期望位置。
如图3、4所示，控制器输入是位置误差e和参考速度xr，控制器输出(可控参数)是机器人手臂末端执行器的位置xend和传送速度v。控制系统中包含两个回路，因此需要两个串联控制器。外环控制器的输出将是内环控制器的输入，实现了磁性导丝5平稳的移动，且可以自主到达指定的位置的目的，无需医生槽孔导丝5的转向任务，提高了借助医用导丝5的血管介入手术的效率。因此，本发明所提出的双环滑模控制方法和构建的转向系统可以在没有任何人工远程协助的情况下完成自主控制，并能够进行精准的路径跟随、方向控制，且不存在超调情况，可以有效的保护血管，有效的提高了血管介入治疗手术的效率。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本案技术，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础并结合现有公知常识所实施的新的技术方案，该新的技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同；③以本发明技术方案为基础进行可拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域。
Claims (9)
1.一种医用导丝控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获得所述导丝当前位置的实际位置和实际方向，确定所述导丝下一位置的期望位置；
根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向；
根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变所述导丝的方向。
2.如权利要求1所述的医用导丝控制方法，其特征在于，所述根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值，改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向具体包括：
根据所述导丝当前位置的实际位置与下一位置的期望位置的差值设计第一滑模面，并对所述第一滑模面引入第一指数函数，根据所述第一滑模面计算第一控制律，利用所述第一控制律改变所述导丝的速度、并获得所述导丝下一位置的期望方向。
3.如权利要求2所述的医用导丝控制方法，其特征在于，所述根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值，改变所述导丝的方向，具体包括：
根据所述导丝当前位置的实际方向和下一位置的期望方向的差值设计第二滑模面，并对所述第二滑模面引入第二指数函数，根据所述第二滑模面计算第二控制律，利用所述第二控制律改变所述导丝的方向。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的医用导丝控制方法，其特征在于，所述获得所述导丝当前位置的实际位置和实际方向，具体为：对所述导丝的头部进行成像，并根据所述成像信息得到导丝头部的位置和方向。
5.如权利要求1-3中任意一项所述的医用导丝控制方法，其特征在于，所述确定所述导丝下一位置的期望位置，具体为：确定所述导丝的期望运行轨迹，根据所述导丝当前位置的实际位置，确定下一位置的期望位置。
6.一种医用导丝控制系统，其特征在于，包括固定于所述导丝头部的磁性结构、与所述导丝驱动连接的驱动装置；还包括：
方向调节模块，其包括磁铁和驱动连接所述磁铁的位移组件；
成像模块，所述导丝的预期运动轨迹处于所述成像模块的成像范围内，并用于识别所述磁性结构的位置信息；
控制模块，其分别信号连接所述成像模块、驱动装置和位移组件，并根据所述位置信息控制所述驱动装置和位移组件，以驱使所述导丝运动至所述预期运动轨迹的预定位置。
7.如权利要求6所述的医用导丝控制系统，其特征在于，所述导丝的头部颜色和导丝的其他部位颜色不同。
8.如权利要求7所述的医用导丝控制系统，其特征在于，所述磁铁为永磁体，所述磁性物质为永磁铁。
9.如权利要求8所述的医用导丝控制系统，其特征在于，所述位移组件包括机械臂，所述永磁体设置在所述机械臂的执行端。
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