CN117084798A - 一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质 - Google Patents

一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN117084798A
CN117084798A CN202311355180.0A CN202311355180A CN117084798A CN 117084798 A CN117084798 A CN 117084798A CN 202311355180 A CN202311355180 A CN 202311355180A CN 117084798 A CN117084798 A CN 117084798A
Authority
CN
China
Prior art keywords
slave
puncture
master
motion
parameters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311355180.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117084798B (zh
Inventor
廖志祥
孙步梁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Hengrui Hongyuan Medical Technology Co ltd
Original Assignee
Suzhou Hengrui Hongyuan Medical Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Hengrui Hongyuan Medical Technology Co ltd filed Critical Suzhou Hengrui Hongyuan Medical Technology Co ltd
Priority to CN202311355180.0A priority Critical patent/CN117084798B/zh
Publication of CN117084798A publication Critical patent/CN117084798A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117084798B publication Critical patent/CN117084798B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Master-slave robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/34—Trocars; Puncturing needles
    • A61B17/3403—Needle locating or guiding means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/107—Visualisation of planned trajectories or target regions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2065—Tracking using image or pattern recognition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本申请涉及医疗器械运动控制技术领域，特别是涉及一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。所述方法包括：获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型；响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数；获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息；基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。采用本方法能够提高穿刺手术控制精准度。

Description

一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质
技术领域
本申请涉及医疗器械运动控制技术领域，特别是涉及一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。
背景技术
传统的经皮介入穿刺手术是医生在CT机设备引导下，将小型手术器械，如穿刺针送入患者体内，对病变部位进行检测或治疗的一种微创手术。经皮介入微创穿刺手术与其他微创手术一样，具有创面小。康复快和术后并发症少等优点。在进行经皮穿刺时，医生通过病灶附近的二维或三维扫描图像判断合适的入针点和入针方向，然后凭借经验通过手动调整穿刺通道完成穿刺操作，常规的X射线透视下穿刺需要医生根据CT机X射线的图像反复多次手动调整操作才能将穿刺针准确穿刺患者体内。
穿刺诊疗针对不同的部位其需要解决的问题相对来说是一致的，目前常用的治疗手段是基于体外图像引导的微创穿刺手术，如穿刺活检、消融等，该方法具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优点，也是恶性肿瘤诊断与治疗的重要手段之一。但该方法存在徒手穿刺精度低、不可视、遭受辐射时间长、易引发并发症等问题，手术效果严重依赖医生的经验。因此希望借助机器人技术解决穿刺诊疗中的痛点问题。
相关技术中，随着现代工业技术的发展，已经出现了能够辅助医师进行穿刺处理的机器人，通过机器人的辅助效果，提高穿刺手术的流程完成效率，并降低在手术过程中医职人员的介入时间，从而在保证手术效果的基础上降低对医职人员的伤害。
然而，目前的穿刺机器人控制方法，存在如下的技术问题：
在目前的远程介入穿刺手术控制中，两端之间只能实现指令的传输以及执行，导致远程介入手术的精确度较低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高穿刺手术控制精准度的一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种穿刺控制方法。所述方法包括：
获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系；
响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数；
获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息；
基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。
在其中一个实施例中，所述基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺包括：
获取所述从端执行设备的穿刺状态，所述穿刺状态基于所述从端执行设备的从端力反馈信息确定；
当所述从端力反馈信息满足预设的第一阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加仿生阻力；
当所述从端力反馈信息满足预设的第二阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加前馈力，所述前馈力用于对所述主端执行设备的运动控制进行阻力补偿。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
获取所述从端力反馈信息，以及所述主端执行设备的主端力反馈信息；
基于所述主端力反馈信息以及所述主端关节运动参数获取所述主端执行设备的前馈力参数；
基于所述前馈力参数、所述从端力反馈信息以及所述主端力反馈信息确定在穿刺控制中的仿生阻力参数。
在其中一个实施例中，所述获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系包括：
获取调节映射比例，所述调节映射比例与穿刺控制精度呈正相关；
基于所述调节映射比例建立所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间的所述调节映射关系。
在其中一个实施例中，所述获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型包括：
分别获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的结构参数；
基于所述结构参数确定对应执行设备的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节、被动关节以及末端执行器；
根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型。
在其中一个实施例中，所述基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺包括：
获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的目标位置信息以及环境约束条件，所述环境约束条件基于所述影像数据中的非相关目标确定；
基于所述环境约束条件对所述从端关节运动参数进行约束，以使穿刺路径避让所述非相关目标。
第二方面，本申请还提供了一种穿刺控制装置。所述装置包括：
主从设备映射模块，用于获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系；
主端参数求解模块，用于响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数；
初始状态模块，用于获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息；
穿刺控制模块，用于基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。
在其中一个实施例中，所述穿刺控制模块包括：
力反馈确认模块，用于获取所述从端执行设备的穿刺状态，所述穿刺状态基于所述从端执行设备的从端力反馈信息确定；
仿生阻力模块，用于当所述从端力反馈信息满足预设的第一阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加仿生阻力；
前馈力模块，用于当所述从端力反馈信息满足预设的第二阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加前馈力，所述前馈力用于对所述主端执行设备的运动控制进行阻力补偿。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
力反馈信息获取模块，用于获取所述从端力反馈信息，以及所述主端执行设备的主端力反馈信息；
前馈力参数模块，用于基于所述主端力反馈信息以及所述主端关节运动参数获取所述主端执行设备的前馈力参数；
仿生阻力参数模块，用于基于所述前馈力参数、所述从端力反馈信息以及所述主端力反馈信息确定在穿刺控制中的仿生阻力参数。
在其中一个实施例中，所述主从设备映射模块包括：
调节映射比例模块，用于获取调节映射比例，所述调节映射比例与穿刺控制精度呈正相关；
调节映射关系模块，用于基于所述调节映射比例建立所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间的所述调节映射关系。
在其中一个实施例中，所述主从设备映射模块包括：
结构参数模块，用于分别获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的结构参数；
数字结构模型模块，用于基于所述结构参数确定对应执行设备的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节、被动关节以及末端执行器；
运动仿真模块，用于根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型。
在其中一个实施例中，所述穿刺控制模块包括：
环境约束模块，用于获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的目标位置信息以及环境约束条件，所述环境约束条件基于所述影像数据中的非相关目标确定；
穿刺约束模块，用于基于所述环境约束条件对所述从端关节运动参数进行约束，以使穿刺路径避让所述非相关目标。
第三方面，本申请还提供了一种穿刺作业执行系统，所述系统包括：
图像处理模块，用于接收并处理目标对象的影像数据；
主端执行设备模块，用于基于交互操作确定对主端执行设备的方位设定信息；
从端执行设备模块，用于接收从端关节运动参数，并基于所述从端关节运动参数执行穿刺作业；
穿刺控制模块，用于接收所述目标对象的影像数据以及所述方位设定信息，并根据如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺控制方法生成并输出所述从端关节运动参数。
第四方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺控制方法中的步骤。
第五方面，本申请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，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺控制方法中的步骤。
第六方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任意一项实施例所述的一种穿刺控制方法中的步骤。
上述一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，通过独权中的技术特征进行推导，能够达到对应背景技术中的技术问题的如下有益效果：
在穿刺控制中，首先分别针对主端以及从端的执行设备建立对应的运动约束模型，并将主端运动约束模型与从端运动约束模型进行完成映射，使得施加于主端执行设备的指令或操作得到在相应的调节映射关系下控制从端的执行设备。随后，响应于在主端设备产生的方位设定信息，基于主端运动约束模型进行逆向运动学求解，得到主端关节运动参数。然后获取主端执行设备以及从端执行设备的初始状态参数，将主端关节运动参数根据调节映射关系以及初始状态信息的影响映射至从端执行设备后，得到从端的关节运动参数，最后基于从端关节运动参数控制从端执行设备进行穿刺。在实施中，有助于通过对主端执行设备的控制获取对应的关节运动运动参数，并在相应的调节映射关系的影响下，做出相应的调节、变更之后传输至从端执行设备，实现从端执行设备的穿刺控制。最终的从端关节运动参数一方面能够基于医职人员的操作确定，另一方面能够基于主端执行设备与从端执行设备之间的映射关系做出调节，有助于提高远端穿刺控制的精准度。
附图说明
图1为一个实施例中一种穿刺作业执行系统的系统架构示意图；
图2为一个实施例中一种穿刺控制方法的第一流程示意图；
图3为一个实施例中主端执行设备与从端执行设备之间的映射关系原理示意图；
图4为另一个实施例中一种穿刺控制方法的第二流程示意图；
图5为另一个实施例中一种穿刺控制方法的第三流程示意图；
图6为一个实施例中仿生阻力以及前馈力的算法原理示意图；
图7为另一个实施例中一种穿刺控制方法的第四流程示意图；
图8为另一个实施例中一种穿刺控制方法的第五流程示意图；
图9为一个实施例中执行设备的从端数字结构模型示意图；
图10为一个实施例中执行设备的主端数字结构模型示意图；
图11为另一个实施例中一种穿刺控制方法的第六流程示意图；
图12为一个实施例中环境约束条件的模型示意图；
图13为一个实施例中约束方程的算法原理图；
图14为一个实施例中一种穿刺控制装置的结构框图；
图15为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
相关技术中，随着现代工业技术的发展，已经出现了能够辅助医师进行穿刺处理的机器人，通过机器人的辅助效果，提高穿刺手术的流程完成效率，并降低在手术过程中医职人员的介入时间，从而在保证手术效果的基础上降低对医职人员的伤害。
然而，目前的穿刺机器人控制方法，存在如下的技术问题：
在目前的远程介入穿刺手术控制中，两端之间只能实现指令的传输以及执行，导致远程介入手术的精确度较低。
基于此，本申请实施例提供了一种穿刺控制方法。所述的一种穿刺控制方法可以应用于如图1所示的一种穿刺作业执行系统中。示例性地，穿刺作业执行系统可以包括图像处理模块102、穿刺控制模块104、从端执行设备模块106以及主端执行设备模块108，其中：
图像处理模块102可以用于接收并处理目标对象的影像数据。
具体地，图像处理模块102可以接收CT图像，并实现对CT图像的处理功能，从而完成CT图像到穿刺机器人坐标系的空间转换。
穿刺控制模块104可以用于接收目标对象的影像数据，并根据对影像数据的分析结构生成并输出轨迹规划信息。
具体地，穿刺控制模块104可以包括穿刺方位限制求解器模块、穿刺机器人数字结构模型模块以及轨迹规划模块。其中：
穿刺机器人数字结构模型模块主要功能为建立穿刺机器人运动学模型，从而根据穿刺机器人的正逆运动学，根据实际需求对运动控制参数进行求解。
穿刺方位限制求解器模块可以根据穿刺机器人运动学模型，结合接收到的CT图像，应用实施例中公开的穿刺方位控制方法实现基于目标病灶位置的穿刺方位限制。
轨迹规划模块可以在穿刺手术的实施过程中，根据预先接收的轨迹规划信息，在关节空间或笛卡尔空间中规划穿刺机器人各关节的运动轨迹，实现穿刺机器人的驱动。
从端执行设备模块106可以用于接收轨迹规划信息，并根据轨迹规划信息指示的穿刺路径完成穿刺作业。
具体地，从端执行设备模块106可以包括穿刺机器人结构主体、驱动模块、反馈模块以及对象固定装置，其中：
穿刺机器人结构主体可以包括串并联混合型机器人，其包括的自由度数量可以根据实际的穿刺手术需求设定。在本实施例中，可以以穿刺机器人结构主体具有五个自由度为例进行说明，其他情况与之类似不做赘述。
示例性地，穿刺机器人结构主体的五个自由度中，可以包括两个主要控制穿刺机器人的穿刺针末端位置的自由度，也即移动关节，还可以包括两个主要控制穿刺机器人穿刺方位的自由度，也即方向调节关节，还可以包括主要控制穿刺机器人的穿刺针入针与退针的自由度，也即穿刺关节。此外，除了能够通过驱动模块进行控制的主动关节，还可以包括由于结构之间的关联、约束关系，被动跟随主动关节运动的被动关节。本实施例中五个自由度均可以具有单向解耦的特性，具体可以表现为控制穿刺机器人的穿刺针末端位置以及穿刺针入针、退针的三个自由度不影响穿刺方向，但是控制穿刺方向的两个自由度会小范围影响穿刺针末端位置。
驱动模块可以用于控制穿刺机器人结构主体的运动，可以包括伺服电机以及伺服驱动器，驱动模块可以安装于穿刺机器人结构主体的五个自由度的主动关节位置处，从而接收并执行运动控制指令，驱动穿刺机器人各主动关节运动。
反馈模块可以为位置传感器，能够实时测量并反馈上述五个主动关节的位置。
对象固定装置可以用于将穿刺机器人进行固定，以使穿刺机器人与手术对象之前保持相对稳定的位置关系。
具体地，主端执行设备模块108可以包括驱动模块、结构主体以及反馈模块。其中，反馈模块可以包括力传感器反馈单元以及位置传感器反馈单元。主端执行设备模块108还可以包括方向调节按键、入针按键、自由穿刺/离合按键等。示例性地，主端执行设备模块可以为一个三自由度的串联机器人，可以包括两个旋转关节以及一个移动关节。其中，移动关节串联于第二旋转关节后，第二旋转关节串联于第一旋转关节后，第一旋转关节串联于主端执行设备模块的基座后，三个连续串联的关节共同构成了主端执行设备。需要注意地、本段中的第一旋转关节以及第二旋转关节均特指为主端执行设备上的结构。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种穿刺控制方法，以该方法应用于图1中的穿刺控制模块为例进行说明，包括以下步骤：
步骤202：获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系。
其中，运动约束模型可以指能够模拟出执行设备的运动范围以及运动中不同关节之间的联动关系的约束模型。主端执行设备可以指主要产生控制指令一侧的执行设备，从端执行设备可以指主要用于与患者接触并进行穿刺手术的一侧的执行设备。调节映射关系可以指主端执行设备与从端执行设备之间的运动变化量的映射关系，可以包括调节映射比例、固定的误差参数等。
示例性地，穿刺控制模块可以获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型。主端运动约束模型与从端运动约束模型之间可以设有调节映射关系。
步骤204：响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数。
其中，方位设定信息可以指主端设备在应用中得到的主动输入的控制信息，可以通过方位调节按键获取，也可以通过对主端执行设备的自由度的控制获取。
示例性地，在获取主端运动约束模型的前提下，获取方位设定信息后，可以进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数。例如，当获取主端的末端执行器位置时，可以逆向求解得到其他主动关节的位置，当获取主端的其他主动关节的调节信息时，可以求解得到末端执行器的方位信息。
步骤206：获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息。
其中，初始状态信息可以为对应执行设备的中各个关节的初始位置。
示例性地，穿刺控制模块可以获取主端执行设备以及从端执行设备的初始状态信息。
步骤208：基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。
示例性地，可以如图3所示，穿刺控制模块在获取初始状态信息后，可以基于调节 映射关系以及初始状态信息对主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数。图3中 示出的是主端执行设备与从端执行设备之间的映射关系原理示意图，其中， 分别 为穿刺主端第一旋转关节，第二旋转关节和移动关节的反馈位置， 分别为 穿刺机器人从端第一平移关节，第二平移关节，第一方向调节关节，第二方向调节关节，穿 刺关节的期望位置，并且远程控制中的穿刺方向调节和穿刺入针调节是相互解耦的。为 穿刺方向调节映射比例，穿刺入针调节映射比例。图3中，，，分别是刚进 入远程控制状态时主端移动关节的实际位置，从端穿刺关节的实际位置，主端的旋转矩阵， 从端穿刺针末端的旋转矩阵。对于方向调节，当用户移动穿刺机器人主端并改变了主端第 一旋转关节，第二旋转关节的位置和时，通过主端正运动学便能够实时得到主端的 旋转矩阵，减去刚进入远程控制状态时主端的旋转矩阵，便可以得到在远程控制期间 主端旋转矩阵的增量，乘上穿刺方向调节映射比例再加上刚进入远程控制状态时 从端穿刺针末端的旋转矩阵，便得到了从端旋转矩阵的期望值，最终通过从端逆运动学 便可以得到穿刺机器人从端第一平移关节，第二平移关节，第一方向调节关节，第二方向调 节关节的期望值、、、。对于穿刺调节，当用户移动穿刺机器人主端并改变了主 端移动关节的位置时，减去刚进入远程控制状态时主端移动关节的实际位置后便 可以得到在远程控制期间主端移动关节的位置增量，乘上穿刺入针调节映射比例 再加上刚进入远程控制状态时从端穿刺关节的实际位置，最终得到了从端穿刺关节 的期望位置。上述控制算法实现了穿刺机器人远程控制功能，当用户操作穿刺机器人主端 运动时，便能够控制穿刺机器人从端跟随穿刺机器人主端运动。
上述一种穿刺控制方法中，结合实施例中的技术特征进行合理推导，能够实现解决背景技术中所提出的技术问题的如下有益效果：
在穿刺控制中，首先分别针对主端以及从端的执行设备建立对应的运动约束模型，并将主端运动约束模型与从端运动约束模型进行完成映射，使得施加于主端执行设备的指令或操作得到在相应的调节映射关系下控制从端的执行设备。随后，响应于在主端设备产生的方位设定信息，基于主端运动约束模型进行逆向运动学求解，得到主端关节运动参数。然后获取主端执行设备以及从端执行设备的初始状态参数，将主端关节运动参数根据调节映射关系以及初始状态信息的影响映射至从端执行设备后，得到从端的关节运动参数，最后基于从端关节运动参数控制从端执行设备进行穿刺。在实施中，有助于通过对主端执行设备的控制获取对应的关节运动运动参数，并在相应的调节映射关系的影响下，做出相应的调节、变更之后传输至从端执行设备，实现从端执行设备的穿刺控制。最终的从端关节运动参数一方面能够基于医职人员的操作确定，另一方面能够基于主端执行设备与从端执行设备之间的映射关系做出调节，有助于提高远端穿刺控制的精准度。
在一个实施例中，可以如图4所示，步骤208包括：
步骤402：获取所述从端执行设备的穿刺状态，所述穿刺状态基于所述从端执行设备的从端力反馈信息确定。
示例性地，穿刺控制模块可以获取从端执行设备中监测到的从端力反馈信息，并根据从端力反馈信息确定从端执行设备的穿刺状态，一般地，当存在穿刺阻力时，可以判定为处于穿刺状态。
步骤404：当所述从端力反馈信息满足预设的第一阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加仿生阻力。
示例性地，当从端力反馈信息满足预设的第一阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加仿生阻力。第一阻力判别条件可以指判定结果为存在穿刺阻力的判别条件，仿生阻力可以指在主端执行设备中施加的与从端承受的穿刺阻力呈正相关的仿生阻力。
步骤406：当所述从端力反馈信息满足预设的第二阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加前馈力，所述前馈力用于对所述主端执行设备的运动控制进行阻力补偿。
示例性地，当从端力反馈信息满足预设的第二阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加前馈力。第二阻力判别条件可以指判定结果为不存在穿刺阻力的判别条件，前馈力可以指在主端执行设备中施加的用于补偿主端执行设备自身存在的操作阻力的前馈力。
本实施例中，在主端主动施加反馈力的方案，能够提高主端与从端之间的配合度，增强穿刺控制的稳定性。
在一个实施例中，可以如图5所示，方法还包括：
步骤502：获取所述从端力反馈信息，以及所述主端执行设备的主端力反馈信息。
其中，力反馈信息可以包括反馈力的大小以及反馈力的力矩。
示例性地，穿刺控制模块可以获取从端力反馈信息，以及主端执行设备的主端力反馈信息。
步骤504：基于所述主端力反馈信息以及所述主端关节运动参数获取所述主端执行设备的前馈力参数。
示例性地，穿刺控制模块可以基于主端力反馈信息以及主端关节运动参数获取主端执行设备的前馈力参数，可以如下式所示：
式中，为穿刺机器人主端各关节力/力矩，为穿刺机器人主端惯量矩阵，为穿刺机器人主端科氏力矩阵，为穿刺机器人主端重力矩阵，为穿刺机 器人主端库伦摩擦矩阵，为穿刺机器人主端粘性摩擦矩阵，，分别为穿刺机器 人主端各关节加速度，速度和位置。
当给定主端各关节位置，速度和加速度时，便可通过上述约束求解得到穿刺机器人主端各关节的前馈力矩和前馈力。其中，前馈力矩（feedforward moment）是指在控制系统中，为了抵消外部扰动或实现期望输出，通过预测扰动或期望输出所产生的力矩，提前施加在系统上的一种控制策略。前馈力（feedforward force）是指在控制系统中，为了抵消外部扰动或实现期望输出，通过预测扰动或期望输出所产生的力，提前施加在系统上的一种控制策略。在控制系统中，前馈控制是一种通过预测和补偿外部扰动或期望输出，以提高系统控制性能的方法。前馈控制可以通过测量和预测扰动或期望输出，并将预测结果作为输入信号施加在系统上，以抵消扰动或实现期望输出。前馈控制可以在闭环控制系统中与反馈控制结合使用，以提高系统的鲁棒性和响应速度。
步骤506：基于所述前馈力参数、所述从端力反馈信息以及所述主端力反馈信息确定在穿刺控制中的仿生阻力参数。
示例性地，穿刺控制模块可以基于前馈力参数、从端力反馈信息以及主端力反馈 信息确定在穿刺控制中的仿生阻力参数。可以如图6所示，其中为穿刺机器人从端力传感 器实时测量穿刺过程中的穿刺阻力，为穿刺机器人主端力传感器实时测量医生在操作主 端时的接触力， 分别是运动控制单元下发给第一旋转关节，第二旋转关节和移 动关节的力矩/力。
第一旋转关节和第二旋转关节的力矩由穿刺机器人动力学逆解计算得到，而由于本发明的穿刺机器人系统远程控制具有力仿生功能，移动关节的力由两部分构成，第一部分是前馈力，同样是由前馈力计算公式计算得到，第二部分是闭环控制力，用经典的PI控制回路实现，最终求解得到了下发给第一旋转关节，第二旋转关节和移动关节的力矩/力。当未检测到从端穿刺阻力时，由于有前馈力的存在，用户在操作时无需克服穿刺机器人主端自身“阻力”，会体验到非常轻盈的操作感受；当检测到从端穿刺阻力时，力仿生功能会将该穿刺阻力同步至主端穿刺关节，用户操作时也会同步感受到穿刺阻力，实现很好的远程穿刺模拟效果。
上述中，PI控制回路是一种常见的控制系统结构，用于稳定和调节系统的输出。PI控制回路由比例（P）和积分（I）两个控制器组成。比例控制器（P控制器）根据系统的误差（偏差）信号与给定的比例增益进行乘法运算，产生一个与误差成正比的输出信号。P控制器的作用是根据误差的大小调整输出信号的幅度，以实现系统的快速响应和稳定性。积分控制器（I控制器）根据系统的误差信号与给定的积分增益进行乘法运算，并将结果累积起来。I控制器的作用是根据误差的积累调整输出信号的幅度，以实现系统的静态精确性和消除稳态误差。在PI控制回路中，比例控制器和积分控制器的输出信号通过求和器（或称为误差放大器）相加，得到最终的控制信号。这个控制信号被送入执行器（如电机或阀门），从而调节系统的输入或输出，以实现期望的控制目标。
本实施例中，通过设置前馈力以及仿生阻力，能够使得主端执行设备在操作时能够镜像地体验从端执行设备所承担的阻力，从而提高穿刺控制的精准度。
在一个实施例中，可以如图7所示，步骤202包括：
步骤702：获取调节映射比例，所述调节映射比例与穿刺控制精度呈正相关。
示例性地，穿刺控制模块可以获取预先设定的调节映射比例，调节映射比例与穿刺控制精度呈正相关。例如，当穿刺方向调节映射比例为和穿刺入针调节映射比例为，当减小调节映射比例后，主从端的运动范围比例将增加，以穿刺入针方向为例，当/>设为0.1时，主端移动关节向前运动1cm，那么从端穿刺关节只会向前运动1mm，避免了由于人手抖动或自身灵敏性等干扰因素对于穿刺精度的影响，极大提高了穿刺操作的精细度，能够实现传统手动穿刺无法达到的精细操作。
步骤704：基于所述调节映射比例建立所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间的所述调节映射关系。
示例性地，穿刺控制模块可以基于调节映射比例建立主端运动约束模型与从端运动约束模型之间的调节映射关系。
本实施例中，能够通过调节映射比例变更主从端执行设备之间的映射关系，有助于提高穿刺控制的灵活度。
在一个实施例中，可以如图8所示，步骤202包括：
步骤802：分别获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的结构参数。
示例性地，穿刺控制模块可以分别获取主端执行设备以及从端执行设备的结构参数。
步骤804：基于所述结构参数确定对应执行设备的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节、被动关节以及末端执行器。
其中，结构参数可以包括执行设备的关节数量、关节尺寸、关节运动范围等。数字结构模型可以指对执行设备进行运动学抽象处理，得到的数字模型。
其中，主动关节可以指能够通过驱动模块进行控制的关节，被动关节可以指由于结构之间的关联、约束关系，被动跟随主动关节运动的关节，末端执行器可以指执行设备中用于进行穿刺的穿刺针等部分。
示例性地，穿刺控制模块可以根据执行设备的结构参数构建用于描述执行设备运动规律的数字结构模型，从而得以根据数字结构模型确定执行设备的运动约束条件，运动约束条件可以指执行设备的运动范围以及在运动中不同关节之前的约束情况。
步骤806：根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型。
示例性地，可以如图9所示，穿刺控制模块可以基于结构参数确定执行设备的数字结构模型，数字结构模型可以包括主动关节、被动关节以及末端执行器。在本实施例中，可以以从端执行设备具有五个自由度为例进行说明，穿刺机器人结构主体的五个自由度中，可以包括两个主要控制穿刺机器人的穿刺针末端位置的自由度，也即移动关节，还可以包括两个主要控制穿刺机器人穿刺方位的自由度，也即方向调节关节，还可以包括主要控制穿刺机器人的穿刺针入针与退针的自由度，也即穿刺关节。
这样，可以得到如图9所示的从端数字结构模型，从端数字结构模型可以抽象为包括五个主动关节和八个被动关节的串并联混合结构的连杆模型，主动关节可以分别为第一平移关节Z1、第二平移关节Z2、第一旋转关节Z3、第二旋转关节Z4以及穿刺关节Z5，八个被动关节分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8。在本实施例的数字结构模型中，第一旋转关节Z3、第二旋转关节Z4和被动旋转关节B1、B2、B3构成了一个经典的平面自由度并联五连杆模型902，该模型与被动旋转关节B4、B5、B6、B7以及被动移动关节B8共同构成了穿刺机器人姿态调节机构904。第一移动关节Z1、第二移动关节Z2、姿态调节机构904与穿刺关节Z5共同组成了数字结构模型。
从端数字结构模型中，可以通过箭头等方向性标识表示该关节的正向运动方向，例如第一移动关节Z1的正向运动方向平行于X轴；被动旋转关节B5的正向运动方向平行于Y轴等。
从端数字结构模型中，由于被动关节B4、B5、B6、B7、B8的结构约束，线段P5P6平行于Y轴，点P5、点P6、点P0、点P7、点P8、点P9和点Pt在同一平面内，线段P7Pv垂直于线段P8P9且Pv为交点，线段P7Pv为结构参数，因此长度已知且固定不变，Pt为穿刺针末端位置。
示例性地，可以如图10所示，穿刺机器人主端执行设备可以为一个三自由度串联机器人，数学模型可以抽象为第一旋转关节A，第二旋转关节B，与移动关节C。其中，移动关节C串联于第二旋转关节B后面，第二旋转关节B串联于第一旋转关节A后面，第一旋转关节A串联于穿刺机器人主端基座后面，三个连续串联的关节共同构成了穿刺机器人主端数学模型。
穿刺机器人主端数学模型中，第第一旋转关节A和第二旋转关节B控制穿刺方向，移动关节C控制穿刺入针，由于控制穿刺方向与控制穿刺入针的自由度间互相解耦，因此穿刺机器人主端运动学模型可以以此单独解算。
穿刺方向的旋转矩阵Rm解算方法为：分别绕着自身坐标系的X轴和Y轴旋转,可以如下式所示：
其中qm1和qm2为第一旋转关节A和第二旋转关节B的值。
给定qm1和qm2时，便能通过上式计算得到穿刺方向的旋转矩阵Rm，即穿刺机器人主端正向运动学；给定Rm时，也能通过上式的约束求得qm1和qm2，即穿刺机器人主端逆向运动学。
示例性地，穿刺控制模块可以根据数字结构模型对末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，从而得到运动约束条件。具体地，以如图6所述的数字结构模型为例，在平面两自由度并联五连杆模型中，连杆P1P3长度为l13，连杆P2P4长度为l24，连杆P3P5长度为l35，连杆P4P5长度为l45。为了保证平面两自由度并联五连杆模型602的工作空间关节在Y轴对称，可以设定l13和l24，相等均为r1，l35和l45相等均为r2，线段P1P2长度的一半为r3。仅考虑XOY平面，可以假设P5的坐标为[x5,y5]，而P3和P4的坐标能够用第一旋转关节Z3和第二旋转关节Z4的值来表示，可以如下式所示：
/>
式中，q3和q4分别为第一旋转关节Z3和第二旋转关节Z4的关节位置值。
这样，平面两自由度并联五连杆模型602内存在如下的运动约束条件，由于连杆P3P5和连杆P4P5的长度已知且固定，可以如下式所示：
因此，当已知q3和q4时，便能够通过上述约束方程求解得到P5的坐标，即平面两自由度并联五连杆模型602的正向运动学；当已知P5的坐标时，也能通过上述约束方程求解得到q3和q4的值，即平面两自由度并联五连杆模型602的逆向运动学。
本实施例中，通过数字结构模型以及设备参数中的已知条件，可以形成正向运动学或逆向运动学的推算框架，从而得到运动约束条件的计算，有助于提高穿刺方位控制的精确度和稳定性。
在其中一个实施例中，可以如图11所示，步骤208包括：
步骤1102：获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的目标位置信息以及环境约束条件，所述环境约束条件基于所述影像数据中的非相关目标确定。
其中，影像数据可以指对目标对象通过不同的成像技术获取的对象内部构造和功能信息的医学诊断工具，可以显示出对象的身体构造、生理功能和病变情况。影像数据可以包括器官信息、血管信息、组织信息、骨骼信息以及病灶信息等。环境约束条件可以指用于根据影像数据对穿刺方向进行约束的条件。非相关目标可以指病灶位置以外的器官、血管等对象。
示例性地，穿刺控制模块可以获取图像处理模块对目标对象扫描成像得到的影像数据，从而根据影像数据确定待处理目标的目标位置信息以及非相关目标的位置信息。其中，待处理目标可以指在本实施例中需要进行穿刺处理的病灶区域。这样，可以如图12所示，穿刺控制模块可以根据影像数据确定在穿刺方位控制中的环境约束条件。环境约束条件可以如图所示，其中可以包括待处理目标1202、非相关目标中的非相关器官1204以及非相关血管1206。
示例性地，在获取环境约束条件以及运动约束条件后，此时穿刺控制模块掌握了执行设备可以实施穿刺的约束空间以及执行设备自身能够支持的运动维度的约束空间。可以如图12所示，运动约束条件可以指向图12中的运动约束空间1208。在此基础上，为了避免穿刺手术中对对象的其他器官、血管等非相关目标造成伤害，可以根据环境约束条件对运动约束条件进行进一步限制，从而约束空间由1208缩减至约束空间为1210的穿刺控制约束条件。此时，在得到的穿刺控制约束条件以任意角度，例如1212进行穿刺针的入针，都能一方面满足执行设备的运行性能，一方面避免损伤目标对象的非相关器官1204以及非相关血管1206。
步骤1104：基于所述环境约束条件对所述从端关节运动参数进行约束，以使穿刺路径避让所述非相关目标。
示例性地，在穿刺控制中，穿刺控制模块可以通过环境约束条件确定所述末端执行器的穿刺方向的旋转矩阵。具体地，可以设定穿刺方向的旋转矩阵如下式所示：
其中，/>，/>为旋转矩阵的方向向量。
根据所述末端执行器的末端位置信息以及所述旋转矩阵通过逆向运动求解得到所述从端数字结构模型的关节位置信息，所述逆向运动求解的约束方程可以如下式所示：
式中，为所述末端位置信息，/>为穿刺方向的旋转矩阵，/>为所述数字结构模型中的关节位置信息。
示例性地，在点P5，点P6，点P0，点P7，点P8，点P9和点Pt在构成的平面内，线段P6P7 平行于线段P8P9，并且平行于，而线段P7Pv平行于，并且该平面垂直于。
因此当已知所有主动关节位置时，便能够通过平面两自由度并联五连杆模型的正向运动学得到P5的位置，与此同时得到P6和P7的位置，并且进一步可得到穿刺方向的旋转矩阵，此时，旋转矩阵可以如下式所示：
=
此时，穿刺针末端Pt的位置可以如下式所示：
式中，q5为穿刺关节Z5的位置。
示例性地，穿刺控制模块在确定目标位置信息以及结构参数后，可以形成穿刺方位约束模型。具体地，穿刺方位约束模型可以如图13所示，可以以待处理对象（即病灶）为模型的顶点，同时作为空间坐标系的原点。穿刺方位约束模型可以精简为圆锥体。需要注意地，穿刺机器人的工作范围并非为严格的圆形，而是与穿刺机器人结构主体的参数设定相关，因此穿刺方位约束模型也不会是一个严格标准的圆锥体，本实施例中为便于算法分析，精简为圆锥体，以便于理解。
示例性地，根据所述穿刺方位约束模型对所述穿刺方向的旋转矩阵的所述方向向量进行求解，得到所述旋转矩阵，所述旋转矩阵可以如下式所示：
其中，/>，/>为旋转矩阵的方向向量。
示例性地，当得到如图13所示的穿刺方位约束模型时，在穿刺方位约束模型1208中，圆锥角θ是一个重要的已知参数，它能够直接设定穿刺机器人穿刺方位的极限值，圆锥角θ与执行设备的结构参数相关，不同的结构参数会得到不同的圆锥角θ。在算法推理中，可以在穿刺方位约束模型的底面圆1302中，将底面圆1302平均分成若干等分，以分得的每个块作为采样点。本实施例中可以以将该底面圆902均分为3600等分，此时该底面圆1302上所有采样点的坐标均可以如下式所示：
式中，，/>，i=1,2,…3600。
此时，可以进一步得到穿刺方向的旋转矩阵中的方向向量/>，可以如下式所示：
由于穿刺机器人结构主体的运动约束关系，穿刺机器人的穿刺方向可以分解为绕固定轴X旋转α角度，再绕固定轴Y旋转β角度，因此穿刺方向的旋转矩阵可以如下式所示：
在得到方向向量后，通过反三角函数便可以得到和的值，同时也得到了穿刺 方向的旋转矩阵。
此时，已知了目标病灶位置，即穿刺针末端Pt的位置，以及穿刺方向的旋转矩阵 后，利用穿刺机器人的数字结构模型中的逆向运动学便能够计算得到穿刺机器人各主动关 节位置。
在穿刺方位约束模型1208中的直角三角形1304上，可以将圆锥角θ均分为若干等分，为了获取足够的分辨率以及精确性，本实施例中可以将圆锥角θ均分为450等分，此时每个均分的圆锥角对应的射线都会在直角三角形1304位于底面圆1302内的直角边相交，相交点1306也同样为450个，相应的底面圆1302平面上相交点的坐标可以如下式所示：
式中，，，j=1,2,…450。
在遍历推算中，j的取值不断增加，直到根据穿刺方位利用穿刺机器人的数字结构模型的逆向运动学计算得到的各主动关节位置均在其关节限位内。当遍历完所有i的取值后，便能得到如图13所示新的穿刺方位约束1212。
本实施例中，通过影像数据以及执行设备的结构参数对穿刺方位进行多维度地约束，并由目标位置结合数字结构模型进行逆向求解，从而得到最终的轨迹规划信息，有助于使得轨迹规划信息一方面符合执行设备的运动规律、另一方面符合目标对象的影像数据，在保证轨迹规划信息可行性的同时，降低了对目标对象造成非预期的损伤的可能性，从而提高了穿刺设备的控制精确度以及安全性。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的一种穿刺控制方法的一种穿刺控制装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个一种穿刺控制装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于一种穿刺控制方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图14所示，提供了一种穿刺控制装置，包括：主从设备映射模块、主端参数求解模块、初始状态模块以及穿刺控制模块，其中：
主从设备映射模块，用于获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系；
主端参数求解模块，用于响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数；
初始状态模块，用于获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息；
穿刺控制模块，用于基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。
在其中一个实施例中，所述穿刺控制模块包括：
力反馈确认模块，用于获取所述从端执行设备的穿刺状态，所述穿刺状态基于所述从端执行设备的从端力反馈信息确定；
仿生阻力模块，用于当所述从端力反馈信息满足预设的第一阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加仿生阻力；
前馈力模块，用于当所述从端力反馈信息满足预设的第二阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加前馈力，所述前馈力用于对所述主端执行设备的运动控制进行阻力补偿。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
力反馈信息获取模块，用于获取所述从端力反馈信息，以及所述主端执行设备的主端力反馈信息；
前馈力参数模块，用于基于所述主端力反馈信息以及所述主端关节运动参数获取所述主端执行设备的前馈力参数；
仿生阻力参数模块，用于基于所述前馈力参数、所述从端力反馈信息以及所述主端力反馈信息确定在穿刺控制中的仿生阻力参数。
在其中一个实施例中，所述主从设备映射模块包括：
调节映射比例模块，用于获取调节映射比例，所述调节映射比例与穿刺控制精度呈正相关；
调节映射关系模块，用于基于所述调节映射比例建立所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间的所述调节映射关系。
在其中一个实施例中，所述主从设备映射模块包括：
结构参数模块，用于分别获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的结构参数；
数字结构模型模块，用于基于所述结构参数确定对应执行设备的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节、被动关节以及末端执行器；
运动仿真模块，用于根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型。
在其中一个实施例中，所述穿刺控制模块包括：
环境约束模块，用于获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的目标位置信息以及环境约束条件，所述环境约束条件基于所述影像数据中的非相关目标确定；
穿刺约束模块，用于基于所述环境约束条件对所述从端关节运动参数进行约束，以使穿刺路径避让所述非相关目标。
上述一种穿刺控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图15所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口、显示单元和输入装置。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口、显示单元和输入装置通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC（近场通信）或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种穿刺控制方法。该计算机设备的显示单元用于形成视觉可见的画面，可以是显示屏、投影装置或虚拟现实成像装置。显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图15中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种穿刺控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系；
响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数；
获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息；
基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺包括：
获取所述从端执行设备的穿刺状态，所述穿刺状态基于所述从端执行设备的从端力反馈信息确定；
当所述从端力反馈信息满足预设的第一阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加仿生阻力；
当所述从端力反馈信息满足预设的第二阻力判别条件时，在所述主端执行设备的穿刺控制中施加前馈力，所述前馈力用于对所述主端执行设备的运动控制进行阻力补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述从端力反馈信息，以及所述主端执行设备的主端力反馈信息；
基于所述主端力反馈信息以及所述主端关节运动参数获取所述主端执行设备的前馈力参数；
基于所述前馈力参数、所述从端力反馈信息以及所述主端力反馈信息确定在穿刺控制中的仿生阻力参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系包括：
获取调节映射比例，所述调节映射比例与穿刺控制精度呈正相关；
基于所述调节映射比例建立所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间的所述调节映射关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型包括：
分别获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的结构参数；
基于所述结构参数确定对应执行设备的数字结构模型，所述数字结构模型包括主动关节、被动关节以及末端执行器；
根据所述数字结构模型对所述末端执行器的运动轨迹进行仿真模拟，得到所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺包括：
获取目标对象的影像数据，根据所述影像数据确定待处理目标的目标位置信息以及环境约束条件，所述环境约束条件基于所述影像数据中的非相关目标确定；
基于所述环境约束条件对所述从端关节运动参数进行约束，以使穿刺路径避让所述非相关目标。
7.一种穿刺控制装置，其特征在于，所述装置包括：
主从设备映射模块，用于获取与主端执行设备对应的主端运动约束模型，以及与从端执行设备对应的从端运动约束模型，所述主端运动约束模型与所述从端运动约束模型之间设有调节映射关系；
主端参数求解模块，用于响应于所述主端执行设备的方位设定信息，基于所述主端运动约束模型对所述方位设定信息进行逆向运动求解，得到主端关节运动参数；
初始状态模块，用于获取所述主端执行设备以及所述从端执行设备的初始状态信息；
穿刺控制模块，用于基于所述调节映射关系以及所述初始状态信息对所述主端关节运动参数进行影响，得到从端关节运动参数，基于所述从端关节运动参数控制所述从端执行设备进行穿刺。
8.一种穿刺作业执行系统，其特征在于，所述系统包括：
图像处理模块，用于接收并处理目标对象的影像数据；
主端执行设备模块，用于基于交互操作确定对主端执行设备的方位设定信息；
从端执行设备模块，用于接收从端关节运动参数，并基于所述从端关节运动参数执行穿刺作业；
穿刺控制模块，用于接收所述目标对象的影像数据以及所述方位设定信息，并根据如权利要求1至6所述的一种穿刺控制方法生成并输出所述从端关节运动参数。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
CN202311355180.0A 2023-10-19 2023-10-19 一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质 Active CN117084798B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311355180.0A CN117084798B (zh) 2023-10-19 2023-10-19 一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311355180.0A CN117084798B (zh) 2023-10-19 2023-10-19 一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117084798A true CN117084798A (zh) 2023-11-21
CN117084798B CN117084798B (zh) 2023-12-29

Family

ID=88772196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311355180.0A Active CN117084798B (zh) 2023-10-19 2023-10-19 一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117084798B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101227870A (zh) * 2005-05-19 2008-07-23 直观外科手术公司 用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统
CN111772794A (zh) * 2020-06-29 2020-10-16 郑州大学 用于微创手术的主端、从端机器人控制方法与装置
CN112828885A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 混联主从映射方法、机械臂系统和计算机设备
CN115179272A (zh) * 2021-04-02 2022-10-14 腾讯科技（深圳）有限公司 机器人运动控制方法、机器人及系统
CN115703227A (zh) * 2021-08-03 2023-02-17 武汉联影智融医疗科技有限公司 机器人的控制方法、机器人以及计算机可读存储介质
WO2023023186A1 (en) * 2021-08-18 2023-02-23 Intuitive Surgical Operations, Inc. Techniques for following commands of an input device using a constrained proxy
CN115972209A (zh) * 2023-01-09 2023-04-18 重庆金山医疗机器人有限公司 一种主手机械臂和主手机械臂的关节扭矩控制方法
CN116340739A (zh) * 2023-03-23 2023-06-27 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 器械接触力的检测方法、装置、计算机设备、存储介质

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101227870A (zh) * 2005-05-19 2008-07-23 直观外科手术公司 用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统
CN111772794A (zh) * 2020-06-29 2020-10-16 郑州大学 用于微创手术的主端、从端机器人控制方法与装置
CN112828885A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 混联主从映射方法、机械臂系统和计算机设备
CN115179272A (zh) * 2021-04-02 2022-10-14 腾讯科技（深圳）有限公司 机器人运动控制方法、机器人及系统
CN115703227A (zh) * 2021-08-03 2023-02-17 武汉联影智融医疗科技有限公司 机器人的控制方法、机器人以及计算机可读存储介质
WO2023023186A1 (en) * 2021-08-18 2023-02-23 Intuitive Surgical Operations, Inc. Techniques for following commands of an input device using a constrained proxy
CN115972209A (zh) * 2023-01-09 2023-04-18 重庆金山医疗机器人有限公司 一种主手机械臂和主手机械臂的关节扭矩控制方法
CN116340739A (zh) * 2023-03-23 2023-06-27 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 器械接触力的检测方法、装置、计算机设备、存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN117084798B (zh) 2023-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Adagolodjo et al. Robotic insertion of flexible needle in deformable structures using inverse finite-element simulation
US20110306873A1 (en) System for performing highly accurate surgery
US20150320514A1 (en) Surgical robots and control methods thereof
CN113143466A (zh) 一种基于一体化手术机器人的术中规划调整方法及系统
CN113940755A (zh) 一种术像一体的外科手术规划与导航方法
WO2023116823A1 (zh) 定位方法、系统、装置、计算机设备和存储介质
WO2022141153A1 (zh) 超声定位穿刺系统和存储介质
Vitrani et al. Automatic guidance of a surgical instrument with ultrasound based visual servoing
CN116019564B (zh) 膝关节手术机器人和控制方法
Ning et al. Force-guided autonomous robotic ultrasound scanning control method for soft uncertain environment
Ning et al. Inverse-reinforcement-learning-based robotic ultrasound active compliance control in uncertain environments
Yang et al. Model-free and uncalibrated eye-in-hand visual servoing approach for concentric-tube robots
Wang et al. Task space compliant control and six-dimensional force regulation toward automated robotic ultrasound imaging
CN107688293A (zh) 一种微创外科手术机器人的建模方法
Wang et al. Development of a novel 4-DOF flexible endoscopic robot using cable-driven multisegment continuum mechanisms
Beasley et al. Increasing accuracy in image-guided robotic surgery through tip tracking and model-based flexion correction
CN117084798B (zh) 一种穿刺控制方法、装置、计算机设备、存储介质
Rosen et al. Autonomous operation in surgical robotics
Sun et al. Adaptive fusion-based autonomous laparoscope control for semi-autonomous surgery
Bauzano et al. A minimally invasive surgery robotic assistant for HALS–SILS techniques
Vitrani et al. Robust ultrasound-based visual servoing for beating heart intracardiac surgery
CN114310910B (zh) 适用于穿刺手术机械臂的控制方法、控制设备和辅助系统
CN116269812A (zh) 主从操作的穿刺系统和规划方法
CN117084790B (zh) 一种穿刺方位控制方法、装置、计算机设备、存储介质
CN117084791B (zh) 一种穿刺方位解算方法以及穿刺作业执行系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant