介入工具与导管的协同控制方法、装置、设备及存储介质与流程

本技术涉及介入工具与导管的协同控制，特别是涉及一种介入工具与导管的协同控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、在经支气管镜介入手术中，术者通常先操控支气管镜导管抵达目标区域附近，再将消融针、活检钳或给药导管等介入工具经导管内通道伸入，对病灶进行采样或治疗。现有的系统将导管定位与工具操作拆分为两个近似独立的过程，术者需要先完成导管对准，再单独推送工具，当工具动作导致导管偏离目标时，再暂停工具操作并回头调整导管。这种分离式控制方式导致操作过程中断频繁，实时性下降，且工具与导管的相互扰动无法被系统自动补偿。此外，现有方案主要以规划、显示提示或阈值触发为主，关键执行环节仍依赖术者人工判断和补偿，当工具推进与导管稳定发生冲突或出现异常接触时，系统无法自动处理，难以在复杂工况下形成稳定、可执行的闭环控制。

2、因此，如何实现介入工具与导管的协同控制，使系统能够根据操作阶段自动调整两者动作并在冲突或异常时执行安全裁决，是本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种介入工具与导管的协同控制方法、装置、设备及存储介质，以实现介入工具与导管的协同控制，使系统能够根据操作阶段自动调整两者动作并在冲突或异常时执行安全裁决。

2、第一方面，本技术提供了一种介入工具与导管的协同控制方法，包括：

3、获取本控制周期的标准化状态集合；其中，所述标准化状态集合包含标准化导管状态、标准化工具状态、标准化目标数据、标准化风险数据和当前操作阶段；

4、根据所述标准化状态集合建立导管末端与工具端部之间的相对约束模型；所述相对约束模型包括工具相对于导管的相对位姿、工具的安全作业边界和风险标记；

5、利用所述相对约束模型和所述当前操作阶段生成协同控制目标；所述协同控制目标表示当前操作阶段下导管应保持或调整的姿态，工具应执行的进退动作、允许速度范围以及目标对准要求；

6、将所述协同控制目标转换为初始联动控制指令；所述初始联动控制指令为根据本控制周期内待执行的导管动作和工具动作生成的具有执行顺序的指令集合；

7、对所述初始联动控制指令进行冲突检测、异常接触检测及偏差检测，并根据检测结果生成最终联动控制指令、动作优先级结果和安全门控结果，将所述最终联动控制指令输出至执行端，将所述动作优先级结果和所述安全门控结果回写至状态机，作为下一控制周期的输入数据；所述动作优先级结果为各控制动作的优先级排序结果；所述安全门控结果为用于约束所述最终联动控制指令是否允许输出以及允许输出时的执行方式的控制决策结果。

8、可选地，获取本控制周期的标准化状态集合包括：

9、获取导管状态数据、工具状态数据、目标与路径数据、接触与风险数据以及操作阶段数据；

10、将所述导管状态数据、所述工具状态数据、所述目标与路径数据、所述接触与风险数据以及所述操作阶段数据，按控制周期进行时间对齐，根据时间戳剔除过期数据，并检查数据完整性后标记缺失值；

11、根据预设阈值对所述导管状态数据、所述工具状态数据及所述接触与风险数据中的数值型数据进行无效值剔除；

12、将剔除无效值后的导管状态数据、工具状态数据、目标与路径数据及接触与风险数据统一至同一坐标系；

13、将统一坐标系后的导管状态数据中的导管末端姿态、工具状态数据中的工具伸出量和工具方向转换为标准状态量；

14、将处理后的导管状态数据、工具状态数据、目标与路径数据、接触与风险数据以及操作阶段数据生成标准化状态集合。

15、可选地，根据所述标准化状态集合建立导管末端与工具端部之间的相对约束模型包括：

16、根据所述标准化导管状态和所述标准化工具状态，计算工具端部相对于导管末端的相对位姿；所述相对位姿包括工具端部相对于导管末端的位置偏差、方向偏差和伸出长度；

17、根据工具类型、工具伸出量上限、目标安全距离和导管当前姿态，确定工具的安全作业边界，所述工具的安全作业边界包括：工具可伸出范围、可作业窗口和禁止区域；

18、根据所述标准化风险数据生成风险标记，得到相对约束模型。

19、可选地，利用所述相对约束模型和所述当前操作阶段生成协同控制目标包括：

20、确定所述当前操作阶段的操作类型，并根据所述相对约束模型生成协同控制目标；所述当前操作阶段的操作类型包括：导管定位阶段、工具伸出阶段、工具作业阶段、工具回收阶段和异常处置阶段；

21、其中，当所述当前操作阶段为导管定位阶段时，所述协同控制目标以导管末端对准目标为主，工具保持不伸出或低速待命；当所述当前操作阶段为工具伸出阶段时，所述协同控制目标同时包含工具推进目标和导管姿态补偿目标；当所述当前操作阶段为工具作业阶段时，所述协同控制目标以保持可作业窗口和限制导管扰动为主；当所述当前操作阶段为工具回收阶段时，所述协同控制目标以工具回撤和导管稳定为主；当所述当前操作阶段为异常处置阶段时，所述协同控制目标切换为风险规避或人工接管。

22、可选地，将所述协同控制目标转换为初始联动控制指令包括：

23、根据所述协同控制目标与所述标准化导管状态，确定导管姿态调整量和导管推进保持状态；

24、根据所述协同控制目标与所述标准化工具状态，确定工具进退量；

25、根据所述协同控制目标、所述标准化目标数据、所述标准化风险数据和所述当前操作阶段，确定工具速度上限；

26、对超出驱动能力或安全边界的控制量进行限幅；所述控制量包括导管姿态调整量、工具进退量和工具速度上限；

27、根据限幅后的导管姿态调整量生成导管姿态调整指令，根据导管推进保持状态生成导管推进保持指令，根据限幅后的工具进退量生成工具进退指令，根据限幅后的工具速度上限生成工具速度门控指令；所述工具进退指令为工具推进指令或工具回撤指令；

28、根据所述导管姿态调整指令、所述导管推进保持指令、所述工具进退指令和所述工具速度门控指令生成初始联动控制指令。

29、可选地，对所述初始联动控制指令进行冲突检测、异常接触检测及偏差检测，并根据检测结果生成最终联动控制指令、动作优先级结果和安全门控结果包括：

30、对所述初始联动控制指令进行冲突检测、异常接触检测及偏差检测，得到检测结果；其中，所述冲突检测为检测所述初始联动控制指令中的工具推进指令和导管姿态调整指令之间是否存在冲突；所述异常接触检测为检测所述初始联动控制指令是否会导致接触状态异常或越界风险升高；所述偏差检测为检测执行所述初始联动控制指令后，工具端部相对于目标的对准偏差是否超出预设阈值；

31、根据所述检测结果生成最终联动控制指令、动作优先级结果和安全门控结果；其中，所述动作优先级结果为导管保持、导管调整、工具推进、工具回收、风险规避和人工接管之间的优先顺序；所述安全门控结果为允许执行、限速执行、暂停执行、回撤执行、重规划或人工接管中的其中一者。

32、可选地，当检测到满足异常触发条件时，执行如下异常处置操作：

33、对输入的各数据进行复核；

34、收紧工具速度上限、导管姿态调整幅度和工具最大伸出量；

35、对所述初始联动控制指令进行限速、暂停、回撤或重排序中至少一者修正操作；若修正后的所述初始联动控制指令仍不满足安全门控条件，则输出暂停执行、回撤执行、重规划或人工接管的其中一者作为安全门控结果，并将当前操作阶段切换为异常处置阶段；

36、当检测到满足异常恢复条件时，继续获取下一控制周期的标准化状态集合，以实现下一控制周期的协同控制过程。

37、第二方面，本技术提供了一种介入工具与导管的协同控制装置，包括：

38、状态标准化模块，用于获取本控制周期的标准化状态集合；其中，所述标准化状态集合包含标准化导管状态、标准化工具状态、标准化目标数据、标准化风险数据和当前操作阶段；

39、相对约束建模模块，用于根据所述标准化状态集合建立导管末端与工具端部之间的相对约束模型；所述相对约束模型包括工具相对于导管的相对位姿、工具的安全作业边界和风险标记；

40、协同目标规划模块，用于利用所述相对约束模型和所述当前操作阶段生成协同控制目标；所述协同控制目标表示当前操作阶段下导管应保持或调整的姿态，工具应执行的进退动作、允许速度范围以及目标对准要求；

41、联动指令生成模块，用于将所述协同控制目标转换为初始联动控制指令；所述初始联动控制指令为根据本控制周期内待执行的导管动作和工具动作生成的具有执行顺序的指令集合；

42、安全优先级管理模块，用于对所述初始联动控制指令进行冲突检测、异常接触检测及偏差检测，并根据检测结果生成最终联动控制指令、动作优先级结果和安全门控结果，将所述最终联动控制指令输出至执行端，将所述动作优先级结果和所述安全门控结果回写至状态机，作为下一控制周期的输入数据；所述动作优先级结果为各控制动作的优先级排序结果；所述安全门控结果为用于约束所述最终联动控制指令是否允许输出以及允许输出时的执行方式的控制决策结果。

43、第三方面，本技术提供了一种电子设备，包括：

44、存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述协同控制方法的步骤。

45、第四方面，本技术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计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述协同控制方法的步骤。

46、本技术上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本技术提供一种介入工具与导管的协同控制方法、装置、设备及存储介质。在本技术中，根据标准化状态集合建立导管与工具之间的相对约束模型，该相对约束模型包括工具相对于导管的相对位姿、工具的安全作业边界和风险标记，该方式可提高可执行区域识别精度并减少无效尝试，提升器械操作窗口判断的稳定性；本技术利用相对约束模型和当前操作阶段生成协同控制目标，以在不同操作阶段联动确定导管动作和工具动作，提升控制动作与风险状态之间的匹配精度，避免操作中断频发和实时性下降；本技术通过对初始联动控制指令进行冲突检测、异常接触检测及偏差检测，可降低多动作冲突导致的控制竞争和执行混乱，在发生冲突或出现异常接触时自动执行优先级重分配和安全接管，使系统在复杂工况下能够输出稳定且可执行的控制指令。