支气管镜导管自动整姿控制方法、装置、设备及存储介质与流程

本技术涉及手术机器人，特别是涉及支气管镜导管自动整姿控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、支气管镜已广泛应用于呼吸系统疾病的检查、诊断及治疗过程中。在支气管镜操作中，通常需要控制导管沿人体气道逐级移动，并根据诊疗需求进入相应的目标分支。

2、现有导航系统已能够通过术前ct重建气道结构或术中电磁定位等方式提供路径规划与方向提示，辅助术者将导管引导至目标分叉附近。然而，在目标分支入口的精确进入过程中，现有系统仍存在一定不足。多数方案主要提供目标分支方向指示，导管末端姿态调整仍需术者结合镜下图像进行反复操作完成，进入效率和控制准确性较大程度依赖术者经验。

3、因此，如何提高支气管镜导管在目标气道分支进入过程中的姿态调整准确性和进入安全性，成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种支气管镜导管自动整姿控制方法、装置、设备及可读存储介质，提高支气管镜导管在目标气道分支进入过程中的姿态调整准确性和进入安全性。

2、为解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：

3、一种支气管镜导管自动整姿控制方法，包括：

4、获取支气管镜导管的末端状态信息、分支入口的几何信息及导管与气道的接触状态信息；

5、根据所述几何信息构建分支入口坐标系，并根据所述末端状态信息与基于所述分支入口坐标系确定的目标姿态之间的空间关系，确定多自由度整姿误差；所述多自由度整姿误差包括由姿态差确定的轴角误差向量和由位置偏差确定的位置误差；

6、将所述轴角误差向量和所述位置误差映射为分别对应导管旋转、弯曲及横向位移自由度的误差分量，并根据各所述误差分量生成对应自由度的候选整姿控制量；

7、根据所述接触状态信息确定接触风险，并根据所述接触风险、入口轮廓可靠性及执行反馈状态信息对所述候选整姿控制量进行安全约束后输出整姿执行指令；

8、根据执行所述整姿执行指令后的更新误差、入口轮廓可靠性、接触风险及控制稳定性，对导管与所述分支入口之间的对准状态进行连续判定，并根据判定结果输出进入许可或禁止进入状态。

9、优选地，根据判定结果输出进入许可或禁止进入状态，包括：

10、在满足收敛条件时输出进入许可；所述收敛条件包括旋转误差、弯曲误差、横向误差分别小于对应预设阈值，入口轮廓可靠性高于阈值，接触风险低于阈值，及所述控制稳定性达到预设要求；

11、当入口轮廓可靠性降低时，切换至保守整姿状态，对至少部分运动自由度的整姿执行指令进行衰减处理，并输出禁止进入状态；

12、当接触风险状态不小于预设阈值或执行反馈状态异常时，切换至脱离恢复状态，冻结旋转和弯曲自由度的整姿执行指令，停止推进并执行受限回撤，输出禁止进入状态。

13、优选地，根据所述几何信息构建分支入口坐标系，包括：

14、从所述几何信息中确定出所述分支入口的中心位置信息、方向信息和轮廓边界信息；

15、根据所述中心位置信息确定所述分支入口坐标系的原点；

16、根据所述方向信息确定所述分支入口坐标系的主轴方向；

17、根据所述轮廓边界信息确定所述分支入口坐标系的横向参考方向。

18、优选地，根据所述末端状态信息与基于所述分支入口坐标系确定的目标姿态之间的空间关系确定多自由度整姿误差，包括：

19、根据所述末端状态信息确定导管末端当前空间姿态和当前位置；

20、根据所述目标姿态与所述当前空间姿态之间的差异确定姿态误差，并根据所述姿态误差确定所述轴角误差向量；

21、根据所述目标姿态对应的目标位置与所述当前位置之间的偏差确定所述位置误差。

22、优选地，根据各所述误差分量生成对应自由度的候选整姿控制量，包括：

23、根据旋转自由度对应的误差分量生成旋转调整控制量；

24、根据弯曲自由度对应的误差分量生成弯曲调整控制量；

25、根据横向位移自由度对应的误差分量生成横向位移调整控制量；

26、根据各自由度对应的调整控制量合成所述候选整姿控制量。

27、优选地，根据所述接触风险、入口轮廓可靠性及执行反馈状态信息对所述候选整姿控制量进行安全约束，包括：

28、根据入口轮廓可靠性对所述候选整姿控制量的输出幅值进行限制；

29、根据接触风险对相应运动自由度的调整范围进行限制；

30、根据执行反馈状态信息判断执行结果与所述整姿执行指令之间的偏差；

31、根据判断结果调整所述整姿执行指令或更新所述候选整姿控制量。

32、优选地，将所述轴角误差向量和所述位置误差映射为对应自由度的误差分量，包括：

33、建立所述多自由度整姿误差与导管空间运动自由度之间的对应关系；

34、根据所述对应关系，将所述轴角误差向量映射至旋转自由度对应的误差分量以及弯曲自由度对应的误差分量，并将所述位置误差映射至横向位移自由度对应的误差分量。

35、一种支气管镜导管自动整姿控制装置，包括：

36、状态获取模块，用于获取支气管镜导管的末端状态信息、分支入口几何信息及导管与气道的接触状态信息；

37、误差确定模块，用于根据所述分支入口几何信息构建分支入口坐标系，并根据所述末端状态信息与基于所述分支入口坐标系确定的目标姿态之间的空间关系，确定多自由度整姿误差；其中，所述多自由度整姿误差包括由姿态差确定的轴角误差向量和由位置偏差确定的位置误差；

38、控制生成模块，用于将所述轴角误差向量和所述位置误差映射为分别对应导管旋转、弯曲及横向位移自由度的误差分量，并根据各所述误差分量生成对应自由度的候选整姿控制量；

39、安全约束模块，用于根据由所述接触状态信息确定的接触风险、入口轮廓可靠性及执行反馈状态信息对所述候选整姿控制量进行安全约束，并输出整姿执行指令；

40、状态判定模块，用于根据执行所述整姿执行指令后的更新误差、入口轮廓可靠性、接触风险及控制稳定性，对导管与所述分支入口之间的对准状态进行连续判定，并根据判定结果输出进入许可或禁止进入状态。

41、一种电子设备，包括：

42、存储器，用于存储计算机程序；

43、处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述支气管镜导管自动整姿控制方法的步骤。

44、一种可读存储介质，所述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支气管镜导管自动整姿控制方法的步骤。

45、应用本技术实施例所提供的方法，获取支气管镜导管的末端状态信息、分支入口的几何信息及导管与气道的接触状态信息；根据几何信息构建分支入口坐标系，并根据末端状态信息与基于分支入口坐标系确定的目标姿态之间的空间关系，确定多自由度整姿误差；多自由度整姿误差包括由姿态差确定的轴角误差向量和由位置偏差确定的位置误差；将轴角误差向量和位置误差映射为分别对应导管旋转、弯曲及横向位移自由度的误差分量，并根据各误差分量生成对应自由度的候选整姿控制量；根据接触状态信息确定接触风险，并根据接触风险、入口轮廓可靠性及执行反馈状态信息对候选整姿控制量进行安全约束后输出整姿执行指令；根据执行整姿执行指令后的更新误差、入口轮廓可靠性、接触风险及控制稳定性，对导管与分支入口之间的对准状态进行连续判定，并根据判定结果输出进入许可或禁止进入状态。

46、本技术获取支气管镜导管的末端状态信息、分支入口的几何信息以及导管与气道之间的接触状态信息，并依据几何信息构建分支入口坐标系，从而建立导管末端与目标分支入口之间的空间关联，为后续整姿控制提供参考基准。在分支入口坐标系的基础上，根据导管末端状态与目标姿态之间的空间关系确定多自由度整姿误差，并将该误差转换为分别对应导管旋转、弯曲及横向位移自由度的误差分量。由于各误差分量与导管实际可控自由度直接对应，姿态调整得以与导管运动能力精确匹配，从而提高了进入目标分支过程中的整姿精度。结合接触风险、入口轮廓可靠性及执行反馈状态作为控制约束，据此对整姿过程进行安全门控，并在执行整姿指令后根据状态变化对导管与分支入口之间的对准状态进行判定。导管仅在满足预设条件时被允许进入目标分支，从而有效降低因入口状态变化或异常接触所导致的非预期运动，提升了进入过程的安全性。

47、即，本技术通过在分支入口坐标系下构建多自由度误差、分解为与驱动自由度对应的误差分量、引入多维度安全约束并执行对准状态判定，实现了面向气道分叉进入的自动整姿控制，提高了支气管镜导管进入目标分支时的控制准确性和操作可靠性。

48、相应地，本技术实施例还提供了与上述支气管镜导管自动整姿控制方法相对应的支气管镜导管自动整姿控制装置、设备和可读存储介质，具有上述技术效果，在此不再赘述。