适用于穿刺手术机械臂的控制方法、控制设备和辅助系统与流程

适用于穿刺手术机械臂的控制方法、控制设备和辅助系统
1.本技术为2021年12月23日提交的申请号为202111584355.6、发明名称为适用于穿刺手术机械臂的控制方法、控制设备和辅助系统的发明申请的分案申请。
技术领域
2.本技术涉及智能医疗领域，尤其涉及一种适用于穿刺手术机械臂的控制方法、控制设备和消融辅助系统。


背景技术：

3.肿瘤消融治疗，是指用各种物理方法直接毁损肿瘤的局部介入治疗技术。相关肿瘤消融治疗技术中，可以根据病灶在患者体内的位置确定消融针的穿刺路径，由医生将消融针按照穿刺路径刺入人体内，操控消融设备执行相应的动作。医生等人为操作穿刺术，难以保证在人体皮肤上的定位穿刺点和入针方向的准确性，穿刺操作存在较大难度。


技术实现要素：

4.本技术至少一个实施例提供了一种机械臂控制方法、机械臂控制设备以及消融辅助系统。
5.根据本技术实施例的第一方面，提供一种适用于穿刺手术机械臂的控制方法，包括：基于握持穿刺针的机械臂的当前姿态，确定所述机械臂的当前定位点的位置信息和当前定位轴的位置信息；根据所述当前定位点与所述当前定位轴的位置关系、以及目标定位轴的位置信息，确定所述机械臂目标姿态下的目标定位点的位置信息，其中目标定位轴的位置信息是根据病灶的穿刺路径数据确定的；根据所述目标定位点和所述目标定位轴的位置信息，控制所述机械臂移动至所述目标姿态，使得穿刺针对准穿刺路径。
6.根据本技术实施例的第二方面，提供一种机械臂控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法。
7.根据本技术实施例的第三方面，提供一种病灶消融辅助系统，包括：机械臂，用于持握消融针，设有用于定位消融针空间位置的追踪器；导航系统，用于根据患者的ct图像建立包括病灶的人体三维模型，利用患者身体上的追踪器获取人体空间位置，与所述人体三维模型进行配准以使其与所述人体空间位置相互对应，基于所述人体三维模型确定针对所述病灶的穿刺路径数据，所述穿刺路径数据至少包括穿刺点信息和入针方向信息，利用所述机械臂上的追踪器捕捉消融针空间位置，并根据第一方面的方法控制所述机械臂将消融针对准穿刺路径。
8.本技术实施例中，通过机械臂当前姿态下的位置信息确定机械臂目标姿态下的位置信息，从而可以自动控制机械臂从当前姿态调整为目标姿态。该机械臂控制方式中不需要人工操作，可以借助该方式通过机械臂自动将消融针移动至预设的穿刺路径对应的穿刺点，并保持消融针方向与穿刺路径对应的入针方向一致，从而降低操作难度、减少操作误
差。
9.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
10.图1是根据一示例性实施例示出的一种机械臂控制方法流程图；
11.图2是根据一示例性实施例示出的一种机械臂当前姿态和目标姿态示意图；
12.图3是根据一示例性实施例示出的一种目标定位点确定方法流程图；
13.图4是根据一示例性实施例示出的另一种机械臂控制方法流程图；
14.图5是根据一示例性实施例示出的一种病灶消融辅助系统。
具体实施方式
15.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的具体方式并不代表与本技术相一致的所有方案。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
16.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
17.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
18.相关肿瘤消融治疗技术中，需要医生人为操作消融针至预设的穿刺路径对应的穿刺点，并调整消融针方向保持与穿刺路径对应的入针方向一致，该人工操作消融针的方式，操作难度大、误差大。
19.本技术实施例中提供了一种适用于穿刺手术机械臂的控制方法，可以将机械臂从当前姿态自动调整至目标姿态。基于该机械臂控制方式，可以通过机械臂自动将消融针移动至预设的穿刺路径对应的穿刺点，并保持消融针方向与穿刺路径对应的入针方向一致，从而降低操作难度、减少操作误差。
20.为了使本技术提供的适用于穿刺手术机械臂的控制方法更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本技术提供的方案执行过程进行详细描述。
21.参见图1，图1是本技术提供的实施例示出的一种适用于穿刺手术机械臂的控制方法流程图。该方法可以应用于控制该机械臂的控制装置。如图1所示，该流程包括：
22.步骤101，基于握持穿刺针的机械臂的当前姿态，确定所述机械臂的当前定位点的位置信息和当前定位轴的位置信息。
23.机械臂的当前姿态，为机械臂在运动至目标姿态之前所处的空间姿态。其中，握持
穿刺针的机械臂用于控制穿刺针的空间位置和姿态，以基于机械臂的控制实现控制穿刺针对准预定的对人体的穿刺路径，实现自动化入针位置的寻找。示例性的，图2所示为机械臂当前姿态和目标姿态示意图。其中，本技术实施例的方法，可以控制机械臂从当前姿态(实线表示的机械臂)运动至目标姿态(虚线表示的机械臂)。
24.本步骤可以基于机械臂的当前姿态，确定机械臂上的当前定位点的位置信息。其中，当前定位点为机械臂处于当前姿态下用于定位的基准点。例如，可以是预先设置在机械臂上的追踪器的位置点。本步骤可以将机械臂上的追踪器的位置点的位置信息，确定为当前定位点的位置信息。其中，确定追踪器的位置点的位置信息的具体方式，本技术实施例并不限制。例如，可以通过双目摄像头采集追踪器的位置信息。
25.进一步的，本步骤可以基于机械臂的当前姿态，确定机械臂上的当前定位轴的位置信息。其中，当前定位轴为机械臂处于当前姿态下用于定位的基准轴。可以理解的是，本实施例中确定机械臂的当前定位轴的位置信息的具体方式并不限制，手术导航系统可以通过采集图像的方式识别到定位轴的位置信息。
26.步骤102，根据所述当前定位点与所述当前定位轴的位置关系、以及目标定位轴的位置信息，确定所述机械臂目标姿态下的目标定位点的位置信息，其中目标定位轴的位置信息是根据病灶的穿刺路径数据确定的。
27.在相关肿瘤消融治疗技术中，通常可以基于人工或智能决策的方式预先确定消融针在病体上的入针点和入针方向，从而可以将消融针移动至对应的入针点及入针方向处，以便进一步实施穿刺操作。本技术实施例中，可以基于预先确定的病灶的穿刺路径数据确定的入针点和入针方向，确定机械臂处于目标姿态时的目标定位轴的位置信息。
28.本步骤可以预先确定机械臂处于目标姿态下的目标定位轴的位置信息。其中，目标定位轴位机械臂处于目标姿态下的定位轴。例如，在预先确定穿刺路径的情况下，可以基于机械臂的导航系统确定机械臂处于目标姿态下的消融针t1t2的位置信息，作为本步骤中目标定位轴的位置信息。
29.进一步的，本步骤可以根据当前定位点与当前定位轴的位置关系、以及目标定位轴的位置信息，确定目标定位点的位置信息。例如，本步骤可以根据机械臂处于当前姿态下的追踪器的位置点的位置信息与消融针的位置关系，结合机械臂处于目标姿态下的消融针的位置信息，确定机械臂在目标姿态下的追踪器的位置点的位置信息，作为目标定位点的位置信息。
30.步骤103，根据所述目标定位点和所述目标定位轴的位置信息，控制所述机械臂移动至所述目标姿态，使得穿刺针对准穿刺路径。
31.在确定机械臂在目标姿态下的目标定位点的位置信息和目标定位轴的位置信息后，本步骤可以控制机械臂从当前姿态移动至目标姿态，从而使得机械臂上的穿刺针对准穿刺路径，例如控制穿刺针对准入针点和入针方向。
32.示例性的，如图2所示，其中实线部分所表示的是机械臂的当前姿态、虚线部分所表示的是机械臂的目标姿态，为了完成这一姿态转换过程，可将机械臂处于当前姿态下的追踪器51移动至机械臂处于目标姿态下的追踪器51位置。
33.本实施例的机械臂控制方法，通过机械臂当前姿态下的位置信息确定机械臂目标姿态下的位置信息，从而可以自动控制机械臂从当前姿态调整为目标姿态。该机械臂控制
方式中不需要人工操作，可以借助该方式通过机械臂自动将消融针移动至预设的穿刺路径对应的穿刺点，并保持消融针方向与穿刺路径对应的入针方向一致，从而降低操作难度、减少操作误差。
34.在一些可选实施例中，步骤102的具体实现，如图3所示可以包括以下步骤：
35.步骤301，将所述当前定位点在所述当前定位轴所在直线上的投影点，确定为当前圆心。
36.步骤302，将所述当前圆心与所述当前定位点之间的距离，确定为目标半径。
37.本技术实施例中，可以将当前定位点在当前定位轴所在直线上的投影点，确定为当前圆心；将当前圆心与当前定位点之间的距离，确定为目标半径。
38.以图2中处于当前姿态的机械臂为例，其中可以将处于当前姿态的机械臂上的追踪器的位置点p0(具体是根据追踪器51的多个球形物所计算出的一个虚拟点位，图中未示出)确定为当前定位点、将消融针52所在的直线确定为当前定位轴。本技术实施例，可以将p0在当前定位轴所在直线上的投影点pv，确定为当前圆心；将p0与pv之间的距离r，确定为目标半径。
39.步骤303，根据所述当前圆心与所述当前定位轴的位置关系、以及所述目标定位轴的位置信息，在所述目标定位轴所在直线上确定目标圆心。
40.当前圆心在当前定位轴所在的直线上，本步骤可以确定当前圆心与当前定位轴的位置关系。例如，可以确定当前圆心pv与消融针52之间的位置关系。其中，两者之间位置关系的具体表示方式，本实施例并不限制。
41.在确定当前圆心与当前定位轴的位置关系后，本步骤可以结合目标定位轴的位置信息，在目标定位轴所在直线上确定目标圆心。例如，在确定当前圆心pv与消融针52之间的位置关系后，本步骤可以结合消融针52的位置信息，在消融针52所在直线上确定目标圆心tv。
42.在一种可能的实现方式中，所述当前定位轴上包括第一轴点和第二轴点；所述目标定位轴上包括第三轴点和第四轴点；步骤303的具体实现，可以包括：根据所述当前圆心分别与所述当前定位轴上的第一轴点和第二轴点的距离，确定所述目标圆心分别与所述目标定位轴上的第三轴点和第四轴点的距离；根据所述目标圆心分别与所述目标定位轴上的第三轴点和第四轴点的距离，以及所述第三轴点和所述第四轴点的位置信息，确定所述目标圆心的位置信息。
43.上述可能的实现方式中，可以将消融针52处在当前姿态时的点p1确定为第一轴点、点p2确定为第二轴点；将消融针52处在目标姿态时的点t1确定为第三轴点、点t2确定为第三轴点。步骤303的具体实现中，可以根据当前圆心pv分别与消融针52上点p1和点p2的距离，确定目标圆心tv分别于消融针52上点t1和点t2的距离。由于消融针52的位置信息是预先可以获得的，即点t1和点t2的位置信息已知，本实现方式中可以进一步根据目标圆心tv分别与点t1和点t2之间的距离，在点p1和点p2所在直线上确定目标圆心tv的位置信息。
44.步骤304，在与所述目标定位轴垂直的平面中，将所述目标圆心与所述目标半径确定的圆上的点，确定为所述机械臂目标姿态下的目标定位点。
45.在目标定位轴所在直线上确定目标圆心后，本步骤可以在与目标定位轴垂直的平面中，将目标圆心与目标半径确定的圆上的点，确定为机械臂目标姿态下的目标定位点。
46.本技术实施例中，目标姿态用于表示机械臂预先设置的目标空间姿态。例如，可以将机械臂控制消融针52对准入针点并保持入针方向的空间姿态，确定为机械臂的目标姿态。以图2为例，本步骤可以在与消融针52(目标姿态下)垂直的平面上，将目标圆心tv与目标半径r确定的圆上的点，确定为机械臂目标姿态下的目标定位点t0。例如，确定处于目标姿态下的机械臂上追踪器的位置点为t0。
47.在一种可能的实现方式中，步骤304可以包括：将所述目标圆心与所述目标半径确定的圆上与所述当前定位点最近的点，确定为所述目标定位点。例如，本实现方式中，可以将目标圆心点tv与目标半径r确定的圆上与当前定位点p0最近的点，确定为目标定位点t0。
48.在一些可选实施例中，所述穿刺路径数据包括入针点位置信息、入针方向信息；目标定位轴的位置信息包括第三轴点位置信息和第四轴点位置信息；在确定所述机械臂目标姿态下的目标定位点的位置信息之前，所述方法包括：将所述入针点位置信息作为第三轴点位置信息(基本重合)；以第三轴点位置信息为起点，按所述入针方向信息相反方向，延伸预设的穿刺针长度值，得到第四轴点位置信息。
49.在一些可选实施例中，所述当前定位轴上包括第一轴点和第二轴点；所述目标定位轴上包括第三轴点和第四轴点；步骤102可以包括：
50.将所述当前定位点与所述第一轴点的距离，确定为第一球半径；
51.将所述当前定位点与所述第二轴点的距离，确定为第二球半径；
52.根据所述第三轴点和所述第一球半径，确定第一球面；
53.根据所述第四轴点和所述第二球半径，确定第二球面；
54.将所述第一球面与所述第二球面相交线上的点，确定为所述机械臂目标姿态下的目标定位点。
55.以图2为例，上述实施例中可以将点p1作为第一轴点、点p2作为第二轴点；将点t1作为第三轴点、点t2作为第四轴点。具体的步骤102中，可以将当前定位点p0与点p1的距离，确定为第一球半径r1；将当前定位点p0与点p2的距离，确定为第二球半径r2。进一步的，步骤102中可以第三轴点t1为球心、以第一球半径r1为半径，确定第一球面；以第四轴点为球心、以第二球半径r2为半径确定第二球面。再进一步的，步骤102中可以将第一球面与第二球面相交线上的点，确定为机械臂目标姿态下的目标定位点。
56.在一些可选实施例中，在步骤103之后，如图4所示还可以包括以下步骤：
57.步骤401，根据所述目标姿态确定所述机械臂的目标状态矩阵，根据所述机械臂的当前姿态确定所述机械臂的当前状态矩阵。
58.本技术实施例中，可以根据机械臂的目标姿态确定机械臂的目标状态矩阵。其中，目标状态矩阵用于表征机械臂处于目标姿态下的空间姿态。例如，可以基于可控制机械臂的导航系统，根据预先设置的穿刺路径确定机械臂的目标姿态对应的目标状态矩阵。
59.同样的，本实施中可以根据机械臂的当前姿态确定机械臂的当前状态矩阵。其中，当前状态矩阵用于表征机械臂在经过步骤103调整之后当前所处的空间姿态。
60.步骤402，根据所述当前状态矩阵与所述目标状态矩阵之间的差异，控制所述机械臂移动至所述目标姿态。
61.本步骤可以根据当前状态矩阵与目标状态矩阵之间的差异，控制机械臂移动至目标姿态。可以理解的是，本技术实施例中步骤401和步骤402可以是一个闭环反馈计算的过
程，可以通过根据目标姿态与当前姿态之间的差异不断调整机械臂的姿态，以提高机械臂最终姿态的准确性。
62.在一种可能的实现方式中，设机械臂目标姿态对应的目标状态矩阵为m
t
、当前姿态对应的当前状态矩阵为mn，则机械臂当前姿态与目标姿态之间的误差，即目标状态矩阵与当前状态矩阵之间的差异，可以表示为：
63.e＝min||m
t-mn||f64.其中，||
·
||f表示frobenius范数。
65.在一种可能的实现方式中，所述状态矩阵包括姿态矩阵；步骤402可以包括：根据所述机械臂的当前姿态矩阵与目标姿态矩阵之间的差异，确定运动矩阵；根据所述运动矩阵，控制所述机械臂移动至所述目标姿态。其中，姿态矩阵用于表征坐标系的角度信息。例如，可以为3
×
3的姿态矩阵。
66.例如，可以设机械臂目标姿态对应的目标姿态矩阵为r
t
、当前姿态对应的当前姿态矩阵为rn，则机械臂目标姿态矩阵与当前姿态矩阵之间的误差，可以表示为：
67.er＝min||r
t-rn||f68.每次计算完，得到矩阵可以将m确定为机械臂的运动矩阵，进一步的可以根据该运动矩阵，控制机械臂移动至目标姿态。
69.可以理解的是，基于目标姿态矩阵与当前姿态矩阵之间的误差调整机械臂姿态的过程，也可以是一个闭环反馈的过程，通过不断调整机械臂的空间姿态，可以使得机械臂最终的空间姿态更加接近预先设置的目标姿态。
70.在一种可能的实现方式中，所述状态矩阵包括平移矩阵；步骤402可以包括：根据所述机械臂的当前平移矩阵与目标平移矩阵之间的差异，确定运动矩阵；根据所述运动矩阵，控制所述机械臂移动至所述目标姿态。其中，平移矩阵用于表征坐标系的平移信息。
71.例如，可以设机械臂目标姿态对应的目标平移矩阵为t
t
、当前姿态对应的当前平移矩阵为tn，则机械臂目标平移矩阵与当前平移矩阵之间的误差，可以表示为：
72.e
t
＝min||t
t-tn||f73.每次计算完，得到矩阵可以将m确定为机械臂的运动矩阵，进一步的可以根据该运动矩阵，控制机械臂移动至目标姿态。
74.可以理解的是，基于目标平移矩阵与当前平移矩阵之间的误差调整机械臂姿态的过程，也可以是一个闭环反馈的过程，通过不断调整机械臂的空间姿态，可以使得机械臂最终的空间姿态更加接近预先设置的目标姿态。
75.需要说明的是，基于目标姿态矩阵与当前姿态矩阵之间的误差调整机械臂姿态方式与基于目标平移矩阵与当前平移矩阵之间的误差调整机械臂姿态方式，两姿态调整方式可以结合使用，也可以单独使用，本技术实施例并不限制。
76.本技术还提供了一种机械臂控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本技术任一实施例的机械臂控制方法。
77.本技术还提供了一种病灶消融辅助系统，包括：
78.机械臂，用于持握消融针，设有用于定位消融针空间位置的追踪器；
79.导航系统，用于根据患者的ct图像建立包括病灶的人体三维模型，利用患者身体上的追踪器获取人体空间位置，与所述人体三维模型进行配准以使其与所述人体空间位置相互对应，基于所述人体三维模型确定针对所述病灶的穿刺路径数据，所述穿刺路径数据至少包括穿刺点信息和入针方向信息，利用所述机械臂上的追踪器捕捉消融针空间位置，并根据本技术任一实施例的机械臂控制方法控制所述机械臂将消融针对准穿刺路径。
80.示例性的，本发明提供的病灶消融辅助系统如图5所示，该系统包括机械臂6和导航系统，导航系统具体包括导航双目摄像机1、摄像机支架2、导航显示器3、导航承载台车4、消融针握持单元5、多自由度诊断床7、机械臂承载台车8、人体定位带9。
81.本系统执行的方法包括如下步骤：
82.根据患者的ct图像建立包括病灶的人体三维模型；
83.利用患者身体上的追踪器获取人体位置信息，与人体三维模型进行配准以使其与人体位置信息相互对应；
84.基于人体三维模型确定针对病灶的穿刺路径数据，穿刺路径至少包括穿刺点信息、入针方向信息和入针深度信息；
85.利用机械臂6上的追踪器获取消融针位置信息，并基于消融针位置信息控制机械臂6将消融针按照穿刺点信息和入针方向信息对准人体皮肤；
86.在消融针按照入针深度信息穿刺入人体后，对病灶执行消融动作。
87.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
88.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。
89.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用于限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。