超声扫查控制方法、系统及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及超声扫查技术领域，尤其涉及一种超声扫查控制方法、系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.机器人辅助超声扫查中，以乳腺扫查为例，同一个人胸部不同部位、不同的人的胸部，其柔软程度都是不一样的，甚至差别很大，而现存技术手段往往是基于预设控制参数进行扫查，针对不同的胸部柔软程度，扫查压力的适应性弱，压力大容易对受检者身体造成身体损害，导致超声扫查的安全性降低，扫查压力的不稳定也会导致超声图像质量不稳定。


技术实现要素：

3.本发明实施例通过提供一种超声扫查控制方法、系统及计算机可读存储介质，旨在解决如何提高超声扫查的安全性以及超声图像质量不稳定的技术问题。
4.本发明实施例提供一种超声扫查控制方法，应用于超声扫查控制系统，所述方法包括：获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力；在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度；获取历史终点坐标以及历史终点角度；根据所述分量坐标与所述历史终点坐标确定目标终点坐标，以及根据所述分量角度与所述历史终点角度确定目标终点角度；根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统。
5.在一实施例中，所述在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度的步骤包括：在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，获取所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值；对所述差值进行误差限幅，得到限幅差值；根据所述限幅差值确定pid输出值；对所述pid输出值进行输出限幅，得到pid限幅输出值；根据所述pid限幅输出值进行位移分量计算，得到所述分量坐标以及所述分量角度。
6.在一实施例中，所述根据所述pid限幅输出值进行位移分量计算，得到所述分量坐标以及所述分量角度的步骤包括：获取所述超声探头的当前角度；获取所述当前角度对应的法向量；根据所述法向量将所述pid限幅输出值分解到笛卡尔坐标系的x、y、z轴，得到所述
分量坐标，并将分量角度设置为（0,0,0）。
7.在一实施例中，所述根据所述限幅差值确定pid输出值的步骤包括：根据预设的pid参数以及所述限幅差值确定所述pid输出值。
8.在一实施例中，所述获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力的步骤包括：检测所述超声探头的接触力，并获取重力补偿值；将所述接触力与所述重力之和作为所述实际扫查压力，并获取预设的所述期望扫查压力。
9.在一实施例中，所述检测所述超声探头的接触力，并获取重力补偿值的步骤包括：检测所述超声探头的接触力，并获取所述超声探头的方向矢量；根据所述超声探头的方向矢量和预设的重力加速度确定所述重力补偿值。
10.在一实施例中，所述根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统的步骤包括：根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度确定机械臂关节值，并通过所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统，以调整所述超声扫查控制系统的超声探头的压力。
11.在一实施例中，所述根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度确定机械臂关节值，并通过所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统的步骤包括：获取所述超声扫查控制系统的超声探头的当前坐标以及当前角度；根据所述当前坐标、所述当前角度、所述目标终点坐标以及所述目标终点角度确定扫查轨迹；根据所述扫查轨迹上的扫查坐标以及扫查角度进行逆运动学计算，得到所述扫查轨迹对应的所述机械臂关节值；根据所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统，以调整所述超声扫查控制系统的超声探头的压力。
12.本发明实施例还提供一种超声扫查控制系统，所述超声扫查控制系统包括：存储器、处理器及存储在所述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计算机程序时实现如上所述的超声扫查控制方法的各个步骤。
13.本发明实施例还提供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如上所述的超声扫查控制方法的各个步骤。
14.在本实施例的技术方案中，获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力；在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度；获取历史终点坐标以及历史终点角度；根据所述分量坐标与所述历史终点坐标确定目标终点坐标，以及根据所述分量角度与所述历史终点角度确定目标终点角度；根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统。由于超声扫查控制系统可获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力并进行判定，在判断结果为期望扫查压力不等于实际扫查压力时，可根据期望扫查压力和实际扫查压力的差值确定分量坐标以及分量角度。最后根据分量坐标和角度改变机械臂的终点坐标和终点角度。基于改变后的坐标和角度控制超声扫查控制系统的机械臂，可使得超声探头的实际扫查压力与期望扫查压力对应，从而提高超声扫查的安全性和超声图像质量的稳定性。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例涉及的超声扫查控制系统的硬件构架示意图；图2为本发明超声扫查控制方法第一实施例的流程示意图；图3为本发明超声扫查控制方法第一实施例的参考图；图4为本发明超声扫查控制方法第二实施例的流程示意图；图5为本发明超声扫查控制方法第二实施例的参考图；图6为本发明超声扫查控制方法第二实施例的参考图。
具体实施方式
17.为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
18.本发明的主要解决方案是：获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力；在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度；获取历史终点坐标以及历史终点角度；根据所述分量坐标与所述历史终点坐标确定目标终点坐标，以及根据所述分量角度与所述历史终点角度确定目标终点角度；根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统。
19.由于超声扫查控制系统可获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力并进行判定，在判断结果为期望扫查压力不等于实际扫查压力时，可根据期望扫查压力和实际扫查压力的差值确定分量坐标以及分量角度。最后根据分量坐标和角度改变机械臂的终点坐标和终点角度。基于改变后的坐标和角度控制超声扫查控制系统的机械臂，可使得超声探头的实际扫查压力与期望扫查压力对应，从而提高超声扫查的安全性和超声图像质量的稳定性。
20.作为一种实现方式，超声扫查控制系统可以如图1。
21.本发明实施例方案涉及的是超声扫查控制系统，超声扫查控制系统包括：处理器101，例如cpu，存储器102，通信总线103。其中，通信总线103用于实现这些组件之间的连接通信。
22.存储器102可以是高速ram存储器，也可以是稳定的存储器（non-volatilememory），例如磁盘存储器。如图1，作为一种计算机可读存储介质的存储器103中可以包括检测程序；而处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力；在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度；
获取历史终点坐标以及历史终点角度；根据所述分量坐标与所述历史终点坐标确定目标终点坐标，以及根据所述分量角度与所述历史终点角度确定目标终点角度；根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统。
23.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，获取所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值；对所述差值进行误差限幅，得到限幅差值；根据所述限幅差值确定pid输出值；对所述pid输出值进行输出限幅，得到pid限幅输出值；根据所述pid限幅输出值进行位移分量计算，得到所述分量坐标以及所述分量角度。
24.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：获取所述超声探头的当前角度；获取所述当前角度对应的法向量；根据所述法向量将所述pid限幅输出值分解到笛卡尔坐标系的x、y、z轴，得到所述分量坐标，并将分量角度设置为（0,0,0）。
25.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：根据预设的pid参数以及所述限幅差值确定所述pid输出值。
26.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：检测所述超声探头的接触力，并获取重力补偿值；将所述接触力与所述重力之和作为所述实际扫查压力，并获取预设的所述期望扫查压力。
27.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：检测所述超声探头的接触力，并获取所述超声探头的方向矢量；根据所述超声探头的方向矢量和预设的重力加速度确定所述重力补偿值。
28.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度确定机械臂关节值，并通过所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统，以调整所述超声扫查控制系统的超声探头的压力。
29.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：获取所述超声扫查控制系统的超声探头的当前坐标以及当前角度；根据所述当前坐标、所述当前角度、所述目标终点坐标以及所述目标终点角度确
定扫查轨迹；根据所述扫查轨迹上的扫查坐标以及扫查角度进行逆运动学计算，得到所述扫查轨迹对应的所述机械臂关节值；根据所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统，以调整所述超声扫查控制系统的超声探头的压力。
30.在本实施例的技术方案中，获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力；在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度；获取历史终点坐标以及历史终点角度；根据所述分量坐标与所述历史终点坐标确定目标终点坐标，以及根据所述分量角度与所述历史终点角度确定目标终点角度；根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统。由于超声扫查控制系统可获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力并进行判定，在判断结果为期望扫查压力不等于实际扫查压力时，可根据期望扫查压力和实际扫查压力的差值确定分量坐标以及分量角度。最后根据分量坐标和角度改变机械臂的终点坐标和终点角度。基于改变后的坐标和角度控制超声扫查控制系统的机械臂，可使得超声探头的实际扫查压力与期望扫查压力对应，从而提高超声扫查的安全性和超声图像质量的稳定性。
31.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
32.参照图2，图2为本发明超声扫查控制方法的第一实施例，方法包括以下步骤：步骤s10，获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力。
33.机器人辅助乳腺扫查已经成为一个研究热点，机器人辅助乳腺扫查中两个重要目标是获取高质量的超声图像和保证扫描安全性。要获取高质量的超声图像和保证安全性关键是要实现超声探头与皮肤贴合，并保持稳定的接触压力（恒压）。同一个人胸部不同部位，不同的人的胸部其柔软程度都是不一样的，甚至差别很大。
34.路径数学形式为：每条扫查轨路径{pi, 0《=i《n}是由n个间隔很密5mm的点pi组成的，其中，这6个量分别表示探头在pi位置的坐标和角度。
35.路径来源：通过结构光传感器采集得到人体表面的点云，点云通过自动分割及路径规划算法生成扫查路径。
36.如图3所示，图3为右胸超声扫查的路径，超声扫查的路径可以分为四个阶段，ab段是探头下探阶段，在b点开始接触人体皮肤；bc段是超声扫查阶段，这个阶段进行超声图像采集；cd段是探头上抬阶段，此时探头抬起一定高度，离开人体皮肤；de段是过渡段，探头移动到待扫查段fg上方，进行新一段扫查。需要进行恒压控制的是超声录制段bc、fg
……
。
37.在本实施例中，实际扫查压力根据超声扫查控制系统中的预设装置获取。期望扫查压力可为预设的数值，在采集搭配实际扫查压力时用于进行比对。
38.可选的，检测所述超声探头的接触力，并获取重力补偿值；将所述接触力与所述重力之和作为所述实际扫查压力，并获取预设的所述期望扫查压力。具体的，检测所述超声探头的接触力，并获取所述超声探头的方向矢量；根据所述超声探头的方向矢量和预设的重力加速度确定所述重力补偿值。
39.步骤s20，在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，根据所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，确定分量坐标以及分量角度。
40.在本实施例中，当超声扫查控制系统判定期望扫查压力不等于实际扫查压力时，计算期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值，并基于上述差值计算一个，即上述分量坐标以及分量角度。
41.可选的，获取所述超声探头的当前角度；获取所述当前角度对应的法向量；根据所述法向量将所述pid限幅输出值分解到笛卡尔坐标系的x、y、z轴，得到所述分量坐标，并将分量角度设置为（0,0,0）。其中，通过本实施例，可通过调整机械臂的坐标改变探头压力。
42.可选的，在所述期望扫查压力不等于所述实际扫查压力时，获取所述期望扫查压力和所述实际扫查压力的差值；对所述差值进行误差限幅，得到限幅差值；根据所述限幅差值确定pid输出值；对所述pid输出值进行输出限幅，得到pid限幅输出值；根据所述pid限幅输出值进行位移分量计算，得到所述分量坐标以及所述分量角度。进一步的，根据预设的pid参数以及所述限幅差值确定所述pid输出值。
43.步骤s30，获取历史终点坐标以及历史终点角度。
44.在本实施例中，当确定了分量坐标和分量角度，会获取一个，作为上述历史终坐标以及历史终点角度。其中，历史终点坐标以及历史终点角度为探头未进行压力调整前的历史终点位姿。
45.步骤s40，根据所述分量坐标与所述历史终点坐标确定目标终点坐标，以及根据所述分量角度与所述历史终点角度确定目标终点角度。
46.在本实施例中，当获取到分量坐标、分量角度以及历史终点坐标以及历史终点角度时，将上述数据对于相加，得到目标终点坐标以及目标终点角度。
47.步骤s50，根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度控制超声扫查控制系统。
48.在本实施例中，根据得到的目标终点坐标以及目标终点角度调整超声扫查控制系统的控制参数，以进行控制。
49.在本实施例的技术方案中，由于超声扫查控制系统可获取超声探头的实际扫查压力和期望扫查压力并进行判定，在判断结果为期望扫查压力不等于实际扫查压力时，可根据期望扫查压力和实际扫查压力的差值确定分量坐标以及分量角度。最后根据分量坐标和角度改变机械臂的终点坐标和终点角度。基于改变后的坐标和角度控制超声扫查控制系统的机械臂，可使得超声探头的实际扫查压力与期望扫查压力对应，从而提高超声扫查的安全性和超声图像质量的稳定性。
50.参照图4，图4为本发明超声扫查控制方法的第二实施例，基于第一实施例，步骤s50包括：步骤s51，根据所述目标终点坐标和所述目标终点角度确定机械臂关节值，并通过所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统，以调整所述超声扫查控制系统的超声探头的压力。
51.在本实施例中，机械臂关节值用于控制机械臂，其中，机械臂可改变探头的位置个角度，当确定目标终点坐标和目标终点角度，可通过逆运动学算法计算机械臂在剩余扫查轨迹中各个点位的控制参数。
52.可选的，获取所述超声扫查控制系统的超声探头的当前坐标以及当前角度；根据
所述当前坐标、所述当前角度、所述目标终点坐标以及所述目标终点角度确定扫查轨迹；根据所述扫查轨迹上的扫查坐标以及扫查角度进行逆运动学计算，得到所述扫查轨迹对应的所述机械臂关节值；根据所述机械臂关节值控制所述超声扫查控制系统，以调整所述超声扫查控制系统的超声探头的压力。
53.可选的，本实施例实现框图参考图5，为期望扫查压力；为探头对皮肤造成的实际扫查压力；为压力传感器的测量值；为期望的扫查压力和探头与皮肤的实际压力之差；误差限幅函数后的输出；为pid控制器的输出；为输出限幅后的输出；为在笛卡尔坐标空间在x,y,z三个方向的分量（分量坐标以及分量角度）；为扫查路径在该周期的插补点（历史终点坐标和历史终点角度）。
54.误差限幅：误差限幅是为了提高控制器的适应性，避免输入误差过大导致输出的冲击，按下式计算：其中为设定的限制值。
55.pid控制器：pid控制器是恒压控制的核心环节，控制律如下：其中为比例环节、积分环节和微分环节的常数，根据实际机器人调试结果进行pid参数整定。
56.输出限幅：输出限幅是提高恒压控制的适应性和安全性，避免过大的控制量输出，引起机器人振动。
57.位移分量计算：根据当前探头的姿态角，计算出探头轴向的法向量，把pid恒压控制器的输出位移分解到笛卡尔坐标系的x,y,z轴。
58.机器人的姿态矩阵为：其中，s和c为预设的数值。
59.第三列为探头的法向量，位移分量的计算按下式进行：位置调整：把恒压控制器的输出与参考路径的插补输出进行叠加，得到末端
探头的实际位置输出（目标终点坐标以及目标终点角度），即。
60.逆运动学计算：逆运动学计算根据超声探头的位姿计算出机器人各个关节量。值得注意的是，恒压控制方法适用于不同的机器人，对于不同的机器人只是逆运动学计算有所不同，在此不做限定。
61.重力补偿：本实施例的超声探头夹持一个实现方式如图6所示的预设装置，所有物理量都在机器人基坐标系下描述，基坐标系z轴与重力方向是共线反向的，为接触力，g为重力，为传感器测量的力，为探头的方向矢量，设z轴方向矢量为，为与的夹角。控制目标是保持接触力与期望力一致，重力补偿是考虑重力对接触力的影响，具体关系如下：所以对反馈力的输入要叠加上重力的分量，作为力控制器的反馈输入。设力控制器的反馈输入为。
62.定时器中断处理：上述计算和控制过程需要具有定时器中断功能的mcu，上述控制过程都在中断服务函数中完成，为了控制的稳定性和精度，中断周期要小于5ms。
63.在本实施例的技术方案中，通过逆运动学计算，只要确定机械臂的目标终点坐标和目标终点角度即可确定机械臂在剩余扫查流程中各个时刻的控制参数，因此，当基于实际扫查压力和期望扫查压力确定出分量坐标以及分量角度时，可基于历史终点坐标和历史终点角度进行探头压力的控制。
64.为实现上述目的，本发明实施例还提供一种超声扫查控制系统，所述超声扫查控制系统包括：存储器、处理器及存储在所述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计算机程序时实现如上所述的超声扫查控制方法的各个步骤。
65.为实现上述目的，本发明实施例还提供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如上所述的超声扫查控制方法的各个步骤。
66.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序的形式。
67.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
68.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
69.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
70.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
71.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
72.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。