專利名稱：柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及理療設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)介入治療技術(shù)是常用的醫(yī)療技術(shù)，在醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)引下，以最小的創(chuàng)傷將器具或藥物置入到病變組織(靶點(diǎn))，廣泛應(yīng)用于活體病理檢查、局部組織和器官的定投送和手術(shù)等。微創(chuàng)介入治療常用穿刺技術(shù)，穿刺是將專用針刺入體腔以抽取分泌物，或注入氣體、 造影劑、藥物的一種診療技術(shù)。穿刺針?lè)譃閯傂葬樑c柔性針兩種類型，傳統(tǒng)剛性針對(duì)人體組織有較大創(chuàng)傷，而柔性穿刺針具有良好的柔韌性，能夠利用斜尖針頭與人體組織的側(cè)向作用力，實(shí)現(xiàn)直線和弧線等運(yùn)動(dòng)軌跡，從而能夠使得穿刺針繞過(guò)血管、神經(jīng)、骨骼等人體組織，到達(dá)病變組織，減少穿刺手術(shù)對(duì)人體組織的創(chuàng)傷。由于穿刺針體進(jìn)入人體后會(huì)產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致人體組織器官變形，同時(shí)病人的體溫、血壓、心跳加速等因素也會(huì)引起人體組織器官的輕微變形，穿刺路徑要根據(jù)人體組織器官的形變做出及時(shí)調(diào)整，避免刺傷組織器官。因此根據(jù)病變組織的深度、組織器官的分布模型，選擇恰當(dāng)?shù)拇┐倘肟邳c(diǎn)和最短的穿刺路徑，利用醫(yī)學(xué)影像跟蹤針尖的運(yùn)動(dòng)軌跡和組織器官的變形情況，自動(dòng)調(diào)整針頭的刺入速度與彎曲角度，精確控制針刺路徑，減少穿刺針頭的扭曲次數(shù)，使針頭靈活、精確的到達(dá)靶點(diǎn)位置，在微創(chuàng)手術(shù)中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問(wèn)題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種對(duì)患者創(chuàng)傷較小的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，包括:A.輸入路徑規(guī)劃參數(shù)根據(jù)路徑規(guī)劃參數(shù)，利用最短弧線長(zhǎng)度求解算法進(jìn)行計(jì)算，得到靜態(tài)最短路徑；以及C.對(duì)靜態(tài)最短路徑進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，路徑規(guī)劃參數(shù)包括針頭初始點(diǎn)的坐標(biāo)、方向角和曲率，針頭靶點(diǎn)的坐標(biāo)、方向角和曲率以及穿刺針最大曲率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟B包括B1.根據(jù)路徑規(guī)劃參數(shù)，計(jì)算初始點(diǎn)所在的初始軌跡圓和靶點(diǎn)所在的終止軌跡圓；B2.將在初始點(diǎn)和靶點(diǎn)之間作一條直線，將直線經(jīng)過(guò)區(qū)域中的障礙物抽象為障礙圓，依次標(biāo)記為第N障礙圓，其中N表示正整數(shù)序列；B3.依次在初始軌跡圓和第一障礙圓之間、多組相鄰的兩個(gè)障礙圓之間，以及第N障礙圓與終止軌跡圓之間做切線，得到多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和多條切線段；以及B4.連接多條切線段以及多個(gè)相鄰兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的圓弧段，得到靜態(tài)最短路徑。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟B3中，在相鄰的兩個(gè)圓之間作切線時(shí)，當(dāng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的方向角同為順時(shí)針或逆時(shí)針時(shí)，切線類型為外切線；或者當(dāng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的方向角分別為順時(shí)針和逆時(shí)針時(shí)，切線類型為內(nèi)切線。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟C包括在穿刺手術(shù)過(guò)程中，根據(jù)人體組織的形變情況，重新調(diào)整路徑規(guī)劃參數(shù)，重復(fù)執(zhí)行步驟B調(diào)整穿刺路徑，通過(guò)改變針頭的進(jìn)給速度和自旋速度優(yōu)化穿刺路徑。本發(fā)明的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法對(duì)患者的損傷較小，針頭靈活，算法簡(jiǎn)單易行。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法的流程圖； 圖2為柔性穿刺針軌跡空間坐標(biāo)系、受力模型及部分運(yùn)動(dòng)路徑；圖3為計(jì)算初始圓形軌跡和終止圓形軌跡過(guò)程的示意圖；圖4為最短弧線計(jì)算過(guò)程的示意圖；圖5為弧線的外切線與內(nèi)切線的示意圖；圖6最短路徑規(guī)劃算法過(guò)程的示意圖；以及圖7為本發(fā)明實(shí)施例的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法路徑優(yōu)化流程圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過(guò)它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。本發(fā)明所述的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法可用于在穿刺手術(shù)前對(duì)穿刺針的路徑進(jìn)行提前規(guī)劃，在手術(shù)過(guò)程中根據(jù)組織的形變情況調(diào)整針頭進(jìn)給速度與自旋速度，選擇一條既能使穿刺針繞過(guò)障礙物到達(dá)病變組織，又能確保穿刺路線最短、針頭的運(yùn)動(dòng)軌跡符合柔性穿刺針軌跡模型要求的最優(yōu)路徑，減少針頭的扭曲次數(shù)，最大限度地減少穿刺手術(shù)對(duì)人體組織的創(chuàng)傷。本發(fā)明中定義的路徑優(yōu)化是指穿刺距離最短、路徑軌跡適合柔性穿刺針實(shí)現(xiàn)、針頭的扭曲度在可控范圍內(nèi)的路徑。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)從數(shù)學(xué)模型原理做簡(jiǎn)單介紹。·I、柔性穿刺針運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型柔性穿刺針是一種針頭為斜尖，針體具有足夠的柔性和韌性的醫(yī)用穿刺針，柔性穿刺針軌跡空間坐標(biāo)系定義見(jiàn)圖la。柔性穿刺針在刺入人體時(shí)，由于受到人體組織的側(cè)向作用力，針軸會(huì)發(fā)生彎曲，穿刺出直線或圓弧軌跡，柔性穿刺針受力模型圖見(jiàn)圖lb。柔性針是由兩個(gè)輸入變量驅(qū)動(dòng)的，一個(gè)是針體的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是針頭的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制刺入的深度，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)改變針頭斜尖的方向，調(diào)整針尖偏移量，實(shí)現(xiàn)穿刺針特定的空間位姿。由于柔性穿刺針獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)模型，其運(yùn)動(dòng)軌跡是受到一定的限制，通過(guò)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)輸入量的協(xié)調(diào)控制可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的空間位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)柔性穿刺針的特點(diǎn)，在二維空間可以實(shí)現(xiàn)以下三種軌跡形式直線運(yùn)動(dòng)、單弧線運(yùn)動(dòng)、多弧線運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡的組合，但各個(gè)路徑只能是光滑連接，不可能出現(xiàn)折點(diǎn)，柔性穿刺針的部分路徑參見(jiàn)圖lc，因此結(jié)合醫(yī)學(xué)影像圖像可對(duì)柔性穿刺針的路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃。為定義柔性穿刺針軌跡的數(shù)學(xué)模型，先定義以下變量命名。二維空間中建立坐標(biāo)系，變量定義如下穿刺手術(shù)需要覆蓋的區(qū)域S (Scope);穿刺針可以穿過(guò)的區(qū)域?yàn)镾ftee ；不能穿過(guò)的組織器官定義為障礙物B(Obstacle)，SetB為所有障礙物的集合，障礙物區(qū)域?yàn)镾。
bstacle 穿刺針的入口點(diǎn)為I (initial);病變組織(SP革巴點(diǎn))為F (final)；R(route)為穿刺針的路徑；q為路徑上的某個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，Setq為路徑上所有關(guān)鍵點(diǎn)的集合；δ是路徑R的曲率，δ _代表穿刺針?biāo)试S的最大曲率；P(x, y, θ )為針頭所在位置的坐標(biāo)與方向角。根據(jù)上述定義，柔性穿刺針軌跡的數(shù)學(xué)模型描述如下
f/狀,少R(q) GJ
1ι_δ_
由上述模型可知，已知柔性穿刺針的初始點(diǎn)坐標(biāo)(X1, Y1)和方向角(θ x)、終止點(diǎn)
I ,f I 坐標(biāo)(xF，yF)和方向角(eF)、曲車(δ =-可計(jì)算柔性穿刺針軌跡的距離。
(! + (J)2/22、最短弧線長(zhǎng)度求解算法(SLOA: the Shortest Length of Arc)柔性穿刺針的特點(diǎn)決定了它的運(yùn)動(dòng)軌跡適合采用直線(L)、單弧線(R)，直線和單弧線(LR)以及雙弧線(R2)。以常見(jiàn)的弧線+直線+弧線(RLR)軌跡為例介紹算法，其它運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法類似。算法的初始輸入?yún)?shù)包括針頭入點(diǎn)的坐標(biāo)與方向角PJX1, Y1, θ χ)和拐彎半徑P !(=1/5^;以及針頭出點(diǎn)的坐標(biāo)與方向角5(^，0F)和拐彎半徑pF(=l/SF)。需要說(shuō)明的是，亦可以是提供曲率而非拐彎半徑。最短距離計(jì)算方法包括如下步驟I)由針頭入點(diǎn)、出點(diǎn)的坐標(biāo)和曲率,計(jì)算針頭的初始圓形軌跡(Cl)和圓心的坐標(biāo)
、終止圓形軌跡(CF)和圓心的坐標(biāo)各種情況下的計(jì)算過(guò)程如圖2如示，圓心坐標(biāo)計(jì)算過(guò)程總結(jié)如下式。
，V0j) = (Xj ± P! cos(6 7 + j), V1 土 P1 sin(07 土營(yíng)))I
(XF，V0f ) = (xF±pF cos(0F ± I)，yF ± pF sm(^ 土 γ))2)選擇半徑較大的圓(以CF為例)，以I Pf-PiI為半徑、OF為圓心畫(huà)一個(gè)小圓Ct ；連接圓心OI和0F，得到中心線c, WW C \=^(x0i -X0J- +(yGi -yOFf (過(guò)程如圖3所示)。3)從OI向Ct做切線O1T'，與Ct相交于T’，延長(zhǎng)0FT’交CF于點(diǎn)Ts，則Ts為CF的正切入點(diǎn)。4)以Ts為起點(diǎn)，做O1T'的平行線，交于Cl于Tx，則TxSCI的正切出點(diǎn)。5) PiTxTsPf就是P1、Pf兩點(diǎn)間的最短距離。在本算法中如何求得Tx、Ts的坐標(biāo)是關(guān)鍵，由圖3知
φ = arcsin(—~—)
|c|
+ Jj0f - Lψ = arct.an(-~:-■—)
I xOf ~ XOr I
L = (^/ +Pi COS(^v)5V, +P7 Sin(^v))
:L = ( + Pr cos(<Pen )，+ Pf sin(l))根據(jù)針頭方向角的不同，奶^和爐_的計(jì)算方法參見(jiàn)表I。表IPtl和代 的計(jì)算方法
權(quán)利要求
1.一種柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟 A.輸入路徑規(guī)劃參數(shù)； B.根據(jù)路徑規(guī)劃參數(shù)，利用最短弧線長(zhǎng)度求解算法進(jìn)行計(jì)算，得到靜態(tài)最短路徑；以及 C.對(duì)靜態(tài)最短路徑進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求I的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，路徑規(guī)劃參數(shù)包括針頭初始點(diǎn)的坐標(biāo)、方向角和曲率，針頭祀點(diǎn)的坐標(biāo)、方向角和曲率以及穿刺針最大曲率。
3.如權(quán)利要求I和2的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟B包括 BI.根據(jù)路徑規(guī)劃參數(shù)，計(jì)算初始點(diǎn)所在的初始軌跡圓和靶點(diǎn)所在的終止軌跡圓； B2.將在初始點(diǎn)和靶點(diǎn)之間作一條直線，將直線經(jīng)過(guò)區(qū)域中的障礙物抽象為障礙圓，依次標(biāo)記為第N障礙圓，其中N表示正整數(shù)序列； B3.依次在初始軌跡圓和第一障礙圓之間、多組相鄰的兩個(gè)障礙圓之間，以及第N障礙圓與終止軌跡圓之間做切線，得到多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和多條切線段；以及 B4.連接多條切線段以及多個(gè)相鄰兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的圓弧段，得到靜態(tài)最短路徑。
4.如權(quán)利要求3的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟B3中，在相鄰的兩個(gè)圓之間作切線時(shí)，當(dāng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的方向角同為順時(shí)針或逆時(shí)針時(shí)，切線類型為外切線；或者當(dāng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的方向角分別為順時(shí)針和逆時(shí)針時(shí)，切線類型為內(nèi)切線。
5.如權(quán)利要求3或4的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟C包括在穿刺手術(shù)過(guò)程中，根據(jù)人體組織的形變情況，重新調(diào)整路徑規(guī)劃參數(shù)，重復(fù)執(zhí)行步驟B調(diào)整穿刺路徑，通過(guò)改變針頭的進(jìn)給速度和自旋速度優(yōu)化穿刺路徑。
全文摘要
本發(fā)明提出一種柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法，包括輸入路徑規(guī)劃參數(shù)；根據(jù)路徑規(guī)劃參數(shù)，利用最短弧線長(zhǎng)度求解算法進(jìn)行計(jì)算，得到靜態(tài)最短路徑；以及對(duì)靜態(tài)最短路徑進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。本發(fā)明的柔性穿刺針的路徑規(guī)劃方法對(duì)患者的損傷較小，針頭靈活，算法簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)A61B17/34GK102920510SQ20121042252
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者覃征, 單來(lái)祥, 李勝男, 李媛, 繆永杰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)