一種基于時(shí)空相關(guān)性的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，設(shè)及一種基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟 表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，機(jī)器人技術(shù)越來越多的用于微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域，用于減輕患者痛苦，降低手術(shù) 醫(yī)生的工作強(qiáng)度，提高手術(shù)精度和降低手術(shù)難度。世界各地的研究機(jī)構(gòu)都在積極開展機(jī)器 人輔助外科手術(shù)技術(shù)的研究。而很多先進(jìn)的機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)的臨床應(yīng)用，都需要建立 在對(duì)手術(shù)器官表面目標(biāo)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位之上。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，機(jī)器人輔助屯、臟外科手術(shù)中的"屯、跳同步"技術(shù)，手術(shù)中需要實(shí)時(shí) 跟蹤屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，并主動(dòng)控制手術(shù)器械與其同步運(yùn)動(dòng)，從而為醫(yī)生提供一個(gè)虛 擬穩(wěn)定的操控環(huán)境，使得手術(shù)醫(yī)生在進(jìn)行切割或縫合等精準(zhǔn)手術(shù)操控時(shí)，無需再手動(dòng)的克 服快速屯、跳運(yùn)動(dòng)的干擾。為此，人們采用了不同的傳感器系統(tǒng)對(duì)屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行測(cè)量，如基于立體內(nèi)窺鏡的視覺測(cè)量系統(tǒng)、基于超聲波探測(cè)器的測(cè)量系統(tǒng)和基于激光探 測(cè)器的測(cè)量系統(tǒng)等。
[0004] 然而，在實(shí)際臨床應(yīng)用中，想要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測(cè)量和跟蹤快速跳動(dòng)的屯、臟表 面目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)并不容易。手術(shù)器械的遮擋、器官表面軟組織流血、電刀切割產(chǎn)生的煙霧等 手術(shù)過程中的各種動(dòng)態(tài)干擾都可能中斷測(cè)量系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量，使其暫時(shí)無法獲得測(cè)量 值。為了彌補(bǔ)測(cè)量空白并在干擾消失后重啟測(cè)量系統(tǒng)，就需要對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)的 預(yù)測(cè)。另外，從提高機(jī)械手臂控制精度的角度，也需要運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)。由于機(jī)械手臂和手術(shù) 器械自身的質(zhì)量和控制環(huán)節(jié)的時(shí)滯，要驅(qū)動(dòng)和控制其與快速運(yùn)動(dòng)的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)同步運(yùn) 動(dòng)時(shí)，僅僅依靠常規(guī)的反饋控制無法實(shí)現(xiàn)，需要借助預(yù)測(cè)控制技術(shù)，提前預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn) 動(dòng)，給出相應(yīng)的控制量。
[0005] 現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，多從屯、跳運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)周期性出發(fā)，基于目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡在時(shí) 間上的自相關(guān)性，利用最近的若干歷史測(cè)量值通過建立預(yù)測(cè)模型，對(duì)當(dāng)前或未來的目標(biāo)點(diǎn) 進(jìn)行預(yù)測(cè)。運(yùn)類方法在進(jìn)行長時(shí)間跨度的預(yù)測(cè)時(shí)，由于長時(shí)間未獲得有效的測(cè)量值，隨著時(shí) 間的推移，較早時(shí)刻獲取的歷史測(cè)量值與目標(biāo)點(diǎn)當(dāng)前位置之間的相關(guān)性急劇減弱，形成了 利用預(yù)測(cè)值的預(yù)測(cè)值的…預(yù)測(cè)值來進(jìn)行預(yù)測(cè)的局面，預(yù)測(cè)誤差會(huì)不斷的累計(jì)和放大。另一 方面，屯、跳運(yùn)動(dòng)的頻率和幅度等特性是隨時(shí)間變化的，目標(biāo)點(diǎn)歷史測(cè)量值與當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)之 間的相關(guān)性也會(huì)隨時(shí)間變化，因此，在長時(shí)間跨度的預(yù)測(cè)中，運(yùn)種基于時(shí)間自相關(guān)性的預(yù)測(cè) 方法會(huì)引入較大的預(yù)測(cè)誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟表面目 標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，利用目標(biāo)點(diǎn)與其周圍輔助點(diǎn)在空間上的相關(guān)性，解決長時(shí)間跨度預(yù)測(cè)， 同時(shí)降低預(yù)測(cè)誤差急劇增大的問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方 法，其特征在于，包括W下步驟：
[000引（1)、建立并初始化線性預(yù)測(cè)模型GLM
[0009] (1.1 )、建立化Μ模型：利用屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的N個(gè)歷史測(cè)量值和Μ個(gè)輔助點(diǎn)建立L =Μ+化1階的GLM模型，用方程表示為：
[0010] p{k) = (J(k-\}nik-\}
[00川其中，多佩為立維列向量，表示屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P在k時(shí)刻的S維空間坐標(biāo)預(yù)測(cè)值； Q化-1)是3 X L維的模型設(shè)計(jì)矩陣，可表示為：
[0012]
[OOU] 它是由屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P在k時(shí)刻之前的N個(gè)歷史ii量值:P化-N)，p化-N+1)，. . .，p 化-1)和Μ個(gè)輔助點(diǎn)在k-1時(shí)刻的測(cè)量值hi化-1)山化-1)，. . .，hM化-1)，W及一個(gè)元素全為1 的Ξ維列向量組成;W化-1)是k-1時(shí)刻的模型參數(shù)，是由L個(gè)權(quán)值系數(shù)組成的列向量；
[0014] (1.2)、初始化GLM模型:令k=l，將k=l之前的N個(gè)歷史測(cè)量值和0時(shí)刻的Μ個(gè)輔助 點(diǎn)測(cè)量值都初始化為0向量，即：
[001 引 ρ(ι-ν)=ρ(2-Ν) =…=ρ(0)=0
[0016] hi(0)=h2(0) = ...=hM(0)=0
[0017] 并將0時(shí)刻的模型參數(shù)初始化為0向量，即w(0)=0,將方差矩陣初始化為V(0) = 1000 OIlxl，其中Ilxl表示L X L維的單位矩陣；
[0018] (2)、判斷k時(shí)刻屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P是否測(cè)量成功，若測(cè)量系統(tǒng)提供測(cè)量值，則測(cè)量 成功，獲得該時(shí)刻屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P(k)，然后執(zhí)行步驟(3);反之測(cè)量失敗，則執(zhí) 行步驟(4);
[0019] (3)、更新GLM模型參數(shù)
[0020] 基于迭代最小二乘濾波(RLS)原理，利用當(dāng)前獲取的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P 化），更新模型參數(shù)W化)及其方差矩陣Wk)，待更新完畢后，跳入步驟(5);
[0021] (4)、基于當(dāng)前GLM模型獲得屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的預(yù)測(cè)值，具體如下：
[002^ 身腳。續(xù)皮-你-巧
[0023] 用預(yù)測(cè)值代替測(cè)量值，即令的幻=#腳，然后執(zhí)行步驟(5);
[0024] (5)、更新GLM模型設(shè)計(jì)矩陣
[0025] 利用當(dāng)前時(shí)刻的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P化)和Μ個(gè)輔助點(diǎn)的測(cè)量值hi化-l)，h2 化-1)，. . .，hM化-1)更新模型設(shè)計(jì)矩陣，得到
[0026]
[0027] (6)、當(dāng)前時(shí)刻值k加1，即：k = k+l，再返回步驟(2)，進(jìn)入下一時(shí)刻k+1的處理流程。
[002引本發(fā)明的發(fā)明目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0029] 本發(fā)明基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，利用屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn) 動(dòng)軌跡的時(shí)間自相關(guān)性，W及與周圍輔助點(diǎn)之間的空間相關(guān)性，建立預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的線性模 型GLM，再基于當(dāng)前GLM模型下獲得預(yù)測(cè)值，從而解決了長時(shí)間跨度預(yù)測(cè)時(shí)，由于時(shí)間自相關(guān) 性減弱導(dǎo)致的預(yù)測(cè)誤差急劇增大的問題。
[0030] 同時(shí)，本發(fā)明基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法還具有W下有益效 果：
[0031] (1)、本發(fā)明充分利用屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)與其周圍輔助點(diǎn)之間的空間相關(guān)性，提高預(yù) 測(cè)精度和魯棒性。現(xiàn)有技術(shù)只考慮目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上的自相關(guān)性，利用目標(biāo)點(diǎn)的歷史測(cè) 量值預(yù)測(cè)未來運(yùn)動(dòng)。運(yùn)類方法在進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)多步的預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)誤差會(huì)隨時(shí)間推移急 劇增大。本發(fā)明方法不僅利用目標(biāo)點(diǎn)在時(shí)間上的自相關(guān)性，還利用了目標(biāo)點(diǎn)和周圍輔助點(diǎn) 的運(yùn)動(dòng)在空間上存在的相關(guān)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，因而在進(jìn)行長時(shí)間大跨度的預(yù)測(cè)時(shí)，仍能保持極 高的預(yù)測(cè)精度。另一方面，由于目標(biāo)點(diǎn)與輔助點(diǎn)之間存在天然的物理聯(lián)系，而運(yùn)種物理聯(lián)系 幾乎不隨時(shí)間變化;因而可W獲得更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0032] (2)、本發(fā)明方法利用了簡單的一般線性模型(GLM)對(duì)上述時(shí)空相關(guān)性進(jìn)行建模， 所設(shè)計(jì)的遞歸流程，在測(cè)量系統(tǒng)成功獲取測(cè)量值時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)在線的更新模型參數(shù)，確保預(yù) 測(cè)模型的準(zhǔn)確，運(yùn)算的復(fù)雜度低，實(shí)時(shí)性好，可W滿足手術(shù)過程中對(duì)屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí) 跟蹤和預(yù)測(cè)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法流程圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)和輔助點(diǎn)的位置示意圖；
[0035] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量失敗時(shí)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，W便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在W下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許 會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，運(yùn)些描述在運(yùn)里將被忽略。
[0037] 實(shí)施例
[0038] 本發(fā)明是利用屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間自相關(guān)性和與周圍輔助點(diǎn)的空間相關(guān) 性，預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)未來的運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)的結(jié)果可用于當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量失敗時(shí)，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)位置做出 準(zhǔn)確估計(jì)，或用對(duì)手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂的預(yù)測(cè)控制。
[0039] 具體的說是通過在目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值與其歷史測(cè)量值W及輔助點(diǎn)測(cè)量值之間建立GLM 模型的方式實(shí)現(xiàn)。測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)和若干個(gè)輔助點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，外科手術(shù)中，目標(biāo)點(diǎn)由 醫(yī)生根據(jù)病人病情確定，其位置無法隨意選擇;而輔助點(diǎn)則可根據(jù)需要，選擇具有明顯特征 (容易被測(cè)量)且不易被手術(shù)中的動(dòng)態(tài)因素影響的自然特征點(diǎn)或放置了人工測(cè)量標(biāo)識(shí)物的 點(diǎn)。當(dāng)無法獲取目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值時(shí)，仍可利用輔助點(diǎn)的最新測(cè)量值，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)， 解決現(xiàn)有方法在長時(shí)間預(yù)測(cè)時(shí)誤差急劇增大的問題。
[0040] 在本實(shí)施例中，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)可W是基于立體內(nèi)窺鏡的視覺測(cè)量系 統(tǒng)、基于超聲波探測(cè)的測(cè)量系統(tǒng)或基于激光和視覺的測(cè)量系統(tǒng)等。無論何種測(cè)量系統(tǒng)，在其 能對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量時(shí)，本發(fā)明所述的方法會(huì)在每個(gè)測(cè)量采樣時(shí)刻，利用最新獲取的 目標(biāo)點(diǎn)和輔助點(diǎn)測(cè)量值在線的更新GLM模型的參數(shù)和設(shè)計(jì)矩陣，確保GLM模型可W準(zhǔn)確描述 目標(biāo)點(diǎn)與其歷史測(cè)量值w及輔助點(diǎn)測(cè)量值之間時(shí)空相關(guān)性；當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)無法獲取測(cè)量值 時(shí)，則通過GLM模型預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的位置，彌補(bǔ)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量空白。因此，對(duì)于任何測(cè)量系統(tǒng) 因任何原因（如手術(shù)器械遮擋目標(biāo)點(diǎn)、外部噪聲干擾等)短時(shí)無法獲取目標(biāo)點(diǎn)位置時(shí)，都可 采用本方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得精確的目標(biāo)點(diǎn)位置預(yù)測(cè)值。
[0041 ]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0042] 圖1是本發(fā)明基于時(shí)空相關(guān)性的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法流程圖。
[0043] 在本實(shí)施例中，利用本發(fā)明所述的方法對(duì)目標(biāo)點(diǎn)近4個(gè)時(shí)刻的歷史測(cè)量值和周圍3 個(gè)輔助點(diǎn)，建立8階GLM模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0044] 下面結(jié)合圖1所示的流程圖，對(duì)預(yù)測(cè)的過程進(jìn)行詳細(xì)說明，具體包括如下步驟：
[0045] S1、建立并初始化GLM預(yù)測(cè)模型化= 1)，包括如下兩個(gè)子步驟：
[0046] S1.1、建立化Μ模型：利用屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的4個(gè)歷史測(cè)量值和3個(gè)輔助點(diǎn)，建立8 階GLM