【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及虚，特别涉及一种基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法。
技术介绍
1、肺癌作为发病率、致死率最高的肿瘤病之一，威胁着人类的身体健康。随着胸部ct检查技术的发展，越来越多不同尺寸的肺结节可以被检测出来，对于肺结节的性质进行判断能够在一定程度上提高肺癌诊断的准确性，进而能够及早治疗，降低死亡率。目前对于肺结节进行性质诊断的技术主要有支气管镜、ct引导下经皮肺穿刺活检、胸腔镜手术切除活检，但在准确性、安全性等方面存在不足，已经存在的两款支气管镜检查机器人系统也都缺乏触觉感知反馈，在介入检查过程中存在损伤支气管道的风险。
2、虚拟夹具控制算法通过触觉力反馈设备向操作者提供触觉感知，辅助操作者操作执行器沿预定轨迹进行移动以及避免进入禁止区域，有效地减少操作员心理负担，提高操作精度，但传统虚拟夹具的简单约束定义没有融入医学特征，简单的线性误差补偿力有可能造成触觉力反馈设备的锁死，不满足手术操作需求。同时，单独采用位置控制不足以满足动态交互的控制需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种解决上述技术问题的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法。
2、为此，本专利技术技术方案如下：
3、一种基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，步骤如下：
4、s1、对肺部ct图像数据进行处理，得到支气管气道树三维模型；
5、s2、基于由步骤s1得到的支气管气道树三维模型生成支气管中心线，在支气管中心线中提取目标分支
6、s3、基于步骤s2得到的三维参数曲线，构建一条以三维参数曲线为中轴线的虚拟夹具引导管道，管道壁厚区域定义为过渡区域；
7、s4、利用chai3d库搭建一个导入有支气管气道树三维模型的手术模拟平台，以建立支气管模型的虚拟单位；采用glfw开源图像库和chai3d库完成手术环境的动态渲染；将搭建完成的手术模拟平台连接触觉力反馈设备，并完成重力补偿；
8、s5、利用手术模拟平台采集触觉力反馈设备的操作数据，以得到操作员操作触觉力反馈设备主手时，执行器末端的实际速度与实际位置；
9、s6、通过实时计算执行器末端至三维参数曲线上最近点之间的距离值，判断执行器末端是否位于虚拟夹具引导管道内的过渡区域，以当执行器末端运动到过渡区域时，生成管道边界误差补偿量及相应的管道边界误差补偿力；
10、s7、将三维参数曲线上距离执行器末端最近一点的位置作为期望位置，并基于执行器末端实际位置和实际速度，计算得到操作的期望力；
11、s8、将期望力与管道边界误差补偿力进行加和，得到触觉反馈力并作用于操作员；操作员感受到触觉反馈力后操作力反馈主手，使执行器末端移动回理论路径上；
12、s9、重复步骤s5～s8，使执行器末端始终保持沿虚拟夹具引导管道内三维参数曲线路径运动，并到达指定目标点位置。
13、进一步地，步骤s1的具体实施步骤为：将肺部ct图像数据导入医学图像软件mimics中，基于肺部冠状面视图，利用医学图像软件mimics构建支气管气道树三维模型，包括：1)点击segment airway模块，利用弹出的画笔在肺部冠状面视图的气管顶端空腔区域自上而下间隔标记两个点，使软件自行构建气道模型；2)基于构建的气道模型，点击calculate part模块，生成气道树模型；对气道树模型进行平滑处理，得到支气管气道树三维模型。
14、进一步地，在步骤s2中，支气管中心线的生成利用医学图像软件mimics中fitcenterline模块实现。
15、进一步地，在步骤s2中，采用准均匀b样条曲线方程对提取的三维离散点进行插值拟合，其步骤为：
16、b样条曲线方程γ(s)的表达式为：
17、
18、
19、式中，pi是支气管中心线中的第i个三维离散点，i的取值为0～n，n为三维离散点的总数；bi，k(s)为第i个k阶b样条的基函数；s为b样条曲线方程的参数；si是一组称为节点矢量的非递减序列的连续变化值，其首尾的值分别为0和1，且首尾的重复度与样条的阶数k值相同，重复度的计算方式为曲线次数+1，其余节点都均匀分布。
20、进一步地，在步骤s3中，虚拟夹具引导管道的管道外径r为1mm～5mm，管壁厚度为管道外径0.1倍～0.2倍。
21、进一步地，步骤s6的具体实施步骤为：
22、s601、利用牛顿迭代法，计算三维参数曲线路径上离执行器末端最近一点所对应的参数s及位置xr；
23、牛顿迭代法的函数为：
24、
25、
26、式中，δ(x,sk)是点x和三维参数曲线之间的距离函数；δ′(x,sk)为δ(x,sk)关于参数s在sk处的导数值；
27、位置xr的计算公式为：
28、s602、根据s601得到的参数曲线上最近一点的位置xr，计算执行器末端实际位置与曲线上最近点位置之间的距离δx及距离值||δx||，两点之间距离计算公式如下：
29、δx＝xr-x，
30、||δx||＝||xr-x||；
31、s603、根据距离值判断执行器末端是否位于管道内的过渡区域：
32、当0≤||δx||＜r-ε时，则执行器末端没有运动到过渡区域，此时没有管道边界误差补偿力；
33、当r-ε≤||δx||≤r时，则执行器末端运动到管道内的过渡区域，生成管道边界误差补偿量||δx||-(r-ε)，其相应的管道边界误差补偿力fd的计算方式为：
34、
35、式中，k为线性增益，其取值范围为0～1；
36、进一步地，步骤s7的具体实施步骤为：将步骤s5中执行器末端实际速度和由步骤s602得到距离△x，代入阻抗控制计算模型中，得到对操作者施加的期望力fr；其中，阻抗控制计算模型的表达式为：式中，d为阻尼分量，k为刚度分量。
37、与现有技术相比，该基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法通过肺部ct图像创建的气管树的三维模型提取支气管中心线，将支气管中心线上的指定分支拟合为参数曲线并将其扩展为管道引导型虚拟夹具，使虚拟夹具融合了气道树的医学特征，引导执行器末端始终在指定路线上移动；此外，该方法通过与阻抗控制结合，满足了机器人柔顺交互任务的控制要求，减轻操作员操作强度的同时，提升操作精度。
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1.一种基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，步骤S1的具体实施步骤为：将肺部CT图像数据导入医学图像软件Mimics中，基于肺部冠状面视图，利用医学图像软件Mimics构建支气管气道树三维模型，包括：1)点击SegmentAirway模块，利用弹出的画笔在肺部冠状面视图的气管顶端空腔区域自上而下间隔标记两个点，使软件自行构建气道模型；2)基于构建的气道模型，点击calculate part模块，生成气道树模型；对气道树模型进行平滑处理，得到支气管气道树三维模型。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，在步骤S2中，支气管中心线的生成利用医学图像软件Mimics中Fit Centerline模块实现。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，在步骤S2中，采用准均匀B样条曲线方程对提取的三维离散点进行插值拟合，其步骤为：
5.根据权利要求1所述
6.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，步骤S6的具体实施步骤为：
7.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，步骤S7的具体实施步骤为：将步骤S5中执行器末端实际速度和由步骤S602得到距离△X，代入阻抗控制计算模型中，得到对操作者施加的期望力Fr；其中，阻抗控制计算模型的表达式为：式中，D为阻尼分量，K为刚度分量。
...【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，步骤s1的具体实施步骤为：将肺部ct图像数据导入医学图像软件mimics中，基于肺部冠状面视图，利用医学图像软件mimics构建支气管气道树三维模型，包括：1)点击segmentairway模块，利用弹出的画笔在肺部冠状面视图的气管顶端空腔区域自上而下间隔标记两个点，使软件自行构建气道模型；2)基于构建的气道模型，点击calculate part模块，生成气道树模型；对气道树模型进行平滑处理，得到支气管气道树三维模型。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟夹具的支气管介入机器人辅助控制方法，其特征在于，在步骤s2中，支气管中心线的生成利用医学图像软件mimics中fit centerline模块实现。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫朋，李旭昊，朱海星，刘逸飞，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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