专利名称：柔性穿刺针的路径规划方法
技术领域：
本发明涉及理疗设备领域，特别涉及一种柔性穿刺针的路径规划方法。
背景技术：
微创介入治疗技术是常用的医疗技术，在医学影像导引下，以最小的创伤将器具或药物置入到病变组织(靶点)，广泛应用于活体病理检查、局部组织和器官的定投送和手术等。微创介入治疗常用穿刺技术，穿刺是将专用针刺入体腔以抽取分泌物，或注入气体、 造影剂、药物的一种诊疗技术。穿刺针分为刚性针与柔性针两种类型，传统刚性针对人体组织有较大创伤，而柔性穿刺针具有良好的柔韧性，能够利用斜尖针头与人体组织的侧向作用力，实现直线和弧线等运动轨迹，从而能够使得穿刺针绕过血管、神经、骨骼等人体组织，到达病变组织，减少穿刺手术对人体组织的创伤。由于穿刺针体进入人体后会产生挤压作用，导致人体组织器官变形，同时病人的体温、血压、心跳加速等因素也会引起人体组织器官的轻微变形，穿刺路径要根据人体组织器官的形变做出及时调整，避免刺伤组织器官。因此根据病变组织的深度、组织器官的分布模型，选择恰当的穿刺入口点和最短的穿刺路径，利用医学影像跟踪针尖的运动轨迹和组织器官的变形情况，自动调整针头的刺入速度与弯曲角度，精确控制针刺路径，减少穿刺针头的扭曲次数，使针头灵活、精确的到达靶点位置，在微创手术中是一个重要的环节。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种对患者创伤较小的柔性穿刺针的路径规划方法。根据本发明实施例的一种柔性穿刺针的路径规划方法，包括:A.输入路径规划参数根据路径规划参数，利用最短弧线长度求解算法进行计算，得到静态最短路径；以及C.对静态最短路径进行调整优化。在本发明的一个实施例中，路径规划参数包括针头初始点的坐标、方向角和曲率，针头靶点的坐标、方向角和曲率以及穿刺针最大曲率。在本发明的一个实施例中，步骤B包括B1.根据路径规划参数，计算初始点所在的初始轨迹圆和靶点所在的终止轨迹圆；B2.将在初始点和靶点之间作一条直线，将直线经过区域中的障碍物抽象为障碍圆，依次标记为第N障碍圆，其中N表示正整数序列；B3.依次在初始轨迹圆和第一障碍圆之间、多组相邻的两个障碍圆之间，以及第N障碍圆与终止轨迹圆之间做切线，得到多个关键点和多条切线段；以及B4.连接多条切线段以及多个相邻两个关键点之间的圆弧段，得到静态最短路径。在本发明的一个实施例中，步骤B3中，在相邻的两个圆之间作切线时，当起点与终点的方向角同为顺时针或逆时针时，切线类型为外切线；或者当起点与终点的方向角分别为顺时针和逆时针时，切线类型为内切线。在本发明的一个实施例中，步骤C包括在穿刺手术过程中，根据人体组织的形变情况，重新调整路径规划参数，重复执行步骤B调整穿刺路径，通过改变针头的进给速度和自旋速度优化穿刺路径。本发明的柔性穿刺针的路径规划方法对患者的损伤较小，针头灵活，算法简单易行。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为本发明的柔性穿刺针的路径规划方法的流程图； 图2为柔性穿刺针轨迹空间坐标系、受力模型及部分运动路径；图3为计算初始圆形轨迹和终止圆形轨迹过程的示意图；图4为最短弧线计算过程的示意图；图5为弧线的外切线与内切线的示意图；图6最短路径规划算法过程的示意图；以及图7为本发明实施例的柔性穿刺针的路径规划方法路径优化流程图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。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，或仅仅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，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。本发明所述的柔性穿刺针的路径规划方法可用于在穿刺手术前对穿刺针的路径进行提前规划，在手术过程中根据组织的形变情况调整针头进给速度与自旋速度，选择一条既能使穿刺针绕过障碍物到达病变组织，又能确保穿刺路线最短、针头的运动轨迹符合柔性穿刺针轨迹模型要求的最优路径，减少针头的扭曲次数，最大限度地减少穿刺手术对人体组织的创伤。本发明中定义的路径优化是指穿刺距离最短、路径轨迹适合柔性穿刺针实现、针头的扭曲度在可控范围内的路径。为使本领域技术人员更好地理解本发明，现从数学模型原理做简单介绍。·I、柔性穿刺针运动轨迹数学模型柔性穿刺针是一种针头为斜尖，针体具有足够的柔性和韧性的医用穿刺针，柔性穿刺针轨迹空间坐标系定义见图la。柔性穿刺针在刺入人体时，由于受到人体组织的侧向作用力，针轴会发生弯曲，穿刺出直线或圆弧轨迹，柔性穿刺针受力模型图见图lb。柔性针是由两个输入变量驱动的，一个是针体的进给运动，另一个是针头的自转运动。进给运动控制刺入的深度，自转运动通过改变针头斜尖的方向，调整针尖偏移量，实现穿刺针特定的空间位姿。由于柔性穿刺针独特的运动模型，其运动轨迹是受到一定的限制，通过两个运动输入量的协调控制可以实现独特的空间位置和运动轨迹。根据柔性穿刺针的特点，在二维空间可以实现以下三种轨迹形式直线运动、单弧线运动、多弧线运动，也可实现多种运动轨迹的组合，但各个路径只能是光滑连接，不可能出现折点，柔性穿刺针的部分路径参见图lc，因此结合医学影像图像可对柔性穿刺针的路径进行路径规划。为定义柔性穿刺针轨迹的数学模型，先定义以下变量命名。二维空间中建立坐标系，变量定义如下穿刺手术需要覆盖的区域S (Scope);穿刺针可以穿过的区域为Sftee ；不能穿过的组织器官定义为障碍物B(Obstacle)，SetB为所有障碍物的集合，障碍物区域为S。
bstacle 穿刺针的入口点为I (initial);病变组织(SP革巴点)为F (final)；R(route)为穿刺针的路径；q为路径上的某个关键点，Setq为路径上所有关键点的集合；δ是路径R的曲率，δ _代表穿刺针所允许的最大曲率；P(x, y, θ )为针头所在位置的坐标与方向角。根据上述定义，柔性穿刺针轨迹的数学模型描述如下
f/狀,少R(q) GJ
1ι_δ_
由上述模型可知，已知柔性穿刺针的初始点坐标(X1, Y1)和方向角(θ x)、终止点
I ,f I 坐标(xF，yF)和方向角(eF)、曲车(δ =-可计算柔性穿刺针轨迹的距离。
(! + (J)2/22、最短弧线长度求解算法(SLOA: the Shortest Length of Arc)柔性穿刺针的特点决定了它的运动轨迹适合采用直线(L)、单弧线(R)，直线和单弧线(LR)以及双弧线(R2)。以常见的弧线+直线+弧线(RLR)轨迹为例介绍算法，其它运动轨迹规划算法类似。算法的初始输入参数包括针头入点的坐标与方向角PJX1, Y1, θ χ)和拐弯半径P !(=1/5^;以及针头出点的坐标与方向角5(^，0F)和拐弯半径pF(=l/SF)。需要说明的是，亦可以是提供曲率而非拐弯半径。最短距离计算方法包括如下步骤I)由针头入点、出点的坐标和曲率,计算针头的初始圆形轨迹(Cl)和圆心的坐标
、终止圆形轨迹(CF)和圆心的坐标各种情况下的计算过程如图2如示，圆心坐标计算过程总结如下式。
，V0j) = (Xj ± P! cos(6 7 + j), V1 土 P1 sin(07 土營))I
(XF，V0f ) = (xF±pF cos(0F ± I)，yF ± pF sm(^ 土 γ))2)选择半径较大的圆(以CF为例)，以I Pf-PiI为半径、OF为圆心画一个小圆Ct ；连接圆心OI和0F，得到中心线c, WW C \=^(x0i -X0J- +(yGi -yOFf (过程如图3所示)。3)从OI向Ct做切线O1T'，与Ct相交于T’，延长0FT’交CF于点Ts，则Ts为CF的正切入点。4)以Ts为起点，做O1T'的平行线，交于Cl于Tx，则TxSCI的正切出点。5) PiTxTsPf就是P1、Pf两点间的最短距离。在本算法中如何求得Tx、Ts的坐标是关键，由图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))根据针头方向角的不同，奶^和炉_的计算方法参见表I。表IPtl和代 的计算方法
权利要求
1.一种柔性穿刺针的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤 A.输入路径规划参数； B.根据路径规划参数，利用最短弧线长度求解算法进行计算，得到静态最短路径；以及 C.对静态最短路径进行调整优化。
2.如权利要求I的柔性穿刺针的路径规划方法，其特征在于，路径规划参数包括针头初始点的坐标、方向角和曲率，针头祀点的坐标、方向角和曲率以及穿刺针最大曲率。
3.如权利要求I和2的柔性穿刺针的路径规划方法，其特征在于，步骤B包括 BI.根据路径规划参数，计算初始点所在的初始轨迹圆和靶点所在的终止轨迹圆； B2.将在初始点和靶点之间作一条直线，将直线经过区域中的障碍物抽象为障碍圆，依次标记为第N障碍圆，其中N表示正整数序列； B3.依次在初始轨迹圆和第一障碍圆之间、多组相邻的两个障碍圆之间，以及第N障碍圆与终止轨迹圆之间做切线，得到多个关键点和多条切线段；以及 B4.连接多条切线段以及多个相邻两个关键点之间的圆弧段，得到静态最短路径。
4.如权利要求3的柔性穿刺针的路径规划方法，其特征在于，步骤B3中，在相邻的两个圆之间作切线时，当起点与终点的方向角同为顺时针或逆时针时，切线类型为外切线；或者当起点与终点的方向角分别为顺时针和逆时针时，切线类型为内切线。
5.如权利要求3或4的柔性穿刺针的路径规划方法，其特征在于，步骤C包括在穿刺手术过程中，根据人体组织的形变情况，重新调整路径规划参数，重复执行步骤B调整穿刺路径，通过改变针头的进给速度和自旋速度优化穿刺路径。
全文摘要
本发明提出一种柔性穿刺针的路径规划方法，包括输入路径规划参数；根据路径规划参数，利用最短弧线长度求解算法进行计算，得到静态最短路径；以及对静态最短路径进行调整优化。本发明的柔性穿刺针的路径规划方法对患者的损伤较小，针头灵活，算法简单易行。
文档编号A61B17/34GK102920510SQ20121042252
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者覃征, 单来祥, 李胜男, 李媛, 缪永杰 申请人:清华大学