手术路径规划方法、系统、电子设备和存储介质

技术领域

本发明涉及手术规划技术领域，尤其是涉及一种手术路径规划方法、系统、电子设备和存储介质。

背景技术

肝癌是影响人类健康的一大杀手，目前针对肝癌的治疗方法主要包括消融、I125粒子植入等。当前的肝癌手术方式，一般采用术前CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)成像、术中CT引导来辅助完成。但是，这种方式主要依靠医生徒手进行下针操作，之后再由医学影像进行确认，手术精度低，且医生和患者需要多次暴露在CT辐射下。如果是采用I125粒子植入方式进行手术，医生手部同样会受到一定的辐射，另外，这对医生的手术经验要求较高，新手医生可能会进行多次植入针，一定程度上增加了对患者的伤害，且术后可能会伴随一定的并发症出现。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种手术路径规划方法、系统、电子设备和存储介质，可减少病人和医生在手术中受到的辐射，并降低手术难度、保障手术安全。

一方面，根据本发明实施例的手术路径规划方法，包括以下步骤：获取术前的CT或者MRI影像数据；根据所述影像数据，规划穿刺针路径；通过光学定位设备，对所述影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准；其中，所述机械臂的末端设置有超声探头和力传感器；所述机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至所述体膜的表面；根据所述穿刺针路径进行植针。

根据本发明实施例的手术路径规划方法，至少具有如下有益效果：在手术中采用超声设备来代替CT成像，能够减少术中病人及医生所受到的辐射，且超声探头能够实现手术过程的影像可视化；通过光学定位设备用于实时定位，实现术中实时导航；通过集成力传感器，实时获取力反馈信息，保障术中的安全。

根据本发明的一些实施例，所述根据所述影像数据，规划穿刺针路径，包括以下步骤：对所述影像数据进行图像分割，以识别目标肿瘤；根据所述目标肿瘤的位置，随机生成针尖位于所述目标肿瘤的中心的候选路径；对所述候选路径进行碰撞检测；若所述候选路径不满足碰撞检测条件，则返回根据所述目标肿瘤的位置，随机生成针尖位于所述目标肿瘤的中心的候选路径这一步骤；若所述候选路径满足碰撞检测条件，则将所述候选路径作为当前路径；判断在所述当前路径下，所述超声探头的轴向与所述体膜的表面是否垂直；若所述超声探头的轴向与所述体膜的表面不垂直，则返回根据所述目标肿瘤的位置，随机生成针尖位于所述目标肿瘤的中心的候选路径这一步骤；若所述超声探头的轴向与所述体膜的表面垂直，则将所述当前路径作为所述穿刺针路径。

根据本发明的一些实施例，所述光学定位设备采用NDI Polaris光学设备；所述通过光学定位设备，对所述影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准，包括以下步骤：分别在所述机械臂的末端和所述体膜的表面安装所述光学定位设备可跟踪的工件；将所述体膜所在的坐标系作为第一坐标系，所述影像数据所在的坐标系作为第二坐标系，所述机械臂所在的坐标系作为第三坐标系；获取所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的第一转换矩阵；获取所述第一坐标系与所述第三坐标系之间的第二转换矩阵；根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵，实现对所述影像数据、体膜以及机械臂三者之间的空间位置配准。

根据本发明的一些实施例，所述通过光学定位设备，对所述影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准，还包括以下步骤：分别计算所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵的误差；修正所述误差。

根据本发明的一些实施例，所述机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至所述体膜的表面，包括以下步骤：所述机械臂由初始位运动至取针位进行取针，取针后运动至就绪位；所述机械臂由所述就绪位按照所述预设路径运动至所述体膜的表面，在此运动过程中，包括：实时监测所述体膜的移动状态，若所述体膜的移动幅度大于第一阈值，则所述机械臂返回所述就绪位；开启所述力传感器，并通过所述力传感器获取所述机械臂的运动力度，若所述运动力度大于第二阈值，则所述机械臂返回所述就绪位；开启所述超声探头，以实现植针过程的影像可视化。

根据本发明的一些实施例，所述机械臂的末端设置有指示灯；所述机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至所述体膜的表面，还包括以下步骤：当所述机械臂运动至预设位置时，所述指示灯发光。

根据本发明的一些实施例，所述机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至所述体膜的表面，还包括以下步骤：对病人进行语音提示。

另一方面，根据本发明实施例的手术路径规划系统，包括：获取模块，用于获取术前的CT或者MRI影像数据；规划模块，用于根据所述影像数据，规划穿刺针路径；空间位置配准模块，用于通过光学定位设备，对所述影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准；其中，所述机械臂的末端设置有超声探头和力传感器；控制模块，用于控制所述机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至所述体膜的表面。

另一方面，根据本发明实施例的电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的手术路径规划方法。

另一方面，根据本发明实施例的计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行时实现上述的手术路径规划方法。

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。

附图说明

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1为本发明实施例的手术路径规划方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的手术路径规划系统的结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，根据本发明实施例的手术路径规划方法，包括以下步骤：

步骤S100：获取术前的CT或者MRI影像数据。

首先，在对病人进行手术前，需要先要对病人进行CT或者MRI(MagneticResonance Imaging，磁共振成像)扫描，从而获取到病人术前的CT或者MRI影像数据。

步骤S200：根据影像数据，规划穿刺针路径。

其中，上述的步骤S200，具体包括以下8个子步骤：

步骤S201：对影像数据进行图像分割，以识别目标肿瘤。

具体的，为了实现对影像数据的图像分割，这里可以采用多脏器分割算法，此算法在本申请人的在先申请(专利号：CN113181563A)中已经公开，因此在此不做赘述。通过图像分割，从而得到肝部、目标肿瘤、血管和骨骼等人体数字模型，便于后续的穿刺针路径的规划。

步骤S202：根据目标肿瘤的位置，随机生成针尖位于目标肿瘤的中心的候选路径。

步骤S203：对候选路径进行碰撞检测。

步骤S204：若候选路径不满足碰撞检测条件，则返回步骤S202。

步骤S205：若候选路径满足碰撞检测条件，则将该候选路径作为当前路径。

具体的，根据临床需求，对随机生成的候选路径进行碰撞检测，若是该候选路径与骨骼、血管、以及其它重要组织器官发生碰撞，则说明该候选路径不满足碰撞检测条件，需要抛弃并重新生成其它候选路径。若是不发生碰撞，则说明该候选路径满足碰撞检测条件，则保留该候选路径，将该候选路径作为当前路径。此外，碰撞检测除了检测当前路径是否经过重要组织器官的同时，也需要检测当前路径是否经过人为定义的可插针皮肤区域，以保证当前路径的有效性和安全性。

步骤S206：判断在当前路径下，超声探头的轴向与体膜的表面是否垂直。

步骤S207：若超声探头的轴向与体膜的表面不垂直，则返回步骤S202.

步骤S208：若超声探头的轴向与体膜的表面垂直，则将当前路径作为穿刺针路径。

具体的，在手术机器人的机械臂的末端设置有超声探头，超声探头用于实现植针过程的影像可视化。体膜：广泛用于放射治疗肿瘤病人的辅助定位及固定，减少患者体位移动产生的对正常组织的不必要损伤，提高局部病灶对射线的吸收。通过检测在当前路径下，超声探头的轴向与患者皮肤表面是否垂直，若是，则保留该当前路径，并将该当前路径作为穿刺针路径，反之则抛弃并重新随机生成候选路径。经过上述过程，即可生成满足临床手术以及机器人执行要求的穿刺针路径。

步骤S300：通过光学定位设备，对影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准；其中，机械臂的末端设置有超声探头和力传感器。

具体的，在规划好穿刺针路径后，需要对参与手术的多个设备之间进行空间位置的实时统一。上述的步骤S300，具体包括以下5个子步骤：

步骤S301：分别在机械臂的末端和体膜的表面安装光学定位设备可跟踪的工件。

具体的，在本申请中，采用的光学定位设备为NDI Polaris光学设备，NDI Polaris光学设备具有空间定位功能。为了实现对体膜和机械臂的定位，采用两个NDI Polaris光学设备可跟踪的工件，一个张贴在体膜的表面，用于统一真实人体与影像数据之间的位置关系；另一个安装在机械臂的末端，用于统一机械臂与真实人体之间的位置关系。

步骤S302：将体膜所在的坐标系作为第一坐标系，影像数据所在的坐标系作为第二坐标系，机械臂所在的坐标系作为第三坐标系。

步骤S303：获取第一坐标系与第二坐标系之间的第一转换矩阵。

步骤S304：获取第一坐标系与第三坐标系之间的第二转换矩阵。

步骤S305：根据第一转换矩阵和第二转换矩阵，实现对影像数据、体膜以及机械臂三者之间的空间位置配准。

具体的，在本申请中，采用VTK的库函数来获取不同的坐标系之间的转换矩阵。将体膜上采集到的各点坐标所在的坐标系作为真实人体坐标系C

此外，为了尽可能提高精度，还需要分别计算第一转换矩阵和第二转换矩阵的误差，并修正所述误差。例如，取虚拟人体坐标系C

P

Δ＝|P

通过上述的方法，来实现对影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准。

步骤S400：机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至体膜的表面。

其中，上述的步骤S400，具体包括以下2个子步骤：

步骤S401：机械臂由初始位运动至取针位进行取针，取针后运动至就绪位。

具体的，在进行完空间位置配准后，机械臂由初始位开始运动到针架的位置处，从针架上取下消融针。考虑目前是基于腹部体模进行模拟，设计的针架结构可放置三根针，将针架安装在相对于机械臂固定不动的位置，用于实施自动取针动作。同时，为了便于机械臂的取针动作，在机械臂的末端设置有夹爪结构，通过夹爪结构来抓取消融针。考虑到实际场景中机械臂、手术床、针架结构三者之间的相对摆放位置及高度关系，为确保机械臂运动的安全性，我们规划了机械臂自动取针的过程，从初始位开始，取针之后回至就绪位等待。这里的初始位和就绪位为相对于手术床、体模、针架、机械臂之间相对安全的位置。

步骤S402：机械臂由就绪位按照预设路径运动至体膜的表面，在此运动过程中，包括：

实时监测体膜的移动状态，若体膜的移动幅度大于第一阈值，则机械臂返回就绪位；

开启力传感器，并通过力传感器获取机械臂的运动力度，若运动力度大于第二阈值，则机械臂返回就绪位；

开启超声探头，以实现植针过程的影像可视化。

具体的，在机械臂由就绪位按照预设路径运动至体膜的表面的运动过程中，为了遵循确保安全且运动有效的原则，并考虑真实人体的呼吸及非静态性，我们将整个运动过程分四个阶段，每个阶段开启实时监测体模的移动状态来模拟人体移动或者呼吸等。按照预设路径的比例，我们将整个过程分为30％比例阶段，70％比例阶段，90％比例阶段和100％比例阶段。

30％阶段，这个阶段我们称之为犹豫期，本阶段开启体模移动状态实时监测，判断体模是否有大幅度移动(模拟人体是否呼吸状态、运动等)。考虑实际临床中患者的呼吸状态，我们这里设定了边界条件，以超过正常呼吸峰值为边界，当检测到数值幅度超过边界值时，则认为出现呼吸异常或移动等状态，机械臂需要回退至就绪位，结束本次动作。若没有超过边界条件，则机械臂继续正常运动。

70％阶段，在此阶段，同样实时检测体膜移动状态，若检测体膜有大幅度移动时，机械臂回退至就绪位等待。反之，则机械臂按照预设路径继续正常运动，同时开启力传感器，用于实时检测运动过程中是否有遇到障碍物等。这里设定的机械臂安全运动力度为8N(具体数值不受限定)，当检测到力度超过8N时，则判断为遇到障碍物，即存在安全风险，机械臂回退至就绪位，结束本次操作。反之，机械臂在靠近体模表面时会按照安全的力度值缓慢沿着预设路径向下运动，直至运动至目标位置。同时，在机械臂的末端还设置有指示灯，当指示灯发光时，说明到达机械臂到达目标位置。本机器人系统集成力传感器用于采集夹爪及超声探头力度，具有六自由度{F

1.常规状态：力矢量的长度变化2.0N时触发，相当于手指碰一下机械臂的力。

2.到体表、在体表、退针状态：力矢量的长度变化大于8.0N时触发，表示力度信息过大，机械臂会自动回退至安全位置。

3.当力的矢量的长度变化范围在5到6.5时(即当前力矢量的长度减去15.588的绝对值)，力度较安全且超声探头布置在最佳位置。

90％阶段，实施手术前最后的安全阶段，本阶段为即将进行消融植入动作，这里开启超声探头，用于后续的植入过程实时影像可视化，同时通过力传感器实时检测植入过程的力反馈信息。这里为了提高植入过程的精度，同时设有憋气、呼气等语音提示，用于对病人进行语音提示，进一步提高手术效果。

100％阶段，机械臂到达体膜表面，完成针的植入。

步骤S500：根据穿刺针路径进行植针。

在机械臂完成针的植入后，医生可以根据事先规划好的穿刺针进行植针，待整个植针过程完成后，机械臂松开夹爪，自动回退到就绪位，等待下一次插针。

根据本申请的手术路径规划方法，在手术中采用超声设备来代替CT成像，能够减少术中病人及医生所受到的辐射，且超声探头能够实现手术过程的影像可视化；通过光学定位设备用于实时定位，实现术中实时导航；通过集成力传感器，实时获取力反馈信息，保障术中的安全。

另一方面，如图2所示，根据本申请的手术路径规划系统，包括：

获取模块100，用于获取术前的CT或者MRI影像数据；

规划模块200，用于根据影像数据，规划穿刺针路径；

空间位置配准模块300，用于通过光学定位设备，对影像数据、体膜以及机械臂三者之间进行空间位置配准；其中，机械臂的末端设置有超声探头和力传感器；

控制模块400，用于控制机械臂进行取针，并在取针后按照预设路径运动至体膜的表面。

根据本申请的手术路径规划系统，在手术中采用超声设备来代替CT成像，能够减少术中病人及医生所受到的辐射，且超声探头能够实现手术过程的影像可视化；通过光学定位设备用于实时定位，实现术中实时导航；通过集成力传感器，实时获取力反馈信息，保障术中的安全。

另一方面，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行该计算机程序时实现上述的手术路径规划方法。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有程序，程序被处理器执行时实现上述的手术路径规划方法。

尽管本文描述了具体实施方案，但是本领域中的普通技术人员将认识到，许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如，结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外，虽然已根据本公开的实施方案描述了各种示例性具体实施和架构，但是本领域中的普通技术人员将认识到，对本文所述的示例性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。

上文参考根据示例性实施方案所述的系统、方法、系统和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本公开的某些方面。应当理解，框图和流程图中的一个或多个块以及框图和流程图中的块的组合可分别通过执行计算机可执行程序指令来实现。同样，根据一些实施方案，框图和流程图中的一些块可能无需按示出的顺序执行，或者可以无需全部执行。另外，超出框图和流程图中的块所示的那些部件和/或操作以外的附加部件和/或操作可存在于某些实施方案中。

因此，框图和流程图中的块支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的元件或步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令装置。还应当理解，框图和流程图中的每个块以及框图和流程图中的块的组合可以由执行特定功能、元件或步骤的专用硬件计算机系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。

本文所述的程序模块、应用程序等可包括一个或多个软件组件，包括例如软件对象、方法、数据结构等。每个此类软件组件可包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于执行而使本文所述的功能的至少一部分(例如，本文所述的例示性方法的一种或多种操作)被执行。

软件组件可以用各种编程语言中的任一种来编码。一种例示性编程语言可以为低级编程语言，诸如与特定硬件体系结构和/或操作系统平台相关联的汇编语言。包括汇编语言指令的软件组件可能需要在由硬件架构和/或平台执行之前由汇编程序转换为可执行的机器代码。另一种示例性编程语言可以为更高级的编程语言，其可以跨多种架构移植。包括更高级编程语言的软件组件在执行之前可能需要由解释器或编译器转换为中间表示。编程语言的其它示例包括但不限于宏语言、外壳或命令语言、作业控制语言、脚本语言、数据库查询或搜索语言、或报告编写语言。在一个或多个示例性实施方案中，包含上述编程语言示例中的一者的指令的软件组件可直接由操作系统或其它软件组件执行，而无需首先转换成另一种形式。

软件组件可存储为文件或其它数据存储构造。具有相似类型或相关功能的软件组件可一起存储在诸如特定的目录、文件夹或库中。软件组件可为静态的(例如，预设的或固定的)或动态的(例如，在执行时创建或修改的)。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。