一種柔性針穿刺路徑評(píng)估方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法和系統(tǒng)，包括評(píng)估子函數(shù)、權(quán)重向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量，評(píng)估子函數(shù)中基于路徑樣本數(shù)據(jù)對(duì)路徑長(zhǎng)度、弧段數(shù)和安全度無(wú)量綱歸一化處理；權(quán)重向量作為評(píng)估子函數(shù)的系數(shù)，調(diào)節(jié)各子函數(shù)對(duì)評(píng)估函數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響稱度，在評(píng)估子函數(shù)歸一化的基礎(chǔ)上權(quán)重向量的各元素?cái)?shù)值具有可對(duì)比性；障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量作為安全度評(píng)估子函數(shù)的系數(shù)，用于設(shè)定環(huán)境中各障礙物的危險(xiǎn)等級(jí)，從而影響安全度子函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。路徑評(píng)估函數(shù)由評(píng)估子函數(shù)加乘權(quán)重向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量疊加，評(píng)估函數(shù)計(jì)算結(jié)果數(shù)值越小，路徑越優(yōu)。醫(yī)生根據(jù)環(huán)境特征和臨床經(jīng)驗(yàn)對(duì)權(quán)重向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而影響路徑選擇結(jié)果，使規(guī)劃路徑更為合理。
【專利說(shuō)明】
-種柔性針穿刺路徑評(píng)估方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及軟組織穿刺手術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種柔性針穿刺路徑評(píng)估方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 經(jīng)皮穿刺作為一種最為常用的介入技術(shù)，多被用于藥物置入、病理診斷、放射治療 等手術(shù)中。傳統(tǒng)手術(shù)采用剛性針的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)穿刺，直線進(jìn)針時(shí)路徑受限，且由于剛性 針的自然形變引起祀點(diǎn)定位誤差，嚴(yán)重影響治療效果。相比而言，機(jī)器人輔助柔性針穿刺利 用針體的形變?cè)谲浗M織內(nèi)實(shí)現(xiàn)曲線運(yùn)動(dòng)，能靈活的避開(kāi)骨骼和血管等障礙物，準(zhǔn)確的到達(dá) 目標(biāo)點(diǎn)。
[0003] 路徑規(guī)劃對(duì)柔性針穿刺的研究有重要意義。目前已有資料公開(kāi)通過(guò)建立概率密度 函數(shù)對(duì)柔性針路徑進(jìn)行規(guī)劃，但此算法只適用于無(wú)障礙環(huán)境，通過(guò)建立非線性目標(biāo)函數(shù)規(guī) 劃柔性針的穿刺路徑，但此方法只適用于定曲率的圓弧路徑。另外一些文獻(xiàn)公開(kāi)利用運(yùn)動(dòng) 學(xué)反解法規(guī)劃柔性針路徑，該算法在有障礙物的情況下必須給出過(guò)渡點(diǎn)的位姿，運(yùn)不能保 證有解。而基于快速捜索隨機(jī)樹(shù)(RRT)算法規(guī)劃柔性針路徑，提高了規(guī)劃速度，是實(shí)用性比 較強(qiáng)的規(guī)劃方法。而在生成規(guī)劃結(jié)果后進(jìn)行有效的路徑評(píng)估與選擇是完成柔性針穿刺規(guī)劃 的關(guān)鍵。
[0004] 現(xiàn)有柔性針穿刺路徑評(píng)估方法中評(píng)估函數(shù)各組分的量綱不統(tǒng)一，因此各組分的 權(quán)重系數(shù)數(shù)值很大，缺乏直接對(duì)比，醫(yī)生難W根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)和個(gè)人意愿對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行有 效調(diào)節(jié)。人體組織中不同障礙物的危險(xiǎn)程度差別很大，在評(píng)估方法中需要區(qū)別對(duì)待，如大血 管和神經(jīng)等組織需要遠(yuǎn)離，而其他軟組織結(jié)構(gòu)可能只需要繞開(kāi)即可，而現(xiàn)有評(píng)估方法將環(huán) 境中的障礙物等同看待，影響了路徑評(píng)估的合理性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，有必要提供一種路徑評(píng)估更為科學(xué)合理的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種柔性針穿刺路徑評(píng)估方法，包括下述步驟：
[000引步驟S 1 0 :規(guī)劃所述柔性針的穿刺路徑，所述柔性針的穿刺路徑為：
，其中，磚表示弧Arci的起始點(diǎn)，n康示磚在弧Arci上的沿著前 進(jìn)方向單位切向量，Ti表示弧Arci的半徑，Ii表示弧Arci的長(zhǎng)度；
[0009] 步驟S20:準(zhǔn)備可行路徑樣本；
[0010] 步驟S30:根據(jù)所述穿刺路徑設(shè)置障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)n、障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量A及安全距 離D;其中，S = A，G，A=山];G=[gJ;j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = l，2...n前表示風(fēng)險(xiǎn) 等級(jí)為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目；aj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn) 系數(shù)；
[00川步驟S40:計(jì)算每個(gè)樣本的路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)FL:FL = L/Lavg，其中L是路徑的長(zhǎng) 度，Lavg是所有樣本路徑的長(zhǎng)度L的平均值;安全評(píng)估子函數(shù)Fs，F(xiàn)s = S/Savg，其中，S是距樣本 路徑距離小于安全距離的障礙物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平均值;及弧段數(shù)評(píng)估函 數(shù)FN:Fx = N/Navg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的平均值；
[0012] 步驟S50:構(gòu)建路徑評(píng)估函數(shù)F，所述F為所述路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子 函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的加權(quán)疊加；
[0013] 步驟S60:選取所述路徑評(píng)估函數(shù)F最小的樣本路徑為最佳路徑。
[0014] 在一些實(shí)施例中，在進(jìn)行步驟S40后步驟S50前還包括下述步驟:設(shè)置權(quán)重向量胖- [Wl W2 W3]，，其中，W1、W2、W3分別表示為路徑長(zhǎng)前度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子函數(shù)Fs及弧段 數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的權(quán)重系數(shù)。
[0015] 在一些實(shí)施例中，所述路徑評(píng)估函數(shù)F，
[0016]
[0017]另外，本申請(qǐng)還提供了一種柔性針穿刺路徑評(píng)估系統(tǒng)，包括：
[0018] 路徑規(guī)劃模塊：用于規(guī)劃所述柔性針的穿刺路徑，所述柔性針的穿刺路徑為：
>其中，xf表示弧Arci的起始點(diǎn)，n康示在弧Arci上的沿著前 進(jìn)方向單位切向量，ri表示弧Arci的半徑，1 i表示弧Arci的長(zhǎng)度；
[0019] 樣本模塊:用于準(zhǔn)備可行路徑樣本；
[0020] 安全評(píng)估模塊:用于根據(jù)所述穿刺路徑設(shè)置障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)n、障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量 A及安全距離D;其中，S = A ? G，A=[aj];G=[aj]; j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = l，2. . .n; gj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目；aj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j對(duì) 應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；
[0021] 路徑處理模塊：用于計(jì)算每個(gè)樣本的路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)FL:FL = L/Lavg，其中L是 路徑的長(zhǎng)度，Lavg是所有樣本路徑的長(zhǎng)度L的平均值;安全評(píng)估子函數(shù)Fs, Fs = S/Savg，其中，S 是距樣本路徑距離小于安全距離的障礙物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平均值;及弧段 數(shù)評(píng)估函數(shù)FN:FN = N/avg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的平均值；
[0022] 路徑評(píng)估模塊，用于構(gòu)建路徑評(píng)估函數(shù)F，所述F為所述路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl、安 全評(píng)估子函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的加權(quán)疊加，并選取所述路徑評(píng)估函數(shù)F最小的樣本路 徑為最佳路徑。
[0023] 在一些實(shí)施例中，還包括權(quán)重向量模塊：用于設(shè)置權(quán)重向量W= [Wi W2 W3]，，其中， W1、W2、W3分別表示為路徑長(zhǎng)前度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子函數(shù)Fs及弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的權(quán) 重系數(shù)。
[0024] 在一些實(shí)施例中，所述路徑評(píng)估函數(shù)F，
[0025] :0
[0026] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，其有益效果在于：
[0027] 本發(fā)明提供的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法和系統(tǒng)，其評(píng)估函數(shù)由評(píng)估子函數(shù)、權(quán)重 向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量組成，其中，評(píng)估子函數(shù)中基于路徑樣本數(shù)據(jù)對(duì)路徑長(zhǎng)度、弧段數(shù)和 安全度進(jìn)行了無(wú)量綱歸一化處理;權(quán)重向量作為評(píng)估子函數(shù)的系數(shù)，用于調(diào)節(jié)各子函數(shù)對(duì) 評(píng)估函數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響稱度，在評(píng)估子函數(shù)歸一化的基礎(chǔ)上權(quán)重向量的各元素?cái)?shù)值具有 直觀可對(duì)比性;障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量作為安全度評(píng)估子函數(shù)的系數(shù)，用于設(shè)定環(huán)境中各障礙物 的危險(xiǎn)等級(jí)，從而影響安全度子函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。路徑評(píng)估函數(shù)由評(píng)估子函數(shù)加乘權(quán)重向 量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量之后疊加而成，評(píng)估函數(shù)計(jì)算結(jié)果數(shù)值越小，路徑越優(yōu)。實(shí)際應(yīng)用中， 醫(yī)生可W根據(jù)環(huán)境特征和臨床經(jīng)驗(yàn)對(duì)權(quán)重向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而影響路徑 選擇結(jié)果，使規(guī)劃路徑更為合理。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明提供的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法的步驟流程圖。
[0029] 圖2是柔性針穿刺路徑示意圖。
[0030] 圖3本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜嵝葬槾┐搪窂皆u(píng)估系統(tǒng)
[0031] 圖4表示40條樣本路徑示意圖。
[0032] 圖5 (a )、（ b )、（ C)分別表示使Fl值最小的路徑、Fs值最小的路徑、Fn值最小的路徑。
[0033] 圖6傾向于路徑最短和弧段數(shù)最少時(shí)的路徑選擇結(jié)果，Wi = 3，W2 = 1，W3 = 3，n = 1， ai= 10
[0034] 圖7將障礙物分為兩個(gè)等級(jí)時(shí)的結(jié)果，Wi = I，W2 = 1，W3 = 1，n = 2，ai = l，曰2 = 5。
[0035] 圖8在障礙物少而大的環(huán)境下，傾向于選擇最安全的路徑時(shí)的結(jié)果，Wi二I，W2二5， W3二 l，n二 l，ai 二 Id
[0036] 圖9在障礙物多而小的環(huán)境下，傾向于選擇最短的路徑時(shí)的結(jié)果，Wi二5，W2二1，W3 二 1，n二 1，ai二 Id
【具體實(shí)施方式】
[0037] 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，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0038] 請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明提供的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法100的步驟流程圖，包括下 述步驟：
[0039] 步驟SlO :規(guī)劃所述柔性針的穿刺路徑，所述柔性針的穿刺路徑為：
，其中，X讀示弧Arci的起始點(diǎn)，n康示鳴在弧Arci上的沿著前 進(jìn)方向單位切向量，ri表示弧Arci的半徑，Ii表示弧Arci的長(zhǎng)度；
[0040] 可W理解，本發(fā)明提供的帶有斜尖的柔性針，當(dāng)針在軟組織中穿刺時(shí)，受到軟組織 的擠壓力，針體彎曲，柔性針將做圓弧運(yùn)動(dòng)。在穿刺過(guò)程中，柔性針的運(yùn)動(dòng)受進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和針 的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制，形成可變半徑的多段連續(xù)圓弧軌跡。因此，柔性針的穿刺路徑被描述為 弧序列：
[0041]
[00創(chuàng)其中，表示弧Arci的起始點(diǎn)，n康示;在弧Arci上的沿著前進(jìn)方向單位切向量， ri表示弧Arci的半徑Ji表示弧Arci的長(zhǎng)度。 一個(gè)基本的穿刺路徑如圖2所示，其中坤是弧Arci終點(diǎn)，Oi是弧Arci的圓屯、。
[0043] 步驟S20:準(zhǔn)備可行路徑樣本；
[0044] 步驟S30:根據(jù)所述穿刺路徑設(shè)置障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)n、障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量A及安全距 離D;其中，S = A ? G，A=[aj] ;G=[gj]; j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = l，2. . .n;gj表示風(fēng)險(xiǎn) 等級(jí)為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目；aj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn) 系數(shù)；
[0045] 可W理解，在實(shí)際的穿刺環(huán)境中，人體中重要的血管和神經(jīng)等對(duì)外物的敏感度高， 當(dāng)柔性針距離人體重要血管和神經(jīng)等太近時(shí)對(duì)患者的損傷風(fēng)險(xiǎn)很大。因此，柔性針的路徑 首先需要盡可能的遠(yuǎn)離神經(jīng)等風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別高的障礙物。醫(yī)生先判斷障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，預(yù)先 將障礙物風(fēng)險(xiǎn)分成n級(jí)，并設(shè)計(jì)障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量A，然后選出距離高風(fēng)險(xiǎn)障礙物遠(yuǎn)、路徑短 且弧段數(shù)少的路徑。因此，在安全評(píng)估子函數(shù)中，
[0046] S=A ? G
[0047] 其中：A=[aj] ;G=[aj]; j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = l，2. . .n;gj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目；aj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)， 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j越高，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值越大。
[0048] 在本實(shí)施例中，根據(jù)障礙物的風(fēng)險(xiǎn)特性進(jìn)行分級(jí)，并設(shè)計(jì)障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量用于計(jì) 算安全評(píng)估子函數(shù)，在路徑評(píng)估中區(qū)別體現(xiàn)出不同風(fēng)險(xiǎn)程度障礙物的影響。
[0049] 步驟S40:計(jì)算每個(gè)樣本的路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)FL:FL = L/Lavg，其中L是路徑的長(zhǎng) 度，Lavg是所有樣本路徑的長(zhǎng)度L的平均值;安全評(píng)估子函數(shù)Fs, Fs = S/Savg，其中，S是距樣本 路徑距離小于安全距離的障礙物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平均值;及弧段數(shù)評(píng)估函 數(shù)FN:FN = N/Navg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的平均值；
[0050] 可W理解，在實(shí)際柔性針穿刺過(guò)程中，第一，規(guī)劃的路徑長(zhǎng)度總是希望越短越好； 第二，如果柔性針距離血管等障礙物太近時(shí)，可能會(huì)對(duì)患者產(chǎn)生較大的創(chuàng)傷，因此，應(yīng)盡量 遠(yuǎn)離障礙物;第=，為了使得控制簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確，圓弧的段數(shù)越少越好。因此，基于W上幾個(gè)因 素，我們可W設(shè)計(jì)出3個(gè)歸一化的路徑評(píng)估子函數(shù)：
[0051] 路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)FL:FL = L/Lavg，其中L是路徑的長(zhǎng)度，Lavg是所有樣本路徑的長(zhǎng) 度L的平均值；
[00對(duì)安全評(píng)估子函數(shù)Fs:Fs = S/Savg，其中S是距樣本路徑距離小于特定安全距離的障礙 物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平均值；
[0053] 弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)FN:FN = N/Navg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的 平均值。
[0054] 步驟S50:構(gòu)建路徑評(píng)估函數(shù)F，所述F為所述路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子 函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的加權(quán)疊加；
[0055] 優(yōu)選地，設(shè)置權(quán)重向量胖=[胖1化13]，，其中，心巧2、巧3分別表示為路徑長(zhǎng)前度評(píng)估 子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子函數(shù)Fs及弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的權(quán)重系數(shù)。
[0056] 可W理解，通過(guò)設(shè)置權(quán)重系數(shù)可W反映不同子函數(shù)的重要性。在不同情況下，路徑 評(píng)估函數(shù)的權(quán)重系數(shù)可W根據(jù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，W反映路徑選擇的優(yōu)先權(quán)。
[0057] 所述路徑評(píng)估函數(shù)F，
[0化引
[0059]可W理解，路徑評(píng)估子函數(shù)的歸一化設(shè)計(jì)及其相應(yīng)的權(quán)重向量，使醫(yī)生可W根據(jù) 自身經(jīng)驗(yàn)和環(huán)境特征直觀的調(diào)整權(quán)重向量，影響路徑選擇策略。
[0060] 步驟S60:選取所述路徑評(píng)估函數(shù)F最小的樣本路徑為最佳路徑。
[0061] 請(qǐng)參閱圖3,本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜嵝葬槾┐搪窂皆u(píng)估系統(tǒng)200,包括:路徑規(guī)劃模塊210、 樣本模塊220、安全評(píng)估模塊230、路徑處理模塊240、權(quán)重向量模塊250及路徑評(píng)估模塊260。 其中：
[0062] 路徑規(guī)劃模塊210用于規(guī)劃所述柔性針的穿刺路徑，所述柔性針的穿刺路徑為：
>胃其中，;rf表示弧Arci的起始點(diǎn)，m表示相在弧Arci上的沿著前 進(jìn)方向單位切向量，r康示弧Arci的半徑，1康示弧Arci的長(zhǎng)度;樣本模塊220用于準(zhǔn)備可行 路徑樣本;安全評(píng)估模塊230用于根據(jù)所述穿刺路徑設(shè)置障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)n、障礙物風(fēng)險(xiǎn) 向量A及安全距離D;其中，S = A ? G，A = [ aj ]; G = [ gj ]; j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = 1， 2. . .n;&表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目；aj表示風(fēng)險(xiǎn) 等級(jí)j對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù);路徑處理模塊240用于計(jì)算每個(gè)樣本的路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl:Fl = L/Lavg，其中L是路徑的長(zhǎng)度，Lavg是所有樣本路徑的長(zhǎng)度L的平均值;安全評(píng)估子函數(shù)Fs，F(xiàn)s = S/Savg，其中，S是距樣本路徑距離小于安全距離的障礙物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平 均值;及弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)FN:FN = N/Navg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的平 均值;權(quán)重向量模塊250用于設(shè)置權(quán)重向量，W=[W1 W2 W3]，其中，W1、W2、W3分別表示為路徑 長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的權(quán)重系數(shù);路徑評(píng)估模塊260用 于構(gòu)建路徑評(píng)估函數(shù)F，所述F為所述路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全評(píng)估子函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng) 估函數(shù)Fn的加權(quán)疊加，并選取所述路徑評(píng)估函數(shù)F最小的樣本路徑為最佳路徑。
[0063] 本發(fā)明提供的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法和系統(tǒng)，其評(píng)估函數(shù)由評(píng)估子函數(shù)、權(quán)重 向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量組成，其中，評(píng)估子函數(shù)中基于路徑樣本數(shù)據(jù)對(duì)路徑長(zhǎng)度、弧段數(shù)和 安全度進(jìn)行了無(wú)量綱歸一化處理;權(quán)重向量作為評(píng)估子函數(shù)的系數(shù)，用于調(diào)節(jié)各子函數(shù)對(duì) 評(píng)估函數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響稱度，在評(píng)估子函數(shù)歸一化的基礎(chǔ)上權(quán)重向量的各元素?cái)?shù)值具有 直觀可對(duì)比性;障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量作為安全度評(píng)估子函數(shù)的系數(shù)，用于設(shè)定環(huán)境中各障礙物 的危險(xiǎn)等級(jí)，從而影響安全度子函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。路徑評(píng)估函數(shù)由評(píng)估子函數(shù)加乘權(quán)重向 量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量之后疊加而成，評(píng)估函數(shù)計(jì)算結(jié)果數(shù)值越小，路徑越優(yōu)。實(shí)際應(yīng)用中， 醫(yī)生可W根據(jù)環(huán)境特征和臨床經(jīng)驗(yàn)對(duì)權(quán)重向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而影響路徑 選擇結(jié)果，使規(guī)劃路徑更為合理。
[0064] 實(shí)施例
[0(?日]采用上述方法仿真如下：
[0066] 在所設(shè)計(jì)的仿真環(huán)境中，有6個(gè)大小不等的障礙物4、8、(：、0、6少，環(huán)境的區(qū)間為高 20cm，寬20cm。在仿真中，定義穿刺點(diǎn)Xinit為（6,0)，目標(biāo)點(diǎn)Xgoai為（6,19)，進(jìn)針?lè)较虼怪庇赬 軸，針面面向y軸?；诳焖偻卣闺S機(jī)樹(shù)算法規(guī)劃了 40條樣本路徑，如圖4所示。在不考慮障 礙物分級(jí)情況下，可計(jì)算出分別使各個(gè)路徑評(píng)估子函數(shù)最小的路徑，如圖5(a)、（b)、（c)所 /J、- O
[0067] 針對(duì)不同環(huán)境特點(diǎn)，分別設(shè)置不同的權(quán)重向量和障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量，可W得到不同 的最佳路徑選擇結(jié)果:在同等傾向于路徑最短和弧段數(shù)最少的情況下，設(shè)置W1 = 3，W2=1，W3 =3，n = 1，ai = 1，如圖6所示;在將障礙物分為兩個(gè)等級(jí)的情況下，設(shè)置Wi = 1，W2 = 1，W3 = 1， 〇 = 2，曰1 = 1，曰2 = 5，如圖7所示，黑色障礙物(4、8、6、。)風(fēng)險(xiǎn)較低，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為1;黑色障礙物 (C、D)風(fēng)險(xiǎn)較高，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為2;在障礙物少而大的環(huán)境下，傾向于選擇最安全的路徑，設(shè)置 Wi = I，W2 = 5，W3 = l，n=l，ai = l，如圖8所示;在障礙物多而小的環(huán)境下，傾向于選擇最短的 路徑，設(shè)置wi = 5，W2 = 1，W3 = 1，n = l，ai=l，如圖9所示。
[0068]雖然本發(fā)明參照當(dāng)前的較佳實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理 解，上述較佳實(shí)施方式僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，并非用來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，任何在本發(fā)明 的精神和原則范圍之內(nèi)，所做的任何修飾、等效替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種柔性針穿刺路徑評(píng)估方法，其特征在于，包括下述步驟： 步驟S I O :規(guī)劃所述柔性針的穿刺路徑，所述柔性針的穿刺路徑為：其中，4表示弧Arci的起始點(diǎn)，m表示xf在弧Arci上的沿著前進(jìn)方 向單位切向量，ri表示弧Arci的半徑，h表示弧Arci的長(zhǎng)度； 步驟S20:準(zhǔn)備可行路徑樣本； 步驟S30:根據(jù)所述穿刺路徑設(shè)置障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)n、障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量A及安全距離D; 其中，S=A · G，A=[aj];G=[gj]; j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = l，2. . .n;gj表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)； 步驟S40:計(jì)算每個(gè)樣本的路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)FL:FL = L/Lavg，其中L是路徑的長(zhǎng)度，Lavg 是所有樣本路徑的長(zhǎng)度L的平均值;安全評(píng)估子函數(shù)Fs，F(xiàn)s = S/Savg，其中，S是距樣本路徑距 離小于安全距離的障礙物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平均值;及弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn : Fn = N/Navg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的平均值； 步驟S50:構(gòu)建路徑評(píng)估函數(shù)F，所述F為所述路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)R、安全評(píng)估子函數(shù) Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的加權(quán)疊加； 步驟S60:選取所述路徑評(píng)估函數(shù)F最小的樣本路徑為最佳路徑。2. 如權(quán)利要求1所述的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法，其特征在于，在進(jìn)行步驟S40后步驟 S50前還包括下述步驟:設(shè)置權(quán)重向量，W=[W1 W2 W3]，其中，W1、W2、W3分別表示為路徑長(zhǎng)度 評(píng)估子函數(shù)Fh安全評(píng)估子函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的權(quán)重系數(shù)。3. 如權(quán)利要求2所述的柔性針穿刺路徑評(píng)估方法，其特征在于，所述路徑評(píng)估函數(shù)F，4. 一種柔性針穿刺路徑評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于，包括： 路徑規(guī)劃模塊：規(guī)劃所述柔性針的穿刺路徑，所述柔性針的穿刺路徑為：其中，< 表示弧Arci的起始點(diǎn)，m表示xf在弧Arci上的沿著前進(jìn)方 向單位切向量，ri表示弧Arci的半徑，h表示弧Arci的長(zhǎng)度； 樣本模塊:用于準(zhǔn)備可行路徑樣本； 安全評(píng)估模塊：用于根據(jù)所述穿刺路徑設(shè)置障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)n、障礙物風(fēng)險(xiǎn)向量A及 安全距離D;其中，S=A · G，A=[aj] ;G=[gj]; j表示各障礙物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，j = l，2. . .n;gj表 示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為j的障礙物中距樣本路徑距離小于安全距離D的數(shù)目；a」表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j對(duì)應(yīng) 的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)； 路徑處理模塊：用于計(jì)算每個(gè)樣本的路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)FL:FL = L/Lavg，其中L是路徑 的長(zhǎng)度，Lavg是所有樣本路徑的長(zhǎng)度L的平均值;安全評(píng)估子函數(shù)Fs，F(xiàn)s = S/Savg，其中，S是距 樣本路徑距離小于安全距離的障礙物數(shù)目，Savg是所有樣本路徑的S的平均值;及弧段數(shù)評(píng) 估函數(shù)Fn : Fn = N/Navg，其中N是路徑的弧段數(shù)，Navg是所有樣本路徑的N的平均值； 路徑評(píng)估模塊，用于構(gòu)建路徑評(píng)估函數(shù)F，所述F為所述路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)R、安全評(píng) 估子函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的加權(quán)疊加，并選取所述路徑評(píng)估函數(shù)F最小的樣本路徑為 最佳路徑。5. 如權(quán)利要求4所述的柔性針穿刺路徑評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于，還包括權(quán)重向量模塊： 用于設(shè)置權(quán)重向量，W=[W1 W2 W3]，其中，W1、W2、W3分別表示為路徑長(zhǎng)度評(píng)估子函數(shù)Fl、安全 評(píng)估子函數(shù)Fs、弧段數(shù)評(píng)估函數(shù)Fn的權(quán)重系數(shù)。6.如權(quán)利要求5所述的柔性針穿刺路徑評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于，所述路徑評(píng)估函數(shù)F，O
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK106021935SQ201610349546
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】熊璟, 夏澤洋, 李霞, 李志成, 甘志堅(jiān), 王磊
【申請(qǐng)人】深圳先進(jìn)技術(shù)研究院