一种腔镜手术机器人构型评价方法及装置与流程

1.本发明涉及腔镜手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种腔镜手术机器人构型评价方法及装置。


背景技术：

2.腔镜手术机器人进行腔镜手术时，由于戳卡(trocar)的位置约束，使得腔镜手术机器人的机械臂的可活动空间较小，腔镜手术机器人的机械臂之间及手术器械之间的碰撞情况直接体现着设备的易用性。因此，基于腔镜手术机器人的机械臂及手术器械之间的碰撞情况，对腔镜手术机器人的结构优劣、易用性等的评价是十分必要的。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是：如何提供一种腔镜手术机器人构型评价方法。
4.为解决上述问题，本发明提供一种腔镜手术机器人构型评价方法，包括：
5.获取手术机器人的构型；
6.根据所述构型，构建所述手术机器人的机械臂在腔镜手术中所持手术器械的运动空间；
7.根据所述构型和所述运动空间，检测所述手术器械及所述机械臂的碰撞情况；
8.根据所述碰撞情况，评价所述构型以及所述手术器械在所述腔镜手术中的插入姿态。
9.可选地，所述手术机器人的所述构型包括所述手术机器人的术前摆位与术中动作的结构参数及自由度配置方式。
10.可选地，所述获取手术机器人的构型包括：
11.获取采用所述手术机器人的所述腔镜手术的手术记录；
12.根据所述手术记录，确定所述手术机器人的构型。
13.可选地，所述根据所述构型，构建所述手术机器人的机械臂在腔镜手术中所持手术器械的运动空间包括：
14.根据所述构型，以人体模型为基准，构建所述运动空间。
15.可选地，所述构建所述运动空间包括：
16.构建运动在病灶附近的所述手术器械的第一运动区域；
17.构建包含所述第一运动区域且半径为第一预设半径的呈球体状的第二运动区域。
18.可选地，所述根据所述构型和所述运动空间，检测所述手术器械及所述机械臂的碰撞情况包括：
19.根据所述构型进行所述手术机器人的术前摆位、术中动作的运动仿真；
20.根据所述运动仿真和所述运动空间，检测所述手术器械之间、所述机械臂之间的碰撞情况。
21.可选地，所述检测所述运动空间内所述手术器械之间、所述机械臂之间的碰撞情
况包括：
22.对所述第一运动区域和所述第二运动区域进行网格划分；
23.分别确定所述第一运动区域的第一节点数和所述第二运动区域的第二节点数；
24.分别确定所述手术器械之间及所述机械臂之间发生碰撞时所述第一运动区域和所述第二运动区域中所述手术器械所经过的网格节点的第一碰撞节点数和第二碰撞节点数。
25.可选地，所述根据所述碰撞情况，评价所述构型以及所述手术器械在所述腔镜手术中的插入姿态包括：
26.根据所述第一节点数、所述第二节点数、所述第一碰撞节点数和所述第二碰撞节点数，分别计算所述手术器械之间及所述机械臂之间发生碰撞时所述第一运动区域中所述手术器械与网格节点的第一碰撞率以及所述第二运动区域中所述手术器械与网格节点的第二碰撞率；
27.计算所述第一碰撞率和所述第二碰撞率的加权系数分别为第一加权系数和第二加权系数时的加权碰撞率，其中，所述第一加权系数和所述第二加权系数的和等于1；
28.根据所述第一碰撞率、所述第二碰撞率和所述加权碰撞率，评价所述手术机器人构型以及所述手术器械在所述腔镜手术中的所述插入姿态。
29.为解决上述问题，本发明还提供一种腔镜手术机器人构型评价装置，包括：
30.获取单元，用于获取手术机器人的构型；
31.计算识别单元，用于根据所述构型，构建所述手术机器人的机械臂在腔镜手术中所持手术器械的运动空间；用于根据所述构型和所述运动空间，检测所述手术器械及所述机械臂的碰撞情况；以及用于根据所述碰撞情况，评价所述构型以及所述手术器械在所述腔镜手术中的插入姿态。
32.为解决上述问题，本发明还提供一种腔镜手术机器人构型评价装置，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的腔镜手术机器人构型评价方法。
33.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：腔镜手术机器人构型评价方法用于根据手术机器人在相应腔镜手术中的手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况，评价相应手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态等，以便于有依据的调整、改进手术机器人构型，以及寻求当前手术机器人结构下针对该腔镜手术术式的相对更优的插入姿态等。其中，通过获取手术机器人的构型，为手术机器人的运动仿真、构型评价等提供了有力且可靠的依据；通过构建运动空间，以便于计算例如碰撞率的碰撞情况，从而便于分析评价手术机器人的构型等。
附图说明
34.图1为本发明实施例中腔镜手术机器人构型评价方法的流程图；
35.图2为本发明实施例中步骤100的流程图；
36.图3为本发明实施例中步骤200的流程图；
37.图4为本发明实施例中步骤300的流程图；
38.图5为本发明实施例中步骤320的流程图；
39.图6为本发明实施例中步骤400的流程图；
40.图7为本发明实施例中腔镜手术机器人构型评价装置的结构示意图。
41.附图标记说明：
42.10-获取单元；20-计算识别单元。
具体实施方式
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
45.结合图1所示，本发明实施例提供一种腔镜手术机器人构型评价方法，包括以下步骤：
46.步骤100、获取手术机器人的构型。
47.具体地，获取多种不同类型(型号)的腔镜手术机器人(后文简称手术机器人)的构型；其中，手术机器人的构型包括手术机器人在相应腔镜手术(例如腹腔镜手术、胸腔镜手术、关节腔镜手术等)中的术前摆位与术中动作的结构参数及自由度配置方式(例如手术机器人的左器械臂、右器械臂、辅助臂等机械臂的自由度配置方式)。在一些实施例中，不同手术机器人在不同腔镜手术中的术前摆位与术中动作的结构参数及自由度配置方式，可通过目前各大医院的腔镜手术记录得到。
48.步骤200、根据构型，构建手术机器人的机械臂在腔镜手术中所持手术器械的运动空间。
49.具体地，根据步骤100获取的手术机器人的构型，以相应腔镜手术对应的人体内藏器官、肠胃等人体模型为基准，构建(还原)手术机器人的机械臂在相应腔镜手术中所持手术器械在人体模型上的运动空间，即构建包含手术机器人的机械臂在相应腔镜手术中所持手术器械在人体模型上进行的各种操作(运动)的工作区域的空间集合。其中，运动空间的构建可采用相应的机器人运动仿真软件实现，也就是说，通过在机器人运动仿真软件上输入某一手术机器人在某一腔镜手术中的构型，即可进行该手术机器人在该腔镜手术中所持手术器械的运动空间的构建。
50.步骤300、根据构型和运动空间，检测手术器械及机械臂的碰撞情况。
51.具体地，根据步骤100获取的手术机器人的构型和步骤200构建的关于手术器械的运动空间，(采用机器人运动仿真软件)检测在相应腔镜手术中手术机器人所持的手术器械在该运动空间内进行各种操作时发生的手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况，例如检测手术器械之间、机械臂之间的碰撞率，以用于后续步骤对相应手术机器人的构型等进行评价。
52.步骤400、根据碰撞情况，评价手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态。
53.具体地，根据步骤300得到的手术机器人在相应腔镜手术中手术器械之间、机械臂
之间的碰撞情况，对手术机器人构型、易用性等进行评价，用于有依据的调整、改进手术机器人构型等，以得到在相应腔镜手术中最佳的手术机器人构型。而且，也可以分析评价不同手术机器人所持手术器械及镜头(内窥镜)的插入姿态对相应腔镜手术带来的影响，以寻求当前手术机器人结构下针对该腔镜手术术式的相对更优的插入姿态。
54.这样，腔镜手术机器人构型评价方法用于根据手术机器人在相应腔镜手术中的手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况，评价相应手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态等，以便于有依据的调整、改进手术机器人构型，以及寻求当前手术机器人结构下针对该腔镜手术术式的相对更优的插入姿态等。其中，通过获取手术机器人的构型，为手术机器人的运动仿真、构型评价等提供了有力且可靠的依据；通过构建运动空间，以便于计算例如碰撞率的碰撞情况，从而便于分析评价手术机器人的构型等。
55.可选地，手术机器人的构型包括手术机器人的术前摆位与术中动作的结构参数及自由度配置方式。
56.手术机器人的构型包括手术机器人在相应腔镜手术中的术前摆位与术中动作的结构参数及自由度配置方式，其可通过目前各大医院采用相应手术机器人的相应腔镜手术记录得到。通过获取手术机器人的构型，以便于还原、复现手术机器人在相应腔镜手术中机械臂及机械臂所持手术器械的运动过程等。
57.可选地，结合图1、图2所示，步骤100包括：
58.步骤110、获取采用手术机器人的腔镜手术的手术记录；
59.步骤120、根据手术记录，确定手术机器人的构型。
60.具体地，通过获取目前各大医院采用相应手术机器人进行相应腔镜手术的手术记录，以获得不同腔镜手术术式中不同主刀医生采用的各种不同类型(型号)的腔镜手术机器人的构型，从而用于后续步骤还原、复现相应手术机器人在相应腔镜手术中机械臂及机械臂所持手术器械的运动过程等。
61.可选地，步骤200包括：
62.根据构型，以人体模型为基准，构建运动空间。
63.具体地，以相应腔镜手术对应的人体内藏器官、肠胃等人体模型为基准，根据通过手术记录得到的手术机器人构型，采用相应的机器人运动仿真软件构建(还原)手术机器人的机械臂在该腔镜手术中所持手术器械在人体模型上的运动空间，即构建包含手术机器人的机械臂在相应腔镜手术中所持手术器械在人体模型上进行的各种操作(运动)的工作区域的空间集合。
64.可选地，结合图1、图3所示，构建运动空间包括：
65.步骤210、构建运动在病灶附近的手术器械的第一运动区域。
66.具体地，根据手术机器人构型和人体模型，构建运动在人体病灶附近的手术器械的运动空间(记为第一运动区域)，即构建腔镜手术中手术器械的核心(集中)操作区域，也就是说，第一运动区域是经过调研得到的具有较大参考意义的手术操作集中区域。
67.步骤220、构建包含第一运动区域且半径为第一预设半径的呈球体状的第二运动区域。
68.具体地，基于已经构建的第一运动区域，构建包含第一运动区域的呈球体状的第二运动区域。其中，第二运动区域的设置是为了模拟实际临床中除了病灶附近的核心操作
区域外的区域，在进行腔镜手术操作时，手术器械几乎不会运动到核心操作区域外的这个区域。例如，腔镜手术中，医生有时会将可吸收缝合线贴在无关紧要的肌肉上，这一过程的手术器械的运动区域就是以上定义的第二运动区域部分。虽然第二运动区域不会影响腔镜手术操作，但是手术器械如果在第二运动区域能灵活运动，则可以提高医生的操作手感和操作效率，因此本步骤构建第二运动区域，以便于在第一运动区域的基础上实现对腔镜手术机器人的多层次评价。
69.第二运动区域的半径为第一预设半径，第一预设半径可根据需求进行设置。其中，第二区域半径对最终评价结果的影响，要看设备的构型，可能有的设备对第一运动区域的覆盖能力比较强，对第二运动区域的覆盖能力比较弱；或有的设备对第二运动区域的覆盖能力比较强，对第一运动区域的覆盖能力比较弱。绝大多数情况，第二运动区域的半径增大会对设备的要求更严格，会降低第二碰撞率p
c2
及加权碰撞率p
cw
(后文介绍)。
70.可选地，结合图1、图4所示，步骤300具体包括以下步骤：
71.步骤310、根据构型进行手术机器人的术前摆位、术中动作的运动仿真；
72.步骤320、根据运动仿真和运动空间，检测手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况。
73.具体地，先根据步骤100获取的手术机器人的构型，(采用机器人运动仿真软件)进行手术机器人机械臂、手术器械等的术前摆位与术中动作的运动仿真。再根据运动仿真，检测并记录在相应腔镜手术中手术机器人所持的手术器械在相应运动空间(例如第一运动区域、第二运动区域)内进行行各种操作时发生的不同手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况，例如检测不同手术器械之间、机械臂之间的碰撞率，从而得到不同构型的手术机器人在不同腔镜手术术式环境下进行手术的碰撞情况，以用于后续步骤对相应手术机器人的构型等进行评价。而且，通过采用机器人运动仿真，使得本方法能够高效且快速地执行。
74.可选地，结合图1、图4和图5所示，检测手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况包括：
75.步骤321、对第一运动区域和第二运动区域进行网格划分。
76.具体地，对第一运动区域和第二运动区域分别进行网格划分，例如，将第一运动区域(第二运动区域)划分为多个边长为第一预设边长的正方体网格，以使得第一运动区域(第二运动区域)由多个边长为第一预设边长的正方体网格构成。其中，第一预设边长可根据实际需求设置，第一预设边长越小，意味着第一运动区域(第二运动区域)的网格划分越密，后续计算量越大。
77.可选地，优选第一运动区域和第二运动区域采用相同规格进行网格划分，例如第一运动区域和第二运动区域均划分为多个边长为2cm的正方体网格。
78.步骤322、分别确定第一运动区域的第一节点数i1和第二运动区域的第二节点数i2。
79.具体地，根据步骤321划分的第一运动区域和第二运动区域的网格，分别采集第一运动区域和第二运动区域所有的网格的节点(例如正方体网格的顶点，其中，多个正方体公共的一个顶点记为一个节点)，确定第一运动区域所有的网格节点数量为第一节点数i1，确定第二运动区域所有的网格节点数量为第二节点数i2。
80.步骤323、分别确定手术器械之间及机械臂之间发生碰撞时第一运动区域和第二运动区域中手术器械所经过的网格节点的第一碰撞节点数i
c1
和第二碰撞节点数i
c2
。
81.具体地，根据步骤321划分的第一运动区域和第二运动区域的网格，确定手术器械之间及机械臂之间发生碰撞时手术器械所经过的第一运动区域的网格节点的数量(记为第一碰撞节点数i
c1
)，以及确定手术器械之间及机械臂之间发生碰撞时手术器械所经过的第二运动区域的网格节点的数量(记为第二碰撞节点数i
c2
)。
82.可选地，结合图1、图6所示，步骤400具体包括以下步骤：
83.步骤410、根据第一节点数i1、第二节点数i2、第一碰撞节点数i
c1
和第二碰撞节点数i
c2
，分别计算手术器械之间及机械臂之间发生碰撞时第一运动区域中手术器械与网格节点的第一碰撞率p
c1
以及第二运动区域中手术器械与网格节点的第二碰撞率p
c2
。
84.具体地，根据第一节点数i1和第一碰撞节点数i
c1
，计算手术器械之间及机械臂之间发生碰撞时的第一碰撞率p
c1
＝i
c1
/i1；根据第二节点数i2和第二碰撞节点数i
c2
，计算手术器械之间及机械臂之间发生碰撞时的第二碰撞率p
c2
＝i
c2
/i2。
85.步骤420、计算第一碰撞率p
c1
和第二碰撞率p
c2
的加权系数分别为第一加权系数s1和第二加权系数s2时的加权碰撞率p
cw
，其中，第一加权系数s1和第二加权系数s2的和等于1。
86.具体地，加权碰撞率p
cw
＝s1*p
c1
s2*p
c2
。其中，s1 s2＝1。s1和s2可根据需求进行调整，例如，在需要着重考虑手术机器人的灵活性时，可适当增加s2的值，减小s1的值。在一些实施例中，s1取0.7，s2取0.3，以表示第一运动区域的重要性。
87.步骤430、根据第一碰撞率p
c1
、第二碰撞率p
c2
和加权碰撞率p
cw
，评价手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态。
88.具体地，通过对不同手术机器人的第一碰撞率p
c1
、第二碰撞率p
c2
和加权碰撞率p
cw
进行比较，可以选出构型更优的手术机器人，以及选出更优的手术器械在腔镜手术中的插入姿态，这为手术机器人的改进提供了方向和依据，且便于优化腔镜手术中的手术器械的插入姿态。例如，在相同或类似腔镜手术中，第一碰撞率p
c1
(加权碰撞率p
cw
)更小的手术机器人的构型更优；在相同或类似腔镜手术中，采用相同或类似手术机器人时，第一碰撞率p
c1
(加权碰撞率p
cw
)更小的手术机器人的手术器械的插入姿态更优，等等。
89.可选地，在一些实施中，步骤323还可以是根据步骤321划分的第一运动区域和第二运动区域的网格，确定手术器械之间发生碰撞时手术器械所经过的第一运动区域的网格节点的数量(记为i
c11
)，确定机械臂之间发生碰撞时手术器械所经过的第一运动区域的网格节点的数量(记为i
c12
)，确定手术器械之间发生碰撞时手术器械所经过的第二运动区域的网格节点的数量(记为i
c21
)，确定机械臂之间发生碰撞时手术器械所经过的第二运动区域的网格节点的数量(记为i
c22
)。如此，将i
c11
、i
c21
分别替代上述的i
c1
、i
c2
，可单独结合手术器械之间发生碰撞的情况，进行p
c1
、p
c2
和p
cw
的计算，以评价手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态；或将i
c12
、i
c22
分别替代上述的i
c1
、i
c2
，可单独结合机械臂之间发生碰撞的情况，进行p
c1
、p
c2
和p
cw
的计算，以评价手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态。
90.结合图7所示，本发明另一实施例提供一种腔镜手术机器人构型评价装置，包括：
91.获取单元10，用于获取手术机器人的构型；
92.计算识别单元20，用于根据构型，构建手术机器人的机械臂在腔镜手术中所持手术器械的运动空间；用于根据构型和运动空间，检测手术器械的碰撞情况；以及用于根据碰撞情况，评价手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态。
93.本实施例中，腔镜手术机器人构型评价装置通过获取单元10与计算识别单元20等结构的配合，以实施上述的腔镜手术机器人构型评价方法，从而根据手术机器人在相应腔镜手术中的手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况，评价相应手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态等，以便于有依据的调整、改进手术机器人构型，以及寻求当前手术机器人结构下针对该腔镜手术术式的相对更优的插入姿态等。
94.本发明又一实施例提供一种腔镜手术机器人构型评价装置，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述的腔镜手术机器人构型评价方法。
95.本实施例中，通过腔镜手术机器人构型评价装置的处理器、计算机可读存储介质等结构的配合，执行上述的腔镜手术机器人构型评价方法，以根据手术机器人在相应腔镜手术中的手术器械之间、机械臂之间的碰撞情况，评价相应手术机器人构型以及手术器械在腔镜手术中的插入姿态等，以便于有依据的调整、改进手术机器人构型，以及寻求当前手术机器人结构下针对该腔镜手术术式的相对更优的插入姿态等。
96.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。