適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，包括以下步驟：步驟1：建立人體組織分析計(jì)算模型；步驟2：設(shè)計(jì)基于無力-力矩傳感器的人體組織作用力檢測(cè)模型，根據(jù)檢測(cè)模塊得到接觸力信號(hào)；步驟3：依據(jù)步驟1所建立計(jì)算模型和步驟2得到的接觸力信號(hào)，構(gòu)建人體組織模型參數(shù)在線檢測(cè)方法，計(jì)算獲得人體組織參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有識(shí)別精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，尤其是涉及一種適用于微創(chuàng)手 術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可以顯著的提高外科醫(yī)生提高手術(shù)操作的靈活性。此類 的微創(chuàng)手術(shù)過程通常是采用將細(xì)長(zhǎng)的腹腔鏡和微創(chuàng)手術(shù)器具通過在患者體表微小切口而 進(jìn)入患者病灶區(qū)。在此過程中，利用靈巧的手術(shù)器具來對(duì)患者病灶組織進(jìn)行切割、縫合等操 作，這種靈巧的手術(shù)器具方便了內(nèi)窺鏡手術(shù)操作過程。這種手術(shù)操作器械可以有效的降低 患者的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)并縮短手術(shù)操作時(shí)間。
[0003] 為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)器械對(duì)患者病灶進(jìn)行切割、縫合等操作，手術(shù)器械末端要 連續(xù)地或者間斷地與患者組織進(jìn)行接觸。機(jī)器人在與環(huán)境接觸時(shí)能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自 然的順應(yīng)，稱為機(jī)器人具有柔順性，相應(yīng)的控制器稱為柔順性控制器。在機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù) 應(yīng)用過程中，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器具末端和患者病灶組織的接觸動(dòng)力學(xué)參數(shù)模型的實(shí)時(shí)、在線估計(jì)， 對(duì)于設(shè)計(jì)基于參考模型的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人柔順性控制器至關(guān)重要。當(dāng)前，最常用的人體器 官組織建模方法有兩種，一種稱為Kelvin-Voigt模型，另一種稱為Hunt-Crossley模型。 Kelvin-Voigt模型是一種線性模型，它將人體器官組織變形量與受到的作用力建模為線性 彈簧和線性阻尼并聯(lián)而組成的線性關(guān)系。而人體組織在實(shí)際手術(shù)操作中表現(xiàn)為變形量與作 用力的一種非線性關(guān)系。為了彌補(bǔ)上述Kelvin-Voigt線性模型的缺陷，Hunt和Crossley 提出了一種稱為Hunt-Crossley非線性人體組織模型。這種模型在原來的線性模型基礎(chǔ)上 加入了對(duì)人體組織在變形過程中的能量損失的計(jì)算。不管是線性的Kelvin-Voigt模型還 是包含非線性量的Hunt-Crossley模型，在手術(shù)機(jī)器人的柔順性控制器的設(shè)計(jì)過程中，都 需要對(duì)上述人體組織模型的參數(shù)進(jìn)行有效的辨識(shí)。
[0004] 當(dāng)前，對(duì)這種人體組織模型的參數(shù)辨識(shí)方法主要由以下幾種：遞歸最小二乘法及 其加權(quán)指數(shù)遞歸最小二乘法、間接自適應(yīng)辨識(shí)方法、基于模型的自適應(yīng)辨識(shí)方法和卡爾曼 濾波辨識(shí)法等。其中遞歸最小二乘法因其具有計(jì)算簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而得到最廣泛 的應(yīng)用。在所有上述組織模型辨識(shí)方法實(shí)施過程中，參數(shù)辨識(shí)器都需要精確的獲取人體組 織和手術(shù)器具末端的位移量、速度量以及作用在人體組織上的作用力大小。位移量和速度 量較為容易獲取，位移量一般可直接通過安裝在手術(shù)器具關(guān)節(jié)上的高精度編碼器而直接獲 取，而速度量則可通過對(duì)編碼器輸出的位移量進(jìn)行微分操作即可獲得。如果通過微分操作 而獲取的速度量有較強(qiáng)的噪聲，還可以將速度量施加一個(gè)低通濾波器后即可滿足要求。
[0005] 在人體組織參數(shù)辨識(shí)器中，必須要獲取的第三個(gè)量就是人體組織與手術(shù)器具的接 觸力。當(dāng)前，僅有一種方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)上述接觸力信息的獲取。該方法就是直接利用力-力 矩傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織與手術(shù)器具的接觸力進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)有的接觸力檢測(cè)方法一般采用 將力-力矩傳感器安裝在手術(shù)器具的末端進(jìn)行檢測(cè)，或者采用將力-力矩傳感器放置在人 體組織下面來進(jìn)行作用力檢測(cè)。然而，這種直接利用力-力矩傳感器對(duì)人體組織接觸力進(jìn) 行檢測(cè)的方法在實(shí)際的微創(chuàng)手術(shù)過程中實(shí)現(xiàn)起來非常困難。直接利用力-力矩傳感器進(jìn)行 力檢測(cè)在微創(chuàng)手術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)主要在于力-力矩傳感器的尺寸、價(jià)格、可消毒性等方面。 微創(chuàng)手術(shù)器具的尺寸一般較小，手術(shù)器具的圓周直徑一般小于10mm，當(dāng)前，在商業(yè)上還沒有 如此小的力-力矩傳感器在出售。此外，即使以后隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，有相應(yīng)的力-力矩 傳感器出售，但是制造如此精巧的小型傳感器需要在機(jī)構(gòu)和電路的實(shí)現(xiàn)上花費(fèi)較多，這必 然會(huì)增加微創(chuàng)手術(shù)器具的成本，這些手術(shù)器具的成本最終會(huì)增加患者的手術(shù)費(fèi)用。另外，內(nèi) 含電子元器件的力-力矩傳感器能否經(jīng)受住醫(yī)院常用的高溫高壓消毒也是一個(gè)必須要考 慮的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種識(shí)別精度高、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于推廣的適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0009] 步驟1 :建立人體組織分析計(jì)算模型；
[0010] 步驟2 :設(shè)計(jì)基于無力-力矩傳感器的人體組織作用力檢測(cè)模型，根據(jù)檢測(cè)模塊得 到接觸力信號(hào)；
[0011] 步驟3 :依據(jù)步驟1所建立計(jì)算模型和步驟2得到的接觸力信號(hào)，構(gòu)建人體組織模 型參數(shù)在線檢測(cè)方法，計(jì)算獲得人體組織參數(shù)。
[0012] 所述的建立人體組織分析計(jì)算模型為線性Kelvin-Voigt模型或者非線性 Hunt-Crossley 模型。
[0013] 所述的線性Kelvin-Voigt模型具體為：
[0014] 該模型將人體組織類比為由理想的粘彈性材料組成的彈性體,具體的動(dòng)力學(xué)特性 由線性彈簧和線性阻尼通過并聯(lián)方式而組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)表示，如果有作用力F作用于此類 線性人體組織上，那么人體組織模型用公式（1)表示：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1 :建立人體組織分析計(jì)算模型； 步驟2 :設(shè)計(jì)基于無力-力矩傳感器的人體組織作用力檢測(cè)模型，根據(jù)檢測(cè)模塊得到接 觸力信號(hào)； 步驟3 :依據(jù)步驟1所建立計(jì)算模型和步驟2得到的接觸力信號(hào)，構(gòu)建人體組織模型參 數(shù)在線檢測(cè)方法，計(jì)算獲得人體組織參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法， 其特征在于，所述的建立人體組織分析計(jì)算模型為線性Kelvin-Voigt模型或者非線性 Hunt-Crossley 模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其 特征在于，所述的線性Kelvin-Voigt模型具體為： 該模型將人體組織類比為由理想的粘彈性材料組成的彈性體，具體的動(dòng)力學(xué)特性由線 性彈簧和線性阻尼通過并聯(lián)方式而組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)表示，如果有作用力F作用于此類線性 人體組織上，那么人體組織模型用公式（1)表示：
其中，x(t)為手術(shù)器具擠壓人體組織的位移量，為手術(shù)器具擠壓人體組織的速度； 而K和B分別為組織器官的線性彈性系數(shù)和線性粘性系數(shù)；F(t)為手術(shù)器具施加于人體組 織上的作用力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其 特征在于，所述的非線性Hunt-Crossley模型具體為： 如果采用非線性Hunt-Crossley模型來對(duì)人體組織進(jìn)行建模，所得到的人體組織模型 公式⑵表示：
其中，指數(shù)m為一個(gè)實(shí)數(shù)，用于精確表示隨著人體組織擠壓面的增大而導(dǎo)致的人體組 織剛度變化量;為手術(shù)器具擠壓人體組織的速度，x(t)為造成人體組織變形量；k為非 線性彈性系數(shù)；b為非線性粘性系數(shù)；F(t)為手術(shù)器具施加于人體組織上的作用力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方 法，其特征在于，所述的人體組織變形量X通過安裝在手術(shù)器具執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的位置傳感 器獲得，手術(shù)器具擠壓人體組織的速度i通過對(duì)上述變形量X的微分來獲取。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其 特征在于，所述的基于無力-力矩傳感器的人體組織作用力檢測(cè)模型具體為： 根據(jù)手術(shù)器具末端施加于人體組織上的作用力在數(shù)值上與人體組織施加于手術(shù)器具 末端的作用力相等可得到手術(shù)器具末端的作用力平衡方程為： Fam: JJ+F伽 (3) 其中，F(xiàn)_為手術(shù)器具控制器的輸入值；手術(shù)器具末端關(guān)節(jié)的慣量為Jm ;#為手術(shù)器具 末端加速度值；Fdis為手術(shù)器具所受到的擾動(dòng)作用力之和，該作用力具體分解為下式： Fdis = F+Fint+f+G (4) 上式中F為需要估計(jì)的人體組織施加于手術(shù)器具上的作用力；Fint為手術(shù)器具關(guān)節(jié)內(nèi) 部干涉作用力，其相對(duì)于其他項(xiàng)來說非常小可忽略；f為手術(shù)器具關(guān)節(jié)摩擦力；G為手術(shù)器 具重力項(xiàng)；將上述兩式合并可得外部作用力公式： F = Hf-G m 其中，慣量上通過計(jì)算獲?。荒Σ亮?xiàng)f通過手術(shù)器具關(guān)節(jié)的任意角速度運(yùn)動(dòng)獲?。恢?力項(xiàng)G通過等速運(yùn)動(dòng)獲?。皇中g(shù)器具末端關(guān)節(jié)的加速度值通過對(duì)編碼器獲得的關(guān)節(jié)位置信 號(hào)的二次微分獲得。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其 特征在于，所述的步驟3所采用的模型參數(shù)在線檢測(cè)方法為基于遞歸最小二乘法的檢測(cè)方 法。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其 特征在于，所述的基于遞歸最小二乘法的檢測(cè)方法具體為： 當(dāng)步驟3所采用的模型參數(shù)在線檢測(cè)方法為遞歸最小二乘法時(shí)，人體組織模型參數(shù)辨 識(shí)的更新方程如下：
其中η為離散域內(nèi)的時(shí)間位，麗#為未知的需要被辨識(shí)的人體組織模型參數(shù)量； 為通過測(cè)量獲得的手術(shù)器械關(guān)節(jié)位移量和關(guān)節(jié)速度量；y(n)為通過步驟2)中外 力觀測(cè)器獲得的接觸力F ; e(n)為依據(jù)參數(shù)辨識(shí)精度要求而預(yù)先設(shè)置的誤差值；L(n)為自適應(yīng)增益量， 為協(xié)方差矩陣，λ為遺忘因子； 結(jié)合公式（5)至（9)即可計(jì)算出人體組織模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人體組織模型參數(shù)在無 力-力矩傳感器條件下的在線辨識(shí)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的人體組織模型參數(shù)在線辨識(shí)方法，其 特征在于，對(duì)于線性模型，需要辨識(shí)的人體組織模型參數(shù)為線性彈性系數(shù)K和線性粘性參 數(shù)Β，而對(duì)于非線性模型，需要辨識(shí)的人體組織模型參數(shù)為非線性彈性系數(shù)k、非線性粘性 系數(shù)b和指數(shù)項(xiàng)m。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104376223SQ201410686676
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】李紅兵, 胡玥 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)