本發(fā)明屬于醫(yī)療機(jī)器人，具體涉及一種血管介入手術(shù)機(jī)器人分段視野控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，介入手術(shù)機(jī)器人逐漸進(jìn)入臨床實(shí)踐，成為提高手術(shù)精度、安全性和操作效率的重要輔助工具。傳統(tǒng)的介入手術(shù)主要依賴醫(yī)生的手動操作，在進(jìn)行復(fù)雜的導(dǎo)管導(dǎo)航、器械操控等操作時，醫(yī)生不僅需要極高的手眼協(xié)調(diào)能力，還面臨著術(shù)中高強(qiáng)度的操作壓力。醫(yī)生通過手動操控導(dǎo)管、導(dǎo)絲等器械沿血管路徑前進(jìn)，然而在這種手動操作下，精度難以保證，特別是在細(xì)小、彎曲或復(fù)雜的血管結(jié)構(gòu)中，操作難度顯著增加。此外，手術(shù)時間較長且醫(yī)生的疲勞感較高，導(dǎo)致手術(shù)安全性和效果難以完全控制。

2、現(xiàn)有的介入手術(shù)機(jī)器人，雖然為醫(yī)生提供了一定程度的輔助，能夠減輕醫(yī)生的勞動強(qiáng)度，提升某些手術(shù)的精度，但它們?nèi)砸蕾囜t(yī)生的實(shí)時指令和操控，無法實(shí)現(xiàn)任務(wù)級的自主化操作。這些機(jī)器人通常只能執(zhí)行簡單的自動化任務(wù)，例如輔助推動導(dǎo)管前進(jìn)或轉(zhuǎn)向等，真正復(fù)雜的手術(shù)步驟仍然需要醫(yī)生的密切干預(yù)和調(diào)整。當(dāng)前技術(shù)面臨的一個重要瓶頸是：如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對復(fù)雜任務(wù)的自主化執(zhí)行，特別是在多任務(wù)、多段任務(wù)的情況下，能夠基于環(huán)境變化自主調(diào)整操作策略，從而減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)并提高手術(shù)效率。

3、以達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人為代表的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多種微創(chuàng)外科手術(shù)中，其在技術(shù)上具備了顯著的優(yōu)勢，其中最具代表性的技術(shù)之一便是其基于攝像系統(tǒng)的視野控制（field?of?vision,?fov）功能。達(dá)芬奇機(jī)器人通過高清攝像頭實(shí)時捕捉手術(shù)部位的動態(tài)影像，并為醫(yī)生提供實(shí)時的高分辨率三維視圖，香港中文大學(xué)機(jī)械與自動化工程學(xué)系的劉云輝教授團(tuán)隊在達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域提出了基于視頻特征(bin?li?et?al.,ieee?ra-l,?2022)、基于高斯混合模型(bin?li?et?al.,?ieee?ra-l,?2024)的fov智能控制方法，并解決了包括相機(jī)校準(zhǔn)(fangxun?zhong?et?al.,ieee?t-ro,?2023)等技術(shù)問題。當(dāng)手術(shù)器械超出當(dāng)前攝像頭的視野范圍時，達(dá)芬奇系統(tǒng)能夠自動調(diào)整攝像頭的角度或位置，以確保手術(shù)器械始終處于醫(yī)生的監(jiān)視范圍內(nèi)。這種靈活的視野控制功能使得醫(yī)生能夠在操作過程中保持清晰的視野，極大地提升了手術(shù)精度和操作流暢度，為手術(shù)機(jī)器人的任務(wù)級自主化操作提供實(shí)時的視覺反饋。

4、然而，血管介入手術(shù)機(jī)器人主要依賴于dsa（數(shù)字減影血管造影）影像作為視覺反饋來源，dsa影像的成像原理決定了其視野相對固定，無法像達(dá)芬奇系統(tǒng)那樣動態(tài)調(diào)整攝像角度或位置。在手術(shù)過程中，醫(yī)生通過實(shí)時dsa影像導(dǎo)航介入器械（如導(dǎo)管、導(dǎo)絲）在血管內(nèi)的運(yùn)動，當(dāng)器械超出當(dāng)前dsa影像所覆蓋的視野時，往往需要醫(yī)生手動調(diào)整影像設(shè)備位置或重新獲取影像。由于dsa設(shè)備的局限性，這種手動調(diào)控不僅增加了操作復(fù)雜度和手術(shù)時間，還容易引發(fā)手術(shù)過程中不必要的風(fēng)險，例如器械進(jìn)入未知區(qū)域或無法精確導(dǎo)航。

5、現(xiàn)有的血管介入手術(shù)機(jī)器人缺乏有效的fov控制功能，即缺少在手術(shù)過程中自動調(diào)整視野、重新獲取影像以及任務(wù)連續(xù)性執(zhí)行的能力。手術(shù)一旦超出當(dāng)前影像范圍，必須依賴醫(yī)生的介入進(jìn)行影像重新采集。這顯然限制了血管介入手術(shù)機(jī)器人在自動化方面的進(jìn)一步發(fā)展，同時也削弱了其在復(fù)雜手術(shù)場景中的實(shí)際應(yīng)用效果。因此，亟需一種基于視野控制的自動化解決方案，能夠在介入手術(shù)過程中動態(tài)監(jiān)測器械的操作范圍，自動處理器械超出視野的情況，并及時獲取新影像，保障手術(shù)任務(wù)的連續(xù)執(zhí)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種血管介入手術(shù)機(jī)器人分段視野控制方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中血管介入手術(shù)機(jī)器人缺乏視野控制、無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)自主化操作的問題。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

3、一種血管介入手術(shù)機(jī)器人分段視野控制方法，根據(jù)預(yù)先制定的血管手術(shù)任務(wù)，將手術(shù)任務(wù)分為若干可控的操作段，每個段在當(dāng)前視野內(nèi)完成手術(shù)任務(wù)，每段任務(wù)結(jié)束后，自動判斷是否需要切換視野，并重新開始下一段任務(wù)的執(zhí)行；任務(wù)實(shí)施過程中，通過實(shí)時位置信息反饋和預(yù)設(shè)的路徑規(guī)劃，對手術(shù)器械進(jìn)行動態(tài)控制。

4、所述血管手術(shù)任務(wù)制定時，根據(jù)dsa影像獲取的血管結(jié)構(gòu)和路徑，自動規(guī)劃導(dǎo)管或?qū)Ыz的運(yùn)動路徑。

5、判斷是否需要切換視野，并重新開始下一段任務(wù)執(zhí)行的過程如下：

6、首先，檢測手術(shù)器械的位置信息以及與視野邊界的相對位置，并判斷手術(shù)器械與視野邊界的距離是否小于設(shè)定的閾值，如果小于，重新獲取超出范圍的影像；

7、其次，重新掃描新的dsa影像，覆蓋當(dāng)前視野外的血管區(qū)域；

8、然后，將新的dsa影像與預(yù)先存儲的影像進(jìn)行配準(zhǔn)，更新當(dāng)前操作環(huán)境的全貌；

9、最后，通過影像處理生成的實(shí)時位置信息，進(jìn)行手術(shù)器械的運(yùn)動控制，進(jìn)行下一段任務(wù)的執(zhí)行。

10、對手術(shù)器械進(jìn)行動態(tài)控制的具體過程如下：

11、在當(dāng)前的任務(wù)分段內(nèi)，控制導(dǎo)絲或?qū)Ч艿钠揭婆c旋轉(zhuǎn)操作，同時通過影像處理生成的實(shí)時位置信息，動態(tài)調(diào)整運(yùn)動路徑；然后，控制手術(shù)器械在新的運(yùn)動路徑下按照分段任務(wù)進(jìn)行推進(jìn)操作。

12、影像配準(zhǔn)或任務(wù)執(zhí)行過程中檢測到異常時，手術(shù)器械自動暫停操作并發(fā)出警報，提示醫(yī)生進(jìn)行人工干預(yù)。

13、血管介入手術(shù)機(jī)器人分段視野控制系統(tǒng)，包括影像獲取與處理模塊、分段任務(wù)自主化模塊、視野控制與重新掃描模塊、影像配準(zhǔn)與位置反饋模塊、運(yùn)動控制與動態(tài)調(diào)控模塊；其中，

14、影像獲取與處理模塊，通過dsa影像系統(tǒng)實(shí)時獲取手術(shù)區(qū)域內(nèi)的血管影像，對血管路徑的實(shí)時分割和建模，提取關(guān)鍵信息，用于dsa影像系統(tǒng)識別出當(dāng)前視野內(nèi)的血管結(jié)構(gòu)；

15、分段任務(wù)自主化模塊，根據(jù)dsa影像系統(tǒng)獲取的血管結(jié)構(gòu)和路徑，自動規(guī)劃導(dǎo)管或?qū)Ыz的運(yùn)動路徑；手術(shù)器械在當(dāng)前視野內(nèi)按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑，依次分段執(zhí)行操作任務(wù)，每個分段任務(wù)執(zhí)行完畢后，自動判斷是否需要切換到下一個視野；

16、視野控制與重新掃描模塊，當(dāng)手術(shù)器械超出當(dāng)前dsa影像的覆蓋范圍時，自動觸發(fā)視野控制模塊檢測手術(shù)器械的位置信息以及與視野邊界的相對位置，并通過控制dsa設(shè)備重新獲取超出范圍的影像，獲取新的dsa影像，覆蓋當(dāng)前視野外的血管區(qū)域，將新影像與先前影像進(jìn)行配準(zhǔn)，并更新當(dāng)前操作環(huán)境的全貌；

17、影像配準(zhǔn)與位置反饋模塊，在重新掃描獲取的新影像中，應(yīng)用影像配準(zhǔn)算法對新舊影像進(jìn)行匹配，成功配準(zhǔn)后，生成新的位置反饋，并基于新影像中的位置信息繼續(xù)后續(xù)的自動化任務(wù)操作；

18、運(yùn)動控制與動態(tài)調(diào)控模塊，通過實(shí)時位置信息反饋和預(yù)設(shè)的路徑規(guī)劃，對手術(shù)器械進(jìn)行動態(tài)控制；若檢測到器械偏離預(yù)定路徑或出現(xiàn)異常情況，運(yùn)動控制模塊自動進(jìn)行微調(diào)，同時，動態(tài)調(diào)控模塊基于器械的運(yùn)動反饋，實(shí)時優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行路徑。

19、所述dsa影像系統(tǒng)提取的關(guān)鍵信息包括血管分支點(diǎn)、狹窄部位。

20、所述位置反饋信息包括手術(shù)器械的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，用于控制手術(shù)器械的導(dǎo)航。

21、所述影像配準(zhǔn)算法基于標(biāo)志性解剖結(jié)構(gòu)或血管壁輪廓特征進(jìn)行匹配，成功配準(zhǔn)后，生成新的位置反饋，并基于新影像中的位置信息繼續(xù)后續(xù)的自動化任務(wù)操作。

22、所述異常情況包括影像配準(zhǔn)失敗、器械偏離路徑、血管壁接觸。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、1、系統(tǒng)在每個有限的視野（fov）內(nèi)自主執(zhí)行一段任務(wù)操作，機(jī)器人根據(jù)實(shí)時dsa影像和預(yù)先規(guī)劃的路徑，自動完成導(dǎo)管或?qū)Ыz的移動、旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜操作。當(dāng)器械超出當(dāng)前視野范圍時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)重新掃描模塊，獲取新的dsa影像，并與術(shù)前影像或當(dāng)前操作影像進(jìn)行配準(zhǔn)（registration），從而更新當(dāng)前手術(shù)視野。通過這種方式，系統(tǒng)能夠在不同的視野段之間實(shí)現(xiàn)任務(wù)的連續(xù)自主化操作，無需醫(yī)生頻繁干預(yù)。

25、2、將手術(shù)任務(wù)分為若干可控的操作段，每個段在當(dāng)前視野內(nèi)自主完成。每段任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)自動判斷是否需要切換視野，并重新開始下一段任務(wù)的執(zhí)行。這樣的操作不僅確保了手術(shù)器械始終在血管路徑內(nèi)精確移動，還極大減少了手術(shù)中的中斷現(xiàn)象，提升了手術(shù)的自動化水平和操作效率。

26、3、通過分段視野控制實(shí)現(xiàn)血管介入手術(shù)機(jī)器人任務(wù)級自主化的操作方法，可應(yīng)用于復(fù)雜血管介入手術(shù)的自動化執(zhí)行。