本發(fā)明涉及軟體機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種基于軟體機(jī)器人的自主三維組織消融控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、組織消融在腫瘤治療領(lǐng)域是一種重要的治療手段，傳統(tǒng)的消融方法主要依賴醫(yī)生手動(dòng)操作，存在諸多弊端。

2、相關(guān)技術(shù)中，軟體機(jī)器人是一種利用柔軟材料制作的新型機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，并且與人類的交互更加安全。通過軟體機(jī)器人的靈活性和適應(yīng)性，從而開發(fā)能夠在狹窄和復(fù)雜的自然腔道內(nèi)自由導(dǎo)航的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，確保激光消融裝置能夠精確到達(dá)指定的治療區(qū)域。為此，研究人員引入軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，通過柔性結(jié)構(gòu)的非線性建模、動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃及自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境和非均勻目標(biāo)的高靈活性運(yùn)動(dòng)和精準(zhǔn)操作。

3、然而，在柔性執(zhí)行器或軟體機(jī)器人應(yīng)用中，軟體材料固有的非線性特性(包括材料、幾何和驅(qū)動(dòng)非線性)、動(dòng)態(tài)不確定性(如材料遲滯和環(huán)境耦合)導(dǎo)致無法建立精準(zhǔn)模型，并且現(xiàn)有技術(shù)缺乏高效的運(yùn)動(dòng)控制算法，導(dǎo)致路徑跟蹤誤差大，運(yùn)動(dòng)靈活性不足。

4、此外，現(xiàn)有的激光消融手術(shù)中，組織消融深度的控制主要依賴預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和固定的模型參數(shù)來確定激光輸出功率和照射時(shí)間，這種開環(huán)控制方式無法根據(jù)手術(shù)過程中組織的實(shí)際響應(yīng)來動(dòng)態(tài)調(diào)整激光參數(shù)，容易導(dǎo)致消融不足或過度消融，影響手術(shù)效果和安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術(shù)問題

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于軟體機(jī)器人的自主三維組織消融控制系統(tǒng)，解決了路徑跟蹤誤差大以及消融深度動(dòng)態(tài)控制不足的技術(shù)問題。

3、（二）技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

5、一種基于軟體機(jī)器人的自主三維組織消融控制系統(tǒng)，所述軟體機(jī)器人包括軟體機(jī)器人主體、激光消融系統(tǒng)、oct成像系統(tǒng)；包括：

6、構(gòu)建模塊，用于預(yù)構(gòu)建激光組織交互模型，以描述藍(lán)激光與組織之間的交互關(guān)系，并確定待消融區(qū)域的目標(biāo)消融深度；

7、規(guī)劃模塊，用于接收醫(yī)生在內(nèi)窺鏡圖像上規(guī)劃的多個(gè)二維消融點(diǎn)，生成激光消融路徑；

8、跟蹤模塊，用于控制所述軟體機(jī)器人主體跟蹤所述激光消融路徑；包括：

9、建立單元，用于采用koopman方法建立軟體機(jī)器人主體線性化模型；

10、控制單元，用于基于所述軟體機(jī)器人主體線性化模型，并采用mpc方法優(yōu)化機(jī)器人控制策略，以確保所述激光消融路徑的跟蹤精度；

11、消融模塊，用于在路徑跟蹤過程中，結(jié)合所述藍(lán)激光與組織之間的交互關(guān)系以及所述oct成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋，調(diào)整所述激光消融系統(tǒng)的能量輸出，使得所述待消融區(qū)域的組織消融深度與所述目標(biāo)消融深度保持一致。

12、優(yōu)選的，在激光照射組織過程中，組織的狀態(tài)變化依次分為光吸收、熱擴(kuò)散以及組織損傷三個(gè)階段，所述激光組織交互模型的預(yù)構(gòu)建方法相應(yīng)為：

13、對(duì)于光吸收階段，采用動(dòng)態(tài)蒙特卡洛方法構(gòu)建所述激光組織交互模型；

14、對(duì)于熱擴(kuò)散階段，采用有限差元法構(gòu)建所述激光組織交互模型；

15、對(duì)于組織損傷階段，采用arrhenius積分構(gòu)建所述激光組織交互模型。

16、優(yōu)選的，所述接收醫(yī)生在內(nèi)窺鏡圖像上規(guī)劃的多個(gè)二維消融點(diǎn)，生成激光消融路徑，包括：

17、通過攝像頭和光源捕捉包含所述待消融區(qū)域的所述內(nèi)窺鏡圖像；

18、接收醫(yī)生在所述內(nèi)窺鏡圖像規(guī)劃的多個(gè)二維消融點(diǎn)，并遍歷所述待消融區(qū)域上所有點(diǎn)；

19、通過使得每個(gè)所述二維消融點(diǎn)的能量分布均勻，生成所述激光消融路徑。

20、優(yōu)選的，所述采用koopman方法建立軟體機(jī)器人主體線性化模型，包括：

21、采用非線性系統(tǒng)定義所述軟體機(jī)器人主體的狀態(tài)動(dòng)態(tài)：

22、

23、其中，x(t)為軟體機(jī)器人主體在t時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)指示激光點(diǎn)的位置；為軟體機(jī)器人主體在t時(shí)刻的狀態(tài)動(dòng)態(tài)；u(t)為控制輸入，對(duì)應(yīng)氣壓控制信號(hào)；f(?)為系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)函數(shù)，用于描述氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理；

24、對(duì)于非線性系統(tǒng)，采用koopman算子將系統(tǒng)的觀測(cè)函數(shù)g(x)從t時(shí)刻映射到t+δt時(shí)刻：

25、

26、采用線性系統(tǒng)近似系統(tǒng)的所述軟體機(jī)器人主體的狀態(tài)動(dòng)態(tài)：

27、

28、其中，a為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，表示觀測(cè)函數(shù)的演化；b為控制輸入矩陣，表示氣壓控制信號(hào)對(duì)觀測(cè)函數(shù)的影響；

29、采用最小二乘法求解a和b，以將系統(tǒng)的演化轉(zhuǎn)化為以下線性狀態(tài)空間方程：

30、

31、其中，g(x(t+1))表示系統(tǒng)在t+1時(shí)刻的觀測(cè)函數(shù)；

32、將所述線性狀態(tài)空間方程作為所述軟體機(jī)器人主體線性化模型。

33、優(yōu)選的，所述基于所述軟體機(jī)器人主體線性化模型，并采用mpc方法優(yōu)化機(jī)器人控制策略，以確保所述激光消融路徑的跟蹤精度，包括：

34、基于所述軟體機(jī)器人主體線性化模型，則在t時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)x(t)的未來k個(gè)時(shí)刻狀態(tài)x(t+k)通過以下預(yù)測(cè)方程計(jì)算：

35、

36、其中，g(x(t+k+1))、g(x(t+k))分別為系統(tǒng)在t+k+1、t+k時(shí)刻的觀測(cè)函數(shù)；u(t+k)為t+k時(shí)刻的控制輸入；

37、綜合系統(tǒng)狀態(tài)的偏差和控制輸入的能量消耗，以最小化在未來n個(gè)時(shí)刻內(nèi)的第一代價(jià)函數(shù)j作為mpc問題的目標(biāo)函數(shù)：

38、

39、其中，p(t+k)為t+k時(shí)刻指示激光點(diǎn)的預(yù)測(cè)位置；pd(t+k)為t+k時(shí)刻對(duì)應(yīng)所述激光消融路徑上的二維消融點(diǎn)的期望位置；qpath、rpath均為路徑跟蹤過程中對(duì)稱正定的權(quán)重矩陣，分別控制路徑跟蹤誤差和控制輸入的代價(jià)，下標(biāo)path表示路徑跟蹤；為表示向量的范數(shù)；

40、以及設(shè)定mpc問題的約束條件：

41、

42、其中，umin、umax分別為控制輸入的最小值和最大值；

43、基于mpc問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，將其轉(zhuǎn)換為求解如下優(yōu)化問題：

44、目標(biāo)函數(shù)為：

45、

46、其中，min為最小化函數(shù)；j(u)為關(guān)于變量u的第一代價(jià)函數(shù)；

47、約束條件為：

48、

49、通過求解所述優(yōu)化問題，獲取最優(yōu)控制輸入序列u*(t),u*(t+1),…,u*(t+n-1)，并選擇第一個(gè)最優(yōu)控制輸入u*(t)實(shí)時(shí)調(diào)整的所述軟體機(jī)器人主體的運(yùn)動(dòng)，以確保所述激光消融路徑的跟蹤精度。

50、優(yōu)選的，所述在路徑跟蹤過程中，結(jié)合所述藍(lán)激光與組織之間的交互關(guān)系以及所述oct成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋，調(diào)整所述激光消融系統(tǒng)的能量輸出，使得所述待消融區(qū)域的組織消融深度與所述目標(biāo)消融深度保持一致，包括：

51、定義單位時(shí)間內(nèi)激光能量輸出的與組織深度變化之間的函數(shù)映射關(guān)系：

52、

53、其中，dt為t時(shí)刻的組織消融深度，由oct圖像實(shí)時(shí)反饋的組織深度變化確定；系統(tǒng)的輸入變量由t時(shí)刻的組織消融深度dt和單位時(shí)間輸出能量ut組成，δdt=dt+1-dt為相鄰時(shí)刻的消融深度變化量，為系統(tǒng)的輸出變量；f為單位時(shí)間內(nèi)激光能量輸出的與組織深度變化之間的映射函數(shù)；

54、通過離線采樣得到數(shù)據(jù)，利用高斯過程回歸gpr獲取組織深度變化動(dòng)態(tài)關(guān)系，并建立非線性擬合：

55、

56、其中，分別為從真實(shí)的環(huán)境中獲取得到的輸入輸出變量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，且認(rèn)為系統(tǒng)的輸出變量是符合均值為0的高斯分布；k(x,x)為協(xié)方差矩陣；i為單位矩陣；σ2為高斯噪聲的方差；

57、給定所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和系統(tǒng)的輸入變量，構(gòu)建如下聯(lián)合概率分布并預(yù)測(cè)系統(tǒng)在給定任意激光能量輸入序列的情況下的深度變化：

58、

59、其中，k(x,x)+iσ2為輸入數(shù)據(jù)集x與自身之間的協(xié)方差函數(shù)加上噪聲項(xiàng)；為輸入數(shù)據(jù)集x與之間的協(xié)方差函數(shù)；為輸入變量與輸入數(shù)據(jù)集x之間的協(xié)方差函數(shù)；為輸入變量與自身之間的協(xié)方差函數(shù)；

60、基于所述組織深度變化動(dòng)態(tài)關(guān)系，并以所述目標(biāo)消融深度構(gòu)建損失函數(shù)，通過前向映射預(yù)測(cè)未來k個(gè)時(shí)刻內(nèi)的組織消融深度：

61、

62、其中，j'為第二代價(jià)函數(shù)；為隨機(jī)變量的平均值；dk為未來k個(gè)時(shí)刻內(nèi)的組織消融深度；dd為目標(biāo)消融深度；qdepth、sdepth均為消融深度控制中對(duì)稱正定的權(quán)重矩陣，分別控制消融深度控制誤差和控制輸入的代價(jià)，下標(biāo)depth表示消融深度控制；l(dt)為過程損失函數(shù)，h(dt)為終端損失函數(shù)；上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置；

63、最小化第二代價(jià)函數(shù)j'，確定未來k個(gè)時(shí)刻內(nèi)每一時(shí)刻的最優(yōu)組織消融深度，進(jìn)而得到一組最優(yōu)能量激光序列，結(jié)合所述深度變化，以設(shè)置當(dāng)前時(shí)刻的激光功率，實(shí)時(shí)調(diào)整所述激光消融系統(tǒng)的能量輸出；

64、利用所述oct圖像實(shí)時(shí)反饋的組織深度變化，更新所述組織深度變化動(dòng)態(tài)關(guān)系，重復(fù)上述優(yōu)化過程，直至所述待消融區(qū)域的組織消融深度與所述目標(biāo)消融深度保持一致。

65、一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其存儲(chǔ)有用于基于軟體機(jī)器人的自主三維組織消融控制的計(jì)算機(jī)程序，其中，所述計(jì)算機(jī)程序使得計(jì)算機(jī)控制如上所述的自主三維組織消融控制系統(tǒng)執(zhí)行自主三維組織消融方法。

66、一種電子設(shè)備，包括：

67、一個(gè)或多個(gè)處理器；存儲(chǔ)器；以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中所述一個(gè)或多個(gè)程序被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，并且被配置成由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述程序包括用于控制如上所述的自主三維組織消融控制系統(tǒng)執(zhí)行自主三維組織消融方法。

68、（三）有益效果

69、本發(fā)明提供了一種基于軟體機(jī)器人的自主三維組織消融控制系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下有益效果：

70、為實(shí)現(xiàn)激光消融系統(tǒng)在體內(nèi)狹小環(huán)境下病變組織精準(zhǔn)消融，本發(fā)明預(yù)構(gòu)建激光組織交互模型，以描述藍(lán)激光與組織之間的交互關(guān)系，由此開發(fā)了魯棒的消融深度控制方法；此外，創(chuàng)新性地提出了軟體機(jī)器人主體與oct成像系統(tǒng)結(jié)合的自適應(yīng)激光消融路徑跟蹤方法；最終構(gòu)建了一種具備自主精準(zhǔn)三維激光消融能力的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，可以顯著提升激光消融手術(shù)的精度、安全性和自動(dòng)化水平。