CN115444513B

CN115444513B - 一种自动水刀实现方法和设备

Info

Publication number: CN115444513B
Application number: CN202210824910.6A
Authority: CN
Inventors: 陈文波; 赵静; 史轶伦; 史策
Original assignee: Beijing Zhiyu Medical Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Zhiyu Medical Technology Co ltd
Priority date: 2022-04-24
Filing date: 2022-04-24
Publication date: 2024-06-25
Anticipated expiration: 2042-04-24
Also published as: CN114521939A; WO2023207917A1; CN114521939B; CN115444513A

Abstract

本发明提供一种自动水刀实现方法，包含以下步骤：对导航图像上预先规划的连续边界位置轨迹拟合生成运动控制位置轨迹；建立水刀坐标系，将所述运动控制位置轨迹转换到所述水刀坐标系后再计算各轴运动位置轨迹参数；根据所述各轴运动位置轨迹参数，采用多轴联动PID控制方法控制水刀在射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴做相应运动；在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴中的任意一轴误差均与其他三轴误差相关。本申请还包含用于实现所述方法的设备。本发明解决现有水刀运动边界粗糙和各维运动无法联动控制的问题。

Description

一种自动水刀实现方法和设备

本申请是申请日为2022年4月24日，申请号为202210433774.8，发明名称为“一种自动水刀实现方法及系统”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及医疗电子技术领域，尤其涉及一种自动水刀实现方法和设备。

背景技术

现有自动水刀规划方式的运动调整较为粗糙，未提供具体可实现方法将双面超声探头或其它方式获得的矢状面和横断面图像建立精确对应关系，实际上需要操作者手动获取有限的超声图像信息，分段(例如三到四段)进行矢状面和横断面位置匹配和参数设置，各段中间通过插值模拟的方式进行拟合，因而对水刀运动控制的精度要求较低。另外，在现有的自动水刀系统控制方式中，未见对包括高压射流流量，抽吸流量和各方向机械的运动相互间的影响和依赖关系统一进行协调控制，各运动的不同步将导致手术规划中的射流位置和作用深度，角度及压力等在实际执行时因运动误差不能良好匹配，导致切除精度下降，影响手术效果。

发明内容

本发明提供一种自动水刀实现方法和设备，解决现有水刀运动边界粗糙和各维运动无法联动控制导致水刀运动轨迹误差的问题。

为解决上述问题，本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种自动水刀实现方法，包含以下步骤：对导航图像上预先规划的连续边界位置轨迹拟合生成运动控制位置轨迹。建立水刀坐标系，将所述运动控制位置轨迹转换到所述水刀坐标系后再计算各轴运动位置轨迹参数。根据所述各轴运动位置轨迹参数，采用多轴联动PID控制方法控制水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴相应运动。在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴中的任意一轴误差均与其他三轴误差相关，所述抽吸流量轴与射流流量轴的流量相等。

进一步地，所述运动控制位置轨迹包含射流有效长度，射流长轴位置和横断面夹角；所述各轴运动位置轨迹参数包含水刀坐标系下作用点射流长度，作用点横断面夹角，还包含作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度。

进一步地，在多轴联动PID控制方法中增加轨迹规划位置环闭环控制，轨迹规划位置环的误差值是当前测量时刻的所述连续边界位置轨迹上的边界位置和实际测量得到的作用点轨迹位置的差。

进一步地，在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的误差可表示为公式11～公式14。

优选地，所述方法进一步包含：对所述连续边界位置轨迹进行拟合时，将预先设计的导航图像上的关键点图像位置作为准确信息。

优选地，所述方法进一步包含：对所述连续边界位置轨迹分段拟合生成各段运动控制位置轨迹，组合成所述运动控制位置轨迹。

优选地，将所述连续边界位置轨迹分成若干个运动体素，对各所述运动体素按照实际操作水刀时的运动轨迹插值，生成所述运动控制位置轨迹；每个运动体素包含射流有效长度，射流长轴位置和横断面夹角。

优选地，采用增量控制法将所述运动控制位置轨迹经坐标变换转换为水刀坐标系下的空间位置轨迹，再计算各轴运动位置轨迹参数。

优选地，所述导航图像为双平面超声图像或三维超声图像或三维图像。

进一步地，实时采集水刀的射流流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的运动位置轨迹参数，与所述连续边界位置轨迹在水刀坐标系中的位置，对应坐标相减得到所述轨迹规划位置环的误差值。

进一步地，滞后采集水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数，结合实时采集的水刀的旋转运动轴和直线运动轴的运动位置轨迹参数，采用时滞系统PID调节方式进行轨迹规划位置环闭环控制。

进一步地，采用台阶式线段对所述连续边界位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。

进一步地，采用直线段插补拟合方式对所述连续边界位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。

优选地，滞后采集水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数时，将相同位置的预先采集的横断面图像和当前时刻采集的横断面导航图像相减和滤波、得到高频图像信号；对所述高频图形信号进行增强处理和切除边界后、测量得到水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数。

优选地，所述时滞系统PID调节方式包含Smith预估控制方式和或模糊控制方式。

第二方面，本申请还提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如本申请第一方面任意一项实施例所述方法。

本申请还提出一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请第一方面任意一项实施例所述的方法。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明基于高精度手术规划的需要采用了多个运动统一控制的创新设计可以优化自动水刀的规划过程，提高水刀控制精度，有利于增加有效作用体积，减小水刀运动误差，提升水刀使用效果和安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1(a)为本申请系统实施例的装置结构示意图；

图1(b)为本申请系统实施例的一种分段拟合方式示意图；

图1(c)为本申请系统实施例的另一种分段拟合方式示意图；

图1(d)为本申请系统实施例的关键点图像示意图；

图1(e)为本申请系统实施例的水刀坐标系示意图；

图1(f)为本申请系统实施例的水刀坐标系下双平面超声图像示意图；

图1(g)为本申请系统实施例的双平面超声图像结合示意图；

图1(h)为本申请系统实施例的水刀空腔端面示意图；

图2(a)为本申请方法实施例的方法流程图；

图2(b)为本申请方法实施例的Z字型切除轨迹示意图；

图2(c)为本申请方法实施例的PID联动控制示意图；

图2(d)为本申请方法实施例的PID时滞控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的创新点在于：第一、本发明提出一种导航图像运动控制位置轨迹生成方法，将导航图像中的横断面位置和横断面夹角及射流有效作用距离规划到运动控制位置轨迹中，并建立该运动控制位置轨迹和水刀运动坐标系的位置关系，从而使水刀运动过程中能准确获取水刀实际位置和手术规划位置的偏差。第二、本发明提出一种多维运动联合控制方法，对水刀的射流流量、抽吸流量、直线运动轨迹和旋转运动轨迹实现自动联动控制，可减小手术操作误差。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1(a)为本申请系统实施例的装置结构示意图，图1(b)为本申请系统实施例的一种分段拟合方式示意图，图1(c)为本申请系统实施例的另一种分段拟合方式示意图，图1(d)为本申请系统实施例的关键点图像示意图，图1(e)为本申请系统实施例的水刀坐标系示意图，图1(f)为本申请系统实施例的水刀坐标系下双平面超声图像示意图，图1(g)为本申请系统实施例的双平面超声图像结合示意图，图1(h)为本申请系统实施例的水刀空腔端面示意图。

作为本发明实施例，一种医用自动水刀，包含：成像模块1、影像规划模块2、运动控制模块3、水刀刀头4、管路及液压动力模块5。

所述成像模块，用于生成导航图像。

所述影像规划模块，用于根据在所述导航图像上预先规划的连续边界位置轨迹拟合生成运动控制位置轨迹；根据水刀的位置实时建立水刀坐标系，将运动控制位置轨迹转换到所述水刀坐标系后再计算各轴运动位置轨迹参数，并将所述各轴运动位置轨迹参数发送给所述运动控制模块。

所述各轴运动位置轨迹参数包含直线运动轴、旋转运动轴、射流流量轴和抽吸流量轴的运动位置参数。所述直线运动轴的运动位置参数是水刀坐标系的作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度，旋转运动轴的运动位置参数是水刀坐标系的作用点横断面夹角，射流流量轴的运动位置参数是水刀坐标系的作用点射流长度。

需要说明的是，通过所述作用点射流长度可用来说明水刀射流流量，抽吸流量与射流流量相关，例如抽吸流量等于射流流量，或者某一时刻抽吸流量大于射流流量、另一时刻抽吸流量等，也就是说通过射流流量可以得到抽吸流量。通过抽吸流量可以得到相应的抽吸流量轴运动控制参数。

所述运动控制模块，用于接收所述水刀射流作用点的各轴运动位置轨迹参数，采用多轴联动PID控制方法生成并向所述水刀刀头运动控制元件发送直线运动轴、旋转运动轴的运动位置控制参数，向所述管路及液压动力模块发送射流流量轴和抽吸流量轴的运动位置控制参数；还用于采集水刀刀头的各轴运动位置轨迹参数进行运动轨迹闭环控制。

需要说明的是，各轴运动位置轨迹参数表示水刀坐标系下水刀刀头的位置，各轴运动位置控制参数用于控制水刀刀头或者管路及液压动力模块进行运动。运动控制模块可通过水刀刀头运动控制电机或其他机构使水刀按照各轴运动位置轨迹参数运动，运动控制模块可通过管路及液压动力模块的液压泵或其他机构使管路及液压动力模块按照各轴运动位置轨迹参数运动。

优选地，射流流量轴和抽吸流量轴的运动位置控制参数是经射流流量轴的运动位置轨迹参数转换而成的控制参数，其中抽吸流量和射流流量可以相等。

在各轴运动位置控制参数中，直线运动轴的运动位置控制参数与运动位置轨迹参数相同，都是水刀坐标系下作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度；旋转运动轴的运动位置控制参数与运动位置轨迹参数相同，都是水刀坐标系下作用点横断面夹角。

射流流量轴的运动位置轨迹参数是作用点射流长度，需转换为射流流量运动控制参数(射流流量轴的运动位置控制参数)，转化关系由水刀刀头和管路及液压动力模块的管路机械设计决定，可以通过试验得到。

抽吸流量轴运动控制参数由运动控制模块根据射流流量轴控制参数得到，可保持抽吸流量和射流流量相等。

所述管路及液压动力模块，用于根据所述运动控制模块发送的射流流量轴运动位置控制参数向水刀刀头传递液体和根据抽吸流量轴运动位置控制参数进行抽吸运动。

所述水刀刀头，用于根据所述运动控制模块发送的所述直线运动轴和旋转运动轴的运动位置轨迹参数，和射流流量轴的运动位置控制参数，进行相应运动。

在本发明实施例中，所述管路及液压动力模块可用于抽吸废液，所述水刀刀头可用于切除物体。

在本发明实施例中，在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴中的任意一轴误差均与其他三轴误差相关；所述各轴运动位置参数用于指示所述水刀刀头和管路及液压动力模块在射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的相应动作。

在本发明实施例中，所述运动控制模块还用于控制所述成像模块的探头运动，控制所述管路及液压动力模块向水刀模块传递高压生理盐水和根据所述抽吸流量排出废液。

在本发明实施例中，可以在所述水刀刀头模块中安装和喷嘴同步运动的微型激光测距仪或水声器等，用于实时获取水刀的作用点射流长轴位置。还可以在水刀刀头中安装和喷嘴同步的其他测距仪，这里不做特别限定。

在本发明实施例中，所述成像模块包含：电动步进器，用于带动所述双平面超声探头运动获取各个位置的超声图像。

在本发明实施例中，所述成像模块还包含双平面超声探头和或三维超声探头，所述双平面探头用于生成双平面超声图像，所述三维超声探头用于生成三维超声图像。需要说明的是，所述双平面探头在电动步进器带动下运动获取带有位置索引信息的多个端面体素图像通过三维图像生成软件也可生成三维超声图像。

所述成像模块还包含：核磁共振图像模块，用于获取三维图像，例如导航三维图像可从核磁共振等设备获得。

需要说明的是，以上各模块按照模块功能进行划分，在具体实现上可在物理位置，硬件和软件/固件架构上根据需要配置实现。

在本发明实施例中，可以在三维超声图像或双平面超声图像上预先规划所述连续边界位置轨迹，所述连续边界位置轨迹是医生根据手术需要提前规划好的切除轨迹。

需要说明的是，所述连续边界位置轨迹是在基础坐标系下规划的，所述基础坐标系为人为定义的静止坐标系，如图1(f)所示，可以将超声探头使用时的第一点定义为坐标原点，超声探头前进方向定义为z轴正方向，超声探头对应的横断面图形为xy平面，根据右旋定理可唯一确定x轴和y轴正方向。还需说明的是，基础坐标系还可以采用其他定义方式，这里不做特别限定。

例如，如图1(b)，提供了一种预先规划的连续位置轨迹在yoz平面的投影。一般符合人工习惯的规划的轨迹为连续曲线，如图1(b)阴影区域为目标切除区域，下方曲线位人工规划的切除轨迹。

进一步地，所述连续边界位置轨迹由若干运动体素组成，每个所述运动体素包含射流有效长度r，射流长轴位置z和横断面夹角θ。

在本发明实施例中，所述运动控制位置轨迹，是根据所述连续边界位置轨迹拟合生成的轨迹，也是基础坐标系下的轨迹。考虑到实际切除过程中，使用人员会有操作误差，需对所述连续边界位置轨迹进行拟合。

在本发明实施例中，所述影像规划模块，还用于对各所述运动体素按照实际操作水刀时的运动轨迹插值，生成所述运动控制位置轨迹。

进一步地，对所述连续边界位置轨迹进行轨迹规划时可采用一种融合双平面超声图像关键点信息最小化误差插补轨迹拟合方法，即将预先规划的关键点图像作为准确信息。

例如，如图1(d)所示，标注了曲线拟合时四个关键点图像，其中θ_k1、θ_k2、θ_k3、θ_k4为第一～第四关键点图像的横断面夹角，每个横断面夹角处对应关键点图像的yz平面位置，拟合时将这四个关键点图像作为准确信息。需要说明的是，本发明对关键点图像的数量不做具体限定。

进一步地，可采用整体拟合或者分段拟合方法对连续位置轨迹进行曲线拟合，拟合时可以采用多项式或者最小二乘逼近等拟合方法对连续位置轨迹进行拟合，还可采用其他方法实现连续位置轨迹的曲线拟合，这里均不做特别限定。

需说明的是，若采用多项式拟合，考虑到拟合复杂曲线需要较高的多项式方程，一般采用直线段逼近曲线的方式生成轨迹，逼近时一般要根据拟合的误差确定步长。

进一步地，对所述连续位置轨迹进行分段拟合时，生成各段运动控制位置轨迹，由各段运动控制轨迹按分段组合得到所述运动控制位置轨迹。

例如，如图1(b)所示，可采用台阶式线段对所述预先规划的连续位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。方便控制时电机可以采用一轴电机运动一个步长，同时计算另一轴电机的误差的方式交替进行曲线拟合。

再例如，如图1(c)所示，还可采用直线段插补拟合方式对所述连续位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。采用直线段插补拟合方式，控制时可采用两轴直流无刷电机同步运动生成任意斜率直线段的方式实现，相比台阶式的拟合方式，可以有效的降低拟合误差，同时平滑柔顺电机运动轨迹。

在本发明实施例中，所述各轴运动位置轨迹参数用于指示电机在所述水刀刀头和管路及液压动力模块在射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴进行相应动作。所述各轴运动位置轨迹参数包含水刀坐标系下作用点射流长度r₁，作用点横断面夹角θ₁，还包含作用点射流长轴位置z₁和或作用点射流长轴速度v_z1。

需要说明的是，所述水刀坐标系是运动坐标系，根据水刀实时位置实时变换，以水刀刀头与切除位置作用点为原点建立水刀坐标系。

如图1(e)所示，任一时刻水刀坐标系为图中XYZ坐标系，手术中水刀沿刀身长轴Z轴正方向运动，同时射流在与刀身长轴垂直的XY平面按照给定的作用点横断面夹角(图中θ₁)的范围做往复旋转，射流对组织的作用有效距离如图中r₁。在手术过程中因作用目标物形状的变化，Z方向运动速度，作用点横断面夹角大小方向，射流作用距离的大小都根据手术规划变化。

图1(f)为双面超声探头两个阵列图像的示意图，从图中看出，在水刀坐标系中，水刀刀头直线运动的方向为+Z方向，根据超声探头摆放位置，与+Z方向垂直的平面XY为水刀坐标系下的横断面，YZ水刀坐标系下的矢状面。

图1(g)为手术规划中矢状面与横断面位置结合的示意图，在水刀坐标系XYZ下，矢状面与横断面为两个相互垂直的平面，根据矢状面与横断面二者的重合部分可以得到所述横断面位置和横断面夹角。

图1(h)提供了一种水刀作用后的空腔端面立体图。

例如，在水刀工作过程中，刀头的沿+Z方向直线运动，XY平面往复旋转运动，射流对物体作用运动和废液抽吸运动构成4个互相关联的同时运动动作。只有对4个运动统一协调控制，才能保证水射流精确地沿规划路径切除组织形成形状不规则的空腔。

此时可以以水射流切除对目标物的作用点为执行工具的工具坐标系原点，通过对上述4个轴运动的4轴联动控制使工具坐标系原点在运动过程中通过其运动轨迹线描画出需要的空腔端面，如图1(h)所示。此时空腔的两个侧面由射流在XY平面的水刀坐标系横断面夹角的夹角边界决定，以射流束的宽度为描画动作的进动间隔。也就是，把射流切除动作转化为工具坐标系原点通过运动轨迹描画空腔端面(及侧面)的轨迹控制问题。

在本发明实施例中，在所述运动控制模块采用的多轴联动PID控制方法中增加轨迹规划位置环闭环控制，轨迹规划位置环的误差值是所述连续边界位置轨迹上当前测量时刻的边界位置和实际测量得到的作用点轨迹位置的差。

所述运动控制模块，可以实时采集水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数，还可以滞后采集水刀的射流流量轴运动位置轨迹参数。

例如，所述运动控制模块，用于实时采集水刀的射流流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的运动位置轨迹参数，通过坐标变换将所述连续边界位置轨迹变换到水刀坐标系中，对应坐标相减得到所述轨迹规划位置环的误差值。

再例如，所述运动控制模块，用于通过横断面图像滞后采集水刀的射流流量轴的位置参数，结合实时采集的水刀的旋转运动轴和直线运动轴的位置参数，通过坐标变换将所述连续边界位置轨迹变换到水刀坐标系中，采用时滞系统PID调节方式进行轨迹规划位置环闭环控制。

需要说明的是，水刀的射流流量轴的位置参数是指水刀坐标系下的作用点射流长度，水刀的直线运动轴位置参数是水刀坐标下作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度，水刀旋转运动轴的位置参数是水刀坐标下作用点横断面夹角。

若滞后采集水刀的射流流量轴位置参数，所述运动控制模块，用于，将规划阶段得到的相同射流长轴位置的横断面图像和当前时刻横断面导航图像相减和滤波、得到高频图像信号；对所述高频图形信号进行增强处理和切除边界后、测量得到水刀的射流流量轴的位置参数。

本发明实施例提供了一种高精度医用自动水刀，水刀刀头，可用于喷射高压射流。管路及液压动力模块，包括传递水刀高压盐水的高压管路和排出废液维持体内压力平衡的抽吸管路。运动控制模块，包括刀头运动控制单元，高压射流压力控制单元，废液抽吸控制单元以及控制主机；所述刀头运动控制单元，用于向水刀刀头位置控制元件发送直线运动轴和旋转运动轴的位置参数；所述高压射流压力控制单元，用于向水刀刀头射流流量控制元件发送射流流量轴的位置参数；所述废液抽吸控制单元用于向管路及液压动力模块，发送抽吸流量轴的位置参数；所述控制主机，用于接收所述各轴运动位置轨迹参数，转化为运动位置控制参数，与所述刀头运动控制单元、高压射流压力控制单元和废液抽吸控制单元通信。成像模块，包括超声探头及电动步进器，用于插入待检查腔道，并获取超声图像；影像规划模块，包括影像规划主机，基于导航图像进行水刀作用过程的规划并向控制主机发送规划参数。

本发明涉及的高精度自动水刀通过带有精确位置反馈的电动步进器承载双平面超声探头或三维超声探头，探头随步进器运动时获得的连续横断面图像以运动方向位置为索引保存。在手术规划时，矢状面和横断面的线阵图像实现精确对应，避免了手动获取有限超声图像带来的器官模型的手术规划误差。

本发明实施例的水刀系统采用高精度手术规划如电动步进器带动双平面超声探头自动运动对目标进行扫查并获取目标各个横断面的连续图像与矢状面各位置精确对应，或基于三维图像自动生成目标包络线产生切除参数。对运动执行的精度要求相应提高，因此本发明提供对包括高压射流流量，抽吸流量和各方向机械的运动进行统一运动控制的方法，协调消除各运动轴相互影响造成的误差，并根据实际测量结果作为运动反馈形成闭环控制以提高控制精度。从而实现了高精度的自动水刀工作，沿目标实际边界进行精细切除，达到较理想的手术效果。

图2(a)为本申请方法实施例的方法流程图，图2(b)为本申请方法实施例的Z字型切除轨迹示意图，图2(c)为本申请方法实施例的PID联动控制示意图，图2(d)为本申请方法实施例的PID时滞控制示意图。

发明实施例可用于对水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴这4个轴实现联动控制，一种水刀自动控制方法，具体包含以下步骤101～103：

步骤101、对导航图像上预先规划的连续边界位置轨迹拟合生成运动控制位置轨迹。

需要说明的是，所述导航图像可以通过超声探头获取，所述导航图像包含二维超声图像或三维超声图像，所述导航图像还可通过核磁设备获取，所述导航图像还包含三维图像，本发明对导航图像具体形式不做限定。

在步骤101中，对连续边界位置轨迹拟合生成运动控制位置轨迹，拟合时可将预先规划的关键点图像信息作为准确信息，具体包含以下步骤101A～101C：

步骤101A、对连续边界位置轨迹计算矢状面轨迹。

在步骤101A中，可采用一种快速多轴同步最小误差插补的轨迹拟合方法计算矢状面位置，该方法起到尽可能减少与医生规划的轨迹曲线误差及平滑柔顺电机运动过程，同时提高计算效率的作用。

在步骤101A中，经过分段拟合得到的所述矢状面轨迹可表示为：

其中，y0_start～yp_start分别表示经分段拟合得到的第0段～第p段运动控制位置轨迹的y轴起始坐标，y0_end～yp_end分别表示经分段拟合得到的第0段～第p段运动控制位置轨迹的y轴终止坐标。z0_start～zp_start分别表示经分段拟合得到的第0段～第p段运动控制位置轨迹的z轴起始坐标，z0_end～zp_end分别表示经分段拟合得到的第0段～第p段运动控制位置轨迹的z轴终止坐标。p+1为分段拟合的总段数，p为分段拟合的终止段序号。

步骤101B、根据所述矢状面轨迹和预先规划的关键点图像插补计算得到所述运动控制位置轨迹。

在步骤101B中，考虑到规划的各横断面的轨迹为经医生确认的准确信息，而两个规划的横断面之间的轨迹为插值等拟合算法产生，故以关键点图像为准。

当其中任意一个横断面发生在步骤101A中生成的矢状面轨迹一个步长内时，对该步长进行拆解并重新计算周围受到影响的插值线段，最终生成的轨迹为：

在公式2中，[(y0_start,z0_start),(y0_end,z0_end),(θ0_end,θ0_end)]表示一个运动体素，S_img为所述运动控制位置轨迹，θ0_start～θq_start为经分段拟合得到的第0段～第q段运动控制位置轨迹的横断面夹角起始值，θ0_end～θq_end为经分段拟合得到的第0段～第q段运动控制位置轨迹的横断面夹角终止值。q为插值后的分段终止序号。

需要说明的是，公式2给出了的其中一种S_img的写法，S_img还可以按照其他排序定义，这里不做特别限定。

步骤101C、对所述运动体素按照实际操作水刀时的运动轨迹进行插值。

获得S_img后，考虑到水刀需要成Z字型的密集切除轨迹才能启动良好的切除效果，如图2(b)中①～③，故需对每个运动体素内进行真实运动轨迹的插值和计算。

具体为：首先、根据实验切除效果获得Z字型轨迹相邻两边的距离，定义为Z型轨迹的螺距c。

第二、对S_img内每个运动体素按螺距c进行细分，设每个运动体素细分长度为L0，则需细分为L0/c段轨迹。

需要说明的是，可以对每个运动体素采用相同的螺距或不同的螺距进行细分。

第三、将细分后的轨迹拟合生成的轨迹作为所述运动控制位置轨迹。

需要说明的是，步骤101C为可选步骤。

步骤102、根据水刀的位置参数位置实时建立水刀坐标系，将所述运动控制位置轨迹转换到所述水刀坐标系后再计算各轴运动位置轨迹参数。

在步骤102中，所述各轴运动位置轨迹参数包含水刀坐标系下作用点射流长度，作用点横断面夹角，还包含作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度。所述作用点射流长轴速度是所述作用点射流长轴位置的时间微分。

在步骤102中，按时间间隔Δt把手术规划得到的各参数发给运动控制模块，包括XY平面的水刀坐标系下作用点横断面夹角，以沿Y轴垂直向下为0角度，水刀坐标系下作用点横断面夹角的两侧范围分别构成第一、第二夹角θ_a、θ_b，旋转方向可自行定义，例如从手术器械端向目标方向观察的顺时针或逆时针方向，任意时刻的Z方向直线运动进给速度、即作用点水刀射流长轴速度，任意时刻的作用点水刀射流长度，以上参数决定了根据目标边界得到所需空腔几何形状。系统通过三维高精度规划使空腔的水刀作用端面尽量贴合器官边界。

时间间隔Δt为工具坐标系原点在XY平面作一个方向的旋转θ₁所需时间，θ₁为水刀坐标系下任意一个作用点横断面夹角。Δt可以为固定值，此时不同角度大小完成一个方向的旋转所需时间相等，在旋转轨迹上各点对应的平均角速度与角度大小成正比。Δt也可以为可变量，当组织特性需要射流对轨迹上的运动体素点作用时间达到特定时长时，轨迹上各点的平均线速度应达到特定要求，此时△t＝θ₁×r₁/v_r，其中r₁也表示射流切除作用点与水刀喷嘴的距离，即切除射流长度，v_r为轨迹上的平均线速度。

在步骤102中，为避免过多的历史数据和计算量，还可以采用增量控制法将所述导航图像轨迹经坐标变换转换为水刀坐标系下的空间位置轨迹，即每个时间间隔Δt内工具坐标系原点的位移是相对于上一个Δt内坐标原点位于垂直向下的0角度时的位置的位移，则计算各轴运动位置轨迹参数的步骤进一步包含：

步骤102A、将所述运动控制位置轨迹坐标变换到水刀坐标系下，得到水刀坐标系下空间位置轨迹初值：

S₀＝[x₀,y₀,z₀，1]＝[y_imgsinθ_img,y_img,z_img,1] (3)

其中，S₀为所述水刀坐标系下空间位置轨迹初值，x₀、y₀、z₀分别为S₀对应的x轴、y轴、z轴坐标，y_img、z_img、θ_img分别为S_img对应的y轴、z轴、θ轴坐标，y_img与公式2中的y0_start～yq_start、y0_end～yq_end对应，以此类推。

步骤102B、实时采集每一时刻的切除水刀射流长度、切除水刀横断面夹角和切除水刀射流长轴速度，生成第一～第三变换矩阵：

其中，T_x、T_y、T_z分别为当前时刻的所述第一、第二、第三变换矩阵，△r为当前时刻作用点射流长度增量，为当前采集时刻和上一采集时刻作用点射流长度的差，△θ为当前时刻作用点横断面夹角增量，为当前采集时刻和上一采集时刻作用点横断面夹角的差，v_z1为当前时刻作用点射流长轴速度，△t为所述时间间隔，为当前采集时刻和上一采集时刻的时间差。

在步骤102B中，作用点射流长轴位置应小于等于水刀射流的宽度以避免切除运动螺距过大有未能被射流覆盖的部分目标。由t₁＝z₁/v_z1且t₁＝θ₁×r₁/v_r1，得到v_z1＝z₁×v_r1/(θ₁×r₁)。考虑到水刀切除时，需要射流对轨迹上的体素点作用时间达到特定时长才能达到理想的切除效果，v_r1为经过实验得到的切除速度参考标准。考虑到在不同θ₁时，切除效果的变化可能不是一个线性的关系，故v_r1也可为一个分区域的查找表形式，根据不同θ₁下的切除效果实验标定不同的系数。

步骤102C、计算所述水刀坐标系下的空间位置轨迹更新值：

S₁＝T_x×T_y×T_z×S₀ (7)

S₁＝[x₁,y₁,z₁，1] (8)

其中，S₁为当前采集时刻水刀坐标系下空间位置轨迹更新值，x₁、y₁、z₁分别为S₁对应的x轴、y轴、z轴坐标。

需要说明的是，公式7表示空间位置轨迹第一次更新时，空间位置轨迹更新值与空间位置轨迹初值存在的关系。当空间位置轨迹更新值不断迭代时，当前时刻的空间位置轨迹更新值等于T_x×T_y×T_z再乘以上一时刻空间位置轨迹更新值。

步骤102D、根据所述水刀坐标系下的空间位置轨迹，计算各轴运动位置轨迹参数：

r₁＝y₁ (9)

θ₁＝arcsin(x₁/y₁) (10)

在步骤102中，所述电机运动位置参数的可以是以下几种中的任意一种：第一种、所述各轴运动位置轨迹参数包含水刀坐标系下的作用点射流长度r₁，作用点横断面夹角θ₁和切除射流长轴位置z₁；第二种、所述各种运动位置参数包含水刀坐标系下的作用点射流长度r₁，作用点横断面夹角θ₁和作用点射流长轴速度v_z1；第三种、所述各轴运动位置参数包含水刀坐标系下的作用点射流长度r₁，作用点横断面夹角θ₁、作用点射流长轴位置z₁和作用点射流长轴速度v_z1。

步骤103、根据所述各轴运动位置轨迹参数采用多轴联动PID控制方法控制水刀的射流流量、抽吸流量、直线运动轨迹和旋转运动轨迹，所述抽吸流量与射流流量相等。

在步骤103中，在水刀射流工作的同时，抽吸泵采用跟随射流高压泵的策略进行抽吸运动，保持抽吸流量与射流流量动态相等。

在步骤103中，为保证步骤102中产生的各轴运动位置轨迹参数能在电机中快速平滑的实现，4个运动轴的控制采用联动PID控制，并可根据需要加入例如神经网络预测等控制方法进一步优化，使各个轴的位置误差和所有轴的同步位置误差都尽快趋近于零，同时考虑每一轴与其他所有轴的相互影响，对各轴位置误差交叉耦合控制。

具体地，如图2(c)所示，把射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的位置环反馈交叉。对于水刀的射流流量轴在水刀射流作用距离位置环采用PID闭环控制反馈，实现对射流流量轴的控制，在射流流量轴的独立PID控制中，通过电机进行电流反馈、速度反馈和编码位置反馈。相应地，对于水刀的旋转运动轴在水刀横断面夹角位置环采用PID闭环控制反馈，实现对旋转运动轴的控制，在旋转运动轴的独立PID控制中，通过电机进行电流反馈、速度反馈和编码位置反馈。相应地，对于水刀的直线运动轴在水刀射流长度位置环采用PID闭环控制反馈，实现对直线运动轴的控制，在直线运动轴的独立PID控制中，通过电机进行电流反馈、速度反馈和编码位置反馈。在水刀抽吸流量轴，抽吸流量与射流流量动态相等。

在射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴还进行交叉耦合控制，即射流流量轴的误差同步反馈给射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴；抽吸流量轴的误差同步反馈给射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴；直线运动轴的误差同步反馈给射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴；旋转运动轴的误差同步反馈给射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴。

如图2(c)，参数变换是指将各轴运动位置轨迹参数转换为运动位置控制参数，水刀射流流量是指水刀坐标系下作用点射流长度，水刀横断面夹角是指水刀坐标系下作用点横断面夹角，水刀沿长轴位置是指水刀坐标系下作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度，抽吸流量是指水刀坐标系下作用点射流长度。

一种射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴交叉耦合控制的模型举例如下：

其中，分别为水刀的旋转运动轴、直线运动轴、射流流量轴、抽吸流量轴的误差更新值，分别为水刀的旋转运动轴、直线运动轴、射流流量轴、抽吸流量轴的上一时刻的误差值。

需要说明的是，上述各轴误差值是指各轴运动位置轨迹参数的误差值。

在步骤103中，在多维联动PID控制方法中增加轨迹规划位置环闭环控制，轨迹规划环的误差是预先规划的连续位置轨迹上当前时刻位置和当前时刻测量得到的作用点轨迹位置的差。

需要说明的是，作用点轨迹位置指直线运动轴、旋转运动轴、射流流量轴和抽吸流量轴的运动位置轨迹参数。

在各轴的运动控制位置环之外，增加一个轨迹规划位置环。轨迹规划位置环的误差是规划轨迹位置和测量得到的作用点轨迹位置的差。

在步骤103中，当前时刻测量得到的作用点轨迹位置的计算方式可以是实时的或滞后的。

优选地，当采用实时计算时，实时采集水刀坐标系下作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度和作用点横断面夹角和作用点射流长度，得到所述作用点轨迹位置。

具体地，在水刀刀头安装和喷嘴同步运动的微型激光测距仪，如采用TOF(飞行时间或飞秒)技术的毫米尺度外径的微信激光测距模块，在水刀射流工作的同时测量水刀到切除后的目标物腔体边界的距离，并通过坐标系转换矩阵第一～第三变换矩阵得到作用点的轨迹坐标。在坐标转换中，r₁就是测距仪实际测定的距离，θ₁、z₁、v_z1等从各电机反馈得到。水刀到切除后的目标物腔体边界的距离还可以通过微型超声波水声器，双目三维立体内窥镜图像等技术方式获得。

优选地，当采用滞后计算时，通过横断面图像滞后采集水刀坐标系下水刀作用点射流作用距离，结合实时采集的水刀作用点横断面夹角和水刀作用点射流长度，采用时滞系统PID调节方式进行轨迹规划位置环闭环控制。

具体地，基于电动步进器承载的双面超声探头，水刀切除工作进行的同时，双面超声探头由电动步进器携载与水刀的Z方向直线运动同步沿探头长轴z'方向运动，同时探头进行横断面图像的持续采集。因为探头横断面线阵位于水刀喷嘴的-Z方向的固定距离处，从横断面图像测出的切除深度r₁为滞后于实时轨迹规划输入Δt的线性延迟测量反馈，即反馈采样与控制量采样异步。此时可以采用时滞系统PID调节方式来优化现有控制流程，例如采用Smith预估控制，模糊控制等。

如图2(d)，以采用Smith预估控制方式为例，电机特性传输方程经拉普拉斯变换以G₀(s)e^-τs表示，其中延迟时间变换为e^-τs，该传输方程被反向并行加在控制器上形成新的Smith预估控制流程。

在步骤103中，若采用时滞PID控制，对于横断面图像可以采用算法自动进行切除深度的测量：将相同位置的预先规划的横断面导航图像和当前时刻的横断面导航图像相减并滤波，得到高频图像信号；对所述高频图形信号进行增强处理得到切除边界，再测量得到水刀坐标系下水刀射流作用距离。

具体地，由于超声探头在电动步进器承载下运动，此时采集的横断面图像和前述手术规划前采集的横断面图像均为带有位置索引的精确定位的图像。切除深度自动测量算法可以采用相同位置手术规划前和水刀切除后的图像相减作为图像预处理，相减结果滤波处理后得到的高频图像信号体现了水刀的切除作用引起的横断面图像变化。对此时的图像进行增强处理得到的切除边界进行测量即得到测量值。

为实现高精度手术规划的参数设置，本发明实施例中的水刀系统采用了多个运动统一联动控制以提高控制精度。本水刀系统用于对不规则形状目标物切除，需要刀头沿刀身方向直线运动的同时在与刀身垂直平面按给定角度作往复旋转运动，并根据目标物边界形状变化调节高压射流流量和压力以控制切除作用距离。同时根据高压射流流量变化引起的压力变化调节抽吸单元抽吸流量，排出废液，维持压力平衡。从运动控制的角度可以把以上刀身方向直线运动，与刀身垂直平面旋转运动，高压射流流量压力调整运动和抽吸流量变化调整运动视为4个运动轴向。4个轴向运动的不同步会导致切除精度降低，压力失衡等问题。为了保证各轴向运动的同步，本发明实施例将各轴运动用射流作用工具坐标系原点的运动轨迹统一表示，控制程序通过该运动轨迹对各轴的位置环进行联动控制，同时提供了对实际运动轨迹测量作为反馈形成闭环控制的方法，提高了水刀工作精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。在一个典型的配置中，本申请的设备包括一个或多个处理器(CPU、FGAP、MUC中的一个)、输入/输出用户接口、网络接口和存储器。

因此，本申请还提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如本申请第一方面任意一项实施例所述方法。

此外，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

因此，本申请还提出一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请任意一项实施例所述的方法的步骤。例如，本发明的存储器可包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现一种自动水刀实现方法，所述自动水刀实现方法包含以下步骤：

对导航图像上预先规划的连续边界位置轨迹拟合生成运动控制位置轨迹；

建立水刀坐标系，将所述运动控制位置轨迹转换到所述水刀坐标系后再计算各轴运动位置轨迹参数；

根据所述各轴运动位置轨迹参数，采用多轴联动PID控制方法控制水刀在射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴做相应运动；

在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴中的任意一轴误差均与其他三轴误差相关。

2.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述运动控制位置轨迹包含射流有效长度，射流长轴位置和横断面夹角；所述各轴运动位置轨迹参数包含水刀坐标系下作用点射流长度，作用点横断面夹角，还包含作用点射流长轴位置和/或作用点射流长轴速度。

3.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，在多轴联动PID控制方法中增加轨迹规划位置环闭环控制，轨迹规划位置环的误差值是当前测量时刻的所述连续边界位置轨迹上的边界位置和实际测量得到的作用点轨迹位置的差。

4.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的误差可表示为：

5.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述方法进一步包含：

对所述连续边界位置轨迹进行拟合时，将预先设计的导航图像上的关键点图像位置作为准确信息。

6.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述方法进一步包含：

对所述连续边界位置轨迹分段拟合生成各段运动控制位置轨迹，组合成所述运动控制位置轨迹。

7.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，将所述连续边界位置轨迹分成若干个运动体素，对各所述运动体素按照实际操作水刀时的运动轨迹插值，生成所述运动控制位置轨迹；每个运动体素包含射流有效长度，射流长轴位置和横断面夹角。

8.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，采用增量控制法将所述运动控制位置轨迹经坐标变换转换为水刀坐标系下的空间位置轨迹，再计算各轴运动位置轨迹参数。

9.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述导航图像为双平面超声图像或三维图像。

10.如权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述方法进一步包含：

实时采集水刀的射流流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的运动位置轨迹参数，与所述连续边界位置轨迹在水刀坐标系中的位置，对应坐标相减得到所述轨迹规划位置环的误差值。

11.如权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述方法进一步包含：

滞后采集水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数，结合实时采集的水刀的旋转运动轴和直线运动轴的运动位置轨迹参数，采用时滞系统PID调节方式进行轨迹规划位置环闭环控制。

12.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述方法进一步包含：采用台阶式线段对所述连续边界位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。

13.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述方法进一步包含：采用直线段插补拟合方式对所述连续边界位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。

14.如权利要求11所述的电子设备，其特征在于，滞后采集水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数时，

将相同位置的预先采集的横断面图像和当前时刻采集的横断面导航图像相减和滤波、得到高频图像信号；对所述高频图像信号进行增强处理和切除边界后、测量得到水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数。

15.如权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述时滞系统PID调节方式包含Smith预估控制方式和/或模糊控制方式。

16.一种计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种自动水刀实现方法，所述自动水刀实现方法包含以下步骤：

17.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述运动控制位置轨迹包含射流有效长度，射流长轴位置和横断面夹角；所述各轴运动位置轨迹参数包含水刀坐标系下作用点射流长度，作用点横断面夹角，还包含作用点射流长轴位置和或作用点射流长轴速度。

18.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，在多轴联动PID控制方法中增加轨迹规划位置环闭环控制，轨迹规划位置环的误差值是当前测量时刻的所述连续边界位置轨迹上的边界位置和实际测量得到的作用点轨迹位置的差。

19.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，在多轴联动PID控制方法中，水刀的射流流量轴、抽吸流量轴、直线运动轴和旋转运动轴的误差可表示为：

20.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法进一步包含：

21.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法进一步包含：

22.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，将所述连续边界位置轨迹分成若干个运动体素，对各所述运动体素按照实际操作水刀时的运动轨迹插值，生成所述运动控制位置轨迹；每个运动体素包含射流有效长度，射流长轴位置和横断面夹角。

23.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，采用增量控制法将所述运动控制位置轨迹经坐标变换转换为水刀坐标系下的空间位置轨迹，再计算各轴运动位置轨迹参数。

24.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述导航图像为双平面超声图像或三维图像。

25.如权利要求18所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法进一步包含：

26.如权利要求18所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法进一步包含：

27.如权利要求21所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法进一步包含：采用台阶式线段对所述连续边界位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。

28.如权利要求21所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法进一步包含：采用直线段插补拟合方式对所述连续边界位置轨迹进行分段拟合，得到所述各段运动控制位置轨迹。

29.如权利要求26所述的计算机可读介质，其特征在于，滞后采集水刀的射流流量轴的运动位置轨迹参数时，

30.如权利要求26所述的计算机可读介质，其特征在于，所述时滞系统PID调节方式包含Smith预估控制方式和/或模糊控制方式。