CN114848144B - 导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质 - Google Patents

导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质，所述形状控制方法包括：根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望形状参考量；根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量；根据所述导管的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量；根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动。本发明能够有效实现对所述导管的形状的闭环控制，以使得所述导管的形状能够达到期望形状，从而可以保证介入手术的顺利进行。

Description

导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质。
背景技术
与传统手术相比，微创伤机器人手术具有切口小、创伤小、恢复快、痛苦少的优点。其中，介入机器人手术***利用医学影像设备的引导，将特制的器械、导管等精密器械引入人体，对体内病灶进行诊断和局部治疗等微创伤手术。其中，导管作为介入技术中最主要的工具，医生借助图像导航的引导，通过遥控导管运动到达病变位置进行介入治疗活诊断。为精确到达病灶位置，介入机器人手术***可以对微创伤导管在解剖***中自然的或手术创建的通道里的运动进行导航，将微创伤导管实时定位并准确配准到解剖通道。对导管进行有效的形状控制是介入机器人手术***成功应用的关键。
需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质，可以实现导管形状的有效控制，以保证介入手术的顺利进行。
为达到上述目的，本发明提供一种导管形状控制方法，所述导管沿其长度方向安装有多个传感器，所述传感器用于感测其所在位置处的位置信息和方向信息，所述导管形状控制方法包括：
根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望形状参考量；
根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量；
根据所述导管的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量；
根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动。
可选的，所述导管内穿设有多根导丝，所述导丝的近端与一驱动装置相连，所述导丝的远端与所述导管的末端相连，在所述驱动装置的作用下，所述导丝能够伸长和缩短，以使得所述导管的末端沿至少一个方向弯曲；
所述根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动，包括：
根据所述控制补偿量，计算各根导丝的目标长度；
根据各根导丝的目标长度，控制对应的所述驱动装置进行相应运动。
可选的，所述根据各根导丝的目标长度，控制对应的所述驱动装置进行相应运动，包括：
针对每一根导丝：
根据该根导丝的目标长度和当前长度，计算该根导丝所对应的当前步导丝位移量；
根据该根导丝所对应的当前步导丝位移量，控制对应的所述驱动装置进行相应运动。
可选的，所述根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望形状参考量，包括：
根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望曲率半径；
所述根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量，包括：
根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前曲率半径；
所述根据所述导管的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量，包括：
根据所述导管的期望曲率半径和当前曲率半径，计算所述控制补偿量。
可选的，所述根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前曲率半径，包括：
针对除位于所述导管的末端的最后一个传感器或者位于所述导管的近端的第一个传感器以外的每一个所述传感器：
根据该传感器和与其相邻的邻传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，重构该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的圆弧曲线；
根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度和圆弧半径，获取所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径；
将所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径，作为所述导管段的当前曲率半径。
可选的，所述根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度和圆弧半径，获取所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径，包括：
根据所述导管段的原始长度和所述圆弧曲线的圆弧长度，获取所述导管段的平均应变；
根据所述平均应变以及所述圆弧曲线的圆弧半径，获取所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径。
可选的，所述根据所述控制补偿量，计算各根导丝的目标长度，包括：
针对除位于所述导管的末端的最后一个传感器或者位于所述导管的近端的第一个传感器以外的每一个所述传感器：
根据该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率；
根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算各根导丝在所述导管段的长度的目标变化率；以及
根据各根导丝在所述导管段的长度的目标变化率，计算各根导丝在所述导管段的目标长度；
针对每一根导丝，计算该根导丝在各个导管段的目标长度的总和，以获取该根导丝的目标长度。
可选的，所述根据该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，包括：
根据该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧半径的的目标变化率；
根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆心角以及所述圆弧半径的目标变化率，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率。
可选的，所述根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算各根导丝在该导管段的长度的目标变化率，包括：
针对每一根导丝：
根据该根导丝与所述导管段的中性层之间的距离、所述导管段所对应的传感器与所述中性层之间的距离以及所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算该根导丝的长度的目标变化率。
可选的，所述根据所述导管的期望曲率半径和当前曲率半径，计算所述控制补偿量，包括：
按照如下公式，计算所述控制补偿量：
式中，Δi为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，gi为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制增益，为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段的期望曲率半径，RQ为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段的当前曲率半径。
为达到上述目的，本发明还提供一种介入手术***，包括通信连接的机器人和控制器，所述机器人包括台车和安装于所述台车上的机械臂，所述机械臂的末端用于安装导管，所述导管沿其长度方向安装有多个传感器，所述控制器被配置用于实现上文所述的导管形状控制方法。
可选的，所述传感器为磁感应器，所述介入手术***还包括磁场发生器，所述磁场发生器用于产生磁场，所述传感器用于在所述磁场内感测磁场强度信息，所述控制器用于根据所述传感器所感测到的磁感强度信息，获取所述传感器所在位置处的位置信息和方向信息。
可选的，所述传感器偏离所述导管的中心线设置。
可选的，所述介入手术***还包括与所述控制器通信连接的显示装置，所述显示装置用于显示所述导管的当前形状和/或所述导管在解剖通道中的当前位置。
为达到上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上文所述的导管形状控制方法。
为达到上述目的，本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上文所述的导管形状控制方法。
与现有技术相比，本发明提供的导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质具有以下优点：本发明通过先根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望形状参考量；并根据安装于所述导管上的各个传感器所感测到的的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量；再根据所述导管的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量；最后再根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动。由此可见，本发明能够有效实现对所述导管的形状的闭环控制，以使得所述导管的形状能够达到期望形状，从而可以保证介入手术的顺利进行。此外，由于本发明中的传感器能够感测到其所在位置处的位置信息和方向信息，即本发明中所述传感器感测的是绝对空间信息，不存在误差累积现象，因此，本发明基于各个所述传感器所感测到的实时位置信息和实时方向信息，能够更加准确、更加简便地获取所述导管的当前形状参考量，从而可以进一步提高导管形状的控制精度。
附图说明
图1为本发明一实施方式提供的导管的局部结构示意图；
图2为本发明一实施方式提供的导丝与驱动装置之间的连接关系结构示意图；
图3为本发明另一实施方式提供的导丝与驱动装置之间的连接关系结构示意图；
图4为本发明一实施方式提供的导管的截面结构示意图；
图5为本发明另一实施方式提供的导管的截面结构示意图；
图6为本发明一实施方式提供的导管与末端器械之间的连接关系结构示意图；
图7为本发明本实施例一实施方式提供的导管形状控制方法的流程示意图；
图8为本发明一具体示例提供的导管横截面上的应变分布示意图；
图9为本发明一实施方式提供的重构圆弧曲线的原理示意图；
图10为本发明一实施方式提供的获取中性层所对应的弯曲半径的原理示意图；
图11为本发明一实施方式提供的传感器和各第一通道(安装导丝的通道)到中性层的距离示意图；
图12为本发明一实施方式提供的介入手术***的应用场景示意图；
图13为本发明一实施方式提供的获取中性点的位置信息的原理示意图；
图14为本发明一实施方式中的电子设备的方框结构示意图；
其中，附图标记如下：
导管-100；第一管体-110；第二管体-120；导丝-130；驱动装置-140；第一通道-150；第二通道-160；器械盒-170；
传感器-200、200Pi、200Pi+1；导管横截面-300；中性层-400；弯曲平面-500；导管段-600；
机器人-10；
控制器-20；
主控平台-30；操作设备-31；显示装置-32；
处理器-101；通信接口-102；存储器-103；通信总线-104。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在与本发明所能产生的功效及所能达成的目的相同或近似的情况下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
本发明的核心思想在于提供一种导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质，可以实现导管形状的有效控制，以保证介入手术的顺利进行。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，本文中所称的近端是指靠近操作者的一端，所称的远端/末端是指远离操作者的一端，也即靠近病灶的一端。此外，需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，本文中所称的多个包括两个的情形。另外，需要说明的是，本文中所称的形状参考量是指与导管的形状相关的参数，例如导管的曲率半径、弯曲曲率、弯曲角度、切向向量等。
另外，需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，本发明提供的导管形状与力感知方法和手术导航方法可应用于本发明提供的电子设备上，该电子设备可被配置于本发明实施方式的介入手术***上，其中，该电子设备可以是计算机、移动终端等，该移动终端可以是手机、平板电脑等具有各种操作***的硬件设备。
实施例一
为实现上述思想，本发明提供一种导管形状控制方法。为了便于理解，在介绍本实施例提供的导管形状控制方法之前，先对本实施例中的导管的具体结构进行说明。请参考图1，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的导管的局部结构示意图。如图1所示，所述导管100沿其长度方向安装有多个传感器200，所述多个传感器200之间相互间隔设置，所述传感器200用于感测其所在位置处的位置信息和方向信息。
作为一种优选，所述多个传感器200呈阵列设置，即当所述导管100处于平直状态时，所述多个传感器200位于同一条直线上。由此，此种设置，不仅可以更加便于所述多个传感器200的安装，同时也更加便于根据各个所述传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，实现对所述导管100的形状控制。
进一步地，如图1所示，所述导管100包括相连的第一管体110和第二管体120，其中所述第一管体110为可控弯段(即通过驱动装置140可以精确调整所述第一管体110的弯曲角度和弯曲方向)，所述第二管体120为不可控弯段(即所述第二管体120的弯曲角度和弯曲方向受外力影响，无法精确进行控制)。
在一种示范性的实施方式中，如图1所示，所述第一管体110和所述第二管体120沿其长度方向均均匀布置有多个所述传感器200。由此，通过在所述第一管体110和所述第二管体120上均均匀布置有多个所述传感器200，可以进一步实现对所述导管100的形状的精确控制。
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，所述第一管体110上的所述传感器200的分布密度(单位长度的第一管体110上的传感器200的个数)与所述第二管体120上的所述传感器200的分布密度(单位长度的第二管体120上的传感器200的个数)可以相同也可以不同，作为一种优选，所述第一管体110上的所述传感器200的分布密度大于所述第二管体120上的所述传感器200的分布密度。由此，通过在所述第一管体110上设置更加密集的传感器200，可以进一步提高所述导管100的形状控制的精度。
在一种示范性的实施方式中，所述导管100内穿设有至少一组引导组件，其中，每一组所述引导组件均包括两根平行设置的导丝130，所述导丝130的远端与所述第一管体110的末端相连，所述导丝130的近端与驱动装置140(例如电机)相连，由此，在所述驱动装置140的作用下，所述导丝130能够伸长或缩短，从而使得所述第一管体110能够沿对应的方向弯曲。
具体地，请参考图2，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的导丝与驱动装置之间的连接关系结构示意图。如图2所示，在本实施方式中，同一组引导组件中的两根导丝130可以由同一个驱动装置140进行驱动，例如，当所述驱动装置140为电机时，同一组引导组件中的两根导丝130的近端分别固定在所述电机的输出轴的两侧，由此可以保证在所述电机转动时，一根导丝130伸长，另一根导丝130缩短，且伸长量等于缩短量。
请继续参考图3，其示意性地给出了本实施例另一实施方式提供的导丝与驱动装置之间的连接关系结构示意图。如图3所示，在本实施方式中，同一组引导组件中的两根导丝130可以分别由一个驱动装置140进行驱动，即不同的导丝130由不同的驱动装置140进行驱动，此时这两个驱动装置140的旋转方向相反。
进一步地，所述导管100上设有用于供导丝130穿过的第一通道150以及用于安装所述传感器200的第二通道160，其中所述导丝130与所述第一通道150一一对应，即不同的导丝130穿设在不同的第一通道150内。由此，通过在所述导管100内设置第一通道150，可以更加便于所述导丝130的安装，有效防止导丝130之间相互干扰；通过在所述导管100内设置第二通道160，可以更加便于所述传感器200的安装。
具体地，请参考图4，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的导管的截面结构示意图。如图4所示，在本实施方式中，所述导管100内共穿设有两根导丝130(即一组引导组件)，所述导管100上共设有两个沿其长度方向设置的第一通道150和一个沿其长度方向设置的第二通道160。请继续参考图5，其示意性地给出了本实施例另一实施方式提供的导管的截面结构示意图。如图5所示，在本实施方式中，所述导管100内共穿设有四根导丝130(即两组引导组件)，所述导管100上共设有四个沿其长度方向设置的第一通道150和一个沿其长度方向设置的第二通道160。
在一种示范性的实施方式中，如图4和图5所示，所述第一通道150和所述第二通道160均偏离所述导管100的中心线设置。由此，此种设置可以保证在所述导管100的中央区域能够预留出用于输送末端器械的通道。
请继续参考图6，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的导管与末端器械之间的连接关系结构示意图。如图6所示，所述末端器械安装于所述导管100的末端。所述末端器械可以为活检钳、活检刷、活检刨等常用介入治疗器械。进一步地，如图6所示，所述导管100的近端安装有器械盒170，用于驱动所述导丝130的驱动装置140安装于所述器械盒170内。
请参考图7，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的导管形状控制方法的流程示意图，如图7所示，所述导管形状控制方法包括如下步骤：
步骤S100、根据所获取的导管形状指令，获取所述导管100的期望形状参考量。
步骤S200、根据各个所述传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管100的当前形状参考量。
步骤S300、根据所述导管100的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量。
步骤S400、根据所述控制补偿量，控制所述导管100进行相应运动。
由此可见，本实施例提供的导管100形状控制方法能够有效实现对所述导管100的形状的闭环控制，以使得所述导管100的形状能够达到期望形状，从而可以保证介入手术的顺利进行。此外，由于本发明中的传感器200能够感测到其所在位置处的位置信息和方向信息，即本发明中所述传感器200感测的是绝对空间信息，不存在误差累积现象，因此，本发明基于各个所述传感器200所感测到的实时位置信息和实时方向信息，能够更加准确、更加简便地获取所述导管100的当前形状参考量，从而可以进一步提高导管100形状的控制精度。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，所述导管形状指令具体为来自主端(主控平台)的操作者通过操作手柄输入的指令。
进一步地，所述获取每一所述传感器200所感测到的实时位置信息和实时方向信息，包括：
获取每一所述传感器200所感测到的实时磁场强度信息；
针对每一所述传感器200，根据该传感器200所感测到的实时磁场强度信息，获取该传感器200所感测到的实时位置信息和实时方向信息。
具体地，所述传感器200为能够感测到至少五个自由度(可以不包含该传感器200所在导管段600绕自身轴线旋转方向的自由度)的位置和姿态信息的磁感应器，也即通过所述传感器200可以测得其所在位置处的三维空间位置坐标和延伸方向信息。由于当所述传感器200所在位置发生变化时，则其所能够感测到的磁场强度信息也会对应发生变化，由此，根据所述传感器200当前所感测到的磁场强度信息，即可获取该传感器200当前所在位置处的位置信息和方向信息。
在一种示范性的实施方式中，所述根据所获取的导管形状指令，获取所述导管100的期望形状参考量，包括：
根据所获取的导管形状指令，获取所述导管100的期望曲率半径。
对应地，所述根据各个所述传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管100的当前形状参考量，包括：
根据各个所述传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管100的当前曲率半径。
所述根据所述导管100的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量，包括：
根据所述导管100的期望曲率半径和当前曲率半径，计算所述控制补偿量。
由此，通过采用曲率半径作为所述导管100的形状参考量，并基于所述导管100的期望曲率半径和当前曲率半径，计算所述控制补偿量，从而可以更加便于通过计算出的所述控制补偿量进行所述导管100的形状控制。
在一种示范性的实施方式中，所述根据各个所述传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管100的当前曲率半径，包括：
针对除位于所述导管100的末端的最后一个传感器200或者位于所述导管100的近端的第一个传感器200以外的每一个所述传感器200：
根据该传感器200和与其相邻的邻传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，重构该传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600所对应的圆弧曲线；
根据所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度和圆弧半径，获取所述导管段600的中性层400所对应的当前弯曲半径；
将所述导管段600的中性层400所对应的当前弯曲半径，作为所述导管段600的当前曲率半径。
具体地，若本实施方式是针对除位于所述导管100的末端的最后一个传感器200以外的每一个所述传感器200进行的，则将与该传感器200相邻的下一个传感器200作为该传感器200的邻传感器200，即该传感器200和与其相邻的下一个传感器200之间为一个导管段600；若本实施方式是针对除者位于所述导管100的近端的第一个传感器200以外的每一个所述传感器200进行的，则将与该传感器200相邻的上一个传感器200作为该传感器200的邻传感器200，即该传感器200和与其相邻的上一个传感器200之间为一个导管段600。
请参考图8，其示意性地给出了本实施例一具体示例提供的导管横截面300上的应变分布示意图。如图8所示，当导管100弯曲时，针对导管100的任一个导管横截面300，在该导管横截面300内均存在一个中性层400(也即针对任一个导管段600，在该导管段600内均存在一段中性层400)，在中性层400处不产生应变，且中性层400的位置随载荷而动态变化。中性层400两侧分别存在拉应变和压应变，由于中性层400沿导管100长度方向上的连线在弯曲过程中，长度不发生改变，因此，本实施提供的导管100形状控制方法通过针对每一导管段600，将该导管段600的中性层400所对应的当前弯曲半径作为所述导管段600的当前曲率半径，从而可以进一步提高导管100形状的控制精度。
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，根据所获取的导管形状指令，可以计算出任意相邻的两个所述传感器200之间的导管段600的期望曲率半径)，根据任意相邻的两个所述传感器200所感测到的当前位置信息和当前方向信息，可以计算出相邻的两个所述传感器200之间的导管段600的当前曲率半径，由此针对每一个导管段600，根据该导管段600的期望曲率半径和当前曲率半径，即可计算出该导管段600所对应的控制补偿量。
为了便于理解，下面对如何重构相邻的两个传感器200之间的导管段600所对应的圆弧曲线进行说明，为了方便描述，以二维情况进行说明，三维情形可做类似拓展。具体地，请参考图9，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的重构圆弧曲线的原理示意图。如图9所示，传感器200Pi和传感器200Pi+1为一组相邻的两个传感器200，其中传感器200Pi所在位置处的坐标为(Xi,Yi)(世界坐标系下的坐标)，传感器200Pi+1所在位置处的坐标为(Xi+1,Yi+1)(世界坐标系下的坐标)，Li为传感器200Pi和传感器200Pi+1之间的直线长度，为传感器200Pi所在位置处沿导管100长度方向的方向向量，/>为传感器200Pi+1所在位置处沿导管100长度方向的方向向量；/>为方向向量/>与/>之间的夹角(也即圆弧曲线所对应的圆心角)，Ci为重构的圆弧曲线的圆心位置，/>为重构的圆弧曲线的圆弧半径。由相关几何学知识可以得出以下计算公式：
由上式(1)至式(3)可以根据该传感器200Pi和与其相邻的邻传感器200Pi+1所感测到的位置信息和方向信息，计算出该传感器200Pi和与其相邻的邻传感器200Pi+1之间的导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧半径进一步地，可以计算出该圆弧曲线的圆心位置，具体地，根据所述传感器200Pi所在位置处沿导管100长度方向的方向向量/>可以计算出经过所述传感器200Pi所在位置处的圆弧半径所在直线的直线方程的斜率ki，再结合所述传感器200Pi所在位置处的坐标(Xi,Yi)，即可计算出经过所述传感器200Pi所在位置处的圆弧半径所在直线的直线方程的常数项bi。同理，根据所述传感器200Pi+1所在位置处沿导管100长度方向的方向向量/>可以计算出经过所述传感器200Pi+1所在位置处的圆弧半径所在直线的直线方程的斜率ki+1，再结合所述传感器200Pi+1所在位置处的坐标(Xi+1,Yi+1)，即可计算出经过所述传感器200Pi+1所在位置处的圆弧半径所在直线的直线方程的常数项bi+1。由此，该圆弧曲线的圆心Ci在世界坐标系下的坐标/>可以通过联立以下方程组得到：
通过求解上述方程组(5)，可以得出圆弧曲线的圆心Ci在世界坐标系下的坐标满足如下关系式：
假设导管100处于平直状态时，传感器200Pi与传感器200Pi+1之间的导管段600的长度为S0，则传感器200Pi与传感器200Pi+1之间的导管段600所发生的平均应变为：
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，当为正数时，则说明传感器200Pi与传感器200Pi+1之间的导管段600所发生的平均应变为正应变，也即传感器200Pi与传感器200Pi+1之间的导管段600伸长；当/>为负数时，则说明传感器200Pi与传感器200Pi+1之间的导管段600所发生的平均应变为负应变，也即传感器200Pi与传感器200Pi+1之间的导管段600缩短。
进一步地，所述根据所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度和圆弧半径，获取所述导管段600的中性层400所对应的当前弯曲半径，包括：
根据所述导管段600的原始长度和所述圆弧曲线的圆弧长度，获取所述导管段600的平均应变；
根据所述平均应变以及所述圆弧曲线的圆弧半径，获取所述导管段600的中性层400所对应的当前弯曲半径。
具体地，请参考图10，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的获取中性层400所对应的弯曲半径的原理示意图。如图10所示，由于中性层400处不发生应变，因此沿着中性层400的导管段600的长度也不发生改变，因此中性层400对应的弯曲半径与重构的圆弧曲线的圆弧半径/>之间满足如下关系式：
由式(8)可以得出如下关系式：
由于，重构的圆弧曲线的圆弧半径可以根据式(3)计算得到，平均应变εi可以根据式(7)计算得到，由此，通过将圆弧半径/>和平均应变/>代入上式(9)，即可以求出中性层400所对应的弯曲半径/>也即所述中性层400所在的导管段600的曲率半径。
在一种示范性的实施方式中，所述根据所述导管100的期望曲率半径和当前曲率半径，计算所述控制补偿量，包括：
按照如下公式，计算所述控制补偿量：
式中，Δi为第i个传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600所对应的控制补偿量，gi为第i个传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600所对应的控制增益，为第i个传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600的期望曲率半径，/>为第i个传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600的当前曲率半径。
由此，通过设置对应的控制增益来计算每一导管段600所对应的控制补偿量，可以得到更好的控制精度和控制响应。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，每一个所述导管段600所对应的控制增益均可以根据实际的控制效果进行调节。此外，需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，在其它一些实施方式中针对每一所述导管段600还可以根据所述导管段600的期望曲率半径和当前曲率半径之间的差值，采用现有技术中的PI、PD或PID控制器来计算控制补偿量，以实现对所述导管100的形状的闭环控制。
在一种示范性的实施方式中，所述根据所述控制补偿量，控制所述导管100进行相应运动，包括：
根据所述控制补偿量，计算各根导丝130的目标长度；
根据各根导丝130的目标长度，控制对应的所述驱动装置140进行相应运动。
由此，通过所述控制补偿量，可以计算出每一根导丝130的目标长度，由于每一根导丝130的当前长度是已知的，由此，针对每一根导丝130，根据该根导丝130的目标长度和当前长度，即可控制对应的驱动装置140进行相应运动，以使得该根导丝130的长度伸长或缩短至其目标长度。
进一步地，所述根据所述控制补偿量，计算各根导丝130的目标长度，包括：
针对除位于所述导管100的末端的最后一个传感器200或者位于所述导管100的近端的第一个传感器200以外的每一个所述传感器200：
根据该传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600所对应的控制补偿量，计算所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率；
根据所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算各根导丝130在所述导管段600的长度的目标变化率；以及
根据各根导丝130在所述导管段600的长度的目标变化率，计算各根导丝130在所述导管段600的目标长度；
针对每一根导丝130，计算该根导丝130在各个导管段600的目标长度的总和，以获取该根导丝130的目标长度。
具体地，假设所述导管100上共安装有N个传感器200，其中，所述导管100的近端和末端各安装有一个传感器200，位于所述导管100的近端的传感器200为第一个传感器200，位于所述导管100的末端的传感器200为最后一个传感器200，则这N个传感器200将所述导管100划分为(N-1)个导管段600。针对每一个导管段600，根据上式(10)可以计算出该导管段600所对应的控制补偿量，进而计算出该导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，根据该导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，即可计算出各根导丝130在该导管段600的长度的目标变化率，从而计算出各根导丝130在该导管段600的目标长度。从而针对每一根导丝130，将该根导丝130在这(N-1)个导管段600的目标长度相加，相加的结果即为该根导丝130的目标长度。
在一种示范性的实施方式中，所述根据该传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600所对应的控制补偿量，计算所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，包括：
根据该传感器200和与其相邻的邻传感器200之间的导管段600所对应的控制补偿量，计算所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧半径的的目标变化率；
根据所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆心角以及所述圆弧半径的目标变化率，计算所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率。
具体地，由上式(9)可知，所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧半径与所述导管段600的中性层400的弯曲半径(所述导管段600的曲率半径)/>之间存在如下关系式：
通过对上式(11)进行求导，可以得出下式：
式中，表示第i个导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧半径的的目标变化率，/>表示所述导管段600的期望曲率半径，/>表示第i个导管段600的平均应变，gi表示第i个导管段600所对应的控制增益。
又由于第i个导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧半径与其所对应的圆弧长度之间满足如下关系式：
式中，为第i个导管段600所对应的圆弧曲线的圆心角。
对式(13)进行求导可以得到如下关系式：
式中，表示第i个导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率。
在一种示范性的实施方式中，所述根据所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算各根导丝130在该导管段600的长度的目标变化率，包括：
针对每一根导丝130：
根据该根导丝130与所述导管段600的中性层400之间的距离、所述导管段600所对应的传感器200与所述中性层400之间的距离以及所述导管段600所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算该根导丝130的长度的目标变化率。
请继续参考图11，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的传感器200和各第一通道150(安装导丝130的通道)到中性层400的距离示意图。如图11所示，图中未经过导管100的横截面的中心的点划线为中性层400，图中经过导管100的横截面的中心的点划线为传感器200Pi和与其相邻的邻传感器200Pi+1之间的导管段600所对应的弯曲平面500(侧视图)。由相关几何学知识可知，所述弯曲平面500所述中性层400相垂直，图中的表示传感器200Pi到其所在导管段600的中性层400的距离，/>表示第一个第一通道150到传感器200Pi所在导管段600(即第i个导管段600)的中性层400的距离(即第一根导丝130到所述中性层400的距离)，/>表示第二个第一通道150到传感器200Pi所在导管段600的中性层400的距离(即第二根导丝130到所述中性层400的距离)，/>表示第三个第一通道150到传感器200Pi所在导管段600的中性层400的距离(即第三根导丝130到所述中性层400的距离)，/>表示第四个第一通道150到传感器200Pi所在导管段600的中性层400的距离(即第四根导丝130到所述中性层400的距离)。
由上式(7)可以得出如下关系式：
式中，表示传感器200Pi到所述中性层400的距离，/>表示第j根导丝130到第i个导管段600的中性层400的距离，/>表示第j根导丝130在第i个导管段600的长度。当所述传感器200Pi和第j根导丝130位于所述中性层400的同一侧时，则取“+”号，若所述传感器200Pi和第j根导丝130位于所述中性层400的不同侧时，则取“-”号。
结合图10可知，所述传感器200Pi到在第i个导管段600的中性层400之间的距离可通过下式计算得到：
由于所述传感器200Pi和各第一通道150(各根第一导丝130)之间的位置关系是已知的，由此，根据所述传感器200Pi到第i个导管段600的中性层400之间的距离以及所述感器Pi和各第一通道150(各根第一导丝130)之间的位置关系，可以求出各所述第一通道150(各根第一导丝130)到第i个导管段600的中性层400的距离。
由式(15)可以得到如下关系式：
对式(17)进行求导，可以得到如下关系式：
式中，表示第j根导丝130在第i个导管段600的长度的目标变化率。
将式(12)代入式(18)可以得到如下关系式：
由此，根据式(19)可以计算出每一根导丝130在各个导管段600的长度的目标变化率。
在计算出每一根导丝130在各个导管段600的长度的目标变化率后，根据如下公式，即可求出每一根导丝130在各个导管段600的目标长度：
式中，表示第j根导丝130在第i个导管段600的目标长度，Δt表示时间步长，表示第j根导丝130在第i个导管段600的当前长度。
由此，针对每一根导丝130，计算出该根导丝130在各个导管段600的目标长度后，通过将该根导丝130在各个导管段600的目标长度相加，即可求出该根导丝130的目标长度，具体地可以安装如下公式，计算出各根导丝130的目标长度：
式中，Sm,j表示第j根导丝130的目标长度，N表示传感器200的个数。
在一种示范性的实施方式中，所述根据各根导丝130的目标长度，控制对应的所述驱动装置140进行相应运动，包括：
针对每一根导丝130：
根据该根导丝130的目标长度和当前长度，计算该根导丝130所对应的当前步导丝130位移量；
根据该根导丝130所对应的当前步导丝130位移量，控制对应的所述驱动装置140进行相应运动。
具体地，针对每一根导丝130，该根导丝130的目标长度减去该根导丝130的当前长度所得的差值，即为该根导丝130所对应的当前步导丝130位移量，由此，根据该根导丝130所对应的当前步导丝130位移量，控制对应的所述驱动装置140进行运动，即可使得该根导丝130的长度伸长或缩短至该根导丝130的目标长度，从而完成导管100的形状控制。
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，虽然本实施例是以曲率半径作为形状参考量为例进行说明，但是如本领域技术人员所能理解的，在其它一些实施方式中，还可以以弯曲曲率ρ、导管100的近端和末端之间的相对弯曲角度以及所述导管100的近端的切向向量/>和末端的切向向量/>等作为所述导管100的形状参考量，从而根据所述导管100的期望弯曲曲率和当前弯曲曲率计算控制补偿量，或者根据所述导管100的期望相对弯曲角度和当前相对弯曲角度计算控制补偿量，或者根据所述导管100的近端的期望切向向量、末端的期望切向向量、近端的当前切向向量和末端的当前切向向量计算控制补偿量。
具体地，对于任一个导管段600而言，该导管段600的期望弯曲曲率ρ和该导管段600的期望曲率半径Rd之间满足如下关系式：
该导管段600的期望相对弯曲角度和该导管段600期望曲率半径Rd之间满足如下关系式：
式中，ε为该导管段600所对应的平均应变，S0为该导管段600的原始长度。
该导管段600的期望切向向量和该导管段600的期望曲率半径Rd之间满足如下关系式：
式中，ε为该导管段600所对应的平均应变，为该导管段600的近端的期望切向向量，/>为该导管段600的末端的期望切向向量。
实施例二
基于同一发明构思，本实施例提供一种介入手术***，请参考图12，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的介入手术***的应用场景示意图。如图12所示，所述介入手术***包括通信连接的机器人10和控制器20，所述机器人10包括至少一条机械臂，所述机械臂的末端用于安装导管100，所述导管100沿其长度方向安装有多个传感器200(图中未示出)，所述控制器20被配置用于实现上文所述的导管形状控制方法。由于本实施例提供的介入手术***与上文所述的导管形状控制方法属于同一发明构思，因此本实施例提供的介入手术***具有上文所述的导管形状控制方法的所有优点，故在此不再对本实施例提供的介入手术***所具有的优点进行展开说明。
需要说明的是，所述导管100的具体结构可以参考上文实施一中的相关描述，故在此不再对所述导管100的具体结构进行说明。
进一步地，如图12所示，所述介入手术***还包括主控平台30，所述主控平台30上设有操作设备31，外科医生可以通过所述操作设备31对导管100进行控制。所述主控平台30上还设有与所述控制器20通信连接的显示装置32，所述显示装置32用于显示所述导管100的当前形状和/或所述导管100在解剖通道中的当前位置。具体地，在一些实施方式中，可以在所述机器人10的其它机械臂上安装内窥镜，通过将内窥镜***人体内部，以获得病人体内的组织图像，从而可以将所述导管100的末端的位置在所述显示装置32上显示出来。在又一些实施方式中，可以采用前文所述的方法，根据所述导管100的当前位置与形状信息，将所述导管100配准至预先获取的三维医学模型上，以在所述三维医学模型上显示所述导管100的当前形状和/或所述导管100在解剖通道中的当前位置。由此，通过显示所述导管100的当前形状和/或所述导管100在解剖通道中的当前位置，可以更加便于为医生的操作提供参考，以使得医生能够准确地操作导管100进行下一步的位移以及确定导管100下一步位移的速度，以更好地辅助医生控制导管100进行运动。
进一步地，可以将各个所述传感器200所在导管横截面300的中性层400与其所在的弯曲平面500的交点(即中性点)相连，以获取所述导管100的当前形状。
具体地，请参考图13，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的获取中性点的位置信息的原理示意图。如图13所示，弯曲平面500与中性层400在该导管横截面300上存在一个交点，该交点即为中性点Qi。
下面对如何获取传感器200Pi所在导管横截面300上的中性点的位置坐标进行说明。为了方便描述，以二维情况进行说明，三维情形可做类似拓展。假设在以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系下，传感器200Pi所在位置处的坐标为(xi,yi)，所述中性点Qi在该坐标系(以该导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系)下的坐标为
如图13所示，假设弯曲平面500与以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系的x轴之间的夹角为则根据相关的几何学知识，可以得出所述中性点Qi在以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系下的坐标满足如下关系式：
由上式(22)可知，只要能够确定出弯曲平面500与以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系的x轴之间的夹角就可以求出中性点Qi在以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系下的坐标/>再根据以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系与世界坐标系之前的空间映射关系，即可以求出中性点Qi在世界坐标系下的坐标。其中，根据所述传感器200Pi在以该导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系下的坐标以及所述传感器200Pi在世界坐标系下的坐标，即可以获取以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系与世界坐标系之前的空间映射关系。
下面对如何确定出弯曲平面500与以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系的x轴之间的夹角进行说明。
具体地，根据前文的相关论述可知，根据所述传感器200Pi和与其相邻的邻传感器200Pi+1所感测到的位置信息和方向信息，可以求出重构后的圆弧曲线的圆心Ci在世界坐标系下的坐标，进而根据以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系与世界坐标系之前的空间映射关系，从而可以获取重构后的圆弧曲线的圆心Ci在以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系下的坐标。由于重构后的圆弧曲线的圆心Ci与中性点Qi在世界坐标系下的距离(即)等于重构后的圆弧曲线的圆心Ci与中性点Qi在以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系下的距离，由此，据此建立方程，即可以求出/>的值，再结合以传感器200Pi所在导管横截面300的中心点为原点所创建的坐标系与世界坐标系之前的空间映射关系即可求出中性点Qi在世界坐标系下的坐标。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，针对安装于所述导管100的末端的传感器200(即最后一个传感器200)，可以将与其相邻的上一个传感器200作为其邻传感器200，以构建圆弧曲线，从而获取安装于所述导管100的末端的传感器200所在导管横截面300的中性点的位置信息。
由此，针对每一所述传感器200，获取该传感器200所在导管横截面300上的中性点的当前位置信息，并通过根据各所述中性点的当前位置信息，依次连接所有的所述中性点，即可获取所述导管100所对应的当前形状曲线，从而可以确保所获取的导管100的形状信息更加精确。
在一种示范性的实施方式中，所述传感器200为磁感应器，所述介入手术***还包括磁场发生器(图中未示出)，所述磁场发生器用于产生磁场，所述传感器200用于在所述磁场内感测磁场强度信息，所述控制器20用于根据所述传感器200所感测到的磁感强度信息，获取所述传感器200所在位置处的位置信息和方向信息。由此，本实施例通过采用磁导航定位***实现导管100的定位，可以进一步提高导管100形状控制的准确性，有效提高控制精度。
实施例三
基于同一发明构思，本发明还提供一种电子设备，请参考图14，示意性地给出了本发明一实施方式提供的电子设备的方框结构示意图。如图14所示，所述电子设备包括处理器101和存储器103，所述存储器103上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器101执行时，实现上文所述的导管形状控制方法。由于本实施例提供的电子设备与上文所述的导管形状控制方法属于同一发明构思，因此本实施例提供的电子设备具有上文所述的导管形状控制方法的所有优点，故不再对本实施例提供的电子设备所具有的优点进行展开说明。
如图14所示，所述电子设备还包括通信接口102和通信总线104，其中所述处理器101、所述通信接口102、所述存储器103通过通信总线104完成相互间的通信。所述通信总线104可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线104可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。所述通信接口102用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
本发明中所称处理器101可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器101是所述电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部分。
所述存储器103可用于存储所述计算机程序，所述处理器101通过运行或执行存储在所述存储器103内的计算机程序，以及调用存储在存储器103内的数据，实现所述电子设备的各种功能。
所述存储器103可以包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
实施例四
本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可以实现上文所述的导管形状控制方法。由于本实施例提供的可读存储介质与上文所述的导管形状控制方法属于同一发明构思，因此本实施例提供的可读存储介质具有上文所述的导管形状控制方法的所有优点，故不再对本实施例提供的可读存储介质所具有的优点进行展开说明。
本发明实施方式的可读存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机硬盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其组合使用。计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的导管形状控制方法、介入手术***、电子设备和存储介质具有以下优点：本发明通过先根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望形状参考量；并根据安装于所述导管上的各个传感器所感测到的的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量；再根据所述导管的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量；最后再根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动。由此可见，本发明能够有效实现对所述导管的形状的闭环控制，以使得所述导管的形状能够达到期望形状，从而可以保证介入手术的顺利进行。此外，由于本发明中的传感器能够感测到其所在位置处的位置信息和方向信息，即本发明中所述传感器感测的是绝对空间信息，不存在误差累积现象，因此，本发明基于各个所述传感器所感测到的实时位置信息和实时方向信息，能够更加准确、更加简便地获取所述导管的当前形状参考量，从而可以进一步提高导管形状的控制精度。
需要说明的是，可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种导管形状控制方法，其特征在于，所述导管沿其长度方向安装有多个传感器，所述传感器用于感测其所在位置处的位置信息和方向信息，所述导管形状控制方法包括：
根据所获取的导管形状指令，获取所述导管的期望形状参考量；
根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量；
根据所述导管的期望形状参考量和当前形状参考量，计算控制补偿量；
根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动；
所述期望形状参考量为期望曲率半径，所述当前形状参考量为当前曲率半径；
所述根据各个所述传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，获取所述导管的当前形状参考量，包括：
针对除位于所述导管的末端的最后一个传感器或者位于所述导管的近端的第一个传感器以外的每一个所述传感器：
根据该传感器和与其相邻的邻传感器所感测到的当前位置信息和当前方向信息，重构该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的圆弧曲线；
根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度和圆弧半径，获取所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径；
将所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径，作为所述导管段的当前曲率半径。
2.根据权利要求1所述的导管形状控制方法，其特征在于，所述导管内穿设有多根导丝，所述导丝的近端与一驱动装置相连，所述导丝的远端与所述导管的末端相连，在所述驱动装置的作用下，所述导丝能够伸长和缩短，以使得所述导管的末端沿至少一个方向弯曲；
所述根据所述控制补偿量，控制所述导管进行相应运动，包括：
根据所述控制补偿量，计算各根导丝的目标长度；
根据各根导丝的目标长度，控制对应的所述驱动装置进行相应运动。
3.根据权利要求2所述的导管形状控制方法，其特征在于，所述根据各根导丝的目标长度，控制对应的所述驱动装置进行相应运动，包括：
针对每一根导丝：
根据该根导丝的目标长度和当前长度，计算该根导丝所对应的当前步导丝位移量；
根据该根导丝所对应的当前步导丝位移量，控制对应的所述驱动装置进行相应运动。
4.根据权利要求1所述的导管形状控制方法，其特征在于，所述根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度和圆弧半径，获取所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径，包括：
根据所述导管段的原始长度和所述圆弧曲线的圆弧长度，获取所述导管段的平均应变；
根据所述平均应变以及所述圆弧曲线的圆弧半径，获取所述导管段的中性层所对应的当前弯曲半径。
5.根据权利要求4所述的导管形状控制方法，其特征在于，所述根据所述控制补偿量，计算各根导丝的目标长度，包括：
针对除位于所述导管的末端的最后一个传感器或者位于所述导管的近端的第一个传感器以外的每一个所述传感器：
根据该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率；
根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算各根导丝在所述导管段的长度的目标变化率；以及
根据各根导丝在所述导管段的长度的目标变化率，计算各根导丝在所述导管段的目标长度；
针对每一根导丝，计算该根导丝在各个导管段的目标长度的总和，以获取该根导丝的目标长度。
6.根据权利要求5所述的导管形状控制方法，其特征在于，所述根据该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，包括：
根据该传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧半径的的目标变化率；
根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆心角以及所述圆弧半径的目标变化率，计算所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率。
7.根据权利要求5所述的导管形状控制方法，其特征在于，所述根据所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算各根导丝在该导管段的长度的目标变化率，包括：
针对每一根导丝：
根据该根导丝与所述导管段的中性层之间的距离、所述导管段所对应的传感器与所述中性层之间的距离以及所述导管段所对应的圆弧曲线的圆弧长度的目标变化率，计算该根导丝的长度的目标变化率。
8.根据权利要求1所述的导管形状控制方法，其特征在于，按照如下公式，计算所述控制补偿量：
Δi＝gi·(Rdi-RQi)
式中，Δi为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制补偿量，gi为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段所对应的控制增益，Rdi为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段的期望曲率半径，RQi为第i个传感器和与其相邻的邻传感器之间的导管段的当前曲率半径。
9.一种介入手术***，其特征在于，包括通信连接的机器人和控制器，所述机器人包括台车和安装于所述台车上的机械臂，所述机械臂的末端用于安装导管，所述导管沿其长度方向安装有多个传感器，所述控制器被配置用于实现权利要求1至8中任一项所述的导管形状控制方法。
10.根据权利要求9所述的介入手术***，其特征在于，所述传感器为磁感应器，所述介入手术***还包括磁场发生器，所述磁场发生器用于产生磁场，所述传感器用于在所述磁场内感测磁场强度信息，所述控制器用于根据所述传感器所感测到的磁感强度信息，获取所述传感器所在位置处的位置信息和方向信息。
11.根据权利要求9所述的介入手术***，其特征在于，所述传感器偏离所述导管的中心线设置。
12.根据权利要求9所述的介入手术***，其特征在于，所述介入手术***还包括与所述控制器通信连接的显示装置，所述显示装置用于显示所述导管的当前形状和/或所述导管在解剖通道中的当前位置。
13.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现权利要求1至8中任一项所述的方法。
14.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至8中任一项所述的方法。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023179339A1 (zh) * 2022-03-23 2023-09-28 上海微创微航机器人有限公司 导管形状与力感知方法、手术导航方法和介入手术***
CN115245387B (zh) * 2022-09-22 2022-12-20 深圳市爱博医疗机器人有限公司 细长型医疗器械递送***、递送方法、设备及介质
CN115554568A (zh) * 2022-11-28 2023-01-03 深圳市精锋医疗科技股份有限公司 导管弯曲转向控制方法、导管***及存储介质
CN116077195A (zh) * 2023-01-13 2023-05-09 深圳市爱博医疗机器人有限公司 一种柔性医疗器械递送***

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103800017A (zh) * 2012-11-08 2014-05-21 上海微创电生理医疗科技有限公司 检测导管与组织之间的接触压力的装置和方法
CN109715037A (zh) * 2016-09-21 2019-05-03 直观外科手术操作公司 用于器械弯折检测的***和方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015181643A (ja) * 2014-03-24 2015-10-22 オリンパス株式会社 湾曲形状推定システム、管状挿入システム、及び、湾曲部材の湾曲形状推定方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103800017A (zh) * 2012-11-08 2014-05-21 上海微创电生理医疗科技有限公司 检测导管与组织之间的接触压力的装置和方法
CN109715037A (zh) * 2016-09-21 2019-05-03 直观外科手术操作公司 用于器械弯折检测的***和方法

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