CN117958912B - 一种自动水刀优化控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自动水刀优化控制方法，用于水刀***，所述水刀***包括轴向相互平行设置的导鞘、执行器械和内窥镜机构构成的整体器械，其中执行器械包含水刀杆体和用于径向水射流的孔，包括以下步骤：确定水射流的规划运动轨迹，规划参数包括每个运动步长的直线运动起始位置、直线运动停止位置、直线运动速度、旋转运动起始位置、旋转运动停止位置、旋转运动速度；在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。本申请还包含用于实现所述方法的装置。

Description

一种自动水刀优化控制方法和装置

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种自动水刀优化控制方法和装置。

背景技术

一般水刀***包括导鞘、执行器械、内窥镜机构等，其中导鞘用来为执行器械的运动提供事先建立的通道及支撑等，执行器械（水刀）可受控做各方向的运动完成水射流的释放，内窥镜等用来实现对执行器械运动的术前术中监控等。上述部件的结构设计和原理对水刀切割的关键参数：切割范围（角度和深度）一般会造成以下问题：起到建立通道和支撑作用的导鞘会限制水射流的角度，即对执行器械旋转时导鞘会在水射流的出射路径造成遮挡，造成水射流不能360度完整切除。对于医生预先在医学图像上规划的连续边界位置轨迹，需要拟合生成运动控制位置轨迹，使执行部件按照运动控制位置轨迹动作，但是由于导鞘遮挡原因，会使水射流不能达到规划位置。因此，需要优化运动控制位置轨迹。

发明内容

本申请提出一种自动水刀优化控制方法和装置，解决导鞘遮挡水射流因而限制了切除范围的问题。

第一方面，本申请实施例提出一种自动水刀优化控制方法，用于水刀***，所述水刀***包括轴向相互平行设置的导鞘、执行器械和内窥镜机构构成的整体器械，其中执行器械包含水刀杆体和用于径向喷射水射流的孔，所述方法包括以下步骤：

确定水射流的规划运动轨迹和规划参数，所述规划参数包括每个运动步长的直线运动起始位置、直线运动停止位置、直线运动速度、旋转运动起始位置、旋转运动停止位置、旋转运动速度；

在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

在本申请的一个实施例中，控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：确定基础角度，按照所述基础角度旋转整体器械。

在本申请的一个实施例中，还包含以下步骤：相对于所述基础角度，进一步确定执行器械旋转角度，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：旋转整体器械，同时以水刀杆体轴向为中心独立旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：旋转整体器械到达一基础角度后，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，在任一运动步长内，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区。优选地，在任一运动步长内，响应于规划的所述旋转运动速度大于设定阈值，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在任一分区内使所述旋转运动速度小于设定阈值。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在一个或多个分区内，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，消除导鞘对所述分区的遮挡。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，相邻的分区具有重叠角。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在至少一个分区内，整体器械不旋转。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在任一步长内，控制所述水射流切割轨迹在所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间连续。

在本申请的一个实施例中，在规划的切割范围未被导鞘遮挡的区域，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，不旋转整体器械；和/或，在规划的切割范围被导鞘遮挡的区域，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，不旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

第二方面，本申请实施例还提出一种自动水刀优化控制装置，用于实现本申请第一方面任意一项实施例所述的方法，所述装置包括执行器械运动模块、整体器械运动模块和运动控制模块；

所述执行器械运动模块，用于驱动执行器械以水刀杆体轴向为中心自旋；

整体器械运动模块，用于驱动整体器械以水刀杆体轴向为中心自旋；

所述运动控制模块，用于确定水射流的规划运动轨迹和规划参数；在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

第三方面，本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面中任一实施例所述的方法。

第四方面，本申请实施例还提出一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请第一方面中任一实施例所述的方法。

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：

可以实现360度无死角的完整切除，在导鞘提供支撑的情况下，导鞘本身不会对水刀的切除范围造成遮挡或阻碍，使得水射流可以实现任意规划角度范围内的切割。

附图说明

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

图1为本申请的水刀***的结构示意图；

图2为本申请的方法实施例流程图；

图3为整体器械的远端部的横截面示意图；

图4为水射流作用范围在导鞘覆盖范围内的场景示意图；

图5为水射流作用范围的一部分在导鞘覆盖范围内的场景示意图；

图6为水射流作用范围的多个部分在导鞘覆盖范围内的场景示意图；

图7为整体器械与执行器械复合运动示意图；

图8为本申请装置的运动控制模块实施例；

图9是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请的水刀***的结构示意图。所述水刀***包括轴向相互平行设置的导鞘、执行器械和可选的内窥镜机构构成的整体器械，其中执行器械包含水刀杆体和用于径向喷射水射流的孔。其中导鞘用于提供手术通道，并提供支撑。传统水刀工作时，通常将导鞘预先***手术区域，导鞘包含MN的直线运动范围，执行器械的直线运动范围最大为WN。

所述水刀***还包括执行器械运动模块、整体器械运动模块，以及可选地还可包括导鞘运动模块、内窥镜运动模块。其中，执行器械运动模块用于驱动执行器械以水刀杆体轴向为中心自旋，以及驱动执行器械沿水刀杆体轴向直线运动。导鞘运动模块用于驱动导鞘沿水刀杆体轴向直线运动，内窥镜运动模块至少能够用于驱动内窥镜沿水刀杆体轴向直线运动。

当满足上述直线方向工作范围的约束后，执行器械在旋转方向的工作范围受导鞘的限制，如图3所示，导鞘位于执行器械的上侧，S、E为导鞘的两侧边界位置，O为水刀杆体轴向中心，执行器械的能量作用范围为向下的扇形SOE区域，向上的扇形SOE区域受导鞘的遮挡，能量无法释放到被作用切割物。

本申请在现有技术基础上，增加整体器械运动模块，所述整体器械运动模块包含控制整体器械（即至少包含导鞘、执行器械的整体器械）至少进行旋转运动的模块，优选地，所述整体器械运动模块可以驱动整体器械以水刀杆体轴向为中心自旋。

所述水刀***还可以包括运动控制模块，本申请提出的所述运动控制模块，用于在任一运动步长内，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘相对于所述水刀杆体对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

图2为本申请的方法实施例流程图。本申请实施例提出一种自动水刀优化控制方法，用于所述水刀***，包括以下步骤10~40：

步骤10、确定水射流的规划运动轨迹和规划参数，规划参数包括每个运动步长的直线运动起始位置、直线运动停止位置、直线运动速度、旋转运动起始位置、旋转运动停止位置、旋转运动速度。

获取水刀的规划运动轨迹，将其转化为运动控制位置轨迹，运动控制位置轨迹由规划参数限定，例如可以用下式表述：

[{stepNO, line_start, line_stop, line_vel, rotate_start, rotate_end,rotate_vel, depth}]

其中，stepNO为步长编号，line_start为执行器械在该步长内的直线运动起始位置，line_stop为执行器械在该步长内的直线运动结束位置，rotate_start为执行器械在该步长内的旋转运动起始位置，rotate_end为执行器械在该步长内的旋转运动停止位置，line_vel为直线运动速度，rotate_vel为旋转运动速度，depth为切除深度。

步骤20、在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区。

在本申请的一个实施例中，在任一运动步长内，响应于规划的所述旋转运动速度大于设定阈值，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在任一分区内使所述旋转运动速度小于设定阈值。在一个步长内，直线运动的位置和直线运动速度，确定了执行该步长的时长，因此，在切除轨迹的旋转运动范围内，根据所述时长，能够确定旋转运动速度。分区后，在每个分区内按照所述时长执行该步长，由于分区使旋转运动范围减小，因此分区内的旋转运动速度减小。

在本申请的一个实施例中，分区与速度无关，无论多少速度都可以进行分区或不分区。速度的影响在于：当规划的速度大于整体器械能达到的最大旋转速度时，不推荐下述的步骤30C，以确保水射流能够按照规划速度完成规划轨迹。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，并且，相邻的分区之间具有重叠角，以确保在对各分区分别执行时分区临界部位的完全切除。

需要说明的是，步骤20不是必需的，在其他实施例中，直接执行步骤30的技术方案。

步骤30、在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

根据规划的运动轨迹中每个运动步长（step）内切割角度与水刀的最大切割范围生成优化的可实现的运动控制位置轨迹：[{stepNO, line_start, line_stop, line_vel,rotate_start’, rotate_end’,base_rotate, rotate_vel, depth}]，其中rotate_start’, rotate_end’,base_rotate的计算方法具体如图4~7的实施例：

base_rotate 为基础角度，表示整体器械运动模块控制整体器械旋转的角度，初始默认值为0，即为垂线CF，垂线CF经过水刀杆体轴向中心O。

以水刀杆体轴向中心O为原点，以射线OC为始边，逆时针方向旋转角为正角，顺时针方向旋转角为负角。

rotate_start’和rotate_end’为水射流相对于base_rotate的旋转起始角度和旋转终止角度。逆时针方向旋转角为相对正角，顺时针方向旋转角为相对负角。

在本申请的一个实施例中，旋转整体器械，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：确定基础角度，按照所述基础角度旋转整体器械。

在本申请的一个实施例中，还包含以下步骤：相对于所述基础角度，进一步确定执行器械旋转角度，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在一个或多个分区内，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，消除导鞘对所述分区的遮挡。

整体器械和执行器械均可以水刀杆体轴向为中心旋转，且二种旋转运动是独立控制的。具体地，整体器械和执行器械可同步旋转如步骤30A，也可异步旋转如步骤30B或步骤30C。

步骤30A、在本申请的一个实施例中，旋转整体器械，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：旋转整体器械，同时水刀杆体轴向为中心独立旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

步骤30B、在本申请的一个实施例中，旋转整体器械，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：旋转整体器械到达一基础角度后，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

步骤30C、在本申请的一个实施例中，旋转整体器械，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：在规划的切割范围未被导鞘遮挡的区域，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，不旋转整体器械；以及在规划的切割范围被导鞘遮挡的区域，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，不旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

进一步地，可以对规划的切割范围进行分区，例如分为被导鞘遮挡的区域、以及未被导鞘遮挡的区域，针对不同的分区，执行不同的控制策略。

步骤40、控制所述水射流切割轨迹在所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间连续。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在至少一个分区内，整体器械不旋转；并且，在一个或多个分区内，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，消除导鞘对所述一个或多个分区的遮挡。此时，多个分区内分别进行运动轨迹规划时，在任一步长内，控制所述水射流切割轨迹在所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间连续。

需要说明的是，步骤40不是必须的。步骤40以步骤20的分区为前提。

优选地，当计算的步长间发生突变时，需要新增残余压力消除的步骤，将水刀执行器械直线方向不更新，旋转方向转回上步已切割的空腔范围，等待时间t，该t通过实验获得，即不同切割深度的残余压力消除时间不同。

图3为整体器械的远端部的横截面示意图，其中远端是指相对更远离操作者、更靠近手术区域的一端。通过本申请的装置和方法，计算SOE扇形区域与垂线CF的角度，垂线CF一般为水刀针对超声探头的初值工作范围（例如，在***切除手术场景下，水刀和超声探头平行，水刀在上，超声探头在下，水刀的喷射孔正对超声探头的线为垂线CF），S、E为导鞘的两侧边界位置，{∠COS，∠COE}可定义在整体器械不旋转的情况下该水刀的最大切割范围。

定义水刀的旋转从rotate_start至rotate_end，即为{rotate_start，rotate_end}限定的角度范围。rotate_start和rotate_end以水刀杆体轴向中心O为原点，以射线OC为始边，逆时针方向旋转角为正角，顺时针方向旋转角为负角。

图4为水射流作用范围在导鞘覆盖范围内的场景示意图。例如，当rotate_start<rotate_end<∠COS时，即规划的水刀切除范围{rotate_start，rotate_end}整***于水刀的最大切割范围外的区域里，即图4中左侧的导鞘遮挡区，此时需要通过控制本专利的整体器械旋转来实现水刀的最大切割范围外区域的切除。

具体地，在一个实施例中，控制整体器械旋转base_rotate，base_rotate =(rotate_start+rotate_end)/2。

base_rotate为基础角度，本机构按照所述基础角度旋转整体器械。由于整体器械旋转，作为整体器械的一部分的执行器械也随之旋转基础角度，为使执行器械实现规划的水射流作用范围，还需更新执行器械的旋转角度，即基于所述基础角度，进一步确定更新的水刀旋转运动起始位置rotate_start’及旋转运动停止位置rotate_end’，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。更新的水刀旋转运动起始位置rotate_start’及旋转运动停止位置rotate_end’是以整体器械的基础角度为基础，即以射线Obase_rotate为始边，确定的水刀旋转的旋转角度。此时为实现该更新的规划范围{rotate_start’，rotate_end’}的切除，可先通过本专利的整体器械旋转机构旋转整体器械到base_rotate位置，再通过水刀旋转机构控制水刀按照更新的rotate_start’及rotate_end’参数完成该范围的切除。其中，rotate_start’=rotate_start-base_rotate，rotate_end’=rotate_end-base_rotate。

需要说明的是，当rotate_start>rotate_end>∠COE时，即规划区域整***于图4中右侧的导鞘遮挡区，此时计算方法与之类似。即控制整体器械旋转base_rotate，base_rotate = (rotate_start+rotate_end)/2，再通过水刀旋转机构控制水刀按照更新的rotate_start’及rotate_end’参数完成该范围的切除。其中，rotate_start’=rotate_start-base_rotate，rotate_end’=rotate_end-base_rotate。

以上仅给出了确定base_rotate的一种实施例，应能理解，base_rotate的确定方式不限于此，只要能够消除导鞘对所述分区的遮挡即可。

图5为规划切除区域的一部分在导鞘覆盖范围内的场景示意图，如图所示，-360°+∠COE<rotate_start<∠COS，且∠COS<rotate_end<∠COE时，即规划的rotate_start位于水刀的最大切割范围外的角SOE范围区域里，此时同样需要通过控制本专利的整体器械机构旋转来实现水刀的最大切割范围外区域的切除。

在一个实施例中，可以对例如未被遮挡区域和被遮挡区域进行合并处理，例如通过控制整体器械旋转的同时，控制水刀旋转，以二者的复合旋转运动实现扩大的切割范围。

在其他实施例中，还可以对规划切割区域进行分区处理，例如将规划切割区域分为未被遮挡区域和被遮挡区域，针对未被遮挡区域和被遮挡区域分别进行不同的控制策略，例如在未被遮挡区域，控制水刀按照原定规划速度执行至边界位置，在被遮挡区域，通过控制整体器械旋转的同时，控制水刀旋转，以二者的复合旋转运动实施切除。

在一个实施例中，当规划的rotate_vel小于整体器械旋转速度的上限值时，可以先控制水刀按照预设的rotate_vel旋转在{rotate_end，∠COS}范围内完成切割动作，在水刀旋转将要抵达导鞘边界位置点S时，控制水刀旋转机构停止旋转，并启动整体器械旋转机构启动旋转，整体器械旋转机构按照预设的rotate_vel旋转直至base_rotate=rotate_start-∠COS，该过程中水刀旋转机构不动作，即rotate_start’=rotate_end’=∠COS，水刀与整体器械同步旋转完成切割。

在另一个实施例中，当规划切除区域的一部分在导鞘覆盖范围内，一部分在最大切割范围内时，需要对规划切除区域进行拆分，即分成切除区域角第一分区(rotate_end,∠COS)及第二分区（∠COS，rotate_start）。

第一分区(rotate_end,∠COS)的基础角度可以取原始位置，即base_rotate=0，rotate_start’ = ∠COS，rotate_end’=rotate_end。

先控制水刀按照预设的rotate_vel旋转在第一分区（rotate_end，∠COS）范围内完成切割动作，在水刀旋转将要抵达导鞘边界位置点S时，控制水刀旋转机构停止旋转，并启动整体器械旋转机构启动旋转至base_rotate=（∠COS+rotate_start）/2。

针对第二分区（∠COS，rotate_start），可以新增一个规划步长，该步长的基础角度以及更新的参数例如为:

base_rotate=（∠COS+rotate_start）/2，

rotate_start’=rotate_start-base_rotate，

rotate_end’=∠COS-base_rotate+delta，

新增的规划步长内，整体器械旋转基础角度base_rotate，水刀按照更新的旋转运动起始位置rotate_start’、以及更新的旋转运动停止位置rotate_end’进行旋转运动；

上式中delta为补偿切割系数，通过设置补偿切割系数实现第一分区和第二分区部分重叠，避免在S处形成一个未切割到的薄壁。

优选的，新增的规划步长Step放到规划末端，如果有多个新增的规划步长Step，将全部新增规划步长合并，待原所有规划步长完成后，再执行新增的规划步长，有利于减少整体器械旋转运动的次数以及确保水射流切割轨迹的连续性。

需要说明的是，当∠COS<rotate_start<∠COE且∠COE<rotate_end<∠COS+360°时，即规划的rotate_end位于水刀的最大切割范围外的角SOE范围区域里，此时计算方法类似。

以上仅给出了确定base_rotate的一种实施例，应能理解，base_rotate的确定方式不限于此，只要能够消除导鞘对所述分区的遮挡即可。例如base_rotate可以确定为base_rotate=rotate_srart-∠COS以获得最小的整体器械旋转角度。

图6为水射流作用范围的多个部分在导鞘覆盖范围内的场景示意图。如图6所示，当rotate_start<∠COS 且rotate_end>∠COE时，可以按如下方式执行：

在一个实施例中，可以对例如未被遮挡区域和被遮挡区域进行合并处理，例如通过控制整体器械旋转的同时，控制水刀旋转，以二者的复合旋转运动实现扩大的切割范围。

在其他实施例中，还可以对规划切割区域进行分区处理，例如将规划切割区域分为未被遮挡区域和两个被遮挡区域，针对未被遮挡区域和两个被遮挡区域分别进行不同的控制策略，例如在未被遮挡区域，控制水刀按照原定规划速度执行至边界位置，在被遮挡区域，通过控制整体器械旋转的同时，控制水刀旋转，以二者的复合旋转运动实施切除。

当采用分区方案时，此时需新增两个分区，具体原理与前述实施例相同。相应地，在采用新增规划步长的方案时，此种情形需要新增两个步长：

新增的第一步长为：取base_rotate1=（∠COS+rotate_start）/2，rotate_start1’=rotate_start-base_rotate1，rotate_end1’=∠COS-base_rotate1+delta。

新增的第二步长为：取base_rotate2=（rotate_end＋∠COE）/2，rotate_start2’= ∠COE-base_rotate2-delta，rotate_end2’ = rotate_end - base_rotate2。

其中delta为补偿切割系数，避免在S和E处形成一个未切割到的薄壁及空腔导致后续可能发生塌陷，同时delta是根据切割角度可变的。原步长更新为base_rotate=0，rotate_start’=∠COS，rotate_end’=∠COE。

优选地，新增的两个Step放到规划末端，待所有原规划步长执行完成后再合并执行新增步长。在对全部新增步长进行合并时，基于减少整体器械旋转运动的次数及幅度之考虑，可针对全部或部分新增步长的base_rotate、rotate_start’、rotate_end’参数进行合并处理，设置为统一的base_rotate，从而能够有效减少动作频率，更好地保护周围切割物。

在图4~6的实施例中，将上述重新计算的规划切割范围计算为电机的实际运动控制轨迹，即每个步长按Z字型实际切割轨迹规划，此时需对每个步长的rotate_start及rotate_end进行判断：

当(rotate_start,rotate_end)在向下的扇形SOE限定区域中时，此时本申请的整体器械在切割过程中无需旋转，保持固定的base_rotate角度即可。

当(rotate_start,rotate_end)不在或部分在向下的扇形SOE限定区域中时，此时本申请的整体器械在切割过程中需要旋转配合水刀执行机构的旋转切割运动以使水刀可以达到规划的切割范围。

图7为整体器械与执行器械复合运动示意图，该实施例中，控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：旋转整体器械，同时以水刀杆体轴向为中心独立旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。如图所示，当整体器械（以ON为基准方向）固定不动时，执行器械（以OM为基准方向）以O为圆心旋转运动产生切除效果，受导鞘SFE的限制，只能在SCE区域内运动。

本实施例中，控制整体器械与执行器械同时旋转，即水刀OM以O为圆心旋转运动的同时，执行器械整体ON也以O为圆心旋转运动，可以扩大单一执行器械旋转切除范围，此时需要满足水射流与切割物接触处产生的切除效果（即水刀末端线速度）与水刀单独运动时的切除效果相同的约束，即整体器械与执行器械复合运动叠加的线速度需要与水刀轴单独运动的线速度相同。当检测到所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内时，控制整体器械和执行器械的两个轴电机在每个同步周期内根据上一周期向电机驱动器发送的电机角速度计算更新两个轴各自的角速度，两轴角速度叠加需满足最终水刀末端的线速度与根据规划时该步长给定的角速度rotate_vel和切割深度depth计算出的水刀末端的线速度相同。

本申请所提供的上述方法在应用于手术场景时，手术规划方案不受限，切除效果得以优化，需要说明的是，本申请的装置和方法流程与手术过程没有必然的关联性，本申请的装置和方法流程关注的是如何排除水刀***的水射流的遮挡，是基于设备自身工况的响应，是不依赖于被切割物的存在而独立工作的，也可用于非手术场景。

图8为本申请装置的运动控制模块实施例。本申请实施例还提出一种自动水刀优化控制装置，用于实现本申请第一方面任意一项实施例所述的方法，所述装置包括执行器械运动模块、整体器械运动模块和运动控制模块。

所述执行器械运动模块，用于驱动执行器械以水刀杆体轴向为中心自旋。

整体器械运动模块，用于驱动整体器械以水刀杆体轴向为中心自旋。

所述运动控制模块，用于确定水射流的规划运动轨迹；在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

在本申请的一个实施例中，还包括导鞘运动模块，所述导鞘运动模块，用于驱动导鞘沿水刀杆体轴向直线运动。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块进一步包含第一获取单元511，用于获取、确定水射流的规划运动轨迹和规划参数，规划参数包括每个运动步长的直线运动起始位置、直线运动停止位置、直线运动速度、旋转运动起始位置、旋转运动停止位置、旋转运动速度。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块进一步包含第一旋转控制单元521，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块进一步包含第一确定单元531，用于确定基础角度，按照所述基础角度旋转整体器械。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块进一步包含第二旋转控制单元522，用于相对于所述基础角度，进一步确定执行器械旋转角度，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，旋转整体器械，同时以水刀杆体轴向为中心独立旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，旋转整体器械到达一基础角度后，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块进一步包含第二确定单元532，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，优选地，在任一运动步长内，响应于规划的所述旋转运动速度大于设定阈值，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在任一分区内使所述旋转运动速度小于设定阈值。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在一个或多个分区内，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，消除导鞘对所述分区的遮挡。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，相邻的分区具有重叠角。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在至少一个分区内，整体器械不旋转。

在本申请的一个实施例中，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在任一步长内，控制所述水射流切割轨迹在所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间连续。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块还包含第一直线控制单元541，用于控制所述内窥镜运动模块，驱动内窥镜沿着水刀杆体轴向直线运动从观察位置到达覆盖孔的位置。

在本申请的一个实施例中，所述运动控制模块还包含第二直线控制单元542，用于控制执行器械运动模块，驱动执行器械沿着水刀杆体轴向直线运动。

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、***、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。而且，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存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请中任一实施例所述的方法。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

进一步地，本申请还提出一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请任一实施例所述的方法。在一个典型的配置中，电子设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能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)。内存是计算机可读介质的示例。

图9是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。所显示的电子设备600仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。其包括：一个或多个处理器620；存储装置610，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器620运行，使得所述一个或多个处理器620实现本申请第一方面任意一项实施例的方法，该方法的步骤如实施例步骤10~30，这里不再赘述。

该电子设备600还包含输入装置630和输出装置640；电子设备中的处理器620、存储装置610、输入装置630和输出装置640可以通过总线或其他方式连接，图中以通过总线650连接为例。

存储装置610作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可运行程序以及模块单元。存储装置610可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储装置610可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储装置610可进一步包括相对于处理器620远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置630可用于接收输入的数字、字符信息或语音信息，以及产生与电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置640可包括显示屏、扬声器等电子设备。

还需要说明的是，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。

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

Claims (13)

1.一种自动水刀优化控制方法，用于水刀***，所述水刀***包括轴向相互平行设置的导鞘、执行器械和内窥镜机构构成的整体器械，其中执行器械包含水刀杆体和用于径向喷射水射流的孔，其特征在于，包括以下步骤：

确定水射流的规划运动轨迹和规划参数，规划参数包括每个运动步长的直线运动起始位置、直线运动停止位置、直线运动速度、旋转运动起始位置、旋转运动停止位置、旋转运动速度；

在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

2.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，

控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：确定基础角度，按照所述基础角度旋转整体器械；

相对于所述基础角度，进一步确定执行器械旋转角度，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

3.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：

旋转整体器械，同时以水刀杆体轴向为中心独立旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

4.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡，进一步包含：

旋转整体器械到达一基础角度后，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

5.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，

在任一运动步长内，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区。

6.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在一个或多个分区内，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，消除导鞘对所述分区的遮挡。

7.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，相邻的分区具有重叠角。

8.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在至少一个分区内，整体器械不旋转。

9.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，对旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间的切割范围分区，在任一步长内，控制所述水射流切割轨迹在所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置之间连续。

10.如权利要求1所述的自动水刀优化控制方法，其特征在于，在规划的切割范围未被导鞘遮挡的区域，以水刀杆体轴向为中心旋转执行器械，不旋转整体器械；和/或，在规划的切割范围被导鞘遮挡的区域，以水刀杆体轴向为中心旋转整体器械，不旋转执行器械，使水射流作用范围覆盖所述旋转运动起始位置和旋转运动停止位置。

11.一种自动水刀优化控制装置，用于实现权利要求1~10任意一项所述的方法，其特征在于，包括执行器械运动模块、整体器械运动模块和运动控制模块；

所述执行器械运动模块，用于驱动执行器械以水刀杆体轴向为中心自旋；

整体器械运动模块，用于驱动整体器械以水刀杆体轴向为中心自旋；

所述运动控制模块，用于确定水射流的规划运动轨迹和规划参数；在任一运动步长内，相对于所述水刀杆体，响应于所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置在导鞘覆盖范围内，以水刀杆体轴向为中心控制整体器械旋转，消除导鞘对所述旋转运动起始位置和/或旋转运动停止位置的遮挡。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-10中任一所述的方法。

13.一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-10中任一所述的方法。