计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统的制作方法

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统。背景技术：2.手术机器人的设计理念是采用微创伤的方式精准地实施复杂的外科手术。在传统的手术操作面临种种局限的情况下发展出现了手术机器人，手术机器人突破了人眼的局限，其能够利用立体成像技术将人体内部的器官更加清晰地呈现给施术者。并且对于一些人的手部无法伸入的狭小区域，手术机器人仍可控制手术器械完成挪动、摆动、夹持及360°转动，并可避免抖动，提高手术精确度，进一步达到创口小、出血少、术后恢复快、极大地缩短手术对象术后住院时间的优势。因此，手术机器人深受广大医患的青睐，广泛应用于各自临床手术中。3.与传统手术一样，在利用手术机器人进行手术之前，需要对病灶进行定位，并根据病灶位置确定打孔点，然后在打孔点进行打孔，进而开展手术操作。用于打孔的打孔装置通常非常的尖锐，且施术者为刺破手术对象体表，通常需要非常用力，因此打孔操作十分依赖施术者的经验，经验不足的施术者在打孔时极易用力过猛而导致打孔装置在穿透体表后刺伤体内组织，给手术对象带来不必要的创伤，影响手术安全。技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统，该将所述计算机可读存储介质应用于手术机器人并用于打孔操作时可在打孔过程中对施术者进行指引，避免打孔装置在穿透体表后刺伤组织，提高手术安全，同时可降低对施术者的经验要求。5.为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，所述程序执行如下步骤：6.根据手术对象体表的第一孔位规划图像获取装置的目标位姿，以使所述图像获取装置处于所述目标位姿时，所述第一孔位位于所述图像获取装置的视野范围内；以及，7.规划所述图像获取装置的运动方案，以使所述图像获取装置从手术对象体表的第二孔位插入手术对象体内后能够按照所述运动方案运动至所述目标位姿。8.可选地，所述程序还执行如下步骤：9.根据所述图像获取装置采集的手术对象体内的第一图像信息建立三维模型；以及，10.根据所述三维模型以及所述图像获取装置处于所述目标位姿时所采集的在所述第一孔位处穿透手术对象体表的打孔装置的打孔末端的第二图像信息获取打孔状态信息，并生成指引信息。11.可选地，所述目标位姿包括第一目标位置和目标姿态；12.所述运动方案至少包括根据所述第二孔位及所述第一目标位置所规划的全局运动路径；当所述图像获取装置沿所述全局运动路径运动时，所述图像获取装置能够抵达所述第一目标位置。13.可选地，当所述全局运动路径上存在障碍物时，所述运动方案还包括根据所述全局运动路径及所述三维模型规划的局部运动路径；所述局部运动路径设置在所述障碍物的边界的外侧，且所述局部运动路径的起始点和终止点均在所述全局运动路径上。14.可选地，所述运动方案还包括根据所述图像获取装置抵达所述第一目标位置时的当前姿态和所述目标姿态所规划的转动方案，以使所述图像获取装置按照所述转动方案运动时能够抵达所述目标姿态。15.可选地，在所述图像获取装置按照所述运动方案运动的过程中，所述程序还执行如下步骤：16.获取所述图像获取装置与目标组织的碰撞力矩，并判断所述碰撞力矩是否大于预设的力矩阈值，若是，则控制所述图像获取装置停止运动，并生成提示信息以提示执行介入操作。17.可选地，在执行介入操作以使所述图像获取装置避开所述目标组织并位于一安全位置后，所述程序还执行如下步骤：18.获取所述全局运动路径上一距离所述安全位置最近的位置作为所述第二目标位置，并驱使所述图像获取装置运动至所述第二目标位置，以使所述图像获取装置回到所述全局运动路径。19.可选地，所述图像获取装置挂载在一图像臂上，所述图像臂上设有关节传感器，所述关节传感器用于获取所述图像臂的实际关节力矩；20.所述程序执行如下步骤以获取所述碰撞力矩：21.接收所述实际关节力矩；22.获取所述图像臂的理论关节力矩；23.计算所述实际关节力矩和所述理论关节力矩的差值以作为所述碰撞力矩。24.可选地，所述图像获取装置挂载在一图像臂上，所述程序在被执行时用于驱使所述图像臂运动以带动所述图像获取装置按照所述运动方案运动并且还用于：25.规划所述图像获取装置的运动轨迹，以得到所述图像获取装置按照所述运动方案运动时的位姿随时间的变化关系，并获取所述图像臂的关节的速度信息、加速度信息和位置信息；26.驱使所述图像臂按照所述速度信息、所述加速度信息及所述位置信息运动，以使所述图像获取装置按照所述运动轨迹运动。27.可选地，所述程序用于根据预定条件选择运动轨迹规划方法。28.可选地，所述预定条件包括时间最优、路径最柔或能量最优中的至少一种。29.可选地，所述程序用于执行如下步骤：30.根据处于第一状态的手术对象的第一体表数据和病灶数据建立第一体征图像模型，以在所述第一体征图像陌上规划第一预孔位和第二预孔位；31.根据处于第二状态的手术对象的第二体表数据和病灶数据建立第二体征图像模型；32.对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行配准，以在所述第二体征图像模型上得到第一目标孔位和第二目标孔位；33.根据所述第一目标孔位规划所述图像获取装置的预定目标位姿，以使所述图像获取装置处于所述预定目标位姿时，所述第二目标孔位处于所述图像获取装置的视野范围内；所述预定目标位姿包括预定目标位置；34.根据所述第二目标孔位和所述预定目标位置规划预定全局运动路径，以使图像获取装置在所述第二目标孔位处插入手术对象体内并沿所述预定全局运动路径运动时能够抵达所述预定目标位置；35.根据所述第二体征图像模型与手术对象的映射关系得到所述第一孔位、所述第二孔位、所述目标位姿及所述全局运动路径。36.可选地，所述程序执行如下步骤：37.根据处于第一状态的手术对象的第一体表数据和病灶数据建立第一体征图像模型，以在所述第一体征图像模型上规划第一预孔位和第二预孔位；38.根据所述第一预孔位规划所述图像获取装置的预定目标位姿，以使所述图像获取装置处于所述预定目标位姿时，所述第一预孔位位于所述图像获取装置的视野范围内；所述预定目标位姿包括预定目标位置；39.根据所述第二预孔位与所述预定目标位置规划预定全局运动路径，以使所述图像获取装置从所述第二预孔位插入手术对象体内的并沿所述预定全局运动路径运动时能够抵达所述预定目标位置；40.根据处于第二状态的手术对象的第二体表信息建立第二体征图像模型；41.对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行配准，并根据配准结果和所述第二体征图像模型与手术对象的映射关系得到所述第一孔位、所述第二孔位、所述目标位姿和所述全局运动路径。42.可选地，所述图像获取装置从所述第二孔位处插入手术对象体内并处于初始位置；43.在执行所述运动方案之前，所述程序还执行如下步骤：44.规划一期望起始位置，并驱使所述图像获取装置从所述初始位置移动至所述期望起始位置；45.驱使所述图像获取装置在所述起始期望位置处旋转预定角度，以获得所述图像获取装置的期望起始姿态；46.驱使所述图像获取装置旋转至所述期望起始姿态；47.所述期望起始位置和所述期望起始姿态是所述图像获取装置按照所述全局运动路径运动时的开始位置和开始姿态。48.可选地，所述打孔装置的打孔末端在所述第一孔位处穿透手术对象体表之后，所述程序还执行如下步骤：49.调整所述图像获取装置的位姿，以使所述打孔末端始终位于所述图像获取装置的视野内。50.可选地，所述打孔状态信息包括所述打孔末端的位置信息和所述打孔末端的速度信息；所述指引信息包括打孔进程信息、碰撞提醒信息及预期打孔方向信息中的至少一者；51.所述程序执行如下步骤：52.根据所述第二图像信息和所述三维模型实时地获取所述打孔末端的位置信息；53.根据所述打孔末端的位置的变化获取所述打孔末端的速度；54.所述程序还执行以下步骤中的至少一者：55.根据所述打孔末端的当前位置信息和预定打孔深度生成所述打孔进程信息；56.根据所述打孔末端的位置信息、所述打孔末端的速度信息以及所述三维模型获取碰撞概率，生成所述碰撞提醒信息；57.根据所述打孔末端的位置信息及所述三维模型获取所述预期打孔方向信息。58.可选地，所述程序执行如下步骤以获取所述碰撞提醒信息：59.根据所述打孔末端的位置信息和所述三维模型得到距离所述打孔装置最近的目标组织；60.计算所述打孔装置与所述目标组织之间的距离；61.根据所述打孔末端的速度信息和所述距离计算碰撞发生时间，并判断所述碰撞发生时间是否大于设定的时间阈值，若否，则判定碰撞概率大，并生成所述碰撞提醒信息。62.可选地，所述程序执行如下步骤以获取所述预期打孔方向信息：63.获取所述目标组织的切平面；64.获取所述打孔装置的打孔末端的方向向量；65.将所述方向向量投影至所述切平面上，并得到所述预期打孔方向信息。66.为实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。67.为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括：68.工具臂，用于连接打孔装置，所述打孔装置包括打孔末端，所述工具臂用于驱使所述打孔末端在手术对象体表的第一孔位处穿透手术对象体表并进入手术对象体内；69.图像臂，用于连接图像获取装置，所述图像臂用于驱使所述图像获取装置在手术对象体表的第二孔位处插入手术对象体内并采集手术对象体内的第一图像信息，以及采集进入手术对象体内的所述打孔末端的第二图像信息；70.控制单元，与所述工具臂和图像臂通信连接，并被配置用于执行如前任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。71.可选地，所述控制单元还用于生成指引信息和/或提示信息，所述提示信息用于提示介入操作；72.所述手术机器人系统还包括提示单元，与所述控制单元通信连接，并被配置用于接收所述指引信息并进行指引和/或接收所述提示信息以提示介入操作。73.可选地，所述手术机器人系统还包括所述打孔装置，所述打孔装置的所述打孔末端上设有标记物，所述图像获取装置用于识别所述标记物并获取所述打孔末端的所述第二图像信息。74.可选地，所述手术机器人系统还包括所述图像获取装置，所述图像获取装置为可控弯型图像获取装置或不可控弯型图像获取装置。75.与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统具有如下优点：76.前述的计算机可读存储介质上存储有程序，当所述程序被执行时执行如下步骤：根据手术对象体表的第一孔位规划图像获取装置的目标位姿，以使所述图像获取装置处于所述目标位姿时，所述第一孔位位于所述图像获取装置的视野范围内；以及，规划所述图像获取装置的运动方案，以使所述图像获取装置从手术对象体表的第二孔位插入手术对象体内后能够按照所述运动方案运动至抵达所述目标位姿，以使所述图像获取装置可用于对打孔进程进行监控和/或指引。将所述计算机可读存储介质应用于手术机器人系统并采用所述手术机器人系统执行打孔操作时，可在打孔前通过对图像获取装置的目标位姿和运动方案进行规划，并使得所述图像获取装置按照运动方案运动至所述目标位姿，之后可开始打孔，并利用所述图像获取装置监视打孔操作，且对打孔操作进行指引，避免打孔装置的打孔末端刺伤组织，提高打孔安全性，也降低对施术者的经验要求。附图说明77.附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：78.图1是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的应用场景示意图；79.图2是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在手术对象体表打孔时的示意图；80.图3是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的打孔装置的结构示意图；81.图4是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元规划的全局运动路径的示意图，图示中的全局运动路径上没有障碍物；82.图5是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元规划的全局运动路径和局部运动路径的示意图；83.图6是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在打孔时的指引方法的流程图；84.图7是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在规划目标位姿和全局运动路径时的流程图；85.图8是本发明根据一实施例中利用第一影像设备获取手术对象的第一体表数据和病灶数据的示意图；86.图9是本发明根据一实施例中利用第二影像设备获取手术对象的第二体表数据的示意图；87.图10是本发明根据一实施例中手术对象体表的靶标及控制单元建立映射关系时的示意图；88.图11是本发明根据替代性的实施例所提供的手术机器人系统的控制单元规划目标位姿和全局运动方案时的流程图；89.图12是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元采用s型轨迹规划方法规划内窥镜的运动轨迹时的内窥镜的位置、速度、加速度、加速度随时间的变化关系图；90.图13是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的内窥镜的结构示意图，图示中的内窥镜为直管型内窥镜；91.图14是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的内窥镜的结构示意图，图示中的内窥镜为可弯曲型内窥镜；92.图15是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的内窥镜的双目相机成像原理示意图；93.图16是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元根据第一图像信息建立三维模型的流程图；94.图17是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统获取内窥镜的碰撞力矩的原理图；95.图18是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统获取打孔进程的流程图；96.图19是本发明根据一实施例所提供的的手术机器人系统获取碰撞提醒信息和预期打孔方向的流程图；97.图20是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元获取目标组织的切平面时的示意图；98.图21是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元获取预期打孔方向的示意图；具体实施方式99.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。100.另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。101.如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。102.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均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例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。103.图1示出了本发明的手术机器人系统的应用场景示意图，图2示出了所述手术机器人系统在手术对象体表进行打孔时的示意图。请参考图1及图2，所述手术机器人系统包括控制端和执行端，所述控制端包括医生控制台和设置在所述医生控制台上的医生控制装置10。所述执行端包括患者端控制装置、手术操作装置20、图像显示装置30等设备。其中，所述手术操作装置上挂载有图像臂21和工具臂22。所述图像臂21用于挂载图像获取装置，所述图像获取装置用于获取感兴趣的区域或装置的图像信息(例如后文中述及的第一图像信息、第二图像信息等)。所述图像获取装置例如是内窥镜300。所述工具臂22用于挂载一打孔装置100(如图2所标识)或者手术器械，所述打孔装置100的打孔末端，例如锥形尖端110(如图3所示)用于在手术对象体表的第一孔位m处穿透手术对象体表以实现打孔操作。此外，所述手术机器人系统还包括一控制单元(图中未示出)，所述控制单元与所述内窥镜300及所述图像臂21通信连接。本发明实施例中对所述控制单元的具体设置方式不作限定，在一些实施例中，所述控制单元可整体设置在患者端控制装置处，或整体设置在医生端控制装置处，或者一部分地设置在所述患者端控制装置处，另一部分设置在所述医生控制端处，只要其能够执行相应功能即可。104.利用所述手术机器人系统在所述第一孔位m处打孔之前，所述控制单元被配置用于根据所述第一孔位m规划所述内窥镜300的目标位姿，以使所述内窥镜300处于所述目标位姿时，所述第一孔位m位于所述内窥镜300的视野范围s内。规划所述内窥镜300的运动方案，并在所述内窥镜300从手术对象体表的第二孔位处插入手术对象体内后驱使所述内窥镜300按照所述运动方案运动至抵达所述目标位姿。如此，所述内窥镜300可用于对在所述第一孔位m处执行的打孔操作进行监控和/或指引。105.具体来说，所述内窥镜300可在运动过程中以及抵达所述目标位姿后采集手术对象体内的目标区域的第一图像信息，所述控制单元还被配置用于根据所述第一图像信息建立所述目标区域的三维模型。106.之后，所述控制单元被配置用于驱使所述工具臂22运动，以带动所述打孔装置100运动，并使所述打孔装置100的锥形尖端110在所述第一孔位m处穿透手术对象体表以实现打孔操作。在此过程中，所述内窥镜300还获取所述锥形尖端110在穿透手术对象体表后的第二图像信息，同时所述控制单元还被配置用于根据所述三维模型及所述第二图像信息获取打孔状态信息，并生成指引信息，以指引打孔操作。107.通过在打孔前规划所述内窥镜300的目标位姿，并使所述内窥镜300运动至所述目标位姿，且在打孔前根据手术对象体内的目标区域的第一图像信息建立三维模型，这样一来，一旦所述打孔装置100的所述锥形尖端110穿透患体表，所述内窥镜300可立即获取所述锥形尖端110的所述第二图像信息，从而可结合所述三维模型实时监控打孔状态，并对打孔过程进行指引，避免所述锥形尖端110刺伤人体组织，降低手术对施术者的经验的依赖，提高手术安全性，缩短手术时间，降低施术者的疲劳程度。本实施例中，所述“目标区域”根据具体的手术来确定，例如在腹腔镜手术中，所述目标区域即是指腹腔，在胸腔镜手术中，所述目标区域即是胸腔，后文中以腹腔镜手术中腹腔为所述目标区域为例进行说明。108.较佳地，本实施例中，如图3所示，所述锥形尖端110的表面上可设置标记物111，所述标记物111可被所述内窥镜300识别，以便于所述内窥镜300获取所述锥形尖端110的所述第二图像信息，所述标记物111例如是涂覆在所述锥形尖端110表面的反光材料或发光体等。进一步地，如图4所示，所述目标位姿包括第一目标位置和目标姿态，所述运动方案至少包括根据所述第二孔位及所述第一目标位置所规划的全局运动路径l1。可理解，所述全局运动路径l1的终止点为所述第一目标位置，所述全局运动路径l1的起始点根据具体情况确定，其可以是所述第二孔位，也可以是与所述第二孔位相关联的其他位置，本发明对此不作限定，只要所述内窥镜300在插入手术对象腹腔后并沿所述全局运动路径l1移动时能够使所述内窥镜300到达所述第一目标位置即可。还需要说明的是，所述全局运动路径l1根据所述第二孔位及所述第一目标位置规划，并不表示在规划之前所述第二孔位就已经确定，而是表示所述全局运动路径与所述第二孔位相关联，例如其可以起始于所述第二孔位。实际中，所述第二孔位可以在所述全局运动路径l1规划以前就已经确定，也可以在确定所述全局路径l1的同时确定所述第二孔位。109.因此，在所述内窥镜300插入手术对象腹腔之后，所述控制单元驱使所述图像臂21运动以带动所述内窥镜300沿所述全局运动路径l1移动。本领域技术人员知晓，所述图像臂21包括至少一个关节。较佳地，在所述内窥镜300沿所述全局运动路径l1移动之前，所述控制单元还被配置用于规划所述内窥镜300的运动轨迹，即对所述全局运动路径l1加以时间约束，并得到所述内窥镜300沿所述全局运动路径l1移动时，所述内窥镜300的位姿随时间的变化关系，并进一步通过机械臂逆运动学解算得到得到所述图像臂21的关节的速度、加速度及位置随时间的变化关系，也即得到图像臂的速度信息、加速度信息及位置信息，从而所述控制单元通过控制所述图像臂21的各个关节按照所述速度信息、所述加速度信息及所述位置信息运动。110.在一些实施例中，如图4所示，所述全局运动路径l1完全避开人体组织，以使所述内窥镜300可直接沿所述全局运动路径l1移动至所述目标位置。但在另一些实施例中，如图5所示，所述全局运动路径l1穿过部分人体组织，那么该部分人体组织构成阻碍所述内窥镜300沿所述全局运动路径运动的障碍物p。也就是说所述全局运动路径l1上有障碍物，此时，应使所述内窥镜300暂时偏离所述全局运动路径l1直至避开所述障碍物p。故而，所述运动方案还包括根据所述全局运动路径l1及所述三维模型所规划的局部运动路径l2,所述局部运动路径l2设置在所述障碍物p的边界的外侧，且所述局部运动路径l2的起始点和终止点均在所述全局运动路径l1上，这样当所述内窥镜300沿所述局部运动路径l2移动以偏离所述障碍物p后，又重新回到所述全局运动路径l1上。111.当所述内窥镜300移动至所述第一目标位置时，若所述内窥镜300恰好处于所述目标姿态，则所述第一孔位m在所述内窥镜300的视野范围s内。但是若所述内窥镜300到达所述第一目标位置时，所述内窥镜300此时的当前姿态偏离所述目标姿态，那么所述运动方案还包括转动方案，以使所述内窥镜300按照所述转动方案转动至所述目标姿态。换言之，在规划所述运动方案并驱使所述内窥镜按照所述运动方案运动时，所述控制单元还被配置用于在所述内窥镜300到达所述第一目标位置时根据所述当前姿态和所述目标姿态规划所述转动方案，并驱使所述内窥镜300按照所述转动方案转动至所述目标姿态。其中，所述转动方案包括所述内窥镜300绕所述第二孔位的转动方向和转动角度。112.通常所述内窥镜300从所述第二孔位处被插入腹腔内的一初始位置处，该初始位置通常是随机的，其可能并不在所述全局运动路径l1上，且所述内窥镜300的初始位姿也可能不适合使其沿所述运动方案运动，因此在所述控制单元驱使所述图像臂21运动以带动所述内窥镜300按照所述运动方案运动之前，所述控制单元还被配置为规划一期望起始位置，并驱使所述内窥镜300从所述初始位置移动至所述期望起始位置，并在所述内窥镜300抵达所述期望起始位置之后驱使所述内窥镜300旋转预定角度以获取所述内窥镜300的期望起始姿态；驱使所述内窥镜300旋转至所述期望起始姿态。所述期望起始位置和所述期望起始姿态，也即期望起始位姿是所述内窥镜300按照所述运动方案开始运动时的一个较好姿态。所述期望起始位姿由医生根据实际情况确定。113.如此一来，如图6所示，在一个示范性的实施方式中，利用所述手术机器人系统在手术对象体表的第一孔位m处打孔时可包括如下步骤：114.步骤s10：所述控制单元规划所述内窥镜的所述目标位姿和所述全局运动路径和所述期望起始位置。115.步骤s20：所述控制单元规划所述内窥镜沿所述全局运动路径移动时的运动轨迹。116.步骤s30：将所述内窥镜从手术对象体表的第二孔位处插入手术对象腹腔。117.步骤s40：所述控制单元驱使所述图像臂运动，并确定所述期望起始姿态且使所述内窥镜抵达所述期望起始位姿。此过程中所述内窥镜可采集腹腔内的第一图像信息。118.步骤s50：所述控制单元根据所述内窥镜所采集的腹腔的第一图像信息建立所述三维模型。119.步骤s60：所述控制单元驱使所述图像臂运动，以带动所述内窥镜移动至所述目标位姿。本步骤中，所述内窥镜从所述初始位姿开始按照所述运动轨迹沿所述全局运动路径运动，若所述内窥镜在移动过程中始终未遇到所述障碍物，则所述控制单元驱使所述内窥镜一直按照所述运动轨迹沿所述全局运动路径移动，直至到达所述目标位置。若所述全局运动路径上有至少一个所述障碍物，则当所述内窥镜遇到所述障碍物时，所述控制单元根据所述三维模型及所述全局运动路径建立所述局部运动路径，并驱使所述内窥镜沿所述局部运动路径移动以避开所述障碍物，且所述内窥镜在避开所述障碍物后回到所述全局运动路径并继续运动，直至到达所述目标位置。120.步骤s70：所述控制单元规划所述转动方案，并驱使所述内窥镜按照所述转动方案转动至所述目标姿态。121.步骤s80：利用所述打孔装置在所述第一孔位处打孔，并且所述内窥镜在所述锥形尖端穿透手术对象体表后采集所述锥形尖端的所述第二图像信息。122.步骤s90：所述控制单元根据所述第二图像信息和所述三维模型获取打孔状态信息，并生成指引信息以指引打孔，直至当前的孔成型。123.本领域技术人员可理解，在一次腹腔镜手术中可能需要在手术对象的腹腔上的多个第二孔位处打孔，本实施例的所述步骤s10中，所述控制单元可一次性地针对每一个第二孔位规划所述内窥镜300针对各个第二孔位的目标位姿、所述全局运动路径l1及所述第二运动方案。以及，在所述步骤s20中对所述内窥镜300的每一个所述全局运动路径进行运动轨迹的规划。因此，在一个第二孔位的打孔操作结束之后，施术者可使所述内窥镜300返回至所述预定位置(即所述内窥镜最初插入腹腔时的位置)，该过程可采用任何合适的方法执行，例如将所述内窥镜300收回至戳卡中。之后再重复执行所述步骤s40至所述步骤s90，直至所有的打孔操作结束。124.此外，在其他实施例中，所述期望起始位置可在所述步骤s30中规划，所述步骤s20与所述步骤s30的顺序可互换，所述步骤s40与所述步骤s50的顺序也可互换，或者根据实际情况，所述步骤s50也可以与所述步骤s60同步执行，还可以在所述步骤s60之后执行。详细来说，当所述全局运动路径l1上有所述障碍物时，所述三维模型只要在规划所述局部运动路径l2之前建立即可，例如可以是所述内窥镜移动过程但未遇到所述障碍物之前建立。当所述全局运动路径l1上没有障碍物时，那么所述三维模型只要在所述打孔装置100的所述锥形尖端110穿透手术对象体表之前建立即可。另外，所述内窥镜300也可以在沿所述全局运动路径l1、沿所述局部运动路径l2及抵达所述目标位置之后采集所述第一图像信息，以使所述控制单元可根据所述第一图像信息对所述三维模型进行更新。125.接下去，本文将对手术机器人系统进行打孔时的各个步骤的实现方式作详细介绍。126.图7示出了一个非限制性的实施例中所述控制单元在规划所述目标位姿及所述全局运动路径l1时的流程图，如图7所示，所述目标位姿及所述全局运动路径l1的规划方法包括：127.步骤s11：所述控制单元根据处于第一状态的手术对象的第一体表数据和病灶数据建立第一体征图像模型。128.步骤s12：在所述第一体征图像模型上规划第一预孔位和第二预孔位。本实施例中，所述第一预孔位可由所述控制单元通过三维仿真模拟手术对象体征，并结合工具臂的模型进行模拟打孔，且结合工具臂工作空间和碰撞安全性的方式得到。或者，在替代性的实施例中，所述第一预孔位和所述第二预孔位可由施术者根据经验确定，之后再通过所述控制单元进行模拟打孔，以验证所述预置打孔点的位置是否合适。129.步骤s13：所述控制单元规划预定目标位姿，以使所述内窥镜处于所述预定目标位姿时，所述第一预孔位在所述内窥镜的视野范围内，所述预定目标位姿包括预定目标位置和预定目标姿态。130.步骤s14：所述控制单元根据所述第二预孔位和所述预定目标位置规划预定全局运动路径，以使所述内窥镜在从所述第二预孔位插入手术对象的腹腔并沿所述预定全局运动路径运动时能够到达所述预定目标位姿。131.步骤s15：所述控制单元根据处于第二状态的手术对象的第二体表信息建立第二体征图像模型。132.步骤s16：对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行图像配准，根据配准结果将基于所述第一体征图像模型的所述第一预孔位、所述第二预孔位、所述预定目标位姿及所述预定全局路径映射至所述第二体征图像模型上，再根据所述第二体征图像模型与手术对象的映射关系，得到所述第一、所述第二孔位、所述目标位姿和所述全局运动路径。133.如图8所示，所述第一体表数据和所述病灶数据由第一影像设备400获取，所述第一影像设备400可包括mri、ct或其他x射线装置，只要其能够同时扫描手术对象体表特征和病灶特征即可。如图9所示，所述第二体表数据由第二影像设备500采集，所述第二影像设备包括但不限于3d视觉系统。134.当手术对象分别处于所述第一状态和所述第二状态时，手术对象的体位存在差异。通常，所述第一状态是指手术对象在确诊阶段的状态，所述第二状态是指手术对象处于术前准备时的状态。在腹腔镜手术中，所述第一状态是指手术对象气腹前的状态，所述第二状态是手术对象建立气腹后的状态。本实施例中，所述控制单元先建立气腹前的第一体征图像模型，并在第一体征图像模型上规划所述第一预孔位、所述第二预孔位、所述预定目标位姿及所述预定全局运动路径，再建立气腹后的第二体征图像模型，并对两种体征图像模型进行配准，从而根据配准结果对所述第一预孔位、所述第二预孔位、所述预定目标位姿及所述预定全局运动路径进行校准，并映射至手术对象身体上得到实际的所述第一孔位、所述第二孔位、所述目标位姿及所述运动方案全局运动路径。本领域技术人员可理解，在其他手术中或其他环境下，所述第一状态和所述第二状态的区别也可能是由于手术对象憋气、饱食、排便等原因引起的不同状态。此外，所述步骤s15可在所述步骤s11与所述步骤s12之间执行。135.实践中，所述第一影像设备400、所述第二影像设备500、所述患者端控制装置及手术对象处于不同的坐标系中，但对于本领域技术人员而言，可采用常规方法在不同坐标系之间建立映射关系。在一个具体实施例中，如图8至图10所示，所述第二影像设备采集所述第二体表数据时，手术对象的体表分布有多个靶标1，所述靶标1可以是包括反光球的光学定位装置。多个所述靶标1的位置由施术者标定，并根据多个所述靶标1的位置建立第一坐标系f1(即手术对象坐标系)。所述第二影像设备500在第二坐标系f2内，所述第二影像设备500通过获取所述靶标1的坐标以作为所述第二体表数据，由此可知所述第二坐标系f2与所述第一坐标系f1的映射关系。所述第一影像设备400在第三坐标系f3内，在步骤s16中，通过图像配准可得到所述第二坐标系f2与所述第三坐标系f3的映射关系，进而可得到所述目标打孔位置在所述第一坐标系f1内的位置。所述患者端控制装置在第四坐标系f4内，在世界坐标系f0中可直接获取所述第四坐标系f4与所述第一坐标系f1的映射关系。由此可建立各个坐标系之间的转换关系，以得到各个坐标系之间的映射关系。136.在另一个可选的实现方式中，所述控制单元还可在所述第二体征图像模型上规划所述预定全局运动路径。在该实施例中，如图11所示，所述控制单元针对所述第一孔位、所述第二孔位、所述目标位姿及所述全局运动路径的规划方法包括：137.步骤s11’：根据处于第一状态的手术对象的第一体表数据和病灶数据建立所述第一体征图像模型。138.步骤s12’：在所述第一体征图像模型上规划所述第一预孔位和所述第二预孔位；139.步骤s13’：根据处于第二状态的手术对象的第二体表数据和病灶数据建立所述第二体征图像模型。140.步骤s14’：对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行配准，并根据配准结果将基于所述第一体征图像模型的所述第一预孔位和所述第二预孔位转换为基于所述第二体征图像模型的第一目标孔位和第二目标孔位。141.步骤s15’：所述控制单元根据所述第一目标孔位规划所述内窥镜的预定目标位姿，以使所述内窥镜处于所述预定目标位姿时，所述第一目标孔位在所述内窥镜的视野范围内。所述预定目标位姿包括预定目标位置。142.步骤s16’：所述控制单元根据所述第二目标孔位和预定目标位置规划预定全局运动路径，以使所述内窥镜在所述第二目标孔位插入手术对象的腹腔，并按照所述预定全局运动路径运动时能够到达所述预定目标位置。143.步骤s17’：所述控制单元根据所述第二体征图像模型与手术对象的映射关系得到所述第一孔位、所述第二孔位、所述目标位姿和所述全局运动路径。144.其中，所述步骤s12’和所述步骤s13’的顺序可互换。145.此外，在所述步骤s10中，当所述全局运动路径l1的起始点为所述第二孔位时，所述期望起始位置可以位于所述第二孔位处。如此，所述内窥镜300可从所述初始位置沿朝向体外的方向回撤至所述第二孔位处。通常，所述第二孔位处设置有戳卡，当所述内窥镜300回撤至所述第二孔位处时，所述内窥镜300实际上是回撤至所述戳卡内。此外，在所述步骤s30中，所述内窥镜300在所述期望起始位置选择预定角度并确定所述期望起始姿态时，所述预定角度通常是所述内窥镜300的最大旋转角度。运动方案所述内窥镜300从所述初始位置及相应的初始姿态(该初始姿态是随机的)运动至所述期望起始位姿的过程实际是一种安全启动方案，以使所述内窥镜300可以所述期望起始位姿顺利地开始执行所述运动方案，避免所述内窥镜300因初始位姿不佳导致无法执行所述运动方案的问题。146.在所述步骤s20，所述运动轨迹的规划就是对所述全局运动路径增加时间约束。即，所述控制单元首先规划所述内窥镜300沿所述全局运动路径l1过程中所述内窥镜300的位置与时间的关系，然后进行时间插补，得到所述内窥镜300的位置信息、速度信息和加速度信息，再经机械臂逆运动学解算得到所述图像臂21的关节的相应信息。本实施例中，所述控制单元可采用s型轨迹规划法、三角函数轨迹规划法、多项式轨迹规划法、指数函数轨迹规划法、梯形轨迹规划法、样条规划等多种方式中的任意一种进行运动轨迹的规划。下面以采用s型轨迹规划法进行运动轨迹规划为例进行说明，图11示出了s型轨迹规划方法中速度vel、加速度acc、加加速度jer及位置pos随时间的变化关系。147.在s型轨迹规划方法中，所述内窥镜300的运动被划分为七个部分，分别是加加速段、匀加速段、减加速度段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速度段。其中，人为设定整个运动过程中，所述内窥镜300的最大速度为vmax，最大加速度为amax，这样结合所述内窥镜300的位置与时间的关系，便可获得在运动的各个时间点所述内窥镜300的速度信息和加速度信息(其中对速度进行积分所得的是位置)。148.优选地，所述控制单元可根据预定条件规划合适的轨迹规划方法，所述预定条件是由施术者根据实际情况来确定的。例如所述预定条件包括时间最优、路径最柔或能量最优中的任一种，其中所述时间最优可以是指运动时间最合适，所述内窥镜300的运动时间不会太长而增加手术时间，也不会太短导致运动速度过快。所述路径最柔可以是指运动过程中所述内窥镜300对人体组织的碰撞最少。所述能量最优可以是提供给所述图像臂21的动力最少等。149.接着，施术者将所述内窥镜300从所述第二孔位处插入手术对象的腹腔内的预定位置，并使所述内窥镜300采集腹腔的第一图像信息。150.请参考图13和图14，所述内窥镜300包括镜臂310和图像采集元件320，所述镜臂310的近端与所述图像臂200连接，所述图像采集元件320设置在所述镜臂310的远端。本实施例中，所述内窥镜300可以是如图13所示的直管型的内窥镜，此时所述镜臂310为刚性臂，不可发生弯曲变形。或者，所述内窥镜300是如图14所示的可弯曲内窥镜，此时所述镜臂310包括依次连接的第一刚性段311、可控弯曲段312和第二刚性段313，所述图像采集元件320设置在所述第二刚性段313的远端。所述可控弯段312包括蛇骨，并且所述内窥镜300还包括设置在所述镜臂310内的拉绳，通过控制所述拉绳的回收与释放来实现所述内窥镜300的弯曲与伸直。对于可弯曲的所述内窥镜300而言，所述运动方案中的旋转角度包括所述内窥镜300绕其轴线的自转角度，也包括所述可控弯段312的弯曲角度。不论是直管型的所述内窥镜300还是可弯曲型的所述内窥镜300，其都是现有技术，因此所述内窥镜300的其他详细结构，此处不作赘述。另外，所述“近端”、“远端”是从使用所述内窥镜300的施术者的角度来看所述内窥镜300上的元件相对于彼此的相对位置、相对方向，尽管“近端”、“远端”是非限制性的，但此处“远端”是指所述内窥镜300首先插入手术对象体内的一端，“近端”是远离手术对象体内的一端。151.本实施例中，所述内窥镜300的所述图像采集元件320是双目相机，图15示出了所述双目相机的成像原理。152.如图15所示，所述双目相机包括第一相机321和第二相机322，所述第一相机321采集第一子图像信息，所述第二相机322采集第二子图像信息。所以，所述步骤s30包括所述第一相机321采集所述第一子图像信息，同时所述第二相机322采集所述第二子图像信息。图示中f为相机焦距、b为所述第一相机和所述第二相机的基线、p(x、y、z)为被拍摄的空间点的坐标。那么，f、b及p(x、y、z)满足如下关系：[0153][0154][0155][0156][0157]本领域技术人员可理解，在替代性的实施例中，所述图像采集元件320还可以是激光扫描器或3d结构光相机。[0158]由此，如图16所示，所述控制单元执行所述步骤s50以建立所述三维模型时，可包括：[0159]步骤s51：所述控制单元从所述第一子图像信息和所述第二子图像信息上提取特征点。[0160]步骤s52：所述控制单元对所述第一子图像信息和所述第二子图像信息上的特征点进行配对，以组成特征点对。[0161]步骤s53：控制单元根据对极线约束将所述特征点对定位到相机坐标系下的三维空间位置。由于所述内窥镜被所述图像臂带动运动，因此，所述相机坐标系在控制单元的坐标系下的位置可根据所述图像臂正运动学和预先标定的相机坐标系参数计算得到。在对所有的特征点进行定位后得到特征点的点云模型。[0162]步骤s54：所述控制单元根据所述点云模型建立所述三维模型。[0163]接着，所述控制单元执行所述步骤s60和所述步骤s70，以使所述内窥镜300按照所述运动方案从所述初始位姿运动至所述目标位姿。[0164]进一步地，在执行所述步骤s60时，即使所述人体组织未构成前述的障碍物p，但所述内窥镜300的局部位置仍可能会碰撞人体组织而有可能对人体组织造成伤害。因此，所述控制单元还被配置用于在所述内窥镜300的运动过程中获取所述内窥镜300与人体组织的碰撞力矩，并判断所述碰撞力矩是否大于预设的力矩阈值，若是，则控制所述图像臂21停止运动以使所述内窥镜停止运动，并生成提示信息以提示介入操作。这里所述的“介入操作”例如可以是人工操作，具体可包括人工将所述内窥镜300收入戳卡中，并移动所述图像臂21以带动所述内窥镜300避开所述人体组织，之后再将所述内窥镜300伸出所述戳卡，并使所述内窥镜300位于一安全位置，该安全位置由医生根据实际情况确定，其可能在所述全局运动路径l1之外，也可能在所述全局运动路径l1上。[0165]可选地，所述控制单元获取所述碰撞力矩的原理如图17所示，所述图像臂21上设置有关节传感器210，所述关节传感器210与所述控制单元通信连接，以用于获取所述图像臂200的实际关节力矩，并将所述实际关节力矩传输至所述控制单元。所述控制单元被配置用于接收所述实际关节力矩，并根据机械臂动力学计算所述图像臂21的理论关节力矩，再计算所述实际关节力矩与所述理论关节力矩的差值以作为所述碰撞力矩。优选地，所述控制单元还包括低通滤波器601，以对理论关节力矩和实际关节力矩进行滤波。在替代性的实施例中，所述碰撞力矩还可以通过所述图像臂21上的关节的实际位置与设定位置的偏差来获得，或者，通过运动学obb方法及动量观测器碰撞检测方法获得，本实施例对此不作限定。[0166]当所述内窥镜300处于所述安全位置之后且所述安全距离位于所述全局运动路径l1之外时，所述控制单元还执行如下步骤以使所述内窥镜300回到所述全局运动路径l1：[0167]获取所述全局运动路径上距离所述安全位置最近的位置以作为第二目标位置。驱使所述图像臂21带动所述内窥镜300运动至所述第二目标位置。之后所述控制单元继续驱使所述内窥镜300沿所述全局运动路径运动。[0168]当所述内窥镜300运动至所述目标位姿后，施术者可开始打孔。当所述打孔装置100的所述锥形尖端110穿透手术对象体表进入腹腔时，所述内窥镜300开始采集所述锥形尖端110的第二图像信息。如前文所述的，当所述内窥镜300处于所述目标位姿时，所述打孔点m位于所述内窥镜300的视野范围内，因此，一旦所述锥形尖端110穿透体表，所述内窥镜300可立即识别所述锥形尖端110以采集所述第二图像信息。但是随着打孔进程的推进，所述打孔装置100进入腹腔的部分越来越多，若所述内窥镜300始终保持在所述目标位姿，则所述锥形尖端110有可能运动至所述内窥镜300的视野范围之外。为解决此问题，在所述步骤s80中，所述控制单元还执行如下步骤：调整所述内窥镜300的位姿，以使所述锥形尖端110始终位于所述内窥镜300的视野范围内。具体可通过视觉伺服的方法来调整。若通过所述控制单元也无法调整所述内窥镜300以使所述锥形尖端110始终保持在所述内窥镜300的视野范围内时，则需要停止打孔，然后由施术者人工调节所述内窥镜300的位姿。[0169]在所述步骤s90中，所述控制单元获取的所述打孔状态信息包括所述锥形尖端110的位置和所述锥形尖端110的速度。所述指引信息包括打孔进程、碰撞提醒和预期打孔方向中的至少一者。[0170]所述控制单元被配置用于根据所述第二图像信息和所述三维模型获取所述锥形尖端110的位置。根据所述锥形尖端110的位置的变化获取所述锥形尖端110的速度。根据所述锥形尖端110的所述位置和预定打孔深度获取所述打孔进程。根据所述锥形尖端110的位置、所述锥形尖端110的速度以及所述三维模型获取碰撞概率，并生成碰撞提醒。根据所述锥形尖端110的位置及所述三维模型获取所述预期打孔方向。[0171]其中，如图18所示，获取所述打孔进程的方法包括：[0172]步骤s91：所述控制单元根据所述锥形尖端的位置获取当前打孔深度z1。[0173]步骤s92：所述控制单元比较所述当前打孔深度z1与预期打孔深度z0，得到两者的比值，以作为所述打孔进程。[0174]如图19所示，获取所述碰撞提醒的方法包括如下步骤：[0175]步骤s93：所述控制单元根据所述锥形尖端的位置和所述三维模型得到距离所述打孔装置最近的目标组织。[0176]步骤s94：所述控制单元计算所述目标组织与所述打孔装置的距离。[0177]步骤s95：所述控制单元根据所述锥形尖端的速度和所述距离计算碰撞发生时间t，本实施例中，所述锥形尖端的速度为v1，所述距离为d，则所述碰撞发生时间t满足：t＝d/v1。[0178]步骤s96：所述控制单元判断所述时间t是否大于设定的时间阈值t0，若否，则判定碰撞概率大，并生成所述碰撞提醒，若是，则判定碰撞概率小，且不生成所述碰撞提醒。[0179]通常，在所述控制单元判定碰撞概率大之后，才会生成预期打孔方向，而在碰撞概率小时，无需生成预期打孔方向。请继续参考图19，并结合图20和图21，所述控制单元生成所述预期打孔方向的方法如下：[0180]步骤s97：所述控制单元获取所述目标组织的切平面q，以及所述锥形尖端110的方向向量[0181]步骤s98：所述控制单元将所述方向向量投影至所述目标组织的切平面q上，以得到所述预期打孔方向向量[0182]本领域技术人员可理解，本实施例中所述控制单元可以只建立一次所述三维模型，此时所述三维模型是腹腔的全局三维模型，其既用于所述步骤s60中规划所述局部运动路径，也用于所述步骤s90中获取所述打孔状态信息及指引信息。但在替代性的实施例中，所述控制单元可多建立次三维模型，具体来说，所述控制单元可先根据所述第一图像信息建立所述障碍物区域的局部三维模型，该局部三维模型用于所述步骤s60中规划所述局部运动路径，之后，所述控制单元可再根据所述第一图像信息建立腹腔的全局三维模型，以用于所述步骤s90中获取所述打孔状态信息和所述指引信息。[0183]进一步地，所述手术机器人系统还包括提示装置，所述提示装置用于与所述控制单元通信连接，以接收所述指引信息以及前述的提示信息，并进行相应的提示。可选地，所述提示装置可以有多种选择，例如所述指引装置可包括蜂鸣报警器，通过蜂鸣报警来提示所述碰撞提醒。所述提示装置还可包括语音提示装置，用于播报所述碰撞提醒、所述打孔进程及所述预期打孔方向。所述提示装置还可包括显示装置，用于通过文字、图像显示所述碰撞提醒、所述打孔进程及所述预期打孔方向。本实施例对此不作限定。[0184]本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有程序，当所述程序被执行时，执行前述的控制单元所执行的全部步骤。[0185]本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和所述计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。[0186]再进一步地，本发明实施例还提供了一种运动方案规划方法，用于规划所述图像获取装置的运动方案，其包括前述的控制单元所执行的内窥镜的运动方案的规划步骤。[0187]虽然本发明披露如上，但并不局限于此。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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。









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