[发明专利]基于大脑情感学习智能控制算法的柔性针平面穿刺控制装置及方法

说明书

本发明提供了一种基于大脑情感学习智能控制算法的柔性针平面穿刺控制装置及方法，利用计算机程序和装置实现柔性针运动控制。本发明装置包括用于控制柔性针进给速度的进给电机和用于控制柔性针尖旋转的旋转电机，用于获取柔性针的位置和航向角信息的传感器，并柔性针运动控制的计算机。本发明方法首先对预先规划的路径离散化，得到目标点集，然后将柔性针当前的位置下一目标点比较，获取位置误差，通过设计的大脑情感学习智能控制器得到加于进给电机的电压；通过实际航向角误差来控制旋转电机。本发明简化了柔性针模型，控制参数少，计算量少，实现了在线实时控制和精确控制，能最终准确到达靶点。

技术领域

本发明属于微创外科手术医疗器械的控制技术领域，具体涉及一种医用柔性穿刺针的平面运动控制装置及运动控制方法。

技术背景

穿刺术在医学治疗、诊断和科学研究方面有着重要的影响，也被认为是最简单和微创的医疗手段。现代计算机技术，影成像技术，自动控制使得定位准确，灵巧性强，状态稳定和效率高的穿刺机器人成为可能。并且，柔性针穿刺机器人已经在靶向注射、近距放射治疗、麻醉、消融、癌症早期诊断和治疗等领域有着非常重要的临床应用。

但是因为人体组织多，神经和血管系统复杂，对穿刺精度要求较高。涉及到大脑，眼，脊柱，心脏等复杂部位的穿刺手术，精度甚至要求达到mm级别。如果精度不够，会导致组织损伤给患者造成二次伤害、组织活检结果出错耽误治疗或者治疗效果不理想，这些都可能带来很严重的后果。

其中难以保证穿刺精度的原因有一下几个，一是柔性针穿刺路径上存在很多障碍物，比如重要组织、神经、动脉。所以需要针尖能够地转到任意合适的方向，准确地绕过这些障碍物。二是由于组织的各向异性、软组织的移动及变形、患者的个体差异、手术位置较深穿过几层组织时组织间特征差异大、难以保证手术时患者位置不变动。针对第一个问题，首先要了解对人体结构解剖学，对不同的个体需要利用影成像技术知道个体差异，然后利用路径规划的方法规划一条避开重要组织、路程尽量短和曲率较小的路径。针对第二个问题，需要柔性针的控制有一定的自适应能力、响应快速和鲁棒性高的特点。保证在穿过不同组织时能自行调整，最终快速准确地沿着规划路径穿刺。

柔性针穿刺运动的控制问题是一个优化问题，目前通过计算机程序和装置来实施优化。当前针对柔性针穿刺运动的控制研究，主要运用的动力学模型有自行车模型、悬臂梁模型和独轮车模型。前面两种模型参数多，非线性和耦合性强，很难用到实际控制。在控制方法，更多用的是各种卡尔曼滤波的方法，这些算法主要是解决在针状态不清楚的情况下，实现比较好的控制效果。但是没有考虑组织不确定对穿刺路径不确定的影响。

大脑情感学习智能控制器，是受启发于哺乳动物大脑内部情感学习方式的智能控制器，由Lucas于2004年首先提出的，它有计算复杂度低，相应迅速的优点，并且有一套调整控制参数的规则，能一定程度减少模型不准确和环境的不确定因素带来的影响，目前被应用于永磁同步电动机、电力系统、开关磁阻电动机、电压调节系统的控制中。

发明内容

本发明的目的是基于大脑情感学习的智能控制算法，利用计算机程序和装置实现柔性针运动控制，使得针尖能自适应个体和组织差异，自行调整前进的速度和转角，保证针尖能高精度地跟踪所规划的路径，最终准确到达靶点。

本发明提供的一种用于柔性针平面穿刺控制的基于计算机的方法，实现步骤包括：

步骤1，计算机将预先规划的路径离散化，得到目标点集；

步骤2，传感器将柔性针当前的位置和航向角信息传输给计算机；

步骤3，计算机中基于大脑情感学习的智能控制器执行如下步骤：

步骤3.1，将下一个目标点的位置坐标与柔性针当前的位置坐标做差，得到位置误差；

步骤3.2，生成感知输入信号SI和情感激励信号EC；