本發(fā)明涉及醫(yī)療輔助機器人，具體地，涉及一種基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、心臟瓣膜疾病是全球范圍內(nèi)常見的心血管疾病，嚴(yán)重威脅人類健康。心臟瓣膜置換術(shù)或修復(fù)術(shù)是治療心臟瓣膜疾病的有效手段。傳統(tǒng)的心臟瓣膜手術(shù)主要依靠外科醫(yī)生的經(jīng)驗和觸診技能，通過開胸或微創(chuàng)方式進行操作。然而，這種傳統(tǒng)手術(shù)方式存在諸多局限性：
2、1.手術(shù)視野受限：傳統(tǒng)開胸手術(shù)創(chuàng)傷大，術(shù)野暴露有限，尤其是對于深部結(jié)構(gòu)的觀察和操作存在困難；微創(chuàng)手術(shù)雖然創(chuàng)傷較小，但操作空間更加狹小，對醫(yī)生的操作技巧和經(jīng)驗要求更高。
3、2.操作精度不足：心臟瓣膜結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，傳統(tǒng)手術(shù)主要依靠醫(yī)生的手感和經(jīng)驗進行定位和操作，容易出現(xiàn)誤差，增加手術(shù)風(fēng)險和并發(fā)癥的發(fā)生率。
4、3.手術(shù)時間長：傳統(tǒng)手術(shù)操作步驟繁瑣，需要耗費較長時間，增加了患者的術(shù)中風(fēng)險和術(shù)后恢復(fù)時間。
5、4.學(xué)習(xí)曲線陡峭：傳統(tǒng)心臟瓣膜手術(shù)對外科醫(yī)生的經(jīng)驗和技能要求極高，需要經(jīng)過長時間的訓(xùn)練和實踐才能熟練掌握，導(dǎo)致學(xué)習(xí)曲線陡峭，難以推廣普及。
6、近年來，隨著機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展，為提高心臟瓣膜手術(shù)的精度和效率提供了新的可能。機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)具有三維高清視野、靈活的機械臂和精準(zhǔn)的操作控制等優(yōu)勢，可以克服傳統(tǒng)手術(shù)的諸多局限性。然而，現(xiàn)有的機器人輔助心臟瓣膜手術(shù)系統(tǒng)仍存在以下不足：
7、1.缺乏精確定位手段：現(xiàn)有的機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)主要依靠術(shù)前影像數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航，缺乏實時、精確的術(shù)中定位手段，難以保證手術(shù)操作的準(zhǔn)確性。
8、2.缺乏力反饋機制：機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)缺乏力反饋機制，醫(yī)生無法感知手術(shù)器械與組織之間的相互作用力，容易造成組織損傷。
9、3.成本高昂：機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的成本高昂，限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。
10、因此，亟需開發(fā)一種新型的機器人輔助心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，以提高手術(shù)精度、縮短手術(shù)時間、降低手術(shù)風(fēng)險，并促進心臟瓣膜手術(shù)的推廣普及。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)及方法，以提高手術(shù)精度、降低手術(shù)風(fēng)險，并輔助外科醫(yī)生進行決策。
2、為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
3、一種基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，包括機器人操作平臺、多模態(tài)感知模塊、智能控制與決策模塊以及人機交互界面，所述機器人操作平臺包括機器人手臂和末端執(zhí)行器，所述多模態(tài)感知模塊包括觸覺傳感器和醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)，所述觸覺傳感器安裝在機器人手臂的末端，所述智能控制與決策模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊、高斯過程模型模塊、核函數(shù)融合模塊、貝葉斯優(yōu)化模塊、能量約束優(yōu)化模塊以及切口推薦模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)采集、濾波和預(yù)處理觸覺傳感器的數(shù)據(jù)，并將其與醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)和融合；所述高斯過程模型模塊用于基于高斯過程回歸算法，構(gòu)建心臟表面組織硬度分布圖，實現(xiàn)對心臟組織特性的定量化描述；所述核函數(shù)融合模塊用于優(yōu)化高斯過程模型的核函數(shù)參數(shù)；所述貝葉斯優(yōu)化模塊基于貝葉斯優(yōu)化算法，智能選擇下一個最優(yōu)觸覺傳感器采樣點，以最少的采樣次數(shù)獲取最優(yōu)的硬度分布圖；所述能量約束優(yōu)化模塊用于優(yōu)化機器人手臂的運動路徑；所述切口推薦模塊根據(jù)構(gòu)建的硬度分布圖推薦最佳的切口位置。
4、優(yōu)選地，所述機器人手臂包括至少一個具有高精度、高靈活度的機器人手臂，用于控制觸覺傳感器的移動和定位，并執(zhí)行手術(shù)操作；所述末端執(zhí)行器安裝在機器人手臂的末端，用于固定和操作觸覺傳感器。
5、優(yōu)選地，所述醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)用于集成術(shù)前獲取的患者ct或mri圖像，提供心臟的三維解剖結(jié)構(gòu)信息，并與觸覺傳感器數(shù)據(jù)進行融合。
6、優(yōu)選地，所述切口推薦模塊根據(jù)構(gòu)建的硬度分布圖，使用圖像分割和邊緣檢測算法，識別心臟瓣膜周圍的軟組織區(qū)域，推薦最佳的切口位置。
7、優(yōu)選地，所述人機交互界面包括顯示模塊和控制模塊，所述顯示模塊用于實時顯示觸覺傳感器數(shù)據(jù)、硬度分布圖、手術(shù)路徑規(guī)劃，為外科醫(yī)生提供直觀的視覺反饋；所述控制模塊用于允許外科醫(yī)生通過操作桿、手勢識別控制機器人手臂的運動，并對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。
8、進一步地，本發(fā)明還提供一種基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦方法，包括以下步驟：
9、將患者的術(shù)前ct或mri圖像導(dǎo)入系統(tǒng)，系統(tǒng)自動識別心臟瓣膜區(qū)域；
10、控制機器人手臂帶動觸覺傳感器對心臟瓣膜區(qū)域進行初步掃描，獲取初始的硬度數(shù)據(jù)；
11、基于高斯過程模型對初步掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，生成初始的硬度分布圖；
12、基于貝葉斯優(yōu)化算法，自動選擇下一個最優(yōu)掃描點，并控制機器人手臂進行精細(xì)掃描；
13、基于最終的硬度分布圖，識別適合切口的心臟瓣膜周圍軟組織區(qū)域，系統(tǒng)向外科醫(yī)生推薦多個最佳切口位置，并提供每個位置的優(yōu)缺點分析；
14、系統(tǒng)根據(jù)外科醫(yī)生選定的最終的切口位置，規(guī)劃最優(yōu)的手術(shù)路徑，進行機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)操作。
15、優(yōu)選地，所述基于最終的硬度分布圖，識別適合切口的心臟瓣膜周圍軟組織區(qū)域，系統(tǒng)向外科醫(yī)生推薦多個最佳切口位置，并提供每個位置的優(yōu)缺點分析的步驟，具體包括：使用切口推薦模塊分析最終的硬度分布圖，識別心臟瓣膜周圍的軟組織區(qū)域，標(biāo)記潛在的切口位置，對潛在切口位置進行排序，向外科醫(yī)生推薦排名前三的切口位置，并提供每個位置的優(yōu)缺點分析。
16、優(yōu)選地，所述系統(tǒng)根據(jù)外科醫(yī)生選定的最終的切口位置，規(guī)劃最優(yōu)的手術(shù)路徑，進行機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)操作的步驟，具體還包括：在整個手術(shù)過程中，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測切口周圍組織的硬度變化，如發(fā)現(xiàn)異常及時報警；系統(tǒng)記錄整個手術(shù)過程中的硬度數(shù)據(jù)和切口選擇依據(jù)，用于后續(xù)分析和系統(tǒng)優(yōu)化。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下所示：
18、1、本發(fā)明通過高精度觸覺傳感器和優(yōu)化的掃描策略，可以精確定位心臟瓣膜周圍的軟組織區(qū)域，提高切口位置的準(zhǔn)確性。
19、2、本發(fā)明系統(tǒng)自動推薦最佳切口位置和手術(shù)路徑，減少對外科醫(yī)生經(jīng)驗的依賴，提高手術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，并且有利于新手醫(yī)生的培訓(xùn)和技能提升。
20、3、本發(fā)明通過能量約束優(yōu)化算法，優(yōu)化機器人手臂的運動路徑，減少能量消耗，提高系統(tǒng)效率。
21、4、本發(fā)明為外科醫(yī)生提供可視化的硬度分布圖和切口建議，輔助決策，提高手術(shù)效率和安全性。
22、5、本發(fā)明通過精確定位和優(yōu)化路徑規(guī)劃可以縮短手術(shù)時間，減少患者的痛苦和并發(fā)癥風(fēng)險。
23、6、本發(fā)明通過精確定位最佳切口位置，可以最小化手術(shù)創(chuàng)傷，并顯著提高心臟瓣膜手術(shù)的成功率，加快患者術(shù)后恢復(fù)。
1.一種基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括機器人操作平臺、多模態(tài)感知模塊、智能控制與決策模塊以及人機交互界面，所述機器人操作平臺包括機器人手臂和末端執(zhí)行器，所述多模態(tài)感知模塊包括觸覺傳感器和醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)，所述觸覺傳感器安裝在機器人手臂的末端，所述智能控制與決策模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊、高斯過程模型模塊、核函數(shù)融合模塊、貝葉斯優(yōu)化模塊、能量約束優(yōu)化模塊以及切口推薦模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)采集、濾波和預(yù)處理觸覺傳感器的數(shù)據(jù)，并將其與醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)和融合；所述高斯過程模型模塊用于基于高斯過程回歸算法，構(gòu)建心臟表面組織硬度分布圖，實現(xiàn)對心臟組織特性的定量化描述；所述核函數(shù)融合模塊用于優(yōu)化高斯過程模型的核函數(shù)參數(shù)；所述貝葉斯優(yōu)化模塊基于貝葉斯優(yōu)化算法，智能選擇下一個最優(yōu)觸覺傳感器采樣點，以最少的采樣次數(shù)獲取最優(yōu)的硬度分布圖；所述能量約束優(yōu)化模塊用于優(yōu)化機器人手臂的運動路徑；所述切口推薦模塊根據(jù)構(gòu)建的硬度分布圖推薦最佳的切口位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人手臂包括至少一個具有高精度、高靈活度的機器人手臂，用于控制觸覺傳感器的移動和定位，并執(zhí)行手術(shù)操作；所述末端執(zhí)行器安裝在機器人手臂的末端，用于固定和操作觸覺傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，其特征在于，所述醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)用于集成術(shù)前獲取的患者ct或mri圖像，提供心臟的三維解剖結(jié)構(gòu)信息，并與觸覺傳感器數(shù)據(jù)進行融合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，其特征在于，所述切口推薦模塊根據(jù)構(gòu)建的硬度分布圖，使用圖像分割和邊緣檢測算法，識別心臟瓣膜周圍的軟組織區(qū)域，推薦最佳的切口位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦系統(tǒng)，其特征在于，所述人機交互界面包括顯示模塊和控制模塊，所述顯示模塊用于實時顯示觸覺傳感器數(shù)據(jù)、硬度分布圖、手術(shù)路徑規(guī)劃，為外科醫(yī)生提供直觀的視覺反饋；所述控制模塊用于允許外科醫(yī)生通過操作桿、手勢識別控制機器人手臂的運動，并對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。
6.一種基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦方法，其特征在于，所述基于最終的硬度分布圖，識別適合切口的心臟瓣膜周圍軟組織區(qū)域，系統(tǒng)向外科醫(yī)生推薦多個最佳切口位置，并提供每個位置的優(yōu)缺點分析的步驟，具體包括：使用切口推薦模塊分析最終的硬度分布圖，識別心臟瓣膜周圍的軟組織區(qū)域，標(biāo)記潛在的切口位置，對潛在切口位置進行排序，向外科醫(yī)生推薦排名前三的切口位置，并提供每個位置的優(yōu)缺點分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)推薦方法，其特征在于，所述系統(tǒng)根據(jù)外科醫(yī)生選定的最終的切口位置，規(guī)劃最優(yōu)的手術(shù)路徑，進行機器人輔助的心臟瓣膜手術(shù)操作的步驟，具體還包括：在整個手術(shù)過程中，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測切口周圍組織的硬度變化，如發(fā)現(xiàn)異常及時報警；系統(tǒng)記錄整個手術(shù)過程中的硬度數(shù)據(jù)和切口選擇依據(jù)，用于后續(xù)分析和系統(tǒng)優(yōu)化。