[发明专利]用于机器人内窥镜的自动化转向系统和方法

权利要求书

1.一种用于提供使机器人内窥镜转向的自适应转向控制输出信号的控制系统，所述控制系统包括：

a)第一图像传感器，其被配置用于捕获包含腔的一系列两个或更多个图像的第一输入数据流；以及

b)一个或多个处理器，其单独地或共同地被配置用于：

i)使用至少两种不同的图像处理算法的组合对所述图像中的一个或多个进行自动化图像处理和特征提取以生成一输入数据集，该输入数据集包括所述腔的中心位置的至少两个不同的估算；

ii)基于使用人工神经网络对所述输入数据集的分析来输出一转向方向，该人工神经网络已经使用训练数据集进行训练，其中所述训练数据集包括来自先前的内窥镜手术的记录的图像数据以及在仿真的内窥镜手术期间由外科医生或其他熟练操作者向虚拟转向机构提供的经验性转向控制指令，其中所述转向方向实时地适应于所述输入数据集的变化，并且其中所述转向方向无需与所述腔的中心位置的所述估算对准；以及

iii)实时地生成所述自适应转向控制输出信号。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述自动化图像处理和特征提取进一步包括生成对所述腔的壁的区位的确定、对障碍物的区位的确定、对用于估算所述腔的中心位置的置信水平的计算、对腔中心位置数据的完整性的损失或改变的确定，或者其任何组合。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述自动化图像处理和特征提取进一步包括标识高光反射区域，并从而基于光反射与接近度之间的关系确定所述腔的壁或障碍物到所述机器人内窥镜的远端的接近度。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中当用于确定所述腔的中心位置相对于所述机器人内窥镜的远端的置信水平低于第一阈限时，所述自适应转向控制输出信号导引所述机器人内窥镜沿着一指定路径进行搜索，并且重复以下步骤：(i)对至少所述第一输入数据流的一个或多个图像进行自动化图像处理和特征提取，以标识所述腔的中心位置，(ii)计算用于确定所述腔的中心位置的新的置信水平，以及(iii)生成所述自适应转向控制输出信号以导引所述机器人内窥镜沿着所述指定路径进行搜索，直到所述新的置信水平高于第二阈限。

5.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述关系由光反射强度梯度或颜色梯度图表示。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中对所述腔的中心位置的一个估算包括：(i)生成多个矢量，其中每个矢量在与图像中标识的一轮廓的局部节段相垂直的方向上对准，(ii)计数与所述图像中的给定像素相交的矢量的数目，以及(iii)将所述腔的中心位置确定为所述矢量的相交出现最多的位置。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其中对所述腔的中心位置的一个估算包括：(i)从暗区到亮区，迭代地对每个所述图像进行阈值处理，(ii)对于每次迭代，分割面积大于指定值的所有暗区，(iii)对每个所述暗区计算置信水平，并选择具有最大置信水平的一暗区，(iv)计算所选择的暗区的质心作为所述腔的中心。

8.根据权利要求2所述的控制系统，其中基于被标识为所述腔的中心的图像特征的转动惯量，计算用于估算所述腔的中心位置的所述置信水平，并且其中，基于从所述第一输入数据流估计的所述腔的中心位置的强度计算、转动惯量计算、凸度计算中的一个或多个，计算所述置信水平。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述人工神经网络是递归神经网络。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中所述递归神经网络是递归卷积神经网络。

11.根据权利要求1所述的控制系统，其中使用所述自适应转向控制输出信号来控制所述机器人内窥镜的一个或多个致动器，其中所述一个或多个致动器使得所述机器人内窥镜的可转向远端部分发生移动，并且其中围绕一个或多个旋转轴使得所述可转向远端部分发生移动，该一个或多个旋转轴包括横滚轴、偏航轴、俯仰轴或其任何组合。