[发明专利]一种基于CRS曲线拟合实现位姿规划的超声扫查方法

说明书

本发明涉及超声扫查技术，旨在提供一种基于CRS曲线拟合实现位姿规划的超声扫查方法。包括：扫描病患的胸部轮廓并生成扫查路径，并得到扫查路径上必须经过的路点位姿和路点集；根据路点集生成控制点集，进而构造向量空间V；定义其相邻点之间的距离，得到距离集合D；基于距离集合生成时间参数序列；根据CRS曲线拟合插值法，得到向量空间V中任一点与时间参数的函数；求解任一时刻的位姿，将其导入自动超声扫查设备的控制执行部件，生成自适应的扫查曲线，根据病患的实际情况实时调整扫查头的位姿。本发明的位姿规划过程采用笛卡尔与四元数空间同步规划，原理简洁易懂；与传统的分离式的基于均匀样条插值算法及其他算法相比，节约算力，简单高效。本发明能够适应任何复杂扫查区域，以确保均能生成全局有效的位姿，避免在扫查中产生交叠或无效的轨迹；扫查过程具有自适应性及高效性。

技术领域

本发明涉及超声扫查技术，尤其涉及基于CRS曲线拟合(Centripetal Catmull–Romspline)实现位姿规划的超声扫查方法。

背景技术

在机器人技术日益融入医疗领域的今日，掌握自动导航和规划技术的医疗机器人应用越来越广泛。其中，超声扫查自动规划已成为缓解医患压力、平衡医疗资源、提高基层医疗中筛检和普检效率的重要技术储备。

在超声扫查技术中，对于复杂扫查曲面的位姿规划是有效完成自动扫查各部位和全面筛检肿瘤的关键。但是，各类体型患者和错综复杂的扫查区域为自动扫查技术带来了巨大的挑战。例如，如何在位置、大小不同的乳腺、甲状腺的多患者条件下，自动生成具有普适性，高效性的扫查位姿曲线。这些实际问题，加剧了自动扫查轨迹规划的复杂性，尤其是高效普适的位姿插值方法的生成具有挑战性。

经过对现有技术的文献检索发现，现有的位姿规划方法，没有针对复杂曲面中局部低效的位姿规划问题开展研究和优化工作。已有的轨迹规划方法(例如基于三次均匀样条插值的轨迹规划方法、基于贝塞尔曲线插值的轨迹规划方法)无法保证规划过程中不出现低效轨迹，位姿交叠/姿态打圈等问题。

因此，提出改良的位姿规划方法以实现复杂扫查任务并使其具有普适性和高效性，是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于CRS曲线拟合实现位姿规划的超声扫查方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：

提供一种基于CRS曲线拟合实现位姿规划的超声扫查方法，包括以下步骤：

(1)扫描病患的胸部轮廓并生成扫查路径L，并得到扫查路径L上必须经过的n个路点的位姿Pi＝{xi,yi,zi,ai,bi,ci,di}，得到路点集P＝{P1,P2,…,Pi,…Pn}；

(2)根据路点集P生成控制点集C＝{C1,C2,…,Ci…,Cn+1，Cn+2}；其中Ci＝Pi-1，i＝2,3,…,n+1；C1＝2C2-C3,…,Cn+2＝2Cn+1–Cn；

(3)根据控制点集C＝{C1,C2,…,Cn+1，Cn+2}，构造一个向量空间V∈R4；

(4)定义向量空间V中相邻点vi+1与vi之间的“距离”为Di，Di＝((xi+1-xi)^2+(yi+1-yi)^2+(zi+1-zi)^2+(αi+1-αi)^2)^0.25，得到距离集合D＝{D1,D2,…,Dn+1}；其中i＝1,…,n+1，^表示幂运算；

(5)基于距离集合D＝{D1,D2,…,Dn+1}，生成时间参数T序列T＝{T1,T2,…,Tn+2}；其中，Ti＝D1+…+Di-1，i＝2,…,n+2；当i＝1时，T1＝0；

(6)根据CRS曲线拟合插值法，得到向量空间V中任一点vr与时间参数Tr的函数F(Tr)＝vr；

(7)利用时间序列T、控制点集C以及函数F(Tr)，求解任一时刻tr满足t1trtn所对应的位姿P(tr)；