[发明专利]多条件约束的路径规划方法及装置

说明书

多条件约束的路径规划方法与装置，能够保证病灶定位的精准性。方法包括：(1)由医生交互选择确定病灶目标区域，以其质心作为路径规划目标，基于手术入口范围限制、障碍物避障限制和手术器械形状限制构建多条件约束；(2)迭代搜索经过当前路径点的障碍物切线切点，以其附近非障碍物点更新路径点，直至和目标之间无障碍物；遍历手术入口范围，使用反向切点搜索方法搜索路径点，计算手术器械耦合模型在路径点处的点云状态，通过检测其是否与手术入口边界区域碰撞检验其是否满足手术入口范围约束，通过检测其是否与障碍物碰撞检验其是否满足避障约束；(3)使用线性加权法求解全局最优路径，使用主要目标法求解不同目标下的最佳路径。

技术领域

本发明涉及医用图像处理的技术领域，尤其涉及一种多条件约束的路径规划方法，以及多条件约束的路径规划装置。

背景技术

与常规路径规划问题不同，经鼻视神经管减压术路径规划的起始点并不固定。手术时手术器械由鼻腔入口处进入，手术入口范围约束即为起始点范围，可通过自动分割提取。实际应用中也可由医生交互选择手术入口范围。

对于经鼻视神经管减压术的路径规划，脑组织、眶内组织、鼻中隔和下鼻甲这些重要组织的障碍物约束虽然在构建环境地图时已经确定，但实际中在进行经鼻视神经减压术前，为扩大手术视野和操作空间，医生会使用肾上腺素，对鼻中隔和下鼻甲等部位的黏膜进行多次收缩。目前并无鼻黏膜在肾上腺素作用下收缩距离的定量研究。

在经鼻视神经管减压术中，医生在内窥镜直视下，将手术刀由手术入口处深入到视神经管病灶区域，去除视神经管内侧壁骨质实现减压，同时避免对其他组织造成损伤。手术中使用的主要手术器械为鼻内窥镜和手术电钻(带刨削刀头或者磨头)。鼻内窥镜一般是硬管镜，直径为2.7-4.0mm。不同鼻内镜具有不同的视场角(内窥镜能观察到的最大角度范围)和视向角(内窥镜插入部前端几何轴与与其物镜光轴的夹角，便于斜视或者侧视)，可为手术视野提供良好的照明环境。手术电钻刨削刀一般为直杆或者弯曲杆状，常见直径为2.5mm2.9mm、3.0mm，刀头形状复杂多样。因此经鼻视神经管减压术的路径规划，是为内窥镜和手术刀规划出由手术入口到达视神经管病灶区域的最佳路径。

内窥镜和手术刀的路径规划可视为双机协作路径规划，但双机规划比较复杂，而且内窥镜与手术刀的位置相对比较固定。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种多条件约束的路径规划方法，其能够保证病灶定位的精准性。

本发明的技术方案是：这种多条件约束的路径规划方法，其包括以下步骤：

(1)由医生交互选择确定病灶目标区域，以其质心作为路径规划目标，基于手术入口范围限制、障碍物避障限制和手术器械形状限制构建多条件约束；

(2)迭代搜索经过当前路径点的障碍物切线切点，以其附近非障碍物点更新路径点，直至和目标之间无障碍物；遍历手术入口范围，使用反向切点搜索方法搜索路径点，计算手术器械耦合模型在路径点处的点云状态，通过检测其是否与手术入口边界区域碰撞检验其是否满足手术入口范围约束，通过检测其是否与障碍物碰撞检验其是否满足避障约束，以实现多条件约束下可行手术入口区域和可行路径集合的求解；

(3)使用线性加权法求解全局最优路径，使用主要目标法求解不同目标下的最佳路径，包括距离脑组织最远路径、长度最短路径和包含组织量最少路径。

本发明首先构建手术入口范围、障碍物避障和手术器械形状约束。然后遍历手术入口范围，使用反向切点搜索算法搜索下一路径点，计算手术器械耦合模型的点云状态，融合圆柱包络与KD树进行碰撞检测，获取可行手术入口区域和可行路径集合。进而利用多目标优化方法求解全局最优路径和不同目标下的最佳路径，因此能够保证病灶定位的精准性。

还提供了多条件约束的路径规划装置，其包括：