一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统

1.本技术涉及智能医疗领域，尤其涉及一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统。


背景技术：

2.胶囊机器人作为一种主动控制的微型机器人，能够安全高效地对血管、胃、肠道等腔体内进行无创诊疗，避免传统胃镜诊断过程痛苦大的缺点。
3.然而，由于胶囊机器人在敏感脆弱的腔体内部行进，难免造成损伤，而目前对胶囊机器人的控制，多是初级水平，大多只涉及动力学控制原理，运动过程的控制参数多为静态值，未兼顾到具体的处境，导致对腔体造成损伤，而且，对于多靶点施药的情况，目前多数按照人为设定的顺序给药，实际上，不同的顺序具有不同的创伤影响和效率。
4.因此，有必要提供一种新的方式，提高施药效率和对腔体的安全性。


技术实现要素：

5.本说明书实施例提供一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统，用以施药效率和对腔体的安全性，该系统具体包括：
6.胶囊组件，具有行进件和施药件；
7.信息采集单元，记录胶囊机器人的运动过程，实时采集腔内信息；
8.路线规划单元，对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线；
9.控制单元，包括：参数分布模块，倾角适应模块，速度适应模块，所述参数分布模块根据所述运动过程和所述腔内信息定位，计算待适应参数在该位置处的分布值，所述倾角适应模块根据所述分布值进行倾角适应，所述速度适应模块根据所述分布值进行速度大小适应，通过控制所述行进件使胶囊机器人按照所述多靶点的运动路线以及适应后的速度大小及倾角行进；
10.所述施药件在行进到预设靶点位置时进行施药。
11.可选地，所述对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线，包括：
12.构造腔体三维模型，根据腔体内流体流速的大小和方向进行参数配置；
13.根据胶囊机器人在腔体内的位置、下一步移动方向、靶点施药顺序构造施药路线策略搜索空间，构造奖励函数，所述奖励函数的指标包括：流体流速对胶囊机器人速度的影响因子、胶囊机器人对腔体管壁的创伤影响因子、胶囊机器人总的耗时，创建多个粒子群在所述搜索空间内搜索施药路线策略，分别计算奖励函数值，筛选奖励函数值最大的施药路线策略，根据所述施药路线策略的搜索过程中胶囊机器人在腔体内的位置生成运动路线。
14.可选地，所述参数分布模块，还用于：
15.对胶囊机器人到管壁的最近垂直距离的倒数乘以速度后按照各位置对其进行求和，得到创伤影响因子。
16.可选地，所述计算待适应参数在该位置处的分布值，包括：
17.利用预设的分布状态预测模型，结合预设的耗时、不同位置到管壁的最近垂直距离、所述腔体的形状、质地、流体的流动性参数预测与其相适应的分布状态，根据所述分布状态确定该位置对应的分布值，所述分布状态为待适应参数值-最近垂直距离的波形。
18.可选地，还具有模型训练模块，用于收集历史施药事件中腔体的形状、质地、流体的流动性参数、机器人的速度、倾角、各位置到管壁的最近垂直距离和对管壁的创伤程度，根据管壁的创伤程度、胶囊机器人在多个位置处形成的速度分布、倾角分布设置训练标签，以胶囊机器人行进的总耗时、所述腔体的形状、质地、流体的流动性参数为训练样本输入，对预先搭建的模型架构进行训练，得到分布状态预测模型。
19.可选地，所述根据管壁的创伤程度、胶囊机器人在多个位置处形成的速度分布、倾角分布设置训练标签，包括：
20.根据管壁的创伤程度将不同历史施药事件的速度分布、倾角分布分别划分为黑白样本，以及根据管壁的创伤程度将同一历史施药事件的速度分布片段、倾角分布片段分别划分为黑白样本。
21.可选地，所述控制单元，还具有：
22.施药时机控制单元，用于，获取所述腔体中的流体搏动时序信息，根据所述流体搏动时序信息预测到未来第一时刻过程中的流体搏动状态累计导致的机器人位移预测搏动值，根据适应后的速度值计算到未来第一时刻过程中的机器人位移控制值，实时判断当前时刻是否达到施药时机，具体包括：判断机器人位移预测搏动值与机器人位移控制值的矢量之是否等于机器人当前位置与施药点的相对距离，若是则判定到达施药时机启动施药件，所述未来第一时刻距当前的时差等于启动施药件到施药件开始施药的时差。
23.可选地，所述腔体的质地包括：弹性、韧性和厚度。
24.可选地，所述施药的方式为刺入方式。
25.可选地，所述流体搏动时序信息包括带有时间信息的流体速度矢量，正负代表前进或后退。
26.本说明书实施例提供的各种技术方案通过胶囊组件，具有行进件和施药件，信息采集单元，记录胶囊机器人的运动过程，实时采集腔内信息，路线规划单元，对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线，控制单元，包括：参数分布模块，倾角适应模块，速度适应模块，参数分布模块根据运动过程和腔内信息定位，计算待适应参数在该位置处的分布值，倾角适应模块根据分布值进行倾角适应，速度适应模块根据分布值进行速度大小适应，通过控制行进件使胶囊机器人按照多靶点的运动路线行进，施药件在行进到预设靶点位置时进行施药，通过强化学习和速度倾角对位置进行适应，提高了施药效率和对腔体的安全性。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本说明书实施例提供的一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统的原理示意图。
具体实施方式
29.现在将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为本发明仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例能够使得本发明更加全面和完整，更加便于将发明构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的元件、组件或部分，因而将省略对它们的重复描述。
30.在符合本发明的技术构思的前提下，在某个特定的实施例中描述的特征、结构、特性或其他细节不排除可以以合适的方式结合在一个或更多其他的实施例中。
31.在对于具体实施例的描述中，本发明描述的特征、结构、特性或其他细节是为了使本领域的技术人员对实施例进行充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以实践本发明的技术方案而没有特定特征、结构、特性或其他细节的一个或更多。
32.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
33.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
34.术语“和/或”或者“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个或多者的所有组合。
35.图1为本说明书实施例提供的一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统的原理示意图，该方法可以包括：
36.胶囊组件，具有行进件和施药件；
37.信息采集单元102，记录胶囊机器人的运动过程，实时采集腔内信息；
38.路线规划单元103，对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线；
39.控制单元104，包括：参数分布模块1041，倾角适应模块1042，速度适应模块1043，所述参数分布模块根据所述运动过程和所述腔内信息定位，计算待适应参数在该位置处的分布值，所述倾角适应模块根据所述分布值进行倾角适应，所述速度适应模块根据所述分布值进行速度大小适应，通过控制所述行进件使胶囊机器人按照所述多靶点的运动路线以及适应后的速度大小及倾角行进；
40.所述施药件在行进到预设靶点位置时进行施药。
41.该系统具有胶囊组件，具有行进件和施药件，信息采集单元，记录胶囊机器人的运动过程，实时采集腔内信息，路线规划单元，对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线，控制单元，包括：参数分布模块，倾角适应模块，速度适应模块，参数分布模块根据运动过程和腔内信息定位，计算待适应参数在该位置处的分布值，倾角适应模块根据分布值进行倾角适应，速度适应模块根据分布值进行速度大小适应，通过控制行进件使胶囊机器人按照多靶点的运动路线行进，施药件在行进到预设靶点位置时进行施药，通过强化学习和速度倾角对位置进行适应，提高了施药效率和对腔体的安全性。
42.本实施例可以一个用于现有的各种机械结构的胶囊机器人中，可以通过改造芯片中的程序升级为本系统。
43.其中，根据所述运动过程和所述腔内信息定位，可以包括：
44.根据运动过程中陀螺仪采集的加速度信息生成加速度时序和加速度倒序，将所述加速度时序和加速度倒序输入到预先训练的静止状态判定模型，输出静止时序区间；
45.根据静止状态区间计算速度并用其计算位移；
46.结合腔内图像和所述位移计算机器人的三维坐标。
47.其中，可以收集样本的加速度时序并实测静止时序，对所述加速度时序进行标记静止时序区间，将所述加速度时序进行倒序并与加速度时序进行匹配，用实测静止时序对样本的加速度时序和倒序设置训练标签，以加速度时序和倒序为单个训练样本，用批量样本训练静止状态判定模型。
48.这样，能够判定静止状态时，能够兼顾加速度倒序，因此准确度更高。
49.其中，胶囊组件是胶囊机器人的机械硬件，行进件用于推动胶囊机器人行进以及调整角度，施药件用于对靶点施药。
50.信息采集单元可以包括图像信息采集单元，通过采集腔内图像信息并识别图像进行定位，得到胶囊机器人的位置，也可以包括加速度采集单元，用于记录运动过程中的加速度，通过加速度计算得到位移，从而得到胶囊机器人的位置。
51.路线规划单元用于对多靶点之间的施药顺序以及施药路线进行规划，平衡创伤影响和施药效率。
52.在本说明书实施例中，所述对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线，包括：
53.构造腔体三维模型，根据腔体内流体流速的大小和方向进行参数配置；
54.根据胶囊机器人在腔体内的位置、下一步移动方向、靶点施药顺序构造施药路线策略搜索空间，构造奖励函数，所述奖励函数的指标包括：流体流速对胶囊机器人速度的影响因子、胶囊机器人对腔体管壁的创伤影响因子、胶囊机器人总的耗时，创建多个粒子群在所述搜索空间内搜索施药路线策略，分别计算奖励函数值，筛选奖励函数值最大的施药路线策略，根据所述施药路线策略的搜索过程中胶囊机器人在腔体内的位置生成运动路线。
55.胶囊机器人总的耗时是指开始行进到对多个靶点施药完成的总耗时。
56.流体流速对胶囊机器人速度的影响因子，可以是流体的粘性参数。
57.控制单元用于对胶囊机器人进行速度、倾角以及施药时机的计算判断和控制，还可以部署有各种机器学习得到的模型，以辅助计算。
58.通过强化学习，能够学习到最优的运动路线，兼顾各要素的前提下均衡施药顺序、创伤影响和施药效率，提高了科学性、安全性和施药效率。
59.考虑到机器人速度越大，带来创伤的风险越大，机器人行进时离管壁越近，创伤的风险也越大，因此，可以结合这两个要素计算创伤影响因子。
60.因此，在本说明书实施例中，所述参数分布模块，还可以用于：
61.对胶囊机器人到管壁的最近垂直距离的倒数乘以速度后按照各位置对其进行求和，得到创伤影响因子。
62.目前现有的技术在控制胶囊机器人行进时，多是使用恒定的速度，然而，为了平衡创伤影响和效率，可以在不同位置配置不同的速度，越靠近管壁速度越小，从而减小创伤，越远离管壁速度越大，从而提高效率。
63.由于不同的腔体构造的特殊性不同，因此，可以对每次施药的具体情况分别预测速度衰减幅度，这种衰减趋势看做分布状态，用波形来记录。
64.其中，倾角可以是指施药件的工作方向与管壁法向的倾角，越靠近管壁，倾角越小，越有利于施药，越远离管壁，倾角越大，越有利于行进。
65.因此，在本说明书实施例中，所述计算待适应参数在该位置处的分布值，包括：
66.利用预设的分布状态预测模型，结合预设的耗时、不同位置到管壁的最近垂直距离、所述腔体的形状、质地、流体的流动性参数预测与其相适应的分布状态，根据所述分布状态确定该位置对应的分布值，所述分布状态为待适应参数值-最近垂直距离的波形。
67.待适应参数值-最近垂直距离的波形为x＝x*(sigmod(d/d)-0.5)的函数，其中待适应参数为x,d为当前最近垂直距离，d为预设的最大的最近垂直距离，x为预设的最大待适应参数，x可以为倾角和速度中的至少一者。
68.腔体多维封闭图形，因此往往具有多个垂直距离，由于越近创伤风险越高，因此，选取最近垂直距离作为评价指标。
69.流体的流动性参数，可以通过测量获得，也可以通过预测获得。
70.不同的腔体，可以得到与其相适应的波形，从而使得机器人逐渐斜向靠近管壁的过程中速度下降的幅度与腔体的各种属性相适应，提高了总体行进效率，同时降低了创伤影响。
71.在本说明书实施例中，所述腔体的质地包括：弹性、韧性和厚度。
72.在本说明书实施例中，还具有模型训练模块，用于收集历史施药事件中腔体的形状、质地、流体的流动性参数、机器人的速度、倾角、各位置到管壁的最近垂直距离和对管壁的创伤程度，根据管壁的创伤程度、胶囊机器人在多个位置处形成的速度分布、倾角分布设置训练标签，以胶囊机器人行进的总耗时、所述腔体的形状、质地、流体的流动性参数为训练样本输入，对预先搭建的模型架构进行训练，得到分布状态预测模型。
73.可以预先对管壁的创伤程度进行量化，从而实现上述训练。
74.在本说明书实施例中，所述根据管壁的创伤程度、胶囊机器人在多个位置处形成的速度分布、倾角分布设置训练标签，包括：
75.根据管壁的创伤程度将不同历史施药事件的速度分布、倾角分布分别划分为黑白样本，以及根据管壁的创伤程度将同一历史施药事件的速度分布片段、倾角分布片段分别划分为黑白样本。
76.通过划分片段，可以精准得到不同位置处满足条件的创伤结果所允许的速度的上限，从而提高模型预测的精准度。
77.考虑到腔内流体往往会有节律的搏动，由于施药件启动和施药之间有短暂的时差，这个时差会导胶囊机器人位移控制值与位移实际值有所偏差，为了减小这种偏差，需要结合这个时差判断准确的施药时机。
78.在本说明书实施例中，所述控制单元，还具有：
79.施药时机控制单元，用于，获取所述腔体中的流体搏动时序信息，根据所述流体搏动时序信息预测到未来第一时刻过程中的流体搏动状态累计导致的机器人位移预测搏动值，根据适应后的速度值计算到未来第一时刻过程中的机器人位移控制值，实时判断当前时刻是否达到施药时机，具体包括：判断机器人位移预测搏动值与机器人位移控制值的矢
量之是否等于机器人当前位置与施药点的相对距离，若是则判定到达施药时机启动施药件，所述未来第一时刻距当前的时差等于启动施药件到施药件开始施药的时差。
80.通过判断机器人位移预测搏动值与机器人位移控制值的矢量之是否等于机器人当前位置与施药点的相对距离，摆脱了机器人当前位置与施药点的相对距离必须等于预设距离才施药的约束，使各个相对距离均可能成为施药时机时机器人所处的位置，提高了灵活性。
81.可以对流体搏动时序信息中的速度进行时间积分，得到所述累计导致的机器人位移预测搏动值，表征波动导致的位移。
82.在本说明书实施例中，所述施药的方式为刺入方式，当然，也可以是其他方式，甚至，胶囊机器人还可以在施药之外进行微手术动作，在此不做限制。
83.在本说明书实施例中，所述流体搏动时序信息包括带有时间信息的流体速度矢量，正负代表前进或后退。
84.具体实施时，流体搏动时序信息可以表现为带有正负号的速度的变化时序。
85.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
86.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统，其特征在于，包括：胶囊组件，具有行进件和施药件；信息采集单元，记录胶囊机器人的运动过程，实时采集腔内信息；路线规划单元，对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线；控制单元，包括：参数分布模块，倾角适应模块，速度适应模块，所述参数分布模块根据所述运动过程和所述腔内信息定位，计算待适应参数在该位置处的分布值，所述倾角适应模块根据所述分布值进行倾角适应，所述速度适应模块根据所述分布值进行速度大小适应，通过控制所述行进件使胶囊机器人按照所述多靶点的运动路线以及适应后的速度大小及倾角行进；所述施药件在行进到预设靶点位置时进行施药。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线，包括：构造腔体三维模型，根据腔体内流体流速的大小和方向进行参数配置；根据胶囊机器人在腔体内的位置、下一步移动方向、靶点施药顺序构造施药路线策略搜索空间，构造奖励函数，所述奖励函数的指标包括：流体流速对胶囊机器人速度的影响因子、胶囊机器人对腔体管壁的创伤影响因子、胶囊机器人总的耗时，创建多个粒子群在所述搜索空间内搜索施药路线策略，分别计算奖励函数值，筛选奖励函数值最大的施药路线策略，根据所述施药路线策略的搜索过程中胶囊机器人在腔体内的位置生成运动路线。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述参数分布模块，还用于：对胶囊机器人到管壁的最近垂直距离的倒数乘以速度后按照各位置对其进行求和，得到创伤影响因子。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算待适应参数在该位置处的分布值，包括：利用预设的分布状态预测模型，结合预设的耗时、不同位置到管壁的最近垂直距离、所述腔体的形状、质地、流体的流动性参数预测与其相适应的分布状态，根据所述分布状态确定该位置对应的分布值，所述分布状态为待适应参数值-最近垂直距离的波形。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还具有模型训练模块，用于收集历史施药事件中腔体的形状、质地、流体的流动性参数、机器人的速度、倾角、各位置到管壁的最近垂直距离和对管壁的创伤程度，根据管壁的创伤程度、胶囊机器人在多个位置处形成的速度分布、倾角分布设置训练标签，以胶囊机器人行进的总耗时、所述腔体的形状、质地、流体的流动性参数为训练样本输入，对预先搭建的模型架构进行训练，得到分布状态预测模型。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述根据管壁的创伤程度、胶囊机器人在多个位置处形成的速度分布、倾角分布设置训练标签，包括：根据管壁的创伤程度将不同历史施药事件的速度分布、倾角分布分别划分为黑白样本，以及根据管壁的创伤程度将同一历史施药事件的速度分布片段、倾角分布片段分别划分为黑白样本。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制单元，还具有：施药时机控制单元，用于，获取所述腔体中的流体搏动时序信息，根据所述流体搏动时序信息预测到未来第一时刻过程中的流体搏动状态累计导致的机器人位移预测搏动值，根
据适应后的速度值计算到未来第一时刻过程中的机器人位移控制值，实时判断当前时刻是否达到施药时机，具体包括：判断机器人位移预测搏动值与机器人位移控制值的矢量之是否等于机器人当前位置与施药点的相对距离，若是则判定到达施药时机启动施药件，所述未来第一时刻距当前的时差等于启动施药件到施药件开始施药的时差。8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述腔体的质地包括：弹性、韧性和厚度。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施药的方式为刺入方式。10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体搏动时序信息包括带有时间信息的流体速度矢量，正负代表前进或后退。

技术总结
本说明书实施例提供一种具有多靶点施药功能胶囊机器人系统，胶囊组件，具有行进件和施药件，信息采集单元，记录胶囊机器人的运动过程，实时采集腔内信息，路线规划单元，对多靶点之间的施药顺序进行强化学习规划得到多靶点的运动路线，控制单元，包括：参数分布模块，倾角适应模块，速度适应模块，参数分布模块根据运动过程和腔内信息定位，计算待适应参数在该位置处的分布值，倾角适应模块根据分布值进行倾角适应，速度适应模块根据分布值进行速度大小适应，通过控制行进件使胶囊机器人按照多靶点的运动路线行进，施药件在行进到预设靶点位置时进行施药，通过强化学习和速度倾角对位置进行适应，提高了施药效率和对腔体的安全性。性。性。


技术研发人员：欧阳春
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/6