用于分析任務軌跡的方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種分析抽樣任務軌跡的計算機實現的方法，包括：利用一個或多個計算機獲得抽樣任務軌跡中儀器的位置信息；利用所述一個或多個計算機獲得任務軌跡中儀器的姿勢信息；利用所述一個或多個計算機將所述抽樣任務軌跡的位置信息和姿勢信息與參考任務軌跡的參考位置信息和參考姿勢信息進行比較；利用所述一個或多個計算機基于所述比較確定所述抽樣任務軌跡的技能評估；以及利用所述一個或多個計算機輸出針對所述抽樣任務軌跡的確定的技能評估。
【專利說明】用于分析任務軌跡的方法和系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年5月5日提交的美國分案申請號61/482，831的優先權，其公開的全部內容通過引用并入本申請。
[0003]本申請是由國家健康協會資助的資助號為N0.1R21EB009143-01A1和國家科學基金資助的資助號為Nos.0941362和0931805的政府支持所做出的。美國政府對本發明擁有特定權利。
【技術領域】
[0004]本發明涉及分析軌跡，更具體地本發明涉及分析任務軌跡。
【背景技術】
[0005]所有參考文獻、包括文章、公開的專利申請以及本申請中任意地方參考的專利的內容通過引用并入本申請。
[0006]隨著將近兩千臺用于機器人手術的達芬奇手術系統[Badani，KK和Kaul,s.和 Menon, M.Evolution of robotic radical prostatectomy: assessmentafter2766procedures.Cancer, 110 (9): 1951-1958，2007]在泌尿科[Boggess, J.F.Roboticsurgery in gynecologic oncplogy:evolution of a new surgical paradigm.Journalof Robotic Surgery, I (I): 31-37, 2007; Chang, L.和 Satava，RM 和 Pellegrini，CA 和Sinananj MN.Robotic surger y:1dentifying the learning curve through objectivemeasurement of skill.Surgery endoscopy，17 (11): 1744-1748，2003]、婦科[ChitwoodJrj W.R.Current status of endoscopic and robotic mitral valve surgery.The annals of thoracic surgery，79 (6):2248-2253]、心臟手術[Cohen，Jacob.ACoefficient of Agreement for Nominal Scales.Educational and Psycholoogical Measurement，20(I):37-46，1960;Simon DiMaio 和 Chris Hasser.The da Vinci ResearchInterface.2008MICCAI Workshop-Systems and Architectures for Computer AssistedInerventions，Midas Journal, http://hdl.handle, net/1926/1464，2008]以及其它專業領域中的廣泛應用，已經出現了針對訓練(包括基于訓練的仿真)的迫切需要。達芬奇遠程手術系統包括控制臺，該控制臺包括自動立體觀測顯示儀，系統配置面板以及主操作臂，其中該主操作臂控制固定在患者側一組獨立操作臂上的一組可操作的腕式手術儀器。外科醫生遠程操作這些儀器同時觀察固定在其中一個儀器操作臂上的內窺攝像機的立體輸出。該達芬奇手術系統是一種復雜的人機交互系統。由于具有復雜的系統，因而其需要相當大量的實踐以及訓練以達到熟練度。
[0007]現有研究表明，與標準腹腔鏡手術相比[Duda，Richard 0.和Hart，Peter.E和Strorkj David G.Pattern Classification (2nd edition).WiIey-1nterscience, 2000]，機器人手術中的訓練允許腹腔鏡醫生更有效地執行機器人手術任務，而且在機器人手術中技能獲得依賴于實踐和評估[Grantcharov，TP和Kristiansen，VB和Bendix，Jj和 Bardramj L.和 Rosenberg, J.和 Funch-Jensenj P.Randomized clinical trial ofvirtual reality simulation for laparoscopic skills training.Bristish Journalof Surgery, 91 (2): 146-150，2004]。文獻也不斷地提到針對微創手術[Hall, M和Frank, E和 holmes，G 和 Pfahringer，B 和 Reutemann，P 和 Witten，1.H.The WEKA Data MiningSoftware:Aan Update.SIGKDD Explorations, 11，2009;Jog，A 和 Itkowitzj B Liu，M 和DiMaiojS 和 Hager, G 和 CuretjM 和 Kumar, R.Towards integrating task informationin skills assessment for dexterous tasks in surgery and simulation.1EEEInternational Conference on Robotics 和 Automation，pages，5273-5278，201I]的標準化訓練和評估方法的需求。關于具有實際模型[Judkins，T.N.和Oleynikov，D.和Stergiouj N.0bjective evaluation of expert and novice performance during roboticsurgical training tasks.S urgical Endoscopy，23 (3): 590-597，2009]訓練的研究也已經表明盡管機器人手術雖然復雜，但是當其作為一種新技術提供給新手和專業腹腔鏡檢查醫生時具有同樣的挑戰性。
[0008]仿真訓練和虛擬現實訓練[Kaul，S.和 Shah，N.1 和 Menon，M.Learning curveusing robotic surgery.Current Urology Reports, 7 (2): 125-129，2006]在機器人手術中應用已久。基于仿真的訓練和測試程序已經在一些專業領域中[Kaul，S.和Shah，N.1 和 Menon，M.Learning curve using robotic surgery.Current Urology Reports, 7(2): 125-129, 2006; Kenney, P.A.WszolekjM.F.和 Gould，J.J.和 LibertinojJ.A.和Moinzadehj A.Face, content, and construct validity of Dv—trainer，a novel virtualreality simulator for robotic surgery.Urology, 73 (6): 1288-1292, 2009]用于評估操作技術技能和非技術技能。通過觀察在現實世界任務中的性能，具有完整程序任務的虛擬現實訓練機已經被用于對現實程序級別訓練進行仿真以及測量訓練效果[Kaul，S.和 Shahj N.1 和 Menon, M.Learning curve using robotic surgery.Current Urology Reports，7(2): 125-129，2006; Kumar，R 和 Jog, A 和 Malpanij A 和 Vagvolgyij B 和 Yuhj D和 Nguyen, H 和 Hager,G 和 Chen, CCG.System operation skills in robotic surgerytrainees.The International Journal of Medical Robotics and Computer AssistedSurgery, accepted, 2011; Lendvayj T.s.和 Casale，P.ans Sweet, R.和 Peters，C.1nitialvalidation of a virtual-Reality robotic simulator.Journal of robotic Surgery
【權利要求】
1.一種用于分析抽樣任務軌跡的計算機實現的方法，包括: 利用一個或多個計算機獲得所述抽樣任務軌跡中儀器的位置信息； 利用所述一個或多個計算機獲得所述抽樣任務軌跡中所述儀器的姿勢信息； 利用所述一個或多個計算機將所述抽樣任務軌跡的所述位置信息和姿勢信息與參考任務軌跡的參考位置信息和參考姿勢信息進行比較； 利用所述一個或多個計算機基于所述比較確定所述抽樣任務軌跡的技能評估；以及 利用所述一個或多個計算機輸出針對所述抽樣任務軌跡確定的技能評估。
2.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，所述抽樣任務軌跡包括在手術任務期間所述儀器的軌跡，其中，所述儀器包括手術機器人的仿真手術儀器。
3.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，姿勢信息表示所述儀器的轉體信息、俯仰信息和偏轉信息。
4.根據權利要求3所述的計算機實現的方法，其中，使用以下至少一個來表示所述儀器的所述姿勢信息: 在傳統齊次變換框架中的位置向量和旋轉矩陣； 以標準軸線角表示的三個姿勢角度和三個位置向量元素；或者 螺旋軸表示。
5.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，對所述位置信息進行比較包括: 將所述儀器的所述位置信息和所述儀器的所述姿勢信息從基于包括所述儀器的機器人的攝像機的抽樣任務軌跡中的攝像機視圖的坐標系統轉換到以下之中的至少一個: 基于所述參考任務軌跡的坐標系統；或者 基于世界空間的坐標系統。
6.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，所述比較包括: 計算在所述抽樣任務軌跡期間由沿所述儀器的儀器軸的線條跨越的表面面積；以及 將計算的表面面積與所述參考任務軌跡期間跨越的對應的表面面積進行比較。
7.根據權利要求6所述的計算機實現的方法，其中，計算所述表面面積包括生成由以下列之中的一個或多個所抽樣的所述線條限定的連續的四邊形的面積的和: 時間間隔； 等儀器尖端距離；或 等角度或姿勢間隔。
8.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，獲得所述位置信息和所述姿勢信息包括基于檢測所述位置信息和所述姿勢信息的重要性或者任務相關性，過濾所述位置信息和姿勢信息。
9.根據權利要求8所述的計算機實現的方法，其中，基于以下至少一個，檢測重要性或者任務相關性: 檢測所述抽樣任務軌跡的位于視野之外的部分；或者 識別所述抽樣任務軌跡的與任務不相關的部分。
10.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，確定技能評估包括基于所述比較，將所述抽樣任務軌跡分類為手術機器人用戶的二元技能分類。
11.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括:獲得所述抽樣任務軌跡中所述儀器的速度信息；以及 獲得所述抽樣軌跡中所述儀器的夾具角度信息， 其中，對所述位置信息和所述姿勢信息進行比較還包括將所述速度信息和夾具角度信息與用于所述參考任務軌跡的儀器的參考速度信息和參考夾具角度信息進行比較。
12.一種用于分析抽樣任務軌跡的系統，包括: 控制器，其被配置為從所述抽樣任務軌跡的儀器的用戶接收運動輸入； 顯示器，其被配置為基于所接收運動輸入來輸出視圖； 處理器，其被配置為: 基于所述接收運動輸入獲得所述抽樣任務軌跡中所述儀器的位置信息； 基于所述接收運動輸入獲得所述抽樣任務軌跡中所述儀器的姿勢信息； 將所述抽樣任務軌跡的所述位置信息和所述姿勢信息與參考任務軌跡的參考位置信息和參考姿勢信息進行比較； 基于所述比較確定所述抽樣任務軌跡的技能評估；以及 輸出所述技能評估。
13.一種分析系統，還包括: 仿真器，其被配置為基于所接收運動輸入在手術任務期間仿真所述抽樣任務軌跡，并且基于所述抽樣任務軌跡仿真所述視圖。
14.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，姿勢信息表示所述儀器的轉體信息、俯仰信息和偏轉信息。
15.根據權利要求12所述的計算機實現的方法，其中，對所述位置信息進行比較包括: 將所述儀器的所述位置信息和所述儀器的所述姿勢信息從基于包括所述儀器的機器人的攝像機的抽樣任務軌跡中的攝像機視圖的坐標系統轉換到以下之中的至少一個: 基于所述參考任務軌跡的坐標系統；或者 基于世界空間的坐標系統。
16.根據權利要求12所述的計算機實現的方法，其中，所述比較包括: 計算在所述抽樣任務軌跡期間由沿所述儀器的儀器軸的線條跨越的表面面積；以及 將計算的表面面積與所述參考任務軌跡期間跨越的對應的表面面積進行比較。
17.根據權利要求12所述的計算機實現的方法，其中，獲得所述位置信息和所述姿勢信息包括基于檢測所述位置信息和所述姿勢信息的重要性或者任務相關性，過濾所述位置信息和姿勢信息。
18.根據權利要求12所述的計算機實現的方法，其中，確定技能評估包括基于所述比較，將所述抽樣任務軌跡分類為手術機器人用戶的二元技能分類。
19.根據權利要求12所述的計算機實現的方法，還包括: 獲得所述抽樣任務軌跡中所述儀器的速度信息；以及 獲得所述抽樣軌跡中所述儀器的夾具角度信息， 其中，對所述位置信息和所述姿勢信息進行比較還包括將所述速度信息和所述夾具角度信息與用于所述參考任務軌跡的儀器的參考速度信息和參考夾具角度信息進行比較。
20.一個或多個用于存儲可由處理邏輯執行的計算機可執行指令的有形的非易失性計算機可讀存儲介質，所述介質存儲一個或多個指令，所述一個或多個指令用于:獲得所述抽樣任務軌跡中儀器的位置信息； 獲得所述抽樣任務軌跡中所述儀器的姿勢信息； 將所述抽樣任務軌跡的所述位置信息和所述姿勢信息與參考任務軌跡的參考位置信息和參考姿勢信息進行比較； 基于所述比較確定所述抽樣任務軌跡的技能評估；以及 輸出所述抽樣任務軌跡的所述技能評估。
【文檔編號】G01C21/00GK103702631SQ201280033584
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年5月7日 優先權日:2011年5月5日
【發明者】拉杰什·庫馬爾, 格雷戈里·D·黑格, 阿莫德·S·喬格, 高宜鑫, 梅·利烏, 西蒙·彼得·迪邁歐, 布蘭登·伊特科韋茲, 米里亞姆·屈雷 申請人:約翰霍普金斯大學, 直觀外科手術操作公司