采用ADNS-7530傳感器芯片開發(fā)血管介入手術(shù)器械運動控制系統(tǒng)

為了配合用于介入手術(shù)培訓(xùn)的血管介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)，自主開發(fā)了一套血管介入手術(shù)器械運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)⒔槿胧中g(shù)器械導(dǎo)絲的位移信號發(fā)送給上位機，準確描述上位機軟件系統(tǒng)中虛擬導(dǎo)絲的位移，實現(xiàn)同步運動。同時導(dǎo)絲受力反饋裝置的設(shè)計能夠模擬導(dǎo)絲在血管中運動時遇到的阻力，提供良好的手感，達到真實醫(yī)學(xué)培訓(xùn)目的。

引言

血管類疾病已經(jīng)成為嚴重威脅人類生命的疾病之一。目前放射介入療法對治療此類疾病效果明顯，針對傳統(tǒng)介入手術(shù)醫(yī)生的培訓(xùn)無法經(jīng)常在臨床環(huán)境下進行的問題，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)用于手術(shù)培訓(xùn)。血管介入治療模擬教學(xué)系統(tǒng)由介入手術(shù)器械運動控制系統(tǒng)和虛擬介入手術(shù)軟件系統(tǒng)組成，本課題主要對前者進行了研究，自主設(shè)計開發(fā)了一種血管介入手術(shù)器械運動控制系統(tǒng)。常見的血管介入手術(shù)器械有各種型號的導(dǎo)絲、導(dǎo)管、造影器、氣囊、支架等。由于導(dǎo)絲在引導(dǎo)導(dǎo)管進入血管和放置支架、球囊等手術(shù)器械中起著非常重要的作用，因此本文中論述的介入手術(shù)器械以導(dǎo)絲為例。系統(tǒng)由導(dǎo)絲位移信息采集裝置和導(dǎo)絲受力模擬裝置兩部分組成。

1 導(dǎo)絲位移信息采集裝置

位移采集裝置的作用是在進行介入手術(shù)模擬時，能夠準確采集訓(xùn)練者對導(dǎo)絲的推拉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的導(dǎo)絲位移信息，然后單片機讀取位移信息處理后發(fā)送給上位機軟件系統(tǒng)。

1.1 采集原理

采用光學(xué)傳感器可以進行無接觸式測量和采集信息，但是普通光學(xué)傳感器靈敏度較小，對采集物體的表面也有很高的要求，對小型精細物體如導(dǎo)管、導(dǎo)絲等的運動信息采集不夠精確，所以經(jīng)過對比，本文使用激光位移傳感器芯片ADNS-7530,進行無接觸式測量，測量精度、耐用性、靈活性等方面得到了很大的提高。

ADNS-7530 工作示意圖如圖1 所示。當(dāng)有物體在鏡頭采集距離內(nèi)移動時，激光發(fā)射器VCSEL 向物體表面發(fā)射激光，經(jīng)反射后由傳感器接收，通過光學(xué)原理獲取連續(xù)物體表面圖像，然后根據(jù)前后兩張圖像變化信息，自動計算出物體表面移動的方向和增量并存儲在內(nèi)部寄存器里。

1.2 采集裝置

本文設(shè)計的導(dǎo)絲通道裝置主要由鋼管通道、傳感器電路板、基座、彈簧擋片固定裝置等組成。如圖2所示。

導(dǎo)絲位移信息采集裝置如圖3 所示。ADNS-7530焊接在采集電路板上，電路板固定在基座上，帶有凹槽的金屬通道在電路板下穿過，電路板上有采集接口和電源接口分別與外部單片機引腳和供電電源連接。

1.3 采集電路設(shè)計

位移信息采集裝置中，采集電路主要是ADNS-7530與單片機之間的通信電路，包括單片機對傳感器內(nèi)的寄存器進行初始化操作，以及讀取傳感器采集到的導(dǎo)絲實時的位移信息；再就是單片機與上位機軟件系統(tǒng)的串口通信電路，單片機將位移信息處理打包后通過串口發(fā)送給上位機。ADNS-7530傳感器采集位移信息時，將位移信息以二進制形式存儲在了內(nèi)部寄存器Delta_X_L、Delta_Y_L、Delta_XY_H中，單片機通過SPI方式讀取上述寄存器中的位移數(shù)據(jù)。ADNS-7530要正常工作，準確采集導(dǎo)絲的位移信息，必須先對其內(nèi)部的寄存器按照一定的順序進行配置。如圖4所示。

2 導(dǎo)絲受力模擬裝置

導(dǎo)絲在血管中移動與血管壁發(fā)生碰撞時，前進會受到阻力，因此，想要更加逼真地模擬血管內(nèi)介入治療的過程就要增加力反饋，本文自主設(shè)計了一個導(dǎo)絲受力模擬裝置。該裝置的作用是將上位機虛擬手術(shù)軟件系統(tǒng)中，導(dǎo)絲模型與血管模型發(fā)生碰撞后對導(dǎo)絲模型所產(chǎn)生的阻力施加于真實的導(dǎo)絲，模擬真實的手術(shù)環(huán)境。使訓(xùn)練者感受到反饋力后，及時調(diào)整操作動作，從而達到訓(xùn)練的目的。由于導(dǎo)絲在血管中運動只存在單一方向的移動和轉(zhuǎn)動，具有兩個自由度。用一個二維的受力反饋裝置即可滿足要求。為了安裝和使用方便，將位移信息采集裝置和受力模擬裝置一起封裝在一個大的塑料盒中，只將金屬管通道和一些接口留出，與單片機控制系統(tǒng)裝置連接和通信。本文設(shè)計的導(dǎo)絲受力模擬裝置如圖5所示。

在本裝置的設(shè)計中傳動裝置包括轉(zhuǎn)軸、連桿、滑塊1和滑塊2以及導(dǎo)軌。

滑塊1套在轉(zhuǎn)軸上，連桿通過兩個螺母將滑塊1和滑塊2連接起來，滑塊1的運動通過連桿帶動嵌在導(dǎo)軌上的滑塊2 左右運動。力反饋裝置執(zhí)行過程是這樣的，通過步進電機轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)軸上的滑塊1向外和向內(nèi)運動。步進電機正轉(zhuǎn)，滑塊1向內(nèi)運動，帶動連桿使其推動滑塊2在導(dǎo)軌上向右運動，鑲嵌在滑塊2上的彈性塑料板向右擠壓穿過凹槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)絲，導(dǎo)絲受到壓力后運動會受到影響，表現(xiàn)在用手推導(dǎo)絲時有一種阻力感，不同的壓力阻力感不同，從而使操作者改變對導(dǎo)絲的操作。步進電機反轉(zhuǎn)則過程相反。

3 系統(tǒng)測試

上位機虛擬手術(shù)軟件系統(tǒng)主要包括根據(jù)真實數(shù)據(jù)進行血管分割、血管建模、導(dǎo)管和導(dǎo)絲建模、支架和氣囊建模、碰撞檢測等。本系統(tǒng)與上位機虛擬介入手術(shù)軟件系統(tǒng)連接后進行測試，測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

訓(xùn)練者在操作金屬管通道里真實的導(dǎo)絲運動時，上位機軟件系統(tǒng)中的虛擬導(dǎo)絲能夠在虛擬血管里同步運動，發(fā)生碰撞后能將碰撞信號發(fā)送給單片機處理，給導(dǎo)絲施加對應(yīng)的壓力，從而模擬真實的導(dǎo)絲在血管中運動所受到的阻力。

系統(tǒng)運行效果基本滿意，能夠基本滿足訓(xùn)練者的練習(xí)。當(dāng)然系統(tǒng)還存在許多需要改進的地方，如增加多個位移采集裝置、更加靈敏的受力反饋裝置的設(shè)計、更加優(yōu)美的上位機軟件界面設(shè)計等，以更好的滿足當(dāng)代醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的需求。

4 結(jié)語

本文所闡述的血管介入手術(shù)器械運動控制系統(tǒng)，為介入手術(shù)醫(yī)生的培訓(xùn)提供了很大的幫助。該系統(tǒng)具有一定程度的通用性，以后在對血管介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)進行研究時，可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行進一步的開發(fā)，增加和擴展功能，降低研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。