血管介入手術(shù)器械運動(dòng)控制系統

醫學(xué)教育是非常重視實(shí)踐操作的，沒(méi)有臨床實(shí)踐就不能培養出合格的醫生?，F代醫學(xué)人才培養的瓶頸之一就是學(xué)生被迫遠離了臨床真實(shí)環(huán)境下的操作練習，特別是血管內介入治療這種要求高精確度的手術(shù)技術(shù)。

　　為了配合用于介入手術(shù)培訓的血管介入手術(shù)模擬教學(xué)系統，自主開(kāi)發(fā)了一套血管介入手術(shù)器械運動(dòng)控制系統。該系統能夠將介入手術(shù)器械導絲的位移信號發(fā)送給上位機，準確描述上位機軟件系統中虛擬導絲的位移，實(shí)現同步運動(dòng)。同時(shí)導絲受力反饋裝置的設計能夠模擬導絲在血管中運動(dòng)時(shí)遇到的阻力，提供良好的手感，達到真實(shí)醫學(xué)培訓目的。

　　0引言

　　血管類(lèi)疾病已經(jīng)成為嚴重威脅人類(lèi)生命的疾病之一。目前放射介入療法對治療此類(lèi)疾病效果明顯，針對傳統介入手術(shù)醫生的培訓無(wú)法經(jīng)常在臨床環(huán)境下進(jìn)行的問(wèn)題，國內已經(jīng)出現介入手術(shù)模擬教學(xué)系統用于手術(shù)培訓。血管介入治療模擬教學(xué)系統由介入手術(shù)器械運動(dòng)控制系統和虛擬介入手術(shù)軟件系統組成，本課題主要對前者進(jìn)行了研究，自主設計開(kāi)發(fā)了一種血管介入手術(shù)器械運動(dòng)控制系統。常見(jiàn)的血管介入手術(shù)器械有各種型號的導絲、導管、造影器、氣囊、支架等。由于導絲在引導導管進(jìn)入血管和放置支架、球囊等手術(shù)器械中起著(zhù)非常重要的作用，因此本文中論述的介入手術(shù)器械以導絲為例。系統由導絲位移信息采集裝置和導絲受力模擬裝置兩部分組成。

　　1導絲位移信息采集裝置

　　位移采集裝置的作用是在進(jìn)行介入手術(shù)模擬時(shí)，能夠準確采集訓練者對導絲的推拉旋轉產(chǎn)生的導絲位移信息，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。

　　1.1采集原理

　　采用光學(xué)傳感器可以進(jìn)行無(wú)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管、導絲等的運動(dòng)信息采集不夠精確，所以經(jīng)過(guò)對比，本文使用激光位移傳感器芯片ADNS-7530，進(jìn)行無(wú)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。當有物體在鏡頭采集距離內移動(dòng)時(shí)，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(guò)光學(xué)原理獲取連續物體表面圖像，然后根據前后兩張圖像變化信息，自動(dòng)計算出物體表面移動(dòng)的方向和增量并存儲在內部寄存器里。

　　1.2采集裝置

　　本文設計的導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(guò)，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的寄存器進(jìn)行初始化操作，以及讀取傳感器采集到的導絲實(shí)時(shí)的位移信息；再就是單片機與上位機軟件系統的串口通信電路，單片機將位移信息處理打包后通過(guò)串口發(fā)送給上位機。ADNS-7530傳感器采集位移信息時(shí)，將位移信息以二進(jìn)制形式存儲在了內部寄存器Delta_X_L、Delta_Y_L、Delta_XY_H中，單片機通過(guò)SPI方式讀取上述寄存器中的位移數據。ADNS-7530要正常工作，準確采集導絲的位移信息，必須先對其內部的寄存器按照一定的順序進(jìn)行配置。如圖4所示。

　　2導絲受力模擬裝置

　　導絲在血管中移動(dòng)與血管壁發(fā)生碰撞時(shí)，前進(jìn)會(huì )受到阻力，因此，想要更加逼真地模擬血管內介入治療的過(guò)程就要增加力反饋，本文自主設計了一個(gè)導絲受力模擬裝置。該裝置的作用是將上位機虛擬手術(shù)軟件系統中，導絲模型與血管模型發(fā)生碰撞后對導絲模型所產(chǎn)生的阻力施加于真實(shí)的導絲，模擬真實(shí)的手術(shù)環(huán)境。使訓練者感受到反饋力后，及時(shí)調整操作動(dòng)作，從而達到訓練的目的。由于導絲在血管中運動(dòng)只存在單一方向的移動(dòng)和轉動(dòng)，具有兩個(gè)自由度。用一個(gè)二維的受力反饋裝置即可滿(mǎn)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(gè)大的塑料盒中，只將金屬管通道和一些接口留出，與單片機控制系統裝置連接和通信。本文設計的導絲受力模擬裝置如圖5所示。

　　在本裝置的設計中傳動(dòng)裝置包括轉軸、連桿、滑塊1和滑塊2以及導軌。

　　滑塊1套在轉軸上，連桿通過(guò)兩個(gè)螺母將滑塊1和滑塊2連接起來(lái)，滑塊1的運動(dòng)通過(guò)連桿帶動(dòng)嵌在導軌上的滑塊2左右運動(dòng)。力反饋裝置執行過(guò)程是這樣的，通過(guò)步進(jìn)電機轉動(dòng)，帶動(dòng)轉軸轉動(dòng)，從而使轉軸上的滑塊1向外和向內運動(dòng)。步進(jìn)電機正轉，滑塊1向內運動(dòng)，帶動(dòng)連桿使其推動(dòng)滑塊2在導軌上向右運動(dòng)，鑲嵌在滑塊2上的彈性塑料板向右擠壓穿過(guò)凹槽結構的導絲，導絲受到壓力后運動(dòng)會(huì )受到影響，表現在用手推導絲時(shí)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絲的操作。步進(jìn)電機反轉則過(guò)程相反。

　　3系統測試

　　上位機虛擬手術(shù)軟件系統主要包括根據真實(shí)數據進(jìn)行血管分割、血管建模、導管和導絲建模、支架和氣囊建模、碰撞檢測等。本系統與上位機虛擬介入手術(shù)軟件系統連接后進(jìn)行測試，測試結果如圖6和圖7所示。

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

　　系統運行效果基本滿(mǎn)意，能夠基本滿(mǎn)足訓練者的練習。當然系統還存在許多需要改進(jìn)的地方，如增加多個(gè)位移采集裝置、更加靈敏的受力反饋裝置的設計、更加優(yōu)美的上位機軟件界面設計等，以更好的滿(mǎn)足當代醫學(xué)模擬教學(xué)的需求。

　　4結語(yǔ)

　　本文所闡述的血管介入手術(shù)器械運動(dòng)控制系統，為介入手術(shù)醫生的培訓提供了很大的幫助。該系統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)系統進(jìn)行研究時(shí)，可以在本系統的基礎上進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，增加和擴展功能，降低研發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。