CN108175504B - 血管介入手术导管/导丝轴向操作位移检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及血管介入手术机器人。血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置及方法，其技术方案是：包括：导丝导向及位置调整机构，相机及其高度调节机构，光源以及遮光外壳。本发明所提供的导管导丝轴向操作位移检测装置实现了导管导丝轴向操作位移的非接触检测，避免了附加编码器等机械装置运动带来的摩擦及惯性对检测精度的影响，以及对医生手术操作的影响。

Description

血管介入手术导管/导丝轴向操作位移检测装置及方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及血管介入手术机器人。
背景技术
血管介入手术机器人是一种利用机器人技术辅助医生进行手术操作的医疗设备，可以大幅提高手术操作的精度与稳定性，同时能有效降低放射线对主刀医生的伤害，提高手术安全性，因而逐渐成为当今各科技强国在医疗机器人领域的重点研发对象。
目前血管介入手术机器人主要采用主从操作结构，以将医生与放射线隔离，通过主端装置检测医生手部的手术操作，并将操作信号传送至从端装置，进行导管导丝的推拉和扭转操作。因此，主端装置对医生手部操作信息的检测对手术精度和手术安全保障至关重要，实际手术中医生操作柔性的导管导丝进行手术操作，而现有手术机器人系统的主端医生操作手柄多为刚性杆，不符合医生手术习惯，如专利血管介入手术机器人主端力反馈装置(发明公告号：CN205598007U，申请人：天津理工大学)，通过刚性杆轴向运动时带动光电编码器转子转动，同时通过导轨滑块结构带动扭转操作检测用光电编码器做轴向运动，虽然导轨滑块结构减小了扭转操作检测编码器轴向运动摩擦力，但依然无法彻底消除机械装置的摩擦和惯性对手术操作信息检测的影响。
发明内容
本发明的目的是：提供一种符合医生手术习惯，实现从端导丝、导管轴向操作位移的在线精确检测的导丝、导管轴向操作位移非接触检测装置及方法。
本发明的技术方案是：
所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，包括：导管/导丝导向及位置调整机构、图像采集单元、高度调节机构和图像处理单元；待检测对象为导管/导丝；
所述导管/导丝导向及位置调整机构用于对所述导管/导丝的轴向运动起导向作用，且用于调节所述导管/导丝相对于图像采集单元的位置；
所述图像采集单元用于采集在所述导管/导丝导向及位置调整机构导向下的导管/导丝的轴向运动图像，并发送给所述图像处理单元；
所述高度调节机构用于调节所述图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度，以获得设定的视场图像宽度；
所述图像处理单元用于对接收到的导管/导丝的轴向运动图像进行图像处理，从而获得导管/导丝的轴向位移。
所述导管/导丝导向及位置调整机构包括：底座、第一滑块、第二滑块、第一导向环以及第二导向环；在所述底座上加工有相互平行的第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑块和第二滑块分别与第一滑槽和第二滑槽滑动配合；
在所述第一滑块和第二滑块上分别设置有第一导向环和第二导向环，待检测的导管/导丝依次穿过所述第一导向环和第二导向环；所述第一滑槽和第二滑槽的滑动方向与所述导管/导丝的轴向垂直，第一紧定螺钉、第二紧定螺钉分别与第一滑块、第二滑块螺纹配合，用于在位置调整好后分别将所述第一滑块和第二滑块固定在第一滑槽和第二滑槽内。
所述高度调节机构包括：高度微调滑块和高度粗调滑块；所述图像采集单元与高度微调滑块固连，所述高度微调滑块通过丝杠螺母与旋钮A连接，通过旋转所述旋钮A能够使所述高度微调滑块沿高度粗调滑块上下移动，从而微调图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度；
所述高度粗调滑块通过丝杠螺母与旋钮B连接，通过旋转所述旋钮B能够使高度粗调滑块沿所述立柱上下滑动，以粗调图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度。
此外本发明提供一种血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测方法，该方法基于上述血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，包括以下步骤：
步骤一：在导管/导丝的表面每隔间距L设置一段长L的标记，将导管/导丝分为标记段和非标记段，通过导管/导丝导向及位置调整机构调整所述导管/导丝相对于图像采集单元的位置，使导管/导丝位于图像采集单元的正下方；通过高度调节机构调节所述图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度，使其视场图像宽度为S，S＞L；并设置采集图像的像素比例为A*B；
步骤二：在血管介入手术操作过程中，所述导管/导丝在所述导管/导丝导向及位置调整机构的导向下运动，所述图像采集单元获取所述导管/导丝的直线运动图像并发给所述图像处理单元；
步骤三：所述图像处理单元依据接收到的图像计算导管/导丝的实际移动距离D，具体为：
所述图像处理单元对接收到的图像进行灰度化处理，将其转化为灰度图；设置灰度阈值t，以区分在灰度化处理后的图像中导管/导丝标记段与非标记段，由此根据灰度阈值t检测导管/导丝标记段与非标记段的分界线；
在导管/导丝运动时，将导管/导丝标记段与非标记段之间的分界线作为检测点，通过检测图像中分界线移动的像素点个数P，计算导管/导丝的移动距离D：
有益效果：
本发明所提供的导管导丝轴向操作位移检测装置，直接以导管或导丝为操作手柄，代替现有手术机器人中刚性操作手柄，更符合医生血管介入手术操作习惯；实现了导管导丝轴向操作位移的非接触检测，避免了附加编码器等机械装置运动带来的摩擦及惯性对检测精度的影响，以及对医生手术操作的影响。
附图说明
图1为本发明中检测装置的结构示意图；
图2为本发明中导管导丝导向及姿态调整机构的结构示意图；
图3为本发明中相机及其高度调节机构的结构示意图；
图4为本发明中检测方法算法流程图；
图5为本发明中未转换分界线时导丝轴向位移示意图；
图6为本发明中分界线转换示意图；
图7为本发明中转换分界线后导丝轴向位移示意图；
图8为本发明中标定单个像素代表实际距离结果图；
图9为本发明的标定结果及误差曲线；
图10为本发明的标定速度结果曲线；
图11为本发明的评价实验结果。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
参见附图1，一种血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，包括：遮光外壳Ⅴ以及位于遮光外壳Ⅴ内的导管/导丝导向及位置调整机构Ⅱ、相机及其高度调节机构Ⅲ、光源Ⅳ以及图像处理单元；其检测对象为导管/导丝Ⅰ。
参见附图2，导管/导丝导向及姿态调整机构Ⅱ用于调节导管/导丝Ⅰ相对于相机的位置，包括：底座1-1、第一滑块1-3-a、第二滑块1-3-b、第一导向环1-5-a以及第二导向环1-5-b。在底座1-1上加工有相互平行的第一燕尾槽1-2-a和第二燕尾槽1-2-b，第一滑块1-3-a和第二滑块1-3-b分别与第一燕尾槽1-2-a和第二燕尾槽1-2-b滑动配合。在第一滑块1-3-a和第二滑块1-3-b上分别设置有第一导向环1-5-a和第二导向环1-5-b，待检测的导管/导丝Ⅰ依次穿过第一导向环1-5-a和第二导向环1-5-b。第一燕尾槽1-2-a和第二燕尾槽1-2-b的滑动方向与所述导管/导丝Ⅰ的轴向垂直，通过使第一滑块1-3-a和第二滑块1-3-b分别在第一燕尾槽1-2-a和第二燕尾槽1-2-b内滑动，带动第一导向环1-5-a和第二导向环1-5-b移动，从而调节导管/导丝Ⅰ相对于相机及其高度调节机构Ⅲ的位置。第一紧定螺钉1-4-a、第二紧定螺钉1-4-b分别与通过螺纹配合，位置调整好后，分别通过第一紧定螺钉1-4-a、第二紧定螺钉1-4-b将第一滑块1-3-a、第二滑块1-3-b固定在第一燕尾槽1-2-a、第二燕尾槽1-2-b内。
参见附图3，相机及其高度调节机构Ⅲ包括：相机镜头2-1、相机2-2、高度微调滑块2-3、高度粗调滑块2-5以及立柱2-7。相机镜头2-1与位于底座1-1上的导管/导丝Ⅰ相对，相机镜头2-1与相机2-2固连，相机2-2与高度微调滑块2-3固连，高度微调滑块2-3与高度粗调滑块2-5通过斜齿轮齿条，实现相对位置调节和自锁。高度微调滑块2-3通过丝杠螺母与旋钮A2-4连接，通过旋转旋钮A2-4能够使高度微调滑块2-3沿高度粗调滑块2-5上下滑动，从而微调相机2-2的高度，同时实现自锁。高度粗调滑块2-5与立柱2-7通过斜齿轮齿条连接，实现相对位置调节和自锁。高度粗调滑块2-5通过丝杠螺母与旋钮B2-6连接，通过旋转所述旋钮B2-6能够使高度粗调滑块2-5沿立柱2-7上下滑动，以粗调图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度。立柱2-7与底座1-1固连。
光源Ⅳ与相机镜头2-1固连；
遮光外壳Ⅴ与底座1-1固连，导管/导丝Ⅰ的两端分别通过遮光外壳Ⅴ两侧的过孔；
在手术操作过程中，导管/导丝Ⅰ在第一导向环1-5-a和第二导向环1-5-b的导向下轴向运动，通过相机2-2获取导管/导丝Ⅰ的直线运动图像，相机2-2将采集到的直线运动图像发送给图像处理单元，进而获得导管/导丝Ⅰ的位移。
实施例2：
一种血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测方法，它使用如实施例1所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，包括以下步骤：
步骤一：导管/导丝标记及图像预处理
在导管/导丝Ⅰ表面每隔间距L设置一段长L的标记，由此将导管/导丝分为标记段和非标记段，然后将导管/导丝Ⅰ置于相机镜头2-1正下方，调整相机2-2使相机镜头2-1与导管/导丝Ⅰ垂直，并使其视场图像宽度为S，本实施例中L＜S＜2L；设置采集图像的像素比例为A*B，对采集到的图像进行灰度化处理，将其转化为灰度图；
步骤二：设置灰度阈值t，用以区分在灰度化处理后的图像中导管/导丝标记段与非标记段，标记段的灰度值大于灰度阈值t，非标记段的灰度值小于灰度阈值t，由此可根据灰度阈值t检测导管/导丝标记段与非标记段的分界线。在导管/导丝Ⅰ运动时，通过检测图像中相邻两帧图像之间导管/导丝标记段与非标记段之间的分界线移动的像素点个数计算出导管/导丝的实际移动距离。
导管/导丝轴向位移及速度计算分为以下三种情况：
(1)未转换分界线时导管/导丝轴向位移及速度计算
若检测图像中相邻两帧图像之间只具有一个导管/导丝标记段与非标记段之间的分界线或具有两个分界线但第二个分界线未超过预先设定的分界线阈值X，如5所示，则所需检测分界线为第一个分界线Div，即以图像中第一个分界线Div移动的像素点个数计算出导管/导丝的实际移动距离；如图5中，从Ti时刻到Ti+1时刻，分界线移动的像素点个数P，则导管/导丝的实际移动距离D为：
(2)分界线时导管/导丝轴向位移及速度计算
若检测图像相邻两帧图像中有两个分界线且第二个分界线Div1在第二帧图像中超过预先设定的分界线阈值X，如6所示，则切换下次所需检测的分界线为Div1，但在该次计算中仍以第一个分界线Div移动的像素点个数P1来计算导管/导丝的实际移动距离D：
(3)转分界线后导管/导丝轴向位移及速度计算
转换分分界线后，以检测图像相邻两帧图像中的分界线Div1移动的像素点个数计算导管/导丝的实际移动距离(此时第二个分界线在相邻两帧图像中均超过预先设定的分界线阈值)；如图7所示，分界线Div1移动的像素点个数P2，导管/导丝的实际移动距离D为：
为了验证本发明的合理性和有效性，设计并完成了装置样机的标定和评价实验。采用CGU2-500C型工业相机得到导丝实时图像，采集后的图像发送到计算机处理端，并使用VS2010进行图像处理以及图像分析，得到导管/导丝轴向运动的位移；对比KEYSIGHT公司的34410A型6.5位数字万用表采集到的KEYSIGHT公司激光传感器所测得导管/导丝轴向运动的位移，进行标定实验，重复150组。
一次标定结果如图8所示，对曲线取均值后得到单个像素所代表的实际宽度为0.027115(mm/像素)。如图9所示标定的最大检测轴向位移的误差为0.2043mm，最大相对检测误差为0.552％，平均检测误差为0.155375mm，相对误差平均值为0.420％，如图10所示装置可检测最大速度为4.112cm/s。使导管/导丝做无规则运动，模拟医生进行实际手术操作，进行检测装置的评价实验。实验结果如图11所示，最大检测误差0.1501mm，最大相对检测误差为0.37％，平均检测误差为0.0910mm，平均相对检测误差为0.228％。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，包括导管/导丝导向及位置调整机构、光源、图像采集单元、高度调节机构和图像处理单元，所述光源为图像采集单元照明；待检测对象为导管/导丝；其特征在于:
在所述导管/导丝表面每间隔间距L设置一段长L的标记，将导管/导丝分为标记段和非标记段；
所述导管/导丝导向及位置调整机构用于对所述导管/导丝的轴向运动起导向作用，且用于调节所述导管/导丝相对于图像采集单元的位置，使导管/导丝位于图像采集单元的正下方；
所述图像采集单元设置图像采集的像素比例为A*B，用于采集在所述导管/导丝导向及位置调整机构导向下的导管/导丝的轴向运动图像，并发送给所述图像处理单元；
所述高度调节机构用于调节所述图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度，以获得设定的视场图像宽度S，且2L>S>L；
所述图像处理单元用于对接收到的导管/导丝的轴向运动图像进行灰度化处理，将轴向运动图像转化为灰度图像并设置其灰度阈值，使得标记段的灰度值大于灰度阈值而非标记段的灰度值小于灰度阈值，根据灰度阈值检测标记段与非标记段的分界线，并检测所述轴向运动图像中相邻两帧图像之间分界线移动的像素点个数P，根据公式可计算获得导管/导丝的轴向位移D。
2.如权利要求1所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，其特征是：所述导管/导丝导向及位置调整机构包括：底座、第一滑块、第二滑块、第一导向环以及第二导向环；在所述底座上加工有相互平行的第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑块和第二滑块分别与第一滑槽和第二滑槽滑动配合；
在所述第一滑块和第二滑块上分别设置有第一导向环和第二导向环，待检测的导管/导丝依次穿过所述第一导向环和第二导向环；所述第一滑槽和第二滑槽的滑动方向与所述导管/导丝的轴向垂直，第一紧定螺钉、第二紧定螺钉分别与第一滑块、第二滑块螺纹配合，用于在位置调整好后分别将所述第一滑块和第二滑块固定在第一滑槽和第二滑槽内。
3.如权利要求1所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，其特征是：所述高度调节机构包括：高度微调滑块和高度粗调滑块；所述图像采集单元与高度微调滑块固连，所述高度微调滑块通过丝杠螺母与旋钮A连接，通过旋转所述旋钮A能够使所述高度微调滑块沿高度粗调滑块上下移动，从而微调图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度；
所述高度粗调滑块通过丝杠螺母与旋钮B连接，通过旋转所述旋钮B能够使高度粗调滑块沿立柱上下滑动，以粗调图像采集单元相对于所述导管/导丝的高度。
4.如权利要求3所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，其特征是：所述高度微调滑块通过斜齿轮齿条与所述高度粗调滑块相连，实现相对位置调节和自锁。
5.如权利要求3所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，其特征是：所述高度粗调滑块通过斜齿轮齿条与所述立柱相连，实现相对位置调节和自锁。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，其特征在于：还包括遮光外壳；所述光源、导管/导丝导向及位置调整机构、图像采集单元和高度调节机构均位于所述遮光外壳内，所述导管/导丝的两端分别通过所述遮光外壳两侧的过孔。
7.如权利要求1所述的血管介入手术导管/导丝非接触式轴向位移检测装置，其特征在于：在所述图像处理单元中设置有分界线阈值，在进行导管/导丝的轴向位移计算时，以检测图像的相邻两帧图像中第一个分界线为检测点；若检测图像的相邻两帧图像中有两个以上分界线且最后一个分界线在相邻两帧图像中均超过预先设定的分界线阈值，则转换分界线，以最后一个分界线作为检测点，即以最后一个分界线移动的像素点个数计算导管/导丝的轴向位移。
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