CN101919697A - 介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法 - Google Patents

Abstract

一种医疗器械技术领域的介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，通过将介入导丝穿过两段导向套，将传感器电路板放置在介入导丝上方使其检测焦点对准介入导丝，调整传感器电路板使传感器电路板上的传感器能够检测到水平面上的二维运动，然后进行平面校准处理后得到比例系数K₁和K₂，最后通过测量及解耦计算处理得到介入导丝的直线运动距离L及旋转角度θ。本发明不仅成本低，安装方便，而且体积减小，精度较高，与计算机交换数据简便，最重要的是，检测部件不需要与被检测物体直接接触，从而大大减少了后期应用中考虑隔离与消毒的问题。

Description

介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的方法，具体是一种介入导丝的平面及旋转的二自由度的非接触式检测方法。

背景技术

微创介入手术是治疗肿瘤的重要方法，在病人股动脉处切口后，放置止血阀，并将介入导丝送入血管，在X光图像的引导下，将介入导丝送至病灶处，然后将导管套上介入导丝，沿介入导丝将导管送至病灶，再抽出介入导丝，形成体外与病灶的通道，再将放疗药物或栓塞剂沿导管送入。这种手术由于操作相对简单、伤口小、患者痛苦小、术后恢复快、风险较小的特点迅速为医生、病人所接受。目前国内各医院的实施方法主要是医生在X光图像的引导下手动进行操作，这种操作主要有以下不足：

(1)操作过程中需要X射线成像，使术者受到辐射的危害；

(2)手动插管操作准确度低，有时很难或无法将导管精确定位到病灶，使得治疗效果欠佳；

由于国内使用微创手术治疗肿瘤的病例越来越多，每位介入科医生的操作例数迅速增加，这使得医生的累积辐射量大大增加，不仅对医生的健康造成了很大损害，同时也使新的医生对此工作心存恐惧。因此，将需要在X光下进行的插管操作用机械装置来完成，而让医生在安全的X光室外进行控制，可以大大减少医生所受辐射。

介入手术的机械辅助的实现装置分三个大部分，运动检测及力反馈装置，运动执行及力检测装置，以及包括图像反馈装置的控制系统。医生在X光室外在图像的辅助下操作运动检测及力反馈装置中的介入导丝，同时感受反馈回来的力觉信息，运动执行及力检测装置执行所检测到的位移量，并检测介入导丝所受的力。运动检测装置作为直接受医生的控制的部分，在系统中尤为重要。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利“血管介入手术机器人推进机构”(申请号200910089761.8)，以及国外论文Yogesh Thakur等人(Yogesh Thakur，Jeffrey S.Bax，David W.Holdsworth，Maria Drangova：Design and Performance Evaluation of a Remote CatheterNavigation System，IEEE Transactions on Biomedical Engineering，Vol.56，No.7，July 2009，一种远程导管导航系统的设计与性能评估)均提出了使用光电编码器检测直线、旋转二维运动的方案。但二者都未详细讨论光电编码器检测运动时必须与介入导丝直接接触并且未解决介入导丝与编码器滚轮摩擦力减小时打滑的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，与现有技术相比不仅成本降低，安装方便，而且体积减小，最重要的是，检测部件不需要与被检测物体直接接触，从而大大减少了后期应用中考虑隔离与消毒的问题，而精度能满足本领域的特殊要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将介入导丝穿过两段导向套并导向套固定在底座上，然后把传感器电路板固定在调整底板上并将调整底板放置在介入导丝上方使其检测焦点对准介入导丝，调节调整底板使传感器电路板上的传感器能够检测到导丝的二维运动，然后进行平面校准处理后得到比例系数K₁和K₂，最后通过测量及解耦计算处理得到介入导丝的直线运动距离L及旋转角度θ。

所述的传感器电路板包括：集成激光光源的检测及处理芯片和电路母板，其中：光源照亮反射面，检测及处理芯片检测反射面的微小区域图像并输出所检测到的反射面X-Y方向位移，电路母板向光源和检测及处理芯片提供电源并作为与计算机传输数据的通道。

所述的导向套的内径等于介入导线的外径。

所述的调整底板为具有特定外形且钻有安装孔的板材。

所述的检测到导丝的二维运动是指：将传感器电路板安装到调整底板上，调节调整底板与底座的相对位置使传感器的检测轴线与底座中心线平齐；将传感器的输出接口连到计算机USB端口上，并选择激光鼠标传感器检测分辨率。

所述的平面校准处理是指：

1)将介入导丝仅沿其轴线，即Y方向以无旋转的平动方式向前或向后运动一定距离Y_A，同时记录向前或向后的实际运动距离Y_A和传感器检测读数Y_S，由于安装误差存在夹角α，传感器读数中会含有X_S，记录之；

2)重复步骤1)N(N＝5～10)次，分别计算N次试验中X_S的算术平均值

和Y_S的算术平均值

则安装误差角度

3)调整安装误差角度，即判断角度α是否超出范围，若超出则调整传感器与底座相对位置，使α在规定范围内；

4)求K₁。对步骤1)得到的每一组X_S和Y_S按下式进行坐标变换

$\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\end{array}\right]---\left(1\right)$

求得传感器实际检测到的轴向位移值Y_W，然后求得实际运动距离与检测数据的平均比例系数K₁，

其中：与

分别为前述N次Y_A和Y_W的算术平均值；

5)将介入导丝沿其轴线进行原地旋转一定角度，同时记录实际旋转角度θ与检测得到的数据X_S和Y_S；

6)重复步骤5)N(N＝5～10)次。

7)求K₂。对步骤6)求得的每一组X_S和Y_S按式(1)进行变换，得到实际检测的位移X_W。然后求实际旋转角度与检测数据平均比例系数K₂，

其中：

和

分别为前述N次θ和X_W的算术平均值；

所述的测量及解耦计算处理是指：当导丝运动时既有沿轴线进退也有沿轴线旋转，传感器检测反馈给计算机的信号为X_S和Y_S，导丝实际前进/后退的距离L及旋转角度θ由以下式子推出：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_2& 0\\ 0& K_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\end{array}\right].$

本发明采用价格低廉的激光鼠标传感器取代传统的光电编码器检测介入导丝的二维运动，不仅检测精度高(如3200DPI鼠标传感器最高分辨率可达到8μm)，而且体积小巧。

传统光电编码器的滚轮需要与介入导丝直接接触，较难满足医疗设备的严格消毒要求，激光鼠标传感器不与介入导丝接触，而可以更换的导向套可以满足消毒要求。同时，由于不与介入导丝直接接触，也避免了介入导丝沾染液体时出现的打滑造成测量不准的问题。

传统光电编码器检测介入导丝二维运动时由于有机械接触，若介入导丝以较大加速度运动时，编码器滚轮可能无法同步跟随，造成测量不准，而激光鼠标传感器所能测量的加速度仅受其内含的芯片性能限制，远大于传统光电编码器(如后文中的Cypress CYONS1001U可检测最大加速度可达20G，G为重力加速度)。

传统编码器的数据需要用I/O卡或数据采集卡读取，而激光鼠标传感器可直接接入计算机USB接口，不仅连接方式简单，也降低了成本。

附图说明

图1是本发明的实施步骤图。

图2是本装置的示意图(俯视)；

其中：1底座、2介入导丝、3、4导向套、5传感器电路板、6调整底板。

图3为实施例步骤示意图；

其中：图3a为标定步骤中确定沿轴线直线运动比例系数K₁的实施步骤图；图3b为标定步骤中确定绕轴线旋转运动比例系数K₂的实施步骤图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

先假设介入导丝轴线为Y轴，水平面上垂直于Y轴方向为X轴，垂直于水平面方向为Z轴，坐标原点设于激光鼠标传感器检测点位置，设定安装误差夹角不应大于3°。

如图1和图2所示，本实施例通过将介入导丝2穿过两段导向套3、4，导向套3、4固定在底座1上。把传感器电路板5固定在调整底板6上。将调整底板6放置在介入导丝2上方使其检测焦点对准介入导丝2，调节调整底板6使其上的传感器能够检测到导丝2的二维运动，然后进行平面校准处理后得到比例系数K₁和K₂，最后通过测量及解耦计算处理得到介入导丝的直线运动距离L及旋转角度θ。

如图2所示，本实施例采用的传感器电路5包括：集成激光光源的检测及处理芯片CypressCYONS1001U，电路母板。其中：光源照亮反射面，检测及处理芯片检测反射面的微小区域图像并输出所检测到的反射面X-Y方向位移，电路母板向光源和检测及处理芯片提供电源并作为与计算机传输数据的通道。前述的集成光源的检测及处理芯片和电路母板是取自激光鼠标雷柏V2，所述设备在市场上均可购买到。

所述的导向套3、4的内径等于介入导丝2的外径，所述导向套暂时用导管代替，与导丝配套。介入导丝型号为日本Terumo公司的0.035″×150mm导丝。

所述的调整底板6为具有特定外形且钻有安装孔的板材，本实施例中使用铝板，厚度为3mm。

所述的调整传感器电路板动作是指：将传感器电路板5安装到调整底板6上，调节调整底板6与底座1的相对位置使传感器的检测轴线与底座中心线平齐；将传感器的输出接口连到计算机USB端口上，并选择激光鼠标传感器检测分辨率为1600DPI。

所述的平面校准处理是指：

1)将介入导丝2沿其轴线，即Y方向以无旋转的平动方式向前(或向后)运动2mm，同时记录向前或向后的实际运动距离Y_A＝2mm和传感器检测读数Y_S，由于安装误差存在夹角α，传感器读数中会含有X_S，记录之；

2)重复步骤1)5次，分别计算5次试验中X_S的算术平均值

和Y_S的算术平均值

则安装误差角度

五次试验及平均值如表1所示，可以求出夹安装误差角度α＝0.0198，约1.15°，可认为在允许范围内；

3)调整安装误差角度。在前步已经验证安装误差在允许范围内，不需要再进行调整；

4)求K₁。对步骤1)得到的每一组X_S和Y_S按下式进行坐标变换

$\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\end{array}\right]---\left(1\right)$

求得传感器实际检测到的轴向位移值Y_W，然后求得实际运动距离与检测数据的平均比例系数K₁，其中：与

分别为前述5次Y_A和Y_W的算术平均值，表1为求K₁试验数据；

表1求K₁试验数据

试验次数	1	2	3	4	5	平均值
							Xs(Point)	-2	-3	-3	-2	-3	-2.6
Ys(Point)	131	132	132	131	132	131.6
							Xw(Point)	0.6	-0.4	-0.4	0.6	-0.4	-0.08
Yw(Point)	131	132	132	131	132	131.6

5)将介入导丝沿其轴线进行原地旋转π/2角度，同时记录实际旋转角度θ＝π/2与检测得到的数据X_S和Y_S；

6)重复步骤5)5次，五次试验数据及平均值如表2所示；

7)求K₂。对步骤6)求得的每一组X_S和Y_S按式(1)进行变换，得到实际检测的位移X_W，如表3所示。然后求实际旋转角度与检测数据平均比例系数K₂，

其中：

和

分别为前述5次θ和X_W的算术平均值；

表2求K₂试验数据

试验次数	1	2	3	4	5	平均值
							Xs(Point)	58	59	59	62	61	59.8
Ys(Point)	2	1	1	1	1	1.2
							Xw(Point)	58	59	59	62	61	59.8
Yw(Point)	1	0	0	0	0	0.02

所述的测量及解耦计算处理是指：当导丝运动既有沿轴线进退也有绕轴线旋转，传感器检测反馈给计算机的信号为X_S和Y_S，导丝实际前进/后退的距离L及旋转角度θ由以下式子推出：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_2& 0\\ 0& K_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\end{array}\right].$

性能指标：激光鼠标传感器分辨率可调节，在不同分辨率下性能指标不同，表3是芯片分辨率为1600DPI时传感器的性能，本传感器相对于很多传统传感器来说精度、分辨率并不高，但考虑到介入手术中精度要求并非很高(约线性0.5mm，旋转5°，约0.0873rad)，足以满足要求。

Claims (6)

1.一种介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，其特征在于，通过将介入导丝穿过两段导向套并导向套固定在底座上，然后把传感器电路板固定在调整底板上并将调整底板放置在介入导丝上方使其检测焦点对准介入导丝，调节调整底板使传感器电路板上的传感器能够检测到导丝的二维运动，然后进行平面校准处理后得到比例系数K₁和K₂，最后通过测量及解耦计算处理得到介入导丝的直线运动距离L及旋转角度θ。

2.根据权利要求1所述的介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，其特征是，所述的传感器电路包括：光源、与之相连接的检测及处理芯片和固定底板，其中：检测及处理芯片检测反射面的微小区域图像并输出所检测到的反射面X-Y方向位移，固定底板向光源和检测及处理芯片提供电源并传输数据。

3.根据权利要求2所述的介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，其特征是，所述的导向套的内径等于介入导线的外径。

4.根据权利要求1所述的介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，其特征是，所述的检测到导丝的二维运动是指：将激光鼠标传感器电路板安装到底座上调整位置使其检测轴线与底座中心线平齐；将传感器的输出接口连到计算机USB端口上，并选择激光鼠标传感器检测分辨率。

5.根据权利要求1所述的介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，其特征是，所述的平面校准处理是指：

1)将介入导丝仅沿其轴线，即Y方向以无旋转的平动方式向前或向后运动，同时记录向前或向后的实际运动距离和传感器检测读数；

2)判断与轴线正交的方向，即X方向的传感器检测读数是否超出设定范围，若超出则调整传感器与底座相对位置，使X方向的传感器检测读数落在设定范围内；

3)然后将介入导丝沿Y方向向前或向后运动，同时记录向前或向后实际运动距离YA与传感器检测读数YS；

4)重复步骤3)N次，N＝5～10，求得实际运动距离与检测数据的平均比例系数K₁，

其中：

为前述N次Y_A的算术平均值，

为前述N次Y_S的算术平均值；

5)将介入导丝仅沿其轴线进行原地旋转，同时记录实际旋转角度θ与检测得到的数据X_S；

6)重复步骤5)N次，N＝5～10，求得实际旋转角度与检测数据平均比例系数K₂，

其中：

为前述N次θ的算术平均值，

为前述N次X_S的算术平均值；

7)传感器检测轴线与导丝轴线夹角为α，

6.根据权利要求1所述的介入导丝二自由度运动的非接触式检测方法，其特征是，所述的测量及解耦计算处理是指：当导丝运动时存在既有沿轴线进退也有沿轴线旋转，传感器检测反馈给计算机的信号为X_S和Y_S，导丝实际前进/后退的距离L及旋转角度θ由以下式子推出：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_2& 0\\ 0& K_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\end{array}\right].$

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