CN102213582B - 球囊尺寸测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球囊尺寸测量装置和方法，该装置包括采集控制单元、机械单元、直径测量单元和数据处理单元。采集控制单元包括第一通讯接口、第一微处理器、前后限位开关、控制电路、采集电路、直流电机和增量式编码器；机械单元包括滚珠丝杆副、球囊夹具和传动机构，所述滚珠丝杆副包括螺母滑块和丝杆轴；直径测量单元包括非接触式测径部分、第二微处理器和第二通讯接口，数据处理单元包括数据记录模块、球囊形状绘模块和球囊尺寸计算模块。

Description

球囊尺寸测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种球囊尺寸测量装置和方法，尤其是一种PTCA(经皮冠状动脉腔内血管成形术)球囊扩展导管的球囊尺寸测量装置及其测量方法。

背景技术

PTCA是“经皮冠状动脉腔内成形术”的英文简称。即利用一种细长的柔软导管以及导丝、球囊及其它相关器材在X线透视及造影剂的指引下，针对显著狭窄甚至闭塞的冠状动脉病变部位进行扩张，以达到开通和扩张管腔，改善和恢复冠脉血流的目的。为了进一步保持管腔开通，维持正常血流，目前往往在PTCA后进一步行支架植入术。球囊尺寸测量是指球囊在名义使用压力下扩张后所成型尺寸的测量。如果球囊过长，扩张过大，支架在扩张时容易产生“狗骨效应”；而球囊过短，则支架扩张不完全，扩张一致性差。因此精确测量球囊的尺寸，对于保证支架系统的质量而言非常重要。

目前对于球囊尺寸的测量通常由人工进行。在现有的人工测量球囊尺寸中，测量精度不高，并且测量球囊有效长度与测量球囊有效直径分开进行，从而效率不高。因此亟需一种精确高效测量设备来检测球囊尺寸。

发明内容

本发明针对现有人工测量球囊尺寸精度不高，并且测量有效长度与测量有效直径分开进行效率不高的缺点，提供一种测量球囊尺寸的装置及测量方法。

为实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种球囊尺寸测量装置，其包括采集控制单元、机械单元、直径测量单元和数据采集单元。所述采集控制单元包括第一通讯接口、第一微处理器、前后限位开关、控制电路、采集电路、直流电机和增量式编码器；机械单元包括滚珠丝杆副、球囊夹具和传动机构，所述滚珠丝杆副包括螺母滑块和丝杆轴；直径测量单元包括非接触式测径部分、第二微处理器和第二通讯接口；数据处理单元包括数据记录模块、球囊形状绘制模块和球囊尺寸计算模块。第一微处理器通过采集电路与增量式编码器相连，并通过控制电路与直流电机的输入端相连，直流电机的输出端与滚珠丝杆副的丝杆轴相连，前后限位开关限定球囊的运动行程；螺母滑块安装到丝杆轴上，球囊夹具固定在螺母滑块上，球囊夹具夹带球囊穿过非接触式测径部分，由非接触式测径部分测得的球囊直径数据经第二微处理器的处理，通过第二通讯接口实时传输给数据记录模块。增量式编码器通过所述传动机构连接到丝杆轴，并从丝杆轴获取转动信号，采集电路和微处理器对所述转动信号进行处理获得位置数据，位置数据通过第一通讯接口实时传输给数据记录模块。数据记录模块将球囊直径数据和位置数据传给球囊形状绘制模块，由球囊形状绘制模块绘制出球囊的二维投影图像；球囊绘制模块将数据传输给球囊尺寸计算模块，由球囊尺寸计算模块计算出球囊的尺寸。

优选地，机械单元与直径测量单元以可拆卸方式连接，机械单元的球囊夹具部分可调整以适应直径测量单元，以便球囊处于最佳的被扫描区域。更优选地，机械单元与直径测量单元通过螺栓连接。

优选地，所述传动机构采用皮带轮传动方式，其包括编码器皮带轮、丝杆轴皮带轮以及连接编码器皮带轮和丝杆轴皮带轮的皮带。

优选地，直径测量单元采用非接触式激光测径的方式测量球囊的直径，第二微处理器向通讯接口发送所测直径数据，发送频率优选为1-50个/秒。

优选地，通过控制电路设置直流电机的行程远近，对直流电机进行调速。优选地，第一微处理器计算得到位置数据并通过第一通讯接口发送位置数据的频率为100个/秒。

优选地，直流电机的转动方向和速度可调，正反转速范围优选为0～100转/分。

优选地，数据处理单元的数据记录模块实时记录第一通讯接口所发送的球囊直径数据和位置数据，球囊形状绘制模块根据所述球囊直径数据和位置数据绘制出球囊的二维投影形状图，球囊尺寸计算模块确定球囊的有效直径并根据预先定义的阈值参数计算球囊的有效长度。

优选地，球囊的有效直径通过对球囊的中间平直段的直径求平均值而获得，以所述有效直径的90％作为阈值来确定球囊的有效长度的起端和终端，从而求得球囊的有效长度。

根据本发明的另一方面，提供一种使用本发明的装置测量球囊尺寸的方法，其包括：将球囊装载到球囊夹具上；推送所述球囊在所述直径测量单元中移动；测量并记录所述球囊的直径数据；测量并记录所述球囊的位置数据；根据所述球囊的直径数据和位置数据绘制球囊的二维投影形状；计算所述球囊的尺寸。

本发明的有益效果是：为球囊提供了便捷的装载方式；并为球囊提供了稳定并可调的推送方式。并且可同时测量球囊的有效长度和有效直径，使得测量球囊的尺寸的效率大大提高。另外，避免了人工测量的主观性，提高了测量精度，也提高了尺寸测量值的可信度。

附图说明

图1是本发明的球囊尺寸测量装置的结构框图；

图2是本发明的球囊尺寸测量装置中的采集控制单元、机械单元和直径测量单元的关系示意图；

图3A、3B是在测量过程中装载在球囊夹具上的球囊与直径测量单元的关系示意图，其中图3A是正视截面图，图3B是沿图3A中线A-A截取的侧视截面图；

图4是示出球囊夹具中夹头的具体结构以及球囊装载的示意图；

图5是数据处理单元对球囊尺寸与位置数据进行处理的流程图；

图6是根据一个实例测得的球囊直径数据的实时记录示意图；

图7是根据一个实例测得的位置数据的实时记录示意图；

图8是根据图6、7的数据绘制的球囊形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图与优选实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的球囊尺寸测量装置包括采集控制单元100、机械单元200、直径测量单元300和数据处理单元400。根据本发明优选实施例的该球囊尺寸测量装置的具体结构如下。

如图1所示，采集控制单元100包括第一通讯接口101、第一微处理器102、限位开关103、控制电路104、采集电路105、直流电机106和增量式编码器107。限位开关103可包括前限位开关和后限位开关。

机械单元200包括滚珠丝杆副201、球囊夹具203和传动机构207。滚珠丝杆副201包括螺母滑块202和丝杆轴206。

直径测量单元300包括非接触式测径部分301、第二微处理器302和第二通讯接口303。

数据处理单元400包括数据记录模块401、球囊形状绘制模块402和球囊尺寸计算模块403。

如图1和图2所示，采集控制单元100中的第一微处理器102通过控制电路104与直流电机106的输入端相连，直流电机106的输出端与机械单元200中滚珠丝杆副201的丝杆轴206相连。优选地，通过联轴器208实现该连接。

螺母滑块202安装到丝杆轴206上，螺母滑块相对于丝杆轴206可滑动，并用于固定球囊夹具203，丝杆轴206通过传动机构207连接到采集控制单元100中的增量式编码器107。优选地，传动机构207采用皮带轮传动，其可包括编码器皮带轮204和丝杆轴皮带轮205，丝杆轴皮带轮205与编码器皮带轮204通过皮带连接。应该理解，采用其他形式的传动机构也是可行的，例如齿轮、摩擦轮等。球囊夹具203固定在螺母滑块202上，球囊夹具203用于夹带球囊10穿过直径测量单元300的非接触式测径部分301，由非接触式测径部分301所测得的球囊直径数据经第二微处理器302处理，通过第二通讯接口303实时传输给数据处理单元400中的数据记录模块401。

增量式编码器107例如通过皮带轮传动的方式从丝杆轴206获取转动信号，经采集电路105和第一微处理器102处理，将球囊夹具203或螺母滑块202相对于一端限位开关(例如，后限位开关)的位置数据作为球囊位置数据，并通过第一通讯接口101实时传输给数据记录模块401。数据记录模块401将接收的位置数据和球囊直径数据传输给球囊形状绘制模块402，由球囊形状绘制模块402根据所述位置数据和球囊直径数据绘制出球囊的二维投影图像。球囊绘制模块402将位置数据和球囊直径数据传输给球囊尺寸计算模块403，由球囊尺寸计算模块403计算出球囊的精确尺寸。

所述机械单元200与直径测量单元300以可拆卸方式连接，优选地，采用螺栓固定方式连接。机械单元200的球囊夹具203可调整以适应直径测量单元300，以便球囊10处于最佳的被扫描区域。

使用增量式编码器107来测量精确的位置数据，位置数据可用于计算球囊的有效长度，后面将对此进行详细描述。

直径测量单元300可以采用市场购置的产品，例如激光测径仪，其采用非接触式激光测径的方式测量球囊的直径，并由第二微处理器302向第二通讯接口303发送所测直径数据。优选地，发送直径数据的频率大于30个/秒。

所述采集控制单元100的控制电路104上设置有按键(未示出)，通过所述按键可设置直流电机106的行程远近，可对直流电机106进行调速，第一微处理器102利用经由采集电路105从增量式编码器107获得的信号进行计算，得到位置数据，并通过第一通讯接口101发送。优选地，计算和发送位置数据的频率为100个/秒。

所述直流电机106的转动方向和速度可调，优选地，正反转速范围为0～100转/分。

所述数据处理单元400的数据记录模块401能实时记录第一通讯接口101和第二通讯接口303所发送的球囊直径数据和位置数据。球囊形状绘制模块402根据所述球囊直径数据和位置数据绘制出球囊10的二维投影形状图。球囊尺寸计算模块403可根据预先定义的阈值参数计算球囊10的有效长度。

图2示出根据本发明优选实施例的球囊尺寸测量装置中的采集控制单元、机械单元和直径测量单元的关系。如前面所述，直流电机106可通过联轴器208与丝杆轴206相连，通过滚珠丝杆副201将旋转运动转化成直线运动。前限位开关和后限位开关使得球囊10在规定的行程区间往返运动，当固定球囊夹具203的螺母滑块202触碰到后限位开关时，螺母滑块202向前运动；当螺母滑块202触碰到前限位开关时，螺母滑块202向后运动。此外，螺母滑块202的运动速度受第一微处理器102和控制电路104控制。

在螺母滑块202上固定球囊夹具203(球囊夹具203的结构在后面参考图3、4描述)，球囊夹具203的夹头2032的位置可以前后调整以适应不同规格球囊的安放，其一端向外伸入直径测量单元300的非接触式测径部分301，使得装载在球囊夹具203上的球囊10得以进行直径测量。

丝杆轴206上固定的丝杆轴皮带轮205与编码器皮带轮204通过皮带连接，增量式编码器107可测得丝杆轴206转动的方向和转过的量，将脉冲信号传输给第一微处理器102。这里以后限位开关作为位置起点，即坐标系的“0”点，以前限位开关作为位置终止点，那么螺母滑块202以“0”点为位置基准点，第一微处理器102根据正反脉冲信号的增减使得位置数据值也随之增减，并将位置数据传输给第一通讯接口101。应该理解，以前限位开关作为位置起点，以后限位开关作为位置终止点，也是可行的。

在本发明中，对通讯接口的类型没有限制，其可以为有线的，例如串口、并口、USB接口等；也可以为无线的，例如WiFi、蓝牙等。

图3A、3B示出测量过程中球囊夹具203、球囊10和直径测量单元300的关系。根据本发明的优选实施例，球囊夹具203由横杆2031和夹头2032组成，横杆2031具有导槽，可以根据球囊尺寸的不同调节前后夹头的距离，优选地，可调的距离范围是70cm-200cm。

球囊导管的导丝腔中穿过导丝20后，球囊10的两端刚度增大，从而可夹在夹头2032中同时使球囊10的位置保持平直并与直径测量单元300的端面垂直，以这种方式将球囊10装载在球囊夹具203中。球囊10装载的位置最好保持在直径测量单元300的非接触式测径部分301的中心位置，即最佳的测量位置。球囊10的来回行程应在直径测量单元300的测量范围之中。

图4示出根据本发明的优选实施例的球囊夹具中夹头的具体结构以及球囊装载的示意图。在图4所示的优选实施例中，夹头2032设计成可上下调整的，可由调整螺丝2033进行控制。夹头2032由固定片2034、弹性压紧片2035和压紧螺丝2036组成。装载时只需将球囊10两端的导丝20压入夹头2032，弹性压紧片2034稍张开，等导丝20压至导丝孔，弹性压紧片2034自然回弹闭紧。注意装载时前后夹头中间的球囊导丝段平直不要弯曲，并且控制好球囊410与直径测量单元的位置关系，参考图3A、3B。

图5示出本发明的数据处理单元对球囊尺寸与位置数据进行处理的流程图。本发明的数据处理单元400可以采用PC、单片机、嵌入式系统、SoC等实现。如前面所述，其可包括数据记录模块401、球囊形状绘制模块402和球囊尺寸计算模块403。数据处理模块401用于实时记录球囊直径数据和实时记录位置数据。球囊形状绘制模块402用于根据球囊直径数据和位置数据在坐标系中绘制球囊10的外观形状。球囊尺寸计算模块403根据球囊直径数据和位置数据计算球囊10的有效长度、有效直径，并记录报告和保存。数据处理单元400实时记录球囊直径数据和实时记录位置数据，以这两种数据为纵坐标和横坐标来绘制球囊形状图，并得到球囊的有效直径和有效长度。

在生成球囊形状图的坐标数据中(球囊形状图可参考图8)，去掉球囊两端锥形段的数据，中间段形状平直，用来计算有效直径。优选地，对球囊的中间平直段的直径求平均值作为球囊的有效直径。替代地，也可以球囊的中间平直段中任一点的直径作为球囊的有效直径。有效长度是球囊扩张后起到有效支撑作用的球囊长度，球囊两端锥形段是均匀渐变的，定义锥形段直径为有效直径的90％是有效长度的起端和终端，介于起端和终端的这段长度是有效长度，截取起端和终端位置数据，用来计算有效长度。应该理解，以有效直径的90％作为有效长度的起端和终端阈值仅是本发明的优选实施方式。本发明并不限于此，例如，该阈值可以是有效直径的60％-100％中的任意数值，例如，60％、65％、70％、75％、80％、85％、88％、92％、95％、98％等。

下面结合图6-8对球囊尺寸测量的一个实例进行描述。

图6示出根据一个实例测得的球囊直径数据的实时记录。启动球囊尺寸测量装置，球囊夹具203夹带球囊10将其送入直径测量单元300。在该例中，每个球囊10的测试是4次推送，即送入、回归、送入、回归。也就是说，送入和回归各作为1个推送周期。在每次推送过程中测量并实时记录位置数据和球囊直径数据。在该例中，进行4个周期的测量，从而进行4次有效直径和有效长度的计算，对计算结果取平均值作为球囊最终的有效直径和有效长度。应该理解，测试周期和计算次数可以更多或更少。最少可以仅进行一次推送完成一个周期的测量，并从中得到球囊的有效直径和有效长度。图6是实时记录下的直径数据图，横坐标是时间轴，单位ms；纵坐标是测试的球囊的直径数据，单位mm。优选地，直径数据可精确到0.001mm。

图6中截取了上述推送测量过程所记录的直径数据的一部分。实际上，图6中包含有3个推送过程的直径数据。图中的高平直段是球囊10的有效长度段，低平直段是球囊两端导丝20的直径，倾斜段是球囊锥形段。

图7示出测得的位置数据的实时记录。启动球囊尺寸测量装置后，在推送动作过程中，数据记录模块401对推送的位置数据进行记录，优选地，推送位置在0-100mm的范围内，图中的横坐标是时间轴，单位是ms；纵坐标是位置数据，单位是mm。优选地，位置数据可精确至0.01mm。

图7是截取的测试过程中记录下来的一段数据图。图中拐点处表示推送换向，位置数据呈现一条直线表示推送的速度是匀速的。推送的速度是可调的，其可由采集控制单元100调整，优选地，可调的速度范围在0-20mm/s。

图8示出根据图6、7的数据绘制的球囊形状。图中横坐标是位置数据，单位是mm，来源于图7所示的位置数据记录；纵坐标是球囊直径数据，单位是mm，来源于图6所示的直径数据记录。图8所示球囊形状绘制是离散的，但因为有足够多的点，所以不会影响球囊形状绘制的精度。

图8中所示为某一球囊测试一次所绘制的形状图，球囊的位置数据大概在61mm-82mm。利用球囊的中间平直段采集到的点计算球囊的有效直径；球囊的有效长度是由设定的阈值(例如，有效直径的90％)所确定起端和终端之间的长度。

球囊尺寸计算模块403可在所绘制的球囊形状基础上计算球囊尺寸。球囊尺寸计算模块403先将离散的数据处理(例如，拟合)成连续的数据曲线，然后根据设定的阈值确定起端和终端，由此计算出球囊精确的有效长度值。

Claims (10)

1.一种测量球囊尺寸的装置，包括采集控制单元(100)、机械单元(200)、直径测量单元(300)和数据处理单元(400)，其特征在于：

所述采集控制单元(100)包括第一通讯接口(101)、第一微处理器(102)、前后限位开关(103)、控制电路(104)、采集电路(105)、直流电机(106)和增量式编码器(107)；

所述机械单元(200)包括滚珠丝杆副(201)、球囊夹具(203)、传动机构(207)，所述滚珠丝杆副(201)包括螺母滑块(202)和丝杆轴(206)；

所述直径测量单元(300)包括非接触式测径部分(301)、第二微处理器(302)和第二通讯接口(303)；

所述数据处理单元(400)包括数据记录模块(401)、球囊形状绘制模块(402)和球囊尺寸计算模块(403)；

其中，所述第一微处理器(102)通过采集电路(105)与增量式编码器(107)相连，并通过控制电路(104)与直流电机(106)的输入端相连，直流电机(106)的输出端与滚珠丝杆副(201)的丝杆轴(206)相连，所述前后限位开关(103)限定球囊的运动行程；

所述螺母滑块(202)安装到丝杆轴(206)上，球囊夹具(203)固定在螺母滑块(202)上，球囊夹具(203)夹带球囊穿过非接触式测径部分(301)，由非接触式测径部分(301)所测得的球囊直径数据经第二微处理器(302)处理，通过第二通讯接口(303)实时传输给数据记录模块(401)；

所述增量式编码器(107)通过所述传动机构(207)连接到丝杆轴(206)，并从丝杆轴(206)获取转动信号，所述采集电路(105)和第一微处理器(102)对所述转动信号进行处理获得位置数据，所述位置数据通过第一通讯接口(101)实时传输给数据记录模块(401)；

所述数据记录模块(401)将球囊直径数据和位置数据传输给球囊形状绘制模块(402)，由球囊形状绘制模块(402)绘制出球囊的二维投影图像；球囊绘制模块(402)将数据传输给球囊尺寸计算模块(403)，由球囊尺寸计算模块(403)计算出球囊的尺寸。

2.根据权利要求1所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述机械单元(200)与直径测量单元(300)以可拆卸方式连接，机械单元(200)的球囊夹具(203)部分能够调整以适应直径测量单元(300)，以便球囊处于最佳的被扫描区域。

3.根据权利要求2所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述机械单元(200)与直径测量单元(300)通过螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述传动机构(207)采用皮带轮传动方式，包括编码器皮带轮(204)、丝杆轴皮带轮(205)以及连接所述编码器皮带轮(204)和丝杆轴皮带轮(205)的皮带。

5.根据权利要求1所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述直径测量单元(300)采用非接触式激光测径的方式测量球囊的直径，所述第二微处理器(302)向第二通讯接口(303)发送所测直径数据的频率为1-50个/秒。

6.根据权利要求1所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：通过所述控制电路(104)设置直流电机(106)的行程，对直流电机(106)进行调速，所述第一微处理器(102)计算得到位置数据并通过第一通讯接口(101)发送所述位置数据的频率为100个/秒。

7.根据权利要求1所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述直流电机(106)的转动方向和速度能够调节，正反转速范围为0～100转/分。

8.根据权利要求1所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述数据处理单元(400)的数据记录模块(401)能实时记录第一通讯接口(101)和第二通讯接口(303)所发送的球囊直径数据和位置数据，球囊形状绘制模块(402)根据所述球囊直径数据和位置数据绘制出球囊的二维投影形状图，球囊尺寸计算模块(403)确定球囊中间平直段的有效直径并根据预先定义的阈值参数计算球囊的有效长度。

9.根据权利要求8所述的球囊尺寸测量装置，其特征在于：所述有效直径通过对球囊的中间平直段的直径求平均值而获得，以所述有效直径的90％作为所述阈值来确定球囊的有效长度的起端和终端，从而求得有效长度。

10.一种通过权利要求1-9中任一项所述的装置测量球囊尺寸的方法，其包括：

将球囊装载到球囊夹具上；

推送所述球囊在所述直径测量单元中移动；

测量并记录所述球囊的直径数据；

测量并记录所述球囊的位置数据；

根据所述球囊的直径数据和位置数据绘制球囊的二维投影形状；

计算所述球囊的尺寸。

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