CN112033822A - 一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置与方法，包括：实验台、力传感器、介入器械、摄像机和上位机，摄像机位于实验台正上方，实验台上设置有通道槽，力传感器固定在实验台上，介入器械位于通道槽内，且与力传感器接触，力传感器和摄像机均与上位机连接。通过获取介入器械前端的弯曲变形弹性模量后，可以应用在血管介入手术中，通过分析术中介入器械前端的弯曲变形来推算介入器械前端与血管壁或病灶的接触力，简单高效。

Description

一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置与方法

技术领域

本发明涉及医疗外科血管介入手术技术领域，更具体的说是涉及对介入手术中介入器械弯曲变形弹性模量的标定，为通过在手术中利用分析介入器械前端变形情况推算介入器械前端与血管壁或病灶的接触力奠定基础。

背景技术

在血管介入手术中，医生通过在股动脉或桡动脉处开口置入导丝或导管等介入器械，并沿着动脉推进导丝或导管等介入器械到达冠状动脉、颈动脉等易发生动脉狭窄等症状处，对血管进行造影检查或植入支架进行手术治疗。血管介入手术是一类重要的外科手术。

在血管介入手术中，医生在患者体外对介入器械进行推送操作使介入器械在血管内游走前行；在碰到血管分叉处时，要通过体外对介入器械的推拉或捻旋操作以控制介入器械前端进入正确的血管分叉。在推送介入器械在血管内前行的过程中，要避免介入器械划伤或刺穿血管壁、避免介入器械使血管壁斑块脱落。

由于介入器械前端在血管内，医生无法直接看到介入器械前端在血管内的情况。为此，医生需要在手术中借助C形臂DSA机对血管进行造影成像以实时观察介入器械前端在血管内的情况。但DSA对血管成像需要注射造影剂并使用X射线，对患者和医生都存在较大的伤害。因此，医生一般通过手感和经验对介入器械进行盲推，当判断介入器械前端到达血管分叉或抵上血管壁时再利用DSA进行成像观察，以减少X射线的使用。

血管介入手术中使用的导管或导丝等介入器械，为具有一定刚度的柔性材料。这种材料使得医生在体外推送介入器械时，介入器械前端能沿着血管滑行前行；而当抵触到血管壁或斑块等阻碍时，介入器械前端会产生一定的弯曲变形，以避免医生在体外操作时不知道介入器械前端已遇阻而造成直接刺穿血管壁或使斑块脱落移动。但在这种情况下，医生必须停止继续推送以避免器械前端与血管壁或斑块的接触力过大超出极限。

由上述可知，介入器械的弹性变形在手术中具有重要作用。在血管介入手术中，也可通过X光观察介入器械前端的弯曲变形情况，分析介入器械前端所受的力，作为器械前端与血管壁或者斑块接触情况的判断依据。

介入器械前端与血管壁或斑块接触后产生的弯曲变形程度，与介入器械前端与血管壁或斑块之间的作用力、以及介入器械前端弯曲变形的弹性模量相关。为了能通过介入器械的弹性变形程度分析计算介入器械与血管壁或斑块之间的作用力，需要预先确定介入器械的弯曲弹性模量。

因此，如何提供一种标定介入器械弯曲变形弹性模量的装置与方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置与方法，能快速简单的实现介入器械弯曲变形弹性模量的标定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，包括：实验台、力传感器、介入器械、摄像机和上位机，所述摄像机位于所述实验台上方，所述实验台上设置有通道槽，所述力传感器固定在所述实验台上，所述介入器械位于所述通道槽内，且与所述力传感器接触，所述力传感器和所述摄像机均与所述上位机连接。

进一步，所述实验台上设置有内凹平面，所述通道槽位于所述内凹平面的中部。

进一步，还包括透明玻璃压板，所述玻璃压板位于所述内凹平面上。

进一步，所述通道槽包括穿入通道槽和测量通道槽，所述穿入通道槽和所述测量通道槽连通，且所述测量通道槽的宽度大于所述穿入通道槽的宽度。

进一步，所述介入器械包括导丝或导管。

一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的方法，包括：

步骤1：标定摄像机成像平面与实验台台面的单应矩阵H；

步骤2：将待标定弹性模量的介入器械穿入通道槽，并使所述介入器械前端与力传感器接触，作为初始状态t₀，并利用所述摄像机采集t₀时刻的介入器械图像I₀；

步骤3：继续推送所述介入器械，同时利用所述摄像机采集所述介入器械前端变形图像和利用所述力传感器采集所述介入器械前端所受力，得到拍摄序列时刻t_j对应采集的图像序列I_j以及力信息序列F_j，j＝1,…,N；

步骤4：上位机基于所述图像序列I_j和所述单应矩阵H拟合所述介入器械前端的平面曲线，得到弯曲曲率半径为r_j；

步骤5：基于所述弯曲曲率半径为r_j和力信息序列F_j得到弹性模量E：

式中，Δr_j＝|r_j-r₀|，表示t_j时刻的弯曲变形量，其中，r₀表示未受力情况下的曲率半径。

进一步，所述步骤1具体为：在内凹平面上放置一棋盘格，通过所述棋盘格上X角点的坐标与所述摄像机拍摄的所述X角点坐标获得所述摄像机成像平面与所述内凹平面之间的单应矩阵H。

进一步，所述步骤2具体为：

将待标定弹性模量的介入器械从穿入通道槽的一侧推入，到达测量通道槽时，将所述介入器械前端与所述力传感器接触，作为初始状态t₀。

进一步，所述步骤4具体包括：

步骤41：通过所述图像序列I_j提取图像中所述介入器械前端的骨架线像素p_j,k(u,v)，k＝1,…,K_j；

步骤42：通过所述单应变换矩阵H计算像素p_j,k(u,v)对应的所述内凹平面上的平面坐标p_j,k(x,y)；

步骤43：通过所述平面坐标p_j,k(x,y)拟合所述介入器械前端的平面曲线，得到所述弯曲曲率半径为r_j。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置与方法，通过获取介入器械前端的弯曲变形弹性模量后，可以应用在血管介入手术中，通过分析术中介入器械前端的弯曲变形来推算介入器械前端与血管壁或病灶的接触力，简单高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置结构示意图。

图2附图为本发明提供的弯曲曲率半径与受力情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，如图1所示，包括实验台1、力传感器2、介入器械3、摄像机4、上位机5和透明玻璃压板6。

其中，实验台1上加工有光滑的薄而窄的通道槽7供待测试的介入器械3在其中通过；更具体的，通道槽7包括穿入通道槽和测量通道槽，测量通道槽位于力传感器一侧，且测量通道槽比穿入通道槽宽。

实验台1上还设置有一内凹平面8，透明玻璃压板6压在内凹平面上，限制介入器械3只能在实验台1和透明玻璃压板6形成的薄窄平面内变形。

力传感器2为高灵敏度力传感器，固定在实验台1上，且位于测量通道槽一侧，用于测量介入器械3抵在力传感器2上时介入器械3与力传感器2之间的相互作用力，记为F；

摄像机4在实验台正上方，用于获取介入器械6前端图像。

上位机5用于处理摄像机4和力传感器2传来的数据，标定介入器械的弯曲变形弹性模量。

基于上述测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，通过如下方法标定介入器械的弯曲变形弹性模量：

步骤1，标定摄像机4成像平面与内凹平面之间的单应矩阵H：

在内凹平面上放置一棋盘格，由棋盘格上的X角点的坐标与摄像机4拍摄的棋盘格图像的X角点坐标，获得摄像机4成像平面与内凹平面之间的单应矩阵H；

步骤2，获取标定数据：

将待标定弹性模量的介入器械3从光滑的穿入通道槽一侧推入，使前端到达测量通道槽并与力传感器2接触，将力传感器2复位清零，以此状态作为初始状态，记为t₀；

利用摄像机4采集t₀时刻的介入器械图像I₀；

继续缓慢往里推送介入器械3，同时利用摄像机4采集介入器械3前端变形图像和利用力传感器2采集介入器械3前端所受力；根据拍摄序列时刻记为t_j(j＝1,…,N),对应采集的图像序列为I_j，力信息序列为F_j；

步骤3，处理标定数据获得弯曲变形弹性模量E：

上位机5处理图像I_j(j＝0,…,N)，提取图像中介入器械3前端部分的骨架线像素位置p_j,k(u,v)(k＝1,…,K_j)，并通过单应变换矩阵H计算出像素p_j,k(u,v)对应的介入器械3上点的在平面A上的平面坐标p_j,k(x,y)；由p_j,k(x,y)拟合介入器械3前端的平面曲线，并记弯曲曲率半径为r_j；

记Δr_j＝|r_j-r₀|为t_j时刻的弯曲变形量，r₀表示最初未受力情况下的曲率半径,则弹性模量E为：

本发明通过获取介入器械前端的弯曲变形弹性模量后，可以应用在血管介入手术中，通过分析术中介入器械前端的弯曲变形来推算介入器械前端与血管壁或病灶的接触力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，其特征在于，包括：实验台、力传感器、介入器械、摄像机和上位机，所述摄像机位于所述实验台上方，所述实验台上设置有通道槽，所述介入器械位于所述通道槽内，且与所述力传感器接触，所述力传感器固定在所述实验台上，所述力传感器和所述摄像机均与所述上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，其特征在于，所述实验台上设置有内凹平面，所述通道槽位于所述内凹平面的中部。

3.根据权利要求2所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，其特征在于，还包括透明玻璃压板，所述玻璃压板设置在所述内凹平面上。

4.根据权利要求3所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，其特征在于，所述通道槽包括穿入通道槽和测量通道槽，所述穿入通道槽和所述测量通道槽连通，且所述测量通道槽的宽度大于所述穿入通道槽的宽度。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的装置，其特征在于，所述介入器械包括导丝或导管。

6.一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的方法，其特征在于，包括：

步骤1：标定摄像机成像平面与实验台台面的单应矩阵H；

步骤2：将待标定弹性模量的介入器械穿入通道槽，且所述介入器械前端与力传感器接触，作为初始状态t₀，并利用所述摄像机采集t₀时刻的介入器械图像I₀；

步骤3：继续推送所述介入器械，同时利用所述摄像机采集所述介入器械前端变形图像和利用所述力传感器采集所述介入器械前端所受力，得到拍摄序列时刻t_j对应采集的图像序列I_j以及力信息序列F_j，j＝1,…,N；

步骤4：上位机基于所述图像序列I_j和所述单应矩阵H拟合所述介入器械前端的平面曲线，得到弯曲曲率半径为r_j；

步骤5：基于所述弯曲曲率半径为r_j和力信息序列F_j得到弹性模量E：

式中，Δr_j＝|r_j-r₀|，表示t_j时刻的弯曲变形量，其中，r₀表示未受力情况下的曲率半径。

7.根据权利要求6所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：在内凹平面上放置一棋盘格，通过所述棋盘格上X角点的坐标与所述摄像机拍摄的所述X角点坐标获得所述摄像机成像平面与所述内凹平面之间的单应矩阵H。

8.根据权利要求6所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

将待标定弹性模量的介入器械从穿入通道槽的一侧推入，到达测量通道槽时，将所述介入器械前端与所述力传感器接触，作为初始状态t₀。

9.根据权利要求7或8所述的一种测量介入器械前端弯曲变形弹性模量的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤41：通过所述图像序列I_j提取图像中所述介入器械前端的骨架线像素p_j,k(u,v)，k＝1,…,K_j；

步骤42：通过所述单应变换矩阵H计算像素p_j,k(u,v)对应的所述内凹平面上的平面坐标p_j,k(x,y)；

步骤43：通过所述平面坐标p_j,k(x,y)拟合所述介入器械前端的平面曲线，得到所述弯曲曲率半径为r_j。

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