CN114136429B - 一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法及测试装置，通过机械机构配合振幅图像采集模块对被测物的各个测量区域进行标定，测量时将被测物的各个面依次置于成像区域内，并输出位置信息至处理模块；由处理模块接收的振幅图像信息后，调整焦距、光源的角度和亮度，以得到最佳的光点成像效果，从而可得到准确的振幅数据。同时在被测物侧面的横向位移图像采集模块以得到横向位移数据，根据振幅数据和横向位移数据即可得到实际振幅数据。通过处理模块和振幅图像采集模块对振幅图像信息的实时计算，调整焦距、光源角度、光源亮度以及被测物位置实现了测试过程的自动化控制，解决了现有光点法人工操作易出错导致测试数据不准确的问题。

Description

一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法及测试装置

技术领域

本发明属于振幅测试技术领域，尤其涉及一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法及测试装置。

背景技术

超声手术刀是一种高频电外科设备，主要用于生物组织的切割与血管闭合等操作。具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点，其作用于人体组织起到切割与凝闭的作用，不会引起组织干燥、灼伤等副作用，刀头工作时也没有电流通过人体，在手术室中有着广泛的应用，有无血手术刀之称。超声刀头振幅很小，但振动频率极高，从而产生了很高的瞬时加速度。因此在进行软组织切割时，被作用部位可迅速被切开，而不伤及其周围组织。

市面上常见的超声刀振幅测试方法有光学显微镜法、激光测振仪法、反馈电压法。其中光学显微镜法为常用测量方法，其测量的准确率较另外两种更高。

下面对这三种方法进行简单介绍：

1、光学显微镜法(光点法)

这种方法是通过外置的光源将光束照到超声刀被测区域上，由于超声刀表面呈现不规格起伏状，因此会一个又一个单独的光点。在超声刀工作时，这些光点会随着超声刀运动的轨迹形成一条直线。在结合显微镜的成像延迟效应将该光点形成的直线拍摄成图像，随后计算图像中的直线距离得到振幅数据。

但该方法在测量过程中需手动调节光束、显微镜的位置和参数，此外由于显微镜只能对平面进行取像，因此不平整的超声刀要获取到刀头完整的振幅数据需要花费很长的时间，并在测试过程中已易受到人为、结构等因素的影响使得测试数据不准确。

2、激光测振法

该方法是通过发出足够细的激光到超声刀被测区域上，其激光波束保证与超声刀被测区域垂直，借助激光的反射间隔时间来计算振幅数据。

但该方法只能测量极小区域内的振幅信息，如需测量整个面的振幅分布情况，需要进行大量的重复测试才行，效率低下，不便于使用。

3、反馈电压法

该方法仅针对具有直接耦合到超生刀尖端幅度反馈系统的超声刀，其反馈电压与超声刀的尖端振幅成正比，通过监测反馈电压得到振幅数据。

但该方法只能测量到超声刀尖端的平均振幅，不能测量到具体某一区域的振幅数据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法及测试装置，以解决现有光点法人工操作易出错导致测试数据不准确的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，具体步骤包括：

步骤S1：由所述振幅图像采集模块结合机械结构带动被测物，标定所述被测物的各个待测面，测量各个所述待测面的尺寸，并进行测量区域标定；

步骤S2：机械结构移动所述被测物，使标定得到的第一个测量区域移动至振幅图像采集模块的成像区域内，处理模块根据所述振幅图像采集模块采集的振幅图像信息调整焦距以及光源的角度和亮度；

步骤S3：所述被测物开始振动，所述振幅图像采集模块采集振幅图像信息并输出至所述处理模块得到振幅数据；

步骤S301：由设置在所述被测物侧面的横向位移图像采集模块采集横向位移图像信息，并输出至所述处理模块得到横向位移数据，所述处理模块根据所述振幅数据和所述横向位移数据得到实际振幅数据；

步骤S4：所述机械结构移动所述被测物，使标定得到的下一测量区域移动至振幅图像采集模块的成像区域内，并重复所述步骤S3；

步骤S5：重复所述步骤S4至每一所述测量区域均测量完成；

步骤S6：所述处理模块输出测量报告。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，在所述步骤S2中，所述光源依据所述振幅图像信息中的光点亮度、数量调整亮度和角度。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，在所述步骤S2中，所述振幅图像采集模块根据自动对焦算法，识别所述振幅图像信息中光点的大小，调整焦距。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，所述光源为高频闪光源。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，在所述步骤S3中，所述处理模块通过均值滤波将采集的所述振幅图像信息转变成灰度图像，找出所述灰度图像中相邻并两点之间存在低于两端光点亮度的线，并结合摄像头焦距、机械结构的位移数据，计算出这两点之间的距离，所述距离为所述振幅数据。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，所述横向位移图像采集模块与所述被测物体的边缘水平设置，用于避免因拍摄角度引入的横向位移误差。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，所述步骤S4中，下一测量区域移动至所述成形区域内后，进一步根据所述振幅图像采集模块采集的振幅图像信息调整光源的角度和亮度。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，在所述步骤S4中，所述机械结构移动下一所述测量区域至所述成像区域内后，输出对应的所述测量区域的位置信息至所述处理模块。

本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，在所述步骤S5中还包括：

步骤S501；确认所述被测物的各测量区域是否全测；如是，则执行下一步骤；如否，则回退至步骤S1中调整所述测量区域，并重复所述步骤S2至所述步骤S5。

本发明的一种基于光点法的超声刀振幅测试装置，应用于上述任意一项所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，包括处理模块以及分别与所述处理模块信号连接的机械控制模块、光源控制模块、振幅图像采集模块和被测物控制模块；

其中，所述机械控制模块用于移动被测物的各个测量区域至所述振幅图像采集模块的成像区域，并输出对应的位置信息至所述处理模块；

所述振幅图像采集模块用于采集振幅图像信息并输出至所述处理模块；

所述光源控制模块用于调整光源的角度和亮度；

所述被测物控制模块用于启动所述待测物或带动所述待测物振动；

所述控制模块用于接收所述振幅图像信息并输出光源调整信息至所述光源控制模块；所述控制模块还用于接收所述位置信息、所述振幅图像采集模块的焦距信息以及所述振幅图像信息并处理得到振幅数据。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1、本发明一实施例通过设置机械机构来带动被测物至振幅图像采集模块的成像区域，并配合振幅图像采集模块对被测物的各个测量区域进行标定，使得在测量过程中，可将被测物的各个面依次置于成像区域内，并且各个面的不同区域均可经过调整后置于成像区域内，并在测量过程中将对应的位置信息输出至处理模块；并由处理模块接收振幅图像采集模块采集的振幅图像信息后，对焦距进行调整，并对光源的角度和亮度进行调整，以得到最佳的光点成像效果。即通过机械结构来实现对被测物的移动，避免了人工操作；通过处理模块和振幅图像采集模块对振幅图像信息的实时计算，实现了对焦距、光源角度、光源亮度以及被测物位置等参数的调整，以得到光点的清晰度最佳，形成闭环控制，测试参数调节效率高，同样避免了人工对设备进行调整的步骤，实现了测试过程的自动化控制，解决了现有光点法人工操作易出错导致测试数据不准确的问题。同时，本实施例通过在光点法的基础上，增加了通过边缘虚影法进行横向位移测量，并依据横向位移值修正实际振幅值，从而可确保测试数据的准确度。

附图说明

图1为本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法的流程图；

图2为本发明的基于光点法的超声刀振幅测试装置的示意图；

图3为本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法的实际振幅示意图；

图4为本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法的在振幅方向上的示意图；

图5为本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法的实际振幅计算的示意图；

图6为本发明的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法的设备布置示意图。

附图标记说明：1：初始位置光点；2：振幅位置光点；3：振幅图像采集模块；4：横向位移图像采集模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法及测试装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

参看图1和图2，在一个实施例中，一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，具体步骤包括：

步骤S1：由振幅图像采集模块3结合机械结构带动被测物，标定被测物的各个待测面，测量各个待测面的尺寸，并进行测量区域标定。

步骤S2：机械结构移动被测物，使标定得到的第一个测量区域移动至振幅图像采集模块3的成像区域内，处理模块根据振幅图像采集模块3采集的振幅图像信息调整焦距以及光源的角度和亮度，以得到最佳的光源效果。

步骤S3：被测物开始振动，振幅图像采集模块3采集振幅图像信息并输出至处理模块，处理模块依据成像效果实时计算振幅数据。

步骤S301：由设置在被测物侧面的横向位移图像采集模块4采集横向位移图像信息，并输出至处理模块得到横向位移数据，处理模块根据振幅数据和横向位移数据即可得到实际振幅数据。

步骤S4：机械结构移动被测物，使标定得到的下一测量区域移动至振幅图像采集模块3的成像区域内，并重复步骤S3。

步骤S5：重复步骤S4至每一测量区域均测量完成。

步骤S6：处理模块将位置信息和振幅数据汇总整理后，形成振幅数据输成测试报告。

其中，光点法的原理为通过光源在被测物上投射出光点，在被测物振动时光点会随着振动。该振动的频率远高于相机的采样速度，使用视觉中视觉暂留现象，所拍摄到的图像中会看见若干条两头亮中间细的光线。使用图像数据算法可以算出相邻光线的距离，该距离就是被测物的振动幅度。

本实施例通过设置机械机构来带动被测物至振幅图像采集模块3的成像区域，并配合振幅图像采集模块3对被测物的各个测量区域进行标定，使得在测量过程中，可将被测物的各个面依次置于成像区域内，并且各个面的不同区域均可经过调整后置于成像区域内，并在测量过程中将对应的位置信息输出至处理模块。并由处理模块接收振幅图像采集模块3采集的振幅图像信息后，对焦距进行调整，并对光源的角度和亮度进行调整，以得到最佳的光点成像效果。即通过机械结构来实现对被测物的移动，避免了人工操作。通过处理模块和振幅图像采集模块3对振幅图像信息的实时计算，实现了对焦距、光源角度、光源亮度以及被测物位置等参数的调整，以得到光点的清晰度最佳，形成闭环控制，测试参数调节效率高，同样避免了人工对设备进行调整的步骤，实现了测试过程的自动化控制，解决了现有光点法人工操作易出错导致测试数据不准确的问题。

同时，本实施例通过在光点法的基础上，增加了通过边缘虚影法进行横向位移测量，并依据横向位移值修正实际振幅值，从而可确保测试数据的准确度。

通过本实施例方案所测量到的超声刀刀头的振幅数据，其数据可让研发人员进行有限元分析，分析的数据可进一步优化超声刀、换能器、频率算法等内容，可有效提高超声刀的性能。从系统应用角度来看，测试所得的振幅数据还可反馈给主机，进行实时激发功率的调整，进一步说可以实现单台设备的功率自动校准，有效解决出厂设备参数不一致的问题。

下面对本实施例的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法的具体步骤进行进一步说明：

在本实施例中，步骤S1实际是由机械结构带动被测物的各个待测面至振幅图像采集模块3的成像区域内，即由机械结控制被测物在成像区域内进行上下左右及旋转的动作，以保证需要测试的内容均在高清相机所聚焦的成像区域内。针对六面体被测物来说，就是需要将六个面依次置于成像区域内，并且六个面各个面的不同区域均可以经过调整后置于成像区域内，并在测量过程中将位置信息同步输出至处理单元。例如，当机械结构带动被测物的第一个待测面进入成像区域后，振幅图像采集模块3采集图像并输出至处理单元，由处理单元判断第一个待测面是否已进入成像区域；如是，则配合振幅图像采集模块3对第一个待测面进行尺寸测量并按照测试精度进行区域标定，完成后执行对下一待测面的操作；如否，则输出控制信号至机械结构，调整被测物的位置，并重新由振幅图像采集模块3采集图像输出至处理单元进行判断。

在步骤S2的实际过程中，会由于光源的亮度、打光的角度造成所成像的图像中光点不清晰，光点数量太小的异常现象。因此，在本实施例中，需要在被测物到位后依据振幅图像采集模块3采集的实时图像中光点亮度、数量不断调整光源的亮度和角度，以得到最佳的光点成像效果。进一步地，本实施例中的光源为高频闪光源，以消除光点的频闪对最终成像效果带来的影响。具体可通过设置一光源控制单元来实现，光源控制单元按照要求对被测区域进行打光操作，已在该区域内形成可测试的光点，通过控制光源的方向、亮度等信息，获取到最清晰可量测的光点信息。

在本实施例中，步骤S2中的振幅图像采集模块3还需根据自动对焦算法，识别振幅图像信息中光点的大小，调整焦距，目标是得到光点亮度最佳、光点虚影最小的焦距。

在本实施例步骤S3中，处理模块通过均值滤波将采集的振幅图像信息转变成灰度图像，找出灰度图像中相邻并两点之间存在低于两端光点亮度的线，并结合摄像头焦距、机械结构的位移数据，计算出这两点之间的距离，该距离即为振幅数据。单次测量完成后，对图像中的明显的相邻光点距离计算出来，结合焦距和高度信息，计算出实际的振幅距离。同理在单张图片中会存在多个光点，将这些光点相邻的距离都计算出来，通过均值平均算法，消除测量误差，使得数据更加准确。

进一步地，在步骤S3中，还可设置一电气控制，即被测物控制模块，控制被测物按照预设的功率进行输出，并实现精确启动停止控制。

具体地，参看图3和图6，在步骤S301中，由于被测物不是一个平面，振幅测试区域呈现一定的幅度，通过光源在其表面补光形成初始位置光点1后，随着被测物随着纵向往复振动到最大幅度时会形成振幅位置光点2。此时通过相机所拍摄到的图片如图4所示，两个光点的距离进行测量得到振幅数据，但此时测量所得的数据并不是被测物被测区域的真实振幅数据。测量振幅和实际振幅的关系如图5所示，镜头测量距离对所拍摄的图像中初始位置光点1和振幅位置光点2通过计算可以得到镜头测量距离x1，因此需要在被测物的侧面架设一横向位移图像采集模块4(可为相机)，通过边缘虚影法即可测量出被测物的被测区域在振动过程中发生的横向偏移，最后通过勾股定理引入镜头测量距离x1和横向偏移距离Y即可计算出实际位移距离X。

进一步地，横向位移图像采集模块可设置为与被测物体的边缘水平设置，用于避免因拍摄角度引入的横向位移误差。

在本实施例步骤S4中，下一待测面移动至成形区域内后，也可进一步根据振幅图像采集模块3采集的振幅图像信息调整光源的角度和亮度，使之与这一测量区域相匹配，得到最佳的测量效果。

在本实施例步骤S4中，机械结构移动下一测量区域至成像区域内后，输出对应的测量区域的位置信息至处理模块。该位置信息可为机械结构的位移信息，处理模块可根据该信息得到振幅图像采集模块3与被测物之间的距离。

在本实施例的步骤S5中还包括：

步骤S501：确认被测物的各测量区域是否全测。如是，则执行下一步骤。如否，则回退至步骤S1中调整测量区域，并重复步骤S2至步骤S5。

本实施例在光点法的基础上，将机械控制、照明控制、相机控制、图像计算结合在一起，通过自动化闭环控制进行振幅测量。通过自动化控制调整解决人工测试易出错的问题；通过图像实时计算，解决测试参数调整效率低下的问题；将图形实时计算出来的结果应用在机械、照明、相机等设备的角度、亮度、焦距等参数的调整。

通过机械结构控制被测物不断的移动，即可将被测物的各个面，各个位置的振幅数据量测出来，并结合被测物控制模块中的功率控制数据，即可绘制出一份数据完整的材料振幅数据，可以为后续进行改良优化提供数据来源。

实施例二

参看图2，本实施例提供了一种基于光点法的超声刀振幅测试装置，应用于上述实施例一中的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法。具体包括处理模块以及分别与处理模块信号连接的机械控制模块、光源控制模块、振幅图像采集模块3和被测物控制模块。

其中，机械控制模块用于移动被测物的各个测量区域至振幅图像采集模块3的成像区域，并输出对应的位置信息至处理模块，该机械控制模块即为上述的机械结构。振幅图像采集模块3用于采集振幅图像信息并输出至处理模块。光源控制模块用于调整光源的角度和亮度。被测物控制模块用于启动待测物或带动待测物振动。

控制模块则用于接收振幅图像信息并输出光源调整信息至光源控制模块，以及输出控制信息至机械控制模块。控制模块还用于接收位置信息、振幅图像采集模块3的焦距信息以及振幅图像信息并处理得到振幅数据。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤S1：由振幅图像采集模块结合机械结构带动被测物，标定所述被测物的各个待测面，测量各个所述待测面的尺寸，并进行测量区域标定；

步骤S2：所述机械结构移动所述被测物，使标定得到的第一个测量区域移动至振幅图像采集模块的成像区域内，处理模块根据所述振幅图像采集模块采集的振幅图像信息调整焦距以及光源的角度和亮度；

步骤S3：所述被测物开始振动，所述振幅图像采集模块采集振幅图像信息并输出至所述处理模块得到振幅数据；

步骤S301：由设置在所述被测物侧面的横向位移图像采集模块采集横向位移图像信息，并输出至所述处理模块得到横向位移数据，所述处理模块根据所述振幅数据和所述横向位移数据得到实际振幅数据；

步骤S4：所述机械结构移动所述被测物，使标定得到的下一测量区域移动至振幅图像采集模块的成像区域内，并重复所述步骤S3；

步骤S5：重复所述步骤S4至每一所述测量区域均测量完成；

步骤S6：所述处理模块输出测量报告；

其中，在所述步骤S3中，所述处理模块通过均值滤波将采集的所述振幅图像信息转变成灰度图像，找出所述灰度图像中相邻并两点之间存在低于两端光点亮度的线，并结合摄像头焦距、机械结构的位移数据，计算出这两点之间的距离，所述距离为所述振幅数据；

所述横向位移图像采集模块与所述被测物体的边缘水平设置，用于避免因拍摄角度引入的横向位移误差。

2.如权利要求1所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述光源依据所述振幅图像信息中的光点亮度、数量调整亮度和角度。

3.如权利要求1所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述振幅图像采集模块根据自动对焦算法，识别所述振幅图像信息中光点的大小，调整焦距。

4.如权利要求1所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，所述光源为高频闪光源。

5.如权利要求1所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，所述步骤S4中，下一测量区域移动至所述成像区域内后，进一步根据所述振幅图像采集模块采集的振幅图像信息调整光源的角度和亮度。

6.如权利要求1所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述机械结构移动下一所述测量区域至所述成像区域内后，输出对应的所述测量区域的位置信息至所述处理模块。

7.如权利要求1所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，其特征在于，在所述步骤S5中还包括：

步骤S501；确认所述被测物的各测量区域是否全测；如是，则执行下一步骤；如否，则回退至步骤S1中调整所述测量区域，并重复所述步骤S2至所述步骤S5。

8.一种基于光点法的超声刀振幅测试装置，其特征在于，应用如权利要求1-7任意一项所述的基于改进光点法的超声刀振幅测试方法，包括处理模块以及分别与所述处理模块信号连接的机械控制模块、光源控制模块、振幅图像采集模块和被测物控制模块；

其中，所述机械控制模块用于移动被测物的各个测量区域至所述振幅图像采集模块的成像区域，并输出对应的位置信息至所述处理模块；

所述振幅图像采集模块用于采集振幅图像信息并输出至所述处理模块；

所述光源控制模块用于调整光源的角度和亮度；

所述被测物控制模块用于启动所述被测物或带动所述被测物振动；

所述控制模块用于接收所述振幅图像信息并输出光源调整信息至所述光源控制模块；所述控制模块还用于接收所述位置信息、所述振幅图像采集模块的焦距信息以及所述振幅图像信息并处理得到振幅数据。