CN115300749A - 智能pci手术导管的力反馈系统、控制方法及控制终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能PCI手术导管的力反馈系统、控制方法及控制终端。所述力反馈系统，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、碰撞检测模块、力觉信息处理系统和力觉信息反馈装置；所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；所述力觉信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算模块、碰撞检测模块处理模块、所述力觉信息反馈装置的控制模块、导管运动装置的激活与锁定控制器。本发明集成控制力学信息的解调、计算、分析判断以及反馈装置与运动装置，能够迅速、高效完成整体控制过程；采用压电式传感器检测碰撞，解调更为方便、体积也相对较小、也可进行多轴的测量，响应时间更短。
Description
技术领域
本发明涉及智能医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种智能PCI手术导管的力反馈系统、控制方法及控制终端。
背景技术
心血管介入(PCI)手术是从周围血管插入导管并送至心脏及大血管各处的技术，可以用来实现临床电生理检查、开展某些心脏疾病的微创手术。在心脏跳动的情况下进行微创导管术对医生的技术要求非常高。医生在进行体内导管递送操作时，导管前端的作用力通常不能被直接获取，这一状况非常容易导致医生的误操作，导致刺穿血管甚至损伤心脏组织。
医生在手术时，少则数十分钟，多则十多个小时。而一旦手术时间长，会造成医生上肢的疲劳，更有甚者会产生不自觉的抖动，给医师带来巨大劳动负担的同时，也间接加大了手术的风险，对于对精细程度要求很高的心脏介入手术，会带来更大的隐患。
为此，人们已经研发了几款心脏介入手术机器人。目前技术最为完善的有CorPathGRX系统，它能够达到与常规人工心脏介入手术差不多的效果，能够满足一些简单病变下手术的基本需求，但其仍存在着导管末端力觉信息获取、处理、反馈不足的问题，其它现有的PCI导管也很少会配有进行力觉信息处理的力反馈系统。
PCI导管由于具有体积微小的特殊性(导管的长度一般为15～20cm，直径一般为0.3～0.4mm)，且对其上的组件具有低延时、高精度等要求，同时需要在其上实现力觉信息的获取、处理与反馈，这使得实现导管力觉控制系统的集成控制十分困难。目前有关的技术方案报道较少，也是亟待解决的一个技术痛点。
因此，开发一种能够将力觉信息的获取、处理、反馈进行整合，并实现智能导管的力控制与力反馈的系统以及便于实施该系统的控制终端是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种智能PCI手术导管的力反馈系统、控制方法及控制终端，以解决目前导管末端力觉信息获取、处理、反馈不足的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种智能PCI手术导管的力反馈系统，其特征在于，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、碰撞检测模块、力觉信息处理系统和力觉信息反馈装置；
所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；所述碰撞检测模块从所述导管的前端感知导管是否遭遇碰撞；
所述力觉信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算模块、碰撞检测模块处理模块、所述力觉信息反馈装置的控制模块、导管运动装置的激活与锁定控制器，对所述力觉信息感知模块、所述碰撞检测模块收集到的信息进行处理后控制所述力觉信息反馈装置和导管运动的锁定与否；
所述力觉信息反馈装置包括能够提供准确触觉的导管操作手柄。
所述导管的力反馈系统采用FBG传感器进行力觉信息感知，并集成控制力学信息的解调、计算、分析判断以及反馈装置与运动装置，能够迅速、高效完成整体控制过程。
进一步地，所述FBG传感器的信号解调与计算模块利用FBG传感器感知的光学信息结合数学模型，通过求解传感器阵列的方程组，推导导管的受力情况、弯曲程度、轴向扭转。由于FBG传感器具有尺寸小、精度高、灵敏度高、柔韧性强等特点，非常适合集成到导管中；同时，FBG传感器固有的安全性好、抗电磁干扰性与耐腐蚀性使得其能够在射线环境和血管环境中正常使用。
进一步地，所述碰撞检测模块采用压电式传感器检测碰撞；当发生碰撞后，电路的各参量将会发生改变，通过对应的数学关系能够对碰撞进行检测，并能够对导管的状态进行评估。当医生手动操作导管或智能系统自主操纵导管时，会有实时影像用来检测导管是否与组织发生碰撞，但影像学检测方式往往具有一定的延迟。最直接的碰撞检测方式还是利用碰撞的物理特性，采用压电式传感器，其主要原理为内部电介质受力，其上电荷量发生变化，从而改变电路的参量。当发生碰撞后，电路的各参量将会发生改变，通过对应的数学关系能够对碰撞进行检测，并能够对导管的状态进行评估。采用压电式传感器，解调更为方便、体积也相对较小、也可进行多轴的测量，通过电路电压、电流、电阻等参数的改变来提供碰撞情况的信号，响应时间更短。
进一步地，所述碰撞检测模块处理模块设置前置放大器以获得明显的电压信号，再通过基于电压改变的碰撞检测算法进行碰撞检测。
进一步地，所述基于电压改变的碰撞检测算法包括：将实时检测到的电压信号与通常情况的电压范围进行对比；若所获得电压超出这一范围，则给出碰撞的警告指令，迅速制动导管的运动机构。
另一方面，本发明提供一种智能PCI手术导管的力反馈控制方法，其特征在于，通过权利要求3至5任一项所述的力反馈系统来实现，包括以下步骤：
S1、基于FBG传感器的力学信息感知模块将光学信息传递至力觉信息处理系统，在FBG传感器信号解调与计算模块中进行解调，解调后通过对应数学模型，将光学信息转化为了力觉信息，进而判断导管的形变程度；同时，碰撞检测模块将检测到的电路参数信号传递至力觉信息处理系统，在碰撞检测模块处理模块中进行碰撞判断；
S2、所述力觉信息处理系统的FBG传感器信号解调与计算模块和碰撞检测模块处理模块将导管的形变程度和碰撞判断输出至所述力觉信息反馈装置的控制模块和导管运动装置的激活与锁定控制器，进而指导所述力觉信息反馈装置的操作，并对导管运动进行限制。
进一步地，所述FBG传感器信号解调与计算模块设置导管的形变量阈值；当导管的形变量在阈值内，准许导管继续运动；当导管的形变量超出阈值，则所述力觉信息处理系统提醒医生及时调整导管姿态或反馈导管运动控制系统自动调整姿态。
再一方面，本发明提供一种智能PCI手术导管的力反馈控制终端，其特征在于，包括导管、碰撞检测模块、FBG传感器和信息处理器；所述碰撞检测模块设于所述导管的头部；所述FBG传感器按一定次序缠绕布置于所述导管侧壁上；所述信息处理器对碰撞检测模块和FBG传感器采集的信息进行计算、分析判断以及导管运动进行集成控制。
进一步地，所述信息处理器采用快速处理器，优选为TI公司的DSP28335控制芯片。
与现有技术相比，上述发明具有如下优点或者有益效果：
(1)采用FBG传感器进行力觉信息感知，并集成控制力学信息的解调、计算、分析判断以及反馈装置与运动装置，能够迅速、高效完成整体控制过程；
(2)采用压电式传感器检测碰撞，解调更为方便、体积也相对较小、也可进行多轴的测量，通过电路电压、电流、电阻等参数的改变来提供碰撞情况的信号，响应时间更短；
(3)终端结构设计合理，组件和控制硬件通用性强，便于推广使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明一实施例中的力反馈系统的处理流程示意图；
图2为本发明一实施例中的碰撞检测模块的反馈流程示意图；
图3为本发明一实施例中力反馈控制方法的流程示意图；
图4为本发明一实施例中的力反馈控制终端的结构示意图；
附图标记：1为导管，2为碰撞检测模块，3为力觉信息感知模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例1
参见图1，本实施例提供了一种智能PCI手术导管的力反馈系统，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、碰撞检测模块、力觉信息处理系统和力觉信息反馈装置；所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；所述碰撞检测模块从所述导管的前端感知导管是否遭遇碰撞；所述力觉信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算模块、碰撞检测模块处理模块、所述力觉信息反馈装置的控制模块、导管运动装置的激活与锁定控制器，对所述力觉信息感知模块、所述碰撞检测模块收集到的信息进行处理后控制所述力觉信息反馈装置和导管运动的锁定与否；所述力觉信息反馈装置包括能够提供准确触觉的导管操作手柄。
本实施例中，所述FBG传感器的信号解调与计算模块利用FBG传感器感知的光学信息结合数学模型，通过求解传感器阵列的方程组，推导导管的受力情况、弯曲程度、轴向扭转。
参见图2，所述碰撞检测模块采用压电式传感器检测碰撞；当发生碰撞后，电路的各参量将会发生改变，通过对应的数学关系能够对碰撞进行检测，并能够对导管的状态进行评估。当发生碰撞后，电路的各参量将会发生改变，通过对应的数学关系能够对碰撞进行检测，并能够对导管的状态进行评估。在发生碰撞前后的电路的各项参数是不同的，我们在此设置了前置放大器以将微电压信号放大，从而微电压传感器能够对电路中的电压进行测量，即时传输至力觉信息处理系统，在此其中通过与常规状态的电压值进行比较，判断是否发生了碰撞；若所获得电压超出这一范围，则给出碰撞的警告指令，迅速制动导管的运动机构。完成以上数据的计算与分析后，力觉信息处理系统得到的结果将会传递至力觉信息反馈装置，分别进行对应的反馈。
可以理解的是，本实施例中碰撞检测模块也可以根据碰撞前后的电流或电阻信号来判断是否发生了碰撞。
实施例2
参见图3，本实施例提供了一种智能PCI手术导管的力反馈控制方法，通过实施例1所述的力反馈系统来实现，包括以下步骤：
S1、基于FBG传感器的力学信息感知模块将光学信息传递至力觉信息处理系统，在FBG传感器信号解调与计算模块中进行解调，解调后通过对应数学模型，将光学信息转化为了力觉信息，进而判断导管的形变程度；同时，碰撞检测模块将检测到的电路参数信号传递至力觉信息处理系统，在碰撞检测模块处理模块中进行碰撞判断；
S2、所述力觉信息处理系统的FBG传感器信号解调与计算模块和碰撞检测模块处理模块将导管的形变程度和碰撞判断输出至所述力觉信息反馈装置的控制模块和导管运动装置的激活与锁定控制器，进而指导所述力觉信息反馈装置的操作，并对导管运动进行限制。
本实施例中，所述FBG传感器信号解调与计算模块设置导管的形变量阈值；当导管的形变量在阈值内，准许导管继续运动；当导管的形变量超出阈值，则所述力觉信息处理系统提醒医生及时调整导管姿态或反馈导管运动控制系统自动调整姿态。
实施例3
参见图4，本实施例提供了一种智能PCI手术导管的力反馈控制终端，包括导管1、碰撞检测模块2、FBG传感器3和信息处理器；所述碰撞检测模块2设于所述导管的头部；所述FBG传感器3按一定次序缠绕布置于所述导管1侧壁上；所述信息处理器对碰撞检测模块和FBG传感器采集的信息进行计算、分析判断以及导管运动进行集成控制。本实施例中，所述信息处理器为快速处理器。
综上，本发明提供了一种智能PCI手术导管的力反馈系统、控制方法及控制终端。所述力反馈系统，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、碰撞检测模块、力觉信息处理系统和力觉信息反馈装置；所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；所述力觉信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算模块、碰撞检测模块处理模块、所述力觉信息反馈装置的控制模块、导管运动装置的激活与锁定控制器。本发明集成控制力学信息的解调、计算、分析判断以及反馈装置与运动装置，能够迅速、高效完成整体控制过程；采用压电式传感器检测碰撞，解调更为方便、体积也相对较小、也可进行多轴的测量，响应时间更短。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种智能PCI手术导管的力反馈系统，其特征在于，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、碰撞检测模块、力觉信息处理系统和力觉信息反馈装置；
所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；所述碰撞检测模块从所述导管的前端感知导管是否遭遇碰撞；
所述力觉信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算模块、碰撞检测模块处理模块、所述力觉信息反馈装置的控制模块、导管运动装置的激活与锁定控制器，对所述力觉信息感知模块、所述碰撞检测模块收集到的信息进行处理后控制所述力觉信息反馈装置和导管运动的锁定与否；
所述力觉信息反馈装置包括能够提供准确触觉的导管操作手柄。
2.根据权利要求1所述的一种智能PCI手术导管的力反馈系统，其特征在于，所述FBG传感器的信号解调与计算模块利用FBG传感器感知的光学信息结合数学模型，通过求解传感器阵列的方程组，推导导管的受力情况、弯曲程度、轴向扭转。
3.根据权利要求1所述的一种智能PCI手术导管的力反馈系统，其特征在于，所述碰撞检测模块采用压电式传感器检测碰撞；当发生碰撞后，电路的各参量将会发生改变，通过对应的数学关系能够对碰撞进行检测，并能够对导管的状态进行评估。
4.根据权利要求3所述的一种智能PCI手术导管的力反馈系统，其特征在于，所述碰撞检测模块处理模块设置前置放大器以获得明显的电压信号，再通过基于电压改变的碰撞检测算法进行碰撞检测。
5.根据权利要求4所述的一种智能PCI手术导管的力反馈系统，其特征在于，所述基于电压改变的碰撞检测算法包括：将实时检测到的电压信号与通常情况的电压范围进行对比；若所获得电压超出这一范围，则给出碰撞的警告指令，迅速制动导管的运动机构。
6.一种智能PCI手术导管的力反馈控制方法，其特征在于，通过权利要求3至5任一项所述的力反馈系统来实现，包括以下步骤：
S1、基于FBG传感器的力学信息感知模块将光学信息传递至力觉信息处理系统，在FBG传感器信号解调与计算模块中进行解调，解调后通过对应数学模型，将光学信息转化为了力觉信息，进而判断导管的形变程度；同时，碰撞检测模块将检测到的电路参数信号传递至力觉信息处理系统，在碰撞检测模块处理模块中进行碰撞判断；
S2、所述力觉信息处理系统的FBG传感器信号解调与计算模块和碰撞检测模块处理模块将导管的形变程度和碰撞判断输出至所述力觉信息反馈装置的控制模块和导管运动装置的激活与锁定控制器，进而指导所述力觉信息反馈装置的操作，并对导管运动进行限制。
7.根据权利要求6所述的一种智能PCI手术导管的力反馈控制方法，其特征在于，所述FBG传感器信号解调与计算模块设置导管的形变量阈值；当导管的形变量在阈值内，准许导管继续运动；当导管的形变量超出阈值，则所述力觉信息处理系统提醒医生及时调整导管姿态或反馈导管运动控制系统自动调整姿态。
8.一种智能PCI手术导管的力反馈控制终端，其特征在于，包括导管、碰撞检测模块、FBG传感器和信息处理器；所述碰撞检测模块设于所述导管的头部；所述FBG传感器按一定次序缠绕布置于所述导管侧壁上；所述信息处理器对碰撞检测模块和FBG传感器采集的信息进行计算、分析判断以及导管运动进行集成控制。
9.根据权利要求8所述的一种智能PCI手术导管的力反馈控制终端，其特征在于，所述信息处理器采用快速处理器，优选为TI公司的DSP28335控制芯片。
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