CN117179676B - 一种一次性智能化可视多功能微型导管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一次性智能化可视多功能微型导管，包括依次连接的手柄组件、导管通道段、可控弯曲段、导管过渡段和信息采集段，信息采集段设有成像模块和磁定位传感器，磁定位传感器用于获取成像模块在人体内的位置，磁定位传感器连接有数据处理中心；成像模块用于获取人体病变部位的三维图像，成像模块与数据处理中心连接，数据处理中心用于基于成像模块在人体内的位置以及人体病变部位的三维图像获得病变部位的四维图像。本发明可以对人体病变部位进行多维度观察，能够进行4D成像，更清晰直观地观察病变部位，其能够使医护人员在手术中长时间精准把握内窥镜的位置，减少了医护人员手部动作，降低了手术难度，提高了医护人员的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种一次性智能化可视多功能微型导管。
背景技术
在现有技术中的人体内部位检查和微创外科手术，一般用内窥镜导管来到达病变部位附近，对病变部位的结构、状态进行观察。如图1-图3所示，现有的复用式可调弯曲内窥镜导管包括：手柄部100、导管主体段200、分支弯曲段300和影像采集段400，导管主体段200用于穿过微小创口或腔道到达病变部位，分支弯曲段300用于改变影像采集段400的观察角度，影像采集段400用于观察病变部位。在手术过程中通过选择适宜规格的内窥镜导管，其导管主体段200经微小创口或腔道可以将影像采集段400送入人体内，其影像采集段400具有支撑架410、光源组件420和镜头组件430，光源组件420由LED灯组成，导管主体段200和分支弯曲段300为一体化金属设计，分支拉线320焊接在分支弯曲段300远端形成焊点310，通过加工使分支弯曲段300具备蛇骨结构使其能够自由弯曲，通过分支拉线320来控制弯曲的角度，分支弯曲段300和影像采集段400通过粘胶连接在一起，光源组件420和镜头组件430通过粘胶固定在支撑架410上，通过影像采集段400可以直观地对人体内部的组织器官状态进行观察，辅助完成手术治疗。但是其在应用中存在如下缺点：不能定位内窥镜导管远端在人体内位置，不能多角度观察病变部位，只能二维成像，影响了病变部位的观察效果，增加了手术难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种一次性智能化可视多功能微型导管，用于解决现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种一次性智能化可视多功能微型导管，包括依次连接的手柄组件、导管通道段、可控弯曲段、导管过渡段和信息采集段，所述信息采集段设有成像模块和磁定位传感器，所述磁定位传感器用于获取成像模块在人体内的位置，磁定位传感器连接有数据处理中心；所述成像模块用于获取人体病变部位的三维图像，成像模块与数据处理中心连接，所述数据处理中心用于基于成像模块在人体内的位置以及人体病变部位的三维图像获得病变部位的四维图像。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述手柄组件上设有弯曲控制件，弯曲控制件连接有转动机构，转动机构上缠绕有弯曲控制线，所述可控弯曲段的内壁设有多个呈环状分布的连接点，各个连接点与弯曲控制线一一对应连接，弯曲控制线用于控制可控弯曲段的弯曲角度。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述可控弯曲段的内壁设有四个呈环状均匀分布的连接点。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述可控弯曲段包括蛇骨管，所述蛇骨管的弯曲度最大值为270°。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述导管通道段内部设有用于注入液体或气体的工作通道，所述工作通道的外侧设有线缆通道。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述信息采集段设有光源、压力传感器和通道口，所述通道口与工作通道连通，所述成像模块、磁定位传感器和压力传感器的导线沿着线缆通道铺设。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述压力传感器与数据处理中心连接，压力传感器用于实时监测工作通道内的液体或气体对人体腔道内的压力数据，并将该压力数据反馈至数据处理中心。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述磁定位传感器用于实时定位信息采集段在人体内自由弯曲的位置，以获得可控弯曲段的弯曲角度数据。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述手柄组件与导管通道段转动配合，且手柄组件与导管通道段之间设有旋转限位头，所述旋转限位头用于限制导管通道段相对于手柄组件在0-180°范围内转动。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述成像模块包括三个呈品字形排列的镜头，所述镜头与数据处理中心连接，数据处理中心用于对三个镜头获取的图像信息进行拼接处理，从而得到三维图像。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述拼接处理包括：当某一镜头的光线被遮挡时，通过其余两个镜头构建双目立体视觉系统并进行双目立体重建，其包括：利用两个镜头从两个视点拍摄同一物体，通过采集到的两幅图像上的同一特征点的视差信息，利用三角测量方法恢复出该点的深度信息，通过图像融合技术恢复出物体的三维立体信息；当三个镜头均无光线遮挡时，在三个镜头中两两构成的双目立体视觉系统中，恢复出三组深度图，通过图像融合技术恢复出物体的三维立体信息。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述图像融合技术包括图像配准和帧图像融合，所述图像配准采用以特征为基础的匹配算法，采用尺度不变的方式提取特征点，在图像配准的基础上进行帧图像融合，所述帧图像融合选择像素层级图像融合，采用渐入渐出加权均值融合算法，其综合考虑重叠区域内各像素点的位置关系，依据相对位置赋予像素点的逐渐变化设定权重，得到融合图像；
其中，通过渐入渐出加权均值融合算法得到融合图像中任一个像素点的灰度值M(x,y)的计算公式为：
上式中，M 1(x,y)和M 2(x,y)分别代表的是待拼接左图像像素点和右图像像素点的灰度值，α 1和α 2分别表示重叠区域内的像素点所对应选取的加权系数，其中α 1+α 2=1，加权系数的权值范围在0～1之间，加权系数的计算公式为：
上式中，P 1表示在重叠区域的某点到重叠区域左边边界的距离，P 2表示在重叠区域的该点到重叠区域右边边界的距离，Width代表的重叠部分的宽度，即Width=P 2 -P 1。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种一次性智能化可视多功能微型导管，利用磁定位传感器获取成像模块在人体内的位置，利用成像模块获取人体病变部位的三维图像，数据处理中心基于成像模块在人体内的位置以及人体病变部位的三维图像获得病变部位的四维图像。本发明可以对人体病变部位进行多维度观察，能够进行4D成像，更清晰直观地观察病变部位，其能够使医护人员在手术中长时间精准把握内窥镜的位置，减少了医护人员手部动作，降低了手术难度，提高了医护人员的工作效率。
附图说明
图1是现有内窥镜导管结构的结构示意图；
图2是现有内窥镜导管结构中分支弯曲段的结构示意图；
图3是现有内窥镜导管结构中影像采集段的结构示意图；
图4为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管的正面结构示意图；
图5为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管的侧面结构示意图；
图6为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管中可控弯曲段的纵截面图；
图7为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管中导管通道段的结构示意图；
图8为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管中信息采集段的结构示意图；
图9为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管的弯曲变化示意图；
图10为本发明提供的一次性智能化可视多功能微型导管中手柄组件的截面图。
图中：100-手柄部，200-导管主体段，300-分支弯曲段，400-影像采集段，410-支撑架，420-光源组件，430-镜头组件，310-焊点，320-分支拉线，1-手柄组件，2-导管通道段，3-可控弯曲段，4-导管过渡段，5-信息采集段，6-尾线插座，7-旋转限位头，11-角度限制开关，12-弯曲控制件，13-录像开关，14-拍照开关，15-转动机构，151-弯曲控制线，16-导线束，21-压力传感器导线束，22-磁定位传感器导线束，23-工作通道，24-镜头导线束，31-左向弯曲段，32-右向弯曲段，33-前向弯曲段，34-后向弯曲段，51-光源，52-压力传感器，53-成像模块，54-磁定位传感器，55-通道口。
具体实施方式
如图4-图10所示，本实施例提供了一种一次性智能化可视多功能微型导管，包括依次连接的手柄组件1、导管通道段2、可控弯曲段3、导管过渡段4和信息采集段5，所述信息采集段5设有成像模块53和磁定位传感器54，所述磁定位传感器54用于获取成像模块53在人体内的位置，磁定位传感器54连接有数据处理中心；所述成像模块53用于获取人体病变部位的三维图像，成像模块53与数据处理中心连接，所述数据处理中心用于基于成像模块53在人体内的位置以及人体病变部位的三维图像获得病变部位的四维图像。
本发明提供了一种一次性智能化可视多功能微型导管，利用磁定位传感器54获取成像模块53在人体内的位置，利用成像模块53获取人体病变部位的三维图像，数据处理中心基于成像模块53在人体内的位置以及人体病变部位的三维图像获得病变部位的四维图像。本发明可以对人体病变部位进行多维度观察，能够进行4D成像，更清晰直观地观察病变部位，其能够使医护人员在手术中长时间精准把握内窥镜的位置，减少了医护人员手部动作，降低了手术难度，提高了医护人员的工作效率。
如图4所示，在一些实施方式中，所述手柄组件1上设有弯曲控制件12，弯曲控制件12连接有转动机构15，转动机构15上缠绕有弯曲控制线151，所述可控弯曲段3的内壁设有多个呈环状分布的连接点，各个连接点与弯曲控制线151一一对应连接，弯曲控制线151用于控制可控弯曲段3的弯曲角度。优选地，所述可控弯曲段3的内壁设有四个呈环状均匀分布的连接点。所述可控弯曲段3包括蛇骨管，所述蛇骨管的弯曲度最大值为270°，其比普通内窥镜角度增加90°，能更全面地对病变部位进行观察。
如图6所示，在一些实施方式中，所述导管通道段2内部设有用于注入液体或气体的工作通道23，所述工作通道23的外侧设有线缆通道。所述信息采集段5设有光源51、压力传感器52和通道口55，所述通道口55与工作通道23连通，所述成像模块53、磁定位传感器54和压力传感器52的导线沿着线缆通道铺设。压力传感器52具有压力传感器导线束21，磁定位传感器54具有磁定位传感器导线束22，成像模块53具有镜头导线束24，压力传感器导线束21、磁定位传感器导线束22和镜头导线束24间隔设置在线缆通道中。导管通道段2由具有良好的回弹性和弯曲抗疲劳强度的尼龙弹性体Pebax制成，为了满足检查患者不同器官和腔道的需要，导管通道段2具有不同的规格尺寸。
在一些实施方式中，所述压力传感器52与数据处理中心连接，压力传感器52用于实时监测工作通道23内的液体或气体对人体腔道内的压力数据，并将该压力数据反馈至数据处理中心。向导管通道段2的工作通道23注入液体或气体后，压力传感器52可以实时监测并反馈工作通道23内的流量和气压，同时压力传感器52持续监测人体腔道或器官内的压力数据，根据压力数据可以对液体或气体的密度或压力进行调整。
在一些实施方式中，所述磁定位传感器54用于实时定位信息采集段5在人体内自由弯曲的位置，以获得可控弯曲段3的弯曲角度数据。磁定位传感器54可以实时定位内窥镜远端在人体内自由弯曲的位置，实时监测并向数据处理中心反馈弯曲角度数据。
如图10所示，在一些实施方式中，所述手柄组件1与导管通道段2转动配合，且手柄组件1与导管通道段2之间设有旋转限位头7，所述旋转限位头7用于限制导管通道段2相对于手柄组件1在0-180°范围内转动。内窥镜的导管通道段2可旋转180°，可控弯曲段3可弯曲270°，比普通内窥镜角度增加90°，能更全面地对病变部位进行观察。
在一些实施方式中，所述成像模块53包括三个呈品字形排列的镜头，所述镜头与数据处理中心连接，数据处理中心对三个镜头获取的图像信息进行拼接处理，从而得到三维图像。本发明的三个镜头呈品字形排列，对病变部位进行多维度观察，辅以磁定位传感器54进行定位，能够进行4D成像，更清晰地观察病变部位。
其中，所述拼接处理包括：当某一镜头的光线被遮挡时，通过其余两个镜头构建双目立体视觉系统并进行双目立体重建，其包括：利用两个镜头从两个视点拍摄同一物体，通过采集到的两幅图像上的同一特征点的视差信息，利用三角测量方法恢复出该点的深度信息，通过图像融合技术恢复出物体的三维立体信息；当三个镜头均无光线遮挡时，在三个镜头中两两构成的双目立体视觉系统中，恢复出三组深度图，通过图像融合技术恢复出物体的三维立体信息。
本发明利用三个成品字型排列的镜头建立视觉系统，其中任意两个镜头可以构建双目立体视觉系统。当某一镜头的光线被遮挡时，进行双目立体重建，双目立体视觉是利用两个镜头从两个视点拍摄同一物体，通过采集到的两幅图像上的同一特征点的视差信息，利用三角测量方法恢复出该点的深度信息，通过图像融合技术恢复出目标物体的三维立体信息。当无光线遮挡时，在三隔镜头中两两构成的双目立体视觉系统中，恢复出三组深度图，通过图像融合技术恢复出目标物体的三维立体信息。因此在不同光线遮挡条件下，系统均能实现图像三维立体重建，该镜头排列方法能够在一定程度上解决光线遮挡问题，避免图像信息丢失，提高了内窥镜图像采集系统的可靠性。
其中，所述图像融合技术包括图像配准和帧图像融合，所述图像配准采用以特征为基础的匹配算法，采用尺度不变的方式提取特征点，在图像配准的基础上进行帧图像融合，所述帧图像融合选择像素层级图像融合，采用渐入渐出加权均值融合算法，其综合考虑重叠区域内各像素点的位置关系，依据相对位置赋予像素点的逐渐变化设定权重，得到融合图像，该方式可得到更加流畅地过渡重叠区域。
其中，通过渐入渐出加权均值融合算法得到融合图像中任一个像素点的灰度值M(x,y)的计算公式(1.1)为：
上式中，M 1(x,y)和M 2(x,y)分别代表的是待拼接左图像像素点和右图像像素点的灰度值，α 1和α 2分别表示重叠区域内的像素点所对应选取的加权系数，其中α 1+α 2=1，加权系数的权值范围在0～1之间，加权系数的计算公式(1.2)和(1.3)为：
上式中，P 1表示在重叠区域的某点到重叠区域左边边界的距离，P 2表示在重叠区域的该点到重叠区域右边边界的距离，Width代表的重叠部分的宽度，即Width=P 2 -P 1。加权系数大小的选取直接影响到最后融合的效果，加权函数与P 1、P 2存在线性关系，加权系数α 1和α 2分别随着左右宽度的变化而减小或增大，大小选择适当的大小，能够得到较好的融合结果，图像会过渡的更加平滑，减少拼接的痕迹，实现较好的拼接效果。
以下对本申请的一次性智能化可视多功能微型导管作进一步的说明。
现有的内窥镜导管存在如下缺点：
1、由于复用式内窥镜导管结构复杂、系统集成度高且使用的材料特殊，其使用后的消毒与灭菌难度较大。
2、无法监测可调弯曲段的弯曲角度，且其只能在两个方向上弯曲180°，无法对病变部位进行全面地观察。
3、不能定位内窥镜导管远端在人体内位置，不能多角度观察病变部位，只能二维成像。
4、没有工作通道，不能使手术器械和注射药物到达病变部位。
如图4所示，基于上述问题，本发明提供了一种一次性智能化可视多功能微型导管，其主要包括五个部分：手柄组件1、导管通道段2、可控弯曲段3、导管过渡段4以及信息采集段5。
导管通道段2内部有压力传感器导线束21、磁定位传感器导线束22、工作通道23和镜头导线束24，导管通道段2由具有良好的回弹性和弯曲抗疲劳强度的尼龙弹性体Pebax制成，为了满足检查患者不同器官和腔道的需要，导管通道段2具有不同的规格尺寸。
可控弯曲段3可向左弯曲、向右弯曲、向前弯曲和向后弯曲，向左弯曲形成左向弯曲段31，向右弯曲形成向右弯曲段32，向前弯曲形成向前弯曲段33，向后弯曲形成向后弯曲段34。手柄组件1外部有角度限制开关11、弯曲控制件12、录像开关13和拍照开关14，其内部有转动机构15和导线束16，其中转动机构15上的弯曲控制线151焊接在可控弯曲段3上的四个连接点上，弯曲控制线151可以控制可控弯曲段3的弯曲角度，旋转限位头7可以带动导管通道段2旋转，可控弯曲段3由蛇骨构成，为了更好地实现弯曲，可控弯曲段3为铰链式金属结构。
信息采集段5具有光源51、压力传感器52、成像模块53、磁定位传感器54、通道口55和支架，光源51、压力传感器52、成像模块53和磁定位传感器54通过粘胶集成在支架上。信息采集段5包括塑料外壳，支架设置在塑料外壳内。
手柄组件1连接有尾线插座6，手柄组件1和导管通道段2通过卡槽连接，导管通道段2和可控弯曲段3通过粘胶连接，可控弯曲段3和导管过渡段4通过粘胶连接，导管过渡段4和信息采集段5通过粘胶连接。
工作原理：
在手术过程中通过选择适宜规格的内窥镜导管，其导管通道段2经微小创口或腔道可以将信息采集段5送入人体内，转动旋转限位头7选择合适的观测方向，拨动弯曲控制件12让转动机构15运作，通过弯曲控制线151控制可控弯曲段3发生前、后、左、右四个方向的弯曲，其弯曲角度可达270度，通过磁定位传感器54来观测导管远端的弯曲角度并进行调整，通过确定好弯曲角度后，滑动角度限制开关11，使弯曲角度固定，信息采集段5的光源51和成像模块53相配合观测病变部位的状态，光源51由LED灯组成，LED灯布置成具有与成像模块53匹配的照射场，成像模块53具有宽视角（FOV）可达270°，它包含三个镜头，这三个镜头呈品字形排列，能够对病变部位进行三维立体观察，辅以磁定位传感器54可以确定导管远端在人体内的具体位置，从而实现四维成像，可以通过录像开关13和拍照开关14对观察到的影像进行录制和拍照，向导管通道段2的工作通道23注入液体或气体后，压力传感器52可以实时监测工作通道23内的液体或气体对人体病变部位的压力数据，医护人员根据压力数据对液体或气体的密度和压力进行调整，辅助完成手术治疗。
在本发明描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对本领域技术人员而言，可以理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，实施例描述的具体特征、结构等包含于至少一种实施方式中，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将不同实施方式的特征进行组合。本发明的保护范围并不局限于上述具体实施方式，根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，包括依次连接的手柄组件（1）、导管通道段（2）、可控弯曲段（3）、导管过渡段（4）和信息采集段（5），所述信息采集段（5）设有成像模块（53）和磁定位传感器（54），所述磁定位传感器（54）用于获取成像模块（53）在人体内的位置，磁定位传感器（54）连接有数据处理中心；所述成像模块（53）用于获取人体病变部位的三维图像，成像模块（53）与数据处理中心连接，所述数据处理中心用于基于成像模块（53）在人体内的位置以及人体病变部位的三维图像获得病变部位的四维图像；
所述成像模块（53）包括三个呈品字形排列的镜头，所述镜头与数据处理中心连接，数据处理中心用于对三个镜头获取的图像信息进行拼接处理，从而得到三维图像；
所述拼接处理包括：当某一镜头的光线被遮挡时，通过其余两个镜头构建双目立体视觉系统并进行双目立体重建，其包括：利用两个镜头从两个视点拍摄同一物体，通过采集到的两幅图像上的同一特征点的视差信息，利用三角测量方法恢复出该点的深度信息，通过图像融合技术恢复出物体的三维立体信息；
当三个镜头均无光线遮挡时，在三个镜头中两两构成的双目立体视觉系统中，恢复出三组深度图，通过图像融合技术恢复出物体的三维立体信息。
2.根据权利要求1所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述手柄组件（1）上设有弯曲控制件（12），弯曲控制件（12）连接有转动机构（15），转动机构（15）上缠绕有弯曲控制线（151），所述可控弯曲段（3）的内壁设有多个呈环状分布的连接点，各个连接点与弯曲控制线（151）一一对应连接，弯曲控制线（151）用于控制可控弯曲段（3）的弯曲角度。
3.根据权利要求2所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述可控弯曲段（3）的内壁设有四个呈环状均匀分布的连接点。
4.根据权利要求2所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述可控弯曲段（3）包括蛇骨管，所述蛇骨管的弯曲度最大值为270°。
5.根据权利要求1所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述导管通道段（2）内部设有用于注入液体或气体的工作通道（23），所述工作通道（23）的外侧设有线缆通道。
6.根据权利要求5所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述信息采集段（5）设有光源（51）、压力传感器（52）和通道口（55），所述通道口（55）与工作通道（23）连通，所述成像模块（53）、磁定位传感器（54）和压力传感器（52）的导线沿着线缆通道铺设。
7.根据权利要求6所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述压力传感器（52）与数据处理中心连接，压力传感器（52）用于实时监测工作通道（23）内的液体或气体对人体腔道内的压力数据，并将该压力数据反馈至数据处理中心；所述磁定位传感器（54）用于实时定位信息采集段（5）在人体内自由弯曲的位置，以获得可控弯曲段（3）的弯曲角度数据。
8.根据权利要求1所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述手柄组件（1）与导管通道段（2）转动配合，且手柄组件（1）与导管通道段（2）之间设有旋转限位头（7），所述旋转限位头（7）用于限制导管通道段（2）相对于手柄组件（1）在0-180°范围内转动。
9.根据权利要求1所述的一次性智能化可视多功能微型导管，其特征在于，所述图像融合技术包括图像配准和帧图像融合，所述图像配准采用以特征为基础的匹配算法，采用尺度不变的方式提取特征点，在图像配准的基础上进行帧图像融合，所述帧图像融合选择像素层级图像融合，采用渐入渐出加权均值融合算法，其综合考虑重叠区域内各像素点的位置关系，依据相对位置赋予像素点的逐渐变化设定权重，得到融合图像；
其中，通过渐入渐出加权均值融合算法得到融合图像中任一个像素点的灰度值M(x,y)的计算公式为：
上式中，M 1(x,y)和M 2(x,y)分别代表的是待拼接左图像像素点和右图像像素点的灰度值，α 1和α 2分别表示重叠区域内的像素点所对应选取的加权系数，其中α 1+α 2=1，加权系数的权值范围在0～1之间，加权系数的计算公式为：
上式中，P 1表示在重叠区域的某点到重叠区域左边边界的距离，P 2表示在重叠区域的该点到重叠区域右边边界的距离，Width代表的重叠部分的宽度，即Width = P 2 -P 1。
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