虛擬關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)

摘要：為了協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行培訓(xùn)和手術(shù)前演習(xí)，設(shè)計(jì)出一套虛擬關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)來模擬手術(shù)操作過程。采用各種電子傳感器和機(jī)械相結(jié)合的辦法，形成球桿式的手術(shù)訓(xùn)練設(shè)備，利用STM32微處理器的強(qiáng)大處理功能制作硬件系統(tǒng)，結(jié)合上位機(jī)3Dmax制作的三維軟件環(huán)境，生成整套系統(tǒng)。最終設(shè)計(jì)出一套關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡訓(xùn)練系統(tǒng)來模擬手術(shù)環(huán)境，并配合電腦三維軟件虛擬來整個(gè)手術(shù)過程。整套訓(xùn)練系統(tǒng)操作靈活簡(jiǎn)便，能夠滿足新手醫(yī)生訓(xùn)練做手術(shù)的要求。

關(guān)鍵詞：虛擬手術(shù)；STM32；內(nèi)窺鏡訓(xùn)練系統(tǒng)；光電傳感器

中圖分類號(hào)：TN919—34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—373X（2012）18—0139—03

關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡技術(shù)是一種需侵入人體，在人體關(guān)節(jié)腔中能來回游走并做醫(yī)學(xué)觀察診斷和手術(shù)治療的醫(yī)療手段，由于其手術(shù)過程創(chuàng)傷面小，病人術(shù)后康復(fù)迅速，在國(guó)內(nèi)外廣泛用于臨床診斷和治療[1—2]。本文介紹一種應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡訓(xùn)練功能的控制系統(tǒng)，將真實(shí)內(nèi)窺鏡器械和各種機(jī)電控制方法相結(jié)合，為新手醫(yī)生提供一個(gè)較真實(shí)的內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練環(huán)境。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在虛擬關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，要求左手操作攝像機(jī)，右手操作剪刀。兩個(gè)設(shè)備都能在三維空間范圍內(nèi)自由移動(dòng)。

用一個(gè)搖桿來模擬攝像機(jī)的動(dòng)作，兩個(gè)光電傳感器裝在搖桿的球體處，用來模擬攝像機(jī)的上下左右移動(dòng)，一個(gè)光電傳感器壓在搖桿上，來捕捉攝像機(jī)的伸進(jìn)伸出動(dòng)作，一個(gè)光電傳感器裝在搖桿的頭上，來捕捉攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，一個(gè)脈沖電位器也裝在搖桿的頭上，來捕捉攝像機(jī)的微調(diào)動(dòng)作。

用另一個(gè)搖桿來模擬剪刀的動(dòng)作，兩個(gè)光電傳感器裝在搖桿的球體處，用來模擬剪刀的上下左右移動(dòng)，一個(gè)光電傳感器壓在搖桿上，來捕捉剪刀的伸進(jìn)伸出動(dòng)作，一個(gè)光電傳感器裝在搖桿的頭上，來捕捉剪刀的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，一個(gè)電位器也裝在搖桿的頭上，來捕捉剪刀的開合動(dòng)作。

還有兩個(gè)按鍵操作，用來復(fù)位整套訓(xùn)練系統(tǒng)。

2訓(xùn)練系統(tǒng)控制板硬件設(shè)計(jì)

2.1虛擬關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)

從機(jī)械結(jié)構(gòu)分析知，在虛擬關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)里，有下列信號(hào)需要采集如表1所示。

2.2硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成

MCU芯片這里我們選用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8芯片，同其它微控制器相比具有以下優(yōu)勢(shì)：基于ARM@CortexM3內(nèi)核、哈佛總線結(jié)構(gòu)；單周期乘法指令、硬件除法指令；與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可快35%且代碼最多可節(jié)省45%；90DMIPs運(yùn)行速度，72MHz主頻運(yùn)行的CPU；內(nèi)置了快速的中斷控制器；Thumb—2指令集以16的代碼密度帶來了32位的性能。采用它具有高性價(jià)比，并且還自帶USB接口[3—4]。