血管介入手術(shù)器械運(yùn)動控制系統(tǒng)

摘 要： 醫(yī)學(xué)教育是非常重視實踐操作的，沒有臨床實踐就不能培養(yǎng)出合格的醫(yī)生?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的瓶頸之一就是學(xué)生被迫遠(yuǎn)離了臨床真實環(huán)境下的操作練習(xí)，特別是血管內(nèi)介入治療這種要求高精確度的手術(shù)技術(shù)。為了配合用于介入手術(shù)培訓(xùn)的血管介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)，自主開發(fā)了一套血管介入手術(shù)器械運(yùn)動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)⒔槿胧中g(shù)器械導(dǎo)絲的位移信號發(fā)送給上位機(jī)，準(zhǔn)確描述上位機(jī)軟件系統(tǒng)中虛擬導(dǎo)絲的位移，實現(xiàn)同步運(yùn)動。同時導(dǎo)絲受力反饋裝置的設(shè)計能夠模擬導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動時遇到的阻力，提供良好的手感，達(dá)到真實醫(yī)學(xué)培訓(xùn)目的。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)學(xué)模擬； 導(dǎo)絲； 位移采集； 力反饋

中圖分類號： TN919?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0125?03

血管類疾病已經(jīng)成為嚴(yán)重威脅人類生命的疾病之一。目前放射介入療法對治療此類疾病效果明顯，針對傳統(tǒng)介入手術(shù)醫(yī)生的培訓(xùn)無法經(jīng)常在臨床環(huán)境下進(jìn)行的問題，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)用于手術(shù)培訓(xùn)[1?2]。血管介入治療模擬教學(xué)系統(tǒng)由介入手術(shù)器械運(yùn)動控制系統(tǒng)和虛擬介入手術(shù)軟件系統(tǒng)組成，本課題主要對前者進(jìn)行了研究，自主設(shè)計開發(fā)了一種血管介入手術(shù)器械運(yùn)動控制系統(tǒng)。常見的血管介入手術(shù)器械有各種型號的導(dǎo)絲、導(dǎo)管、造影器、氣囊、支架等。由于導(dǎo)絲在引導(dǎo)導(dǎo)管進(jìn)入血管和放置支架、球囊等手術(shù)器械中起著非常重要的作用，因此本文中論述的介入手術(shù)器械以導(dǎo)絲為例。系統(tǒng)由導(dǎo)絲位移信息采集裝置和導(dǎo)絲受力模擬裝置兩部分組成。

1 導(dǎo)絲位移信息采集裝置

位移采集裝置的作用是在進(jìn)行介入手術(shù)模擬時，能夠準(zhǔn)確采集訓(xùn)練者對導(dǎo)絲的推拉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的導(dǎo)絲位移信息，然后單片機(jī)讀取位移信息處理后發(fā)送給上位機(jī)軟件系統(tǒng)。

1.1 采集原理

采用光學(xué)傳感器可以進(jìn)行無接觸式測量和采集信息，但是普通光學(xué)傳感器靈敏度較小，對采集物體的表面也有很高的要求，對小型精細(xì)物體如導(dǎo)管、導(dǎo)絲等的運(yùn)動信息采集不夠精確，所以經(jīng)過對比，本文使用激光位移傳感器芯片ADNS?7530，進(jìn)行無接觸式測量，測量精度、耐用性、靈活性等方面得到了很大的提高。ADNS?7530工作示意圖如圖1所示。當(dāng)有物體在鏡頭采集距離內(nèi)移動時，激光發(fā)射器VCSEL向物體表面發(fā)射激光，經(jīng)反射后由傳感器接收，通過光學(xué)原理獲取連續(xù)物體表面圖像，然后根據(jù)前后兩張圖像變化信息，自動計算出物體表面移動的方向和增量并存儲在內(nèi)部寄存器里。

1.2 采集裝置

本文設(shè)計的導(dǎo)絲通道裝置主要由鋼管通道、傳感器電路板、基座、彈簧擋片固定裝置等組成。如圖2所示。

導(dǎo)絲位移信息采集裝置如圖3所示。ADNS?7530焊接在采集電路板上，電路板固定在基座上，帶有凹槽的金屬通道在電路板下穿過，電路板上有采集接口和電源接口分別與外部單片機(jī)引腳和供電電源連接。

1.3 采集電路設(shè)計

2 導(dǎo)絲受力模擬裝置

導(dǎo)絲在血管中移動與血管壁發(fā)生碰撞時，前進(jìn)會受到阻力，因此，想要更加逼真地模擬血管內(nèi)介入治療的過程就要增加力反饋，本文自主設(shè)計了一個導(dǎo)絲受力模擬裝置。該裝置的作用是將上位機(jī)虛擬手術(shù)軟件系統(tǒng)中，導(dǎo)絲模型與血管模型發(fā)生碰撞后對導(dǎo)絲模型所產(chǎn)生的阻力施加于真實的導(dǎo)絲，模擬真實的手術(shù)環(huán)境。使訓(xùn)練者感受到反饋力后，及時調(diào)整操作動作，從而達(dá)到訓(xùn)練的目的[8?9]。由于導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動只存在單一方向的移動和轉(zhuǎn)動，具有兩個自由度。用一個二維的受力反饋裝置即可滿足要求[10]。為了安裝和使用方便，將位移信息采集裝置和受力模擬裝置一起封裝在一個大的塑料盒中，只將金屬管通道和一些接口留出，與單片機(jī)控制系統(tǒng)裝置連接和通信。本文設(shè)計的導(dǎo)絲受力模擬裝置如圖5所示。

在本裝置的設(shè)計中傳動裝置包括轉(zhuǎn)軸、連桿、滑塊1和滑塊2以及導(dǎo)軌。

滑塊1套在轉(zhuǎn)軸上，連桿通過兩個螺母將滑塊1和滑塊2連接起來，滑塊1的運(yùn)動通過連桿帶動嵌在導(dǎo)軌上的滑塊2左右運(yùn)動[11]。力反饋裝置執(zhí)行過程是這樣的，通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)軸上的滑塊1向外和向內(nèi)運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑塊1向內(nèi)運(yùn)動，帶動連桿使其推動滑塊2在導(dǎo)軌上向右運(yùn)動，鑲嵌在滑塊2上的彈性塑料板向右擠壓穿過凹槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)絲，導(dǎo)絲受到壓力后運(yùn)動會受到影響，表現(xiàn)在用手推導(dǎo)絲時有一種阻力感，不同的壓力阻力感不同，從而使操作者改變對導(dǎo)絲的操作。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)則過程相反。

3 系統(tǒng)測試

上位機(jī)虛擬手術(shù)軟件系統(tǒng)主要包括根據(jù)真實數(shù)據(jù)進(jìn)行血管分割、血管建模、導(dǎo)管和導(dǎo)絲建模、支架和氣囊建模、碰撞檢測等[12]。本系統(tǒng)與上位機(jī)虛擬介入手術(shù)軟件系統(tǒng)連接后進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

訓(xùn)練者在操作金屬管通道里真實的導(dǎo)絲運(yùn)動時，上位機(jī)軟件系統(tǒng)中的虛擬導(dǎo)絲能夠在虛擬血管里同步運(yùn)動，發(fā)生碰撞后能將碰撞信號發(fā)送給單片機(jī)處理，給導(dǎo)絲施加對應(yīng)的壓力，從而模擬真實的導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動所受到的阻力。

系統(tǒng)運(yùn)行效果基本滿意，能夠基本滿足訓(xùn)練者的練習(xí)。當(dāng)然系統(tǒng)還存在許多需要改進(jìn)的地方，如增加多個位移采集裝置、更加靈敏的受力反饋裝置的設(shè)計、更加優(yōu)美的上位機(jī)軟件界面設(shè)計等，以更好的滿足當(dāng)代醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的需求。

4 結(jié) 語

本文所闡述的血管介入手術(shù)器械運(yùn)動控制系統(tǒng)，為介入手術(shù)醫(yī)生的培訓(xùn)提供了很大的幫助。該系統(tǒng)具有一定程度的通用性，以后在對血管介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究時，可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，增加和擴(kuò)展功能，降低研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

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