基于ADXL345加速度傳感器的傾角測量系統設計

摘要：針對臨床穿刺手術操作中穿刺針桿插入角度容易出現偏差的困境，基于ADXL345加速度傳感器開發了一套傾角測量系統。首先給出了ADXL345加速度傳感器的傾角測量物理原理；其次給出了該套傾角測量系統的硬件設計，包括ESP32主機、ADXL345加速度傳感器和OLED顯示模塊，并給出了系統軟件設計的程序流程圖。研制結果表明，該傾角測量系統能夠較好地實時監測穿刺針桿插入角度，方便醫生手術操作，必將有效提高穿刺手術成功率。

關鍵詞：ADXL345加速度傳感器；傾角測量；ESP32；流程圖

中圖分類號：TH772" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0031-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.008

0" " 引言

穿刺器廣泛用于婦科、普外科、胸科和泌尿科等醫療手術操作中，用于建立器械入口、病變抽取和病變治療等。臨床操作中，穿刺器的刺入角度非常關鍵，盡管有影像引導，但穿刺針的入針方位角度通常由操作醫生憑借經驗把握，對操作醫生醫療臨床操作水平要求較高。實際臨床中，當微創手術連續進行時，操作醫生產生疲勞，容易導致入針角度出現偏差，不能準確到達病變位置，造成手術失敗，增加患者穿刺次數和并發癥發生率[1]。

針對這一問題，以CT影像引導臨床操作為應用對象，如圖1所示，設計一套能夠實現實時測量，準確顯示入針方位角度的系統，輔助操作醫生順利、準確地將穿刺器送達病變位置，減輕操作醫生體力消耗，提高手術成功率，具有重要的醫療應用前景。

1" " ADXL345加速度傳感器

ADXL345加速度傳感器是美國ADI公司生產的一款體積較小的超低功耗數字化加速度傳感器[2-3]，它由三軸加速度傳感器、敏感電子元件、模數轉換、數字濾波、電源管理和邏輯控制、串行端口組成，由固定于機械慣性系統上的敏感電子元件測量加速度變化，經數字化處理后輸出。ADXL345傳感器芯片采用雙地址自選址型，INT1和INT2懸空為默認地址，INT1和INT2置高電平為備用地址，其數據通過IIC總線傳回MCU部分進行處理并計算得出角度。

2" " 傾角測量原理

穿刺針桿傾斜角由ADXL345加速度傳感器敏感重力加速度獲得。為了測量微創手術穿刺針桿的角度，將針桿假想為形狀規則的質量塊，當測量處于平衡狀態時，傾角由唯一激勵源——重力加速度獲得。考慮敏感軸上的分量，與重力加速度的大小和方向建立關系，可以實現傾斜角度的測量[4-5]。

2.1" " 單軸加速度

設加速度傳感器測量結果為F（θ），θ為傾斜角度，g為重力加速度，如圖2所示。則有：

2.2" " 兩軸加速度

對于兩軸加速度傳感器，令兩個傳感方向，皆垂直于重力加速度方向，當兩軸傾斜角θx，θy變化時，加速度傳感器測量結果為：

運用兩軸加速度傳感器無法解決傾斜角測量中全方位和全擺幅共同實現的矛盾，所以，為測量一個全方位、全擺幅的傾斜角，就必須使用三軸加速度。

2.3" " 三軸加速度

根據牛頓第二定律，在宏觀低速情況下，在外力作用下，產生一定大小的加速度，即：

假定質量塊沒有受到其他外力的作用，僅受重力作用，其在空間三個坐標上產生由重力分力引起的加速度分量x，y，z，如圖3所示。

根據夾角幾何關系，有：

重力加速度g在各軸上的分量為：

聯立式（5）和（6），有：

則質量塊的空間方位角度可由以下公式計算得出：

式中：α1，β1，γ1為質量塊姿態改變后質量塊的方位角。

實際應用中，ADXL345加速度傳感器基于慣性原理，首先獲得質量塊（穿刺針桿）的加速度數值信息，然后根據式（8）至式（10）計算得到質量塊（穿刺針桿）的方位角度信息。

3" " 系統設計

該系統主要包括儀器主機ESP32控制單元、傳感器模塊ADXL345和內置OLED顯示單元，系統框圖如圖4所示。

3.1" " 硬件設計

該傾角測量系統主機端基于ESP32單片機[6]，如圖5所示，它是一款集成Wi-Fi功能的微控制器，擁有強大的性能，可以用來開發復雜的應用，內置32位雙核處理器，最高頻率為240 MHz。ESP32具有性能強大、響應速度快、功耗低等優勢，除此之外，自帶Wi-Fi和藍牙功能，配置充電管理、OLED顯示，采用4層PCB、元件堆疊等方案使體積最小化，盡可能減輕對操作者精確操作的影響。

傳感器選擇ADXL345加速度傳感器，實物如圖6所示，可檢測靜態的重力加速度，也可測量運動或沖擊導致的動態加速度。需要注意的是，ADXL345加速度傳感器不能直接測量物體的三維角度值，它是先測量物體的重力加速度，再解析重力加速度在X、Y、Z三軸間的分量，最后利用解算公式求出物體在三維方向的角度值。

經濾波算法處理后，傳感器模塊角度測量精度可達±0.1°；同時采用通用夾具方案，可通過更換夾具適配多種醫療設備或用于其他用途。

由加速度傳感器可換算得出三軸角度。由于使用重力場作為基準，當Z軸平行于重力方向時，回轉角度（XY軸組成的平面上的回轉角度）無法獲得有效參考，不能得到有效的回轉角度讀數，因此，在平行于鉛垂面的平面上，在傳感器模塊加入十字激光參考。十字激光兩軸分別與X、Y軸平行，十字激光兩軸相對于參考坐標系X、Y軸的偏轉均為回轉角。

3.2" " 軟件設計

系統程序設計是測量系統設計的重點。由于ESP32采用了FreeRTOS系統框架，系統的控制流程大為簡化，同時有利于后期的維護。

軟件部分主要由主程序和終端服務程序兩部分組成，終端程序負責接收ADXL345加速度傳感器發來的傾角數據，主程序負責傾角數據的二次處理、用戶數據命令的收發、存儲管理、界面顯示等一系列工作。

主程序設計分為五個實時運行任務，分別為數據處理任務、藍牙任務、Wi-Fi任務、顯示任務和看門狗復位任務。

系統程序流程如圖7所示。

程序設計中，先初始化串口、I/O口和顯示模塊，同時獲取傳感器模塊的配置和儀器主機電池電壓，然后在終端程序內讀取傳感器模塊ADXL345發來的數據信息，隨后對數據信息進行角度換算處理，再發送到OLED模塊顯示。

測量系統使用過程中，操作者手部的輕微抖動會影響傳感器基于重力場對方位角的計算，因此引入時差校準來消除影響，即提前或者延后若干毫秒再采集數據。

計算校準流程如圖8所示。

具體校準程序設計設置如下：

dy = atan（Y_out / sqrt（pow（X_out， 2） + pow（Z_out， 2））） * 180 / PI;

dx = atan（-1 * X_out / sqrt（pow（Y_out， 2） + pow（Z_out， 2））） * 180 / PI;

// Low-pass filter

dyf = 0.94 * dyf + 0.06 * dy;

dxf = 0.94 * dxf + 0.06 * dx;" "http://加權平均校準，實時數據權重0.94，時差數據權重0.06

if（digitalRead（0）==HIGH）" " " //實時測量選擇高電平

……

目前，基于ADXL345加速度傳感器的傾角測量系統已制作完成，系統采用模塊化設計，包括ESP32主機模塊、傳感器模塊和OLED顯示單元，如圖9所示。

4" " 結語

基于ADXL345傳感器的傾角測量系統采用模塊化設計，結構簡單，成本低，具有較好的醫療應用前景。通過硬件選取和軟件程序設計，目前該傾角系統已基本制作完成，但穿刺針桿的夾持結構設計還不夠簡便，硬件系統無菌化處理問題還沒有解決，與實際醫療應用需求尚有差距，需要進一步改進完善。

[參考文獻]

[1] 萬晅潤，張海軍，楊琴，等.基于STM32的醫用傾角儀的研制[J].醫療裝備，2021，34（17）：1-2.

[2] 付慧群，張秀峰，劉文濤.基于ADXL345防跌倒檢測裝置的研制[J].微型機與應用，2017，36（4）：90-93.

[3] 胡代弟，王小麗.基于ADXL345三軸加速度計的傾角測量系統[J].電子測試，2015（19）：113-115.

[4] 李智，汪地，楊浩，等.一種基于三軸加速度傳感器的傾角測量裝置[J].儀表技術與傳感器，2013（8）：30-32.

[5] 成健，馮小蔚，梁艷菊.基于三軸加速度計的傾斜角度測量算法[J].電力系統裝備，2020（1）：79-80.

[6] 凌信航，王航蜀，吳俊.基于物聯網的人體健康及家庭環境監測系統[J].電子器件，2022，45（5）：1272-1278.

收稿日期：2022-12-09

作者簡介：魏子程（2001—），男，云南人，研究方向：計算機（ESP32）應用。

通信作者：張海軍（1976—），男，山東魚臺人，副教授，研究方向：醫療器械設計。