專利名稱：介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種介入導(dǎo)絲的平面及旋 轉(zhuǎn)的二自由度的非接觸式檢測方法。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)介入手術(shù)是治療腫瘤的重要方法，在病人股動(dòng)脈處切口后，放置止血閥，并將 介入導(dǎo)絲送入血管，在X光圖像的引導(dǎo)下，將介入導(dǎo)絲送至病灶處，然后將導(dǎo)管套上介入導(dǎo) 絲，沿介入導(dǎo)絲將導(dǎo)管送至病灶，再抽出介入導(dǎo)絲，形成體外與病灶的通道，再將放療藥物 或栓塞劑沿導(dǎo)管送入。這種手術(shù)由于操作相對(duì)簡單、傷口小、患者痛苦小、術(shù)后恢復(fù)快、風(fēng)險(xiǎn) 較小的特點(diǎn)迅速為醫(yī)生、病人所接受。目前國內(nèi)各醫(yī)院的實(shí)施方法主要是醫(yī)生在X光圖像 的引導(dǎo)下手動(dòng)進(jìn)行操作，這種操作主要有以下不足(1)操作過程中需要X射線成像，使術(shù)者受到輻射的危害；(2)手動(dòng)插管操作準(zhǔn)確度低，有時(shí)很難或無法將導(dǎo)管精確定位到病灶，使得治療效 果欠佳；由于國內(nèi)使用微創(chuàng)手術(shù)治療腫瘤的病例越來越多，每位介入科醫(yī)生的操作例數(shù)迅 速增加，這使得醫(yī)生的累積輻射量大大增加，不僅對(duì)醫(yī)生的健康造成了很大損害，同時(shí)也使 新的醫(yī)生對(duì)此工作心存恐懼。因此，將需要在X光下進(jìn)行的插管操作用機(jī)械裝置來完成，而 讓醫(yī)生在安全的X光室外進(jìn)行控制，可以大大減少醫(yī)生所受輻射。介入手術(shù)的機(jī)械輔助的實(shí)現(xiàn)裝置分三個(gè)大部分，運(yùn)動(dòng)檢測及力反饋裝置，運(yùn)動(dòng)執(zhí) 行及力檢測裝置，以及包括圖像反饋裝置的控制系統(tǒng)。醫(yī)生在X光室外在圖像的輔助下操 作運(yùn)動(dòng)檢測及力反饋裝置中的介入導(dǎo)絲，同時(shí)感受反饋回來的力覺信息，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行及力檢 測裝置執(zhí)行所檢測到的位移量，并檢測介入導(dǎo)絲所受的力。運(yùn)動(dòng)檢測裝置作為直接受醫(yī)生 的控制的部分，在系統(tǒng)中尤為重要。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利“血管介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)”(申 請(qǐng)?zhí)?200910089761. 8)，以及國外論文 Yogesh Thakur 等人(Yogesh Thakur, Jeffrey S. Bax,David ff. Holdsworth,Maria Drangova :Design and Performance Evaluation of a Remote CatheterNavigation System, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.56, No. 7, July 2009，一種遠(yuǎn)程導(dǎo)管導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能評(píng)估)均提出了使用光電 編碼器檢測直線、旋轉(zhuǎn)二維運(yùn)動(dòng)的方案。但二者都未詳細(xì)討論光電編碼器檢測運(yùn)動(dòng)時(shí)必須 與介入導(dǎo)絲直接接觸并且未解決介入導(dǎo)絲與編碼器滾輪摩擦力減小時(shí)打滑的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸 式檢測方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比不僅成本降低，安裝方便，而且體積減小，最重要的是，檢測部 件不需要與被檢測物體直接接觸，從而大大減少了后期應(yīng)用中考慮隔離與消毒的問題，而 精度能滿足本領(lǐng)域的特殊要求。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過將介入導(dǎo)絲穿過兩段導(dǎo)向套并導(dǎo) 向套固定在底座上，然后把傳感器電路板固定在調(diào)整底板上并將調(diào)整底板放置在介入導(dǎo)絲 上方使其檢測焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)介入導(dǎo)絲，調(diào)節(jié)調(diào)整底板使傳感器電路板上的傳感器能夠檢測到導(dǎo) 絲的二維運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行平面校準(zhǔn)處理后得到比例系數(shù)I和K2，最后通過測量及解耦計(jì)算 處理得到介入導(dǎo)絲的直線運(yùn)動(dòng)距離L及旋轉(zhuǎn)角度e。所述的傳感器電路板包括集成激光光源的檢測及處理芯片和電路母板，其中 光源照亮反射面，檢測及處理芯片檢測反射面的微小區(qū)域圖像并輸出所檢測到的反射面 X-Y方向位移，電路母板向光源和檢測及處理芯片提供電源并作為與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的通道。所述的導(dǎo)向套的內(nèi)徑等于介入導(dǎo)線的外徑。所述的調(diào)整底板為具有特定外形且鉆有安裝孔的板材。所述的檢測到導(dǎo)絲的二維運(yùn)動(dòng)是指將傳感器電路板安裝到調(diào)整底板上，調(diào)節(jié)調(diào) 整底板與底座的相對(duì)位置使傳感器的檢測軸線與底座中心線平齊；將傳感器的輸出接口連 到計(jì)算機(jī)USB端口上，并選擇激光鼠標(biāo)傳感器檢測分辨率。所述的平面校準(zhǔn)處理是指1)將介入導(dǎo)絲僅沿其軸線，即Y方向以無旋轉(zhuǎn)的平動(dòng)方式向前或向后運(yùn)動(dòng)一定距 離\，同時(shí)記錄向前或向后的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離\和傳感器檢測讀數(shù)Ys，由于安裝誤差存在夾 角a，傳感器讀數(shù)中會(huì)含有Xs，記錄之；2)重復(fù)步驟1)N(N = 5 10)次，分別計(jì)算N次試驗(yàn)中Xs的算術(shù)平均值 X =XSi)/"和Ys的算術(shù)平均值萬=(f,YSi)/N ,則安裝誤差角度僅=_arctan 3)調(diào)整安裝誤差角度，即判斷角度a是否超出范圍，若超出則調(diào)整傳感器與底座 相對(duì)位置，使a在規(guī)定范圍內(nèi)；4)求&。對(duì)步驟1)得到的每一組Xs和Ys按下式進(jìn)行坐標(biāo)變換 求得傳感器實(shí)際檢測到的軸向位移值￥ ，然后求得實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離與檢測數(shù)據(jù)的平 均比例系數(shù),其中與&分別為前述N次\和Yw的算術(shù)平均值；5)將介入導(dǎo)絲沿其軸線進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)一定角度，同時(shí)記錄實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度e與檢 測得到的數(shù)據(jù)xs和Ys ；6)重復(fù)步驟 5)N(N = 5 10)次。7)求K2。對(duì)步驟6)求得的每一組Xs和Ys按式(1)進(jìn)行變換，得到實(shí)際檢測的位 移xw。然后求實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度與檢測數(shù)據(jù)平均比例系數(shù)k2，Z2=&^；,其中。和i分別為 前述N次e和算術(shù)平均值；所述的測量及解耦計(jì)算處理是指當(dāng)導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)時(shí)既有沿軸線進(jìn)退也有沿軸線旋 轉(zhuǎn)，傳感器檢測反饋給計(jì)算機(jī)的信號(hào)為Xs和Ys，導(dǎo)絲實(shí)際前進(jìn)/后退的距離L及旋轉(zhuǎn)角度 e由以下式子推出'0'X0_cos a sin aL0-sin a cos aYs_本發(fā)明采用價(jià)格低廉的激光鼠標(biāo)傳感器取代傳統(tǒng)的光電編碼器檢測介入導(dǎo)絲的 二維運(yùn)動(dòng)，不僅檢測精度高(如3200DPI鼠標(biāo)傳感器最高分辨率可達(dá)到8 y m)，而且體積小 巧。傳統(tǒng)光電編碼器的滾輪需要與介入導(dǎo)絲直接接觸，較難滿足醫(yī)療設(shè)備的嚴(yán)格消毒 要求，激光鼠標(biāo)傳感器不與介入導(dǎo)絲接觸，而可以更換的導(dǎo)向套可以滿足消毒要求。同時(shí)， 由于不與介入導(dǎo)絲直接接觸，也避免了介入導(dǎo)絲沾染液體時(shí)出現(xiàn)的打滑造成測量不準(zhǔn)的問題。傳統(tǒng)光電編碼器檢測介入導(dǎo)絲二維運(yùn)動(dòng)時(shí)由于有機(jī)械接觸，若介入導(dǎo)絲以較大 加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，編碼器滾輪可能無法同步跟隨，造成測量不準(zhǔn)，而激光鼠標(biāo)傳感器所能測 量的加速度僅受其內(nèi)含的芯片性能限制，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光電編碼器(如后文中的Cypress CY0NS1001U可檢測最大加速度可達(dá)20G，G為重力加速度)。傳統(tǒng)編碼器的數(shù)據(jù)需要用I/O卡或數(shù)據(jù)采集卡讀取，而激光鼠標(biāo)傳感器可直接接 入計(jì)算機(jī)USB接口，不僅連接方式簡單，也降低了成本。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施步驟圖。圖2是本裝置的示意圖(俯視)；其中1底座、2介入導(dǎo)絲、3、4導(dǎo)向套、5傳感器電路板、6調(diào)整底板。圖3為實(shí)施例步驟示意圖；其中圖3a為標(biāo)定步驟中確定沿軸線直線運(yùn)動(dòng)比例系數(shù)！^的實(shí)施步驟圖；圖3b 為標(biāo)定步驟中確定繞軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比例系數(shù)K2的實(shí)施步驟圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。先假設(shè)介入導(dǎo)絲軸線為Y軸，水平面上垂直于Y軸方向?yàn)閄軸，垂直于水平面方向 為Z軸，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)于激光鼠標(biāo)傳感器檢測點(diǎn)位置，設(shè)定安裝誤差?yuàn)A角不應(yīng)大于3°。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例通過將介入導(dǎo)絲2穿過兩段導(dǎo)向套3、4，導(dǎo)向套3、4 固定在底座1上。把傳感器電路板5固定在調(diào)整底板6上。將調(diào)整底板6放置在介入導(dǎo)絲 2上方使其檢測焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)介入導(dǎo)絲2，調(diào)節(jié)調(diào)整底板6使其上的傳感器能夠檢測到導(dǎo)絲2的 二維運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行平面校準(zhǔn)處理后得到比例系數(shù)&和K2，最后通過測量及解耦計(jì)算處理 得到介入導(dǎo)絲的直線運(yùn)動(dòng)距離L及旋轉(zhuǎn)角度e。如圖2所示，本實(shí)施例采用的傳感器電路5包括集成激光光源的檢測及處理芯片 CypressCYONSlOOlU,電路母板。其中光源照亮反射面，檢測及處理芯片檢測反射面的微小 區(qū)域圖像并輸出所檢測到的反射面X-Y方向位移，電路母板向光源和檢測及處理芯片提供 電源并作為與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的通道。前述的集成光源的檢測及處理芯片和電路母板是取
5自激光鼠標(biāo)雷柏V2，所述設(shè)備在市場上均可購買到。所述的導(dǎo)向套3、4的內(nèi)徑等于介入導(dǎo)絲2的外徑，所述導(dǎo)向套暫時(shí)用導(dǎo)管代替，與 導(dǎo)絲配套。介入導(dǎo)絲型號(hào)為日本Terumo公司的0. 035〃 X 150mm導(dǎo)絲。所述的調(diào)整底板6為具有特定外形且鉆有安裝孔的板材，本實(shí)施例中使用鋁板， 厚度為3mm。所述的調(diào)整傳感器電路板動(dòng)作是指將傳感器電路板5安裝到調(diào)整底板6上，調(diào)節(jié) 調(diào)整底板6與底座1的相對(duì)位置使傳感器的檢測軸線與底座中心線平齊；將傳感器的輸出 接口連到計(jì)算機(jī)USB端口上，并選擇激光鼠標(biāo)傳感器檢測分辨率為1600DPI。所述的平面校準(zhǔn)處理是指1)將介入導(dǎo)絲2沿其軸線，即Y方向以無旋轉(zhuǎn)的平動(dòng)方式向前(或向后)運(yùn)動(dòng) 2mm,同時(shí)記錄向前或向后的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離￥, = 2mm和傳感器檢測讀數(shù)Ys，由于安裝誤差存 在夾角a，傳感器讀數(shù)中會(huì)含有Xs，記錄之；2)重復(fù)步驟1) 5次，分別計(jì)算5次試驗(yàn)中Xs的算術(shù)平均值巧=(X XSi)/ iV和Ys的
/二1
算術(shù)平均值W =W，則安裝誤差角=’五次試驗(yàn)及平均值如表1
所示，可以求出夾安裝誤差角度a =0.0198，約1.15°，可認(rèn)為在允許范圍內(nèi)；3)調(diào)整安裝誤差角度。在前步已經(jīng)驗(yàn)證安裝誤差在允許范圍內(nèi)，不需要再進(jìn)行調(diào) 整；4)求&。對(duì)步驟1)得到的每一組Xs和Ys按下式進(jìn)行坐標(biāo)變換 求得傳感器實(shí)際檢測到的軸向位移值￥ ，然后求得實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離與檢測數(shù)據(jù)的平 均比例系數(shù)= 2/131.6 = 0.0151967 ,其中與分別為前述5次YA和Yw的 算術(shù)平均值，表1為求&試驗(yàn)數(shù)據(jù)；表1求&試驗(yàn)數(shù)據(jù)
試驗(yàn)次數(shù)12345平均值Xs (Point)- 2- 3- 3- 2- 3-2. 6Ys (Point)131132132131132131. 6Xw(Point)0. 6-0. 4-0. 40. 6-0. 4-0. 08Yw(Point)131132132131132131. 65)將介入導(dǎo)絲沿其軸線進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)n/2角度，同時(shí)記錄實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度e = ^ /2與檢測得到的數(shù)據(jù)Xs和Ys ；6)重復(fù)步驟5) 5次，五次試驗(yàn)數(shù)據(jù)及平均值如表2所示；7)求K2。對(duì)步驟6)求得的每一組&和Ys按式(1)進(jìn)行變換，得到實(shí)際
6檢測的位移Xw，如表3所示。然后求實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度與檢測數(shù)據(jù)平均比例系數(shù)K2， Z2=g/^; = ;r/2/59.8 = 0.0262675,其中j = 和&分別為前述5次0和Xw的算術(shù)平
均值；表2求K2試驗(yàn)數(shù)據(jù) 所述的測量及解耦計(jì)算處理是指當(dāng)導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)既有沿軸線進(jìn)退也有繞軸線旋轉(zhuǎn)， 傳感器檢測反饋給計(jì)算機(jī)的信號(hào)為xs*Ys，導(dǎo)絲實(shí)際前進(jìn)/后退的距離L及旋轉(zhuǎn)角度e由 以下式子推出性能指標(biāo)激光鼠標(biāo)傳感器分辨率可調(diào)節(jié)，在不同分辨率下性能指標(biāo)不同，表 3是芯片分辨率為1600DPI時(shí)傳感器的性能，本傳感器相對(duì)于很多傳統(tǒng)傳感器來說精 度、分辨率并不高，但考慮到介入手術(shù)中精度要求并非很高(約線性0.5mm，旋轉(zhuǎn)5°，約 0. 0873rad)，足以滿足要求。
權(quán)利要求
一種介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，其特征在于，通過將介入導(dǎo)絲穿過兩段導(dǎo)向套并導(dǎo)向套固定在底座上，然后把傳感器電路板固定在調(diào)整底板上并將調(diào)整底板放置在介入導(dǎo)絲上方使其檢測焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)介入導(dǎo)絲，調(diào)節(jié)調(diào)整底板使傳感器電路板上的傳感器能夠檢測到導(dǎo)絲的二維運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行平面校準(zhǔn)處理后得到比例系數(shù)K1和K2，最后通過測量及解耦計(jì)算處理得到介入導(dǎo)絲的直線運(yùn)動(dòng)距離L及旋轉(zhuǎn)角度θ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，其特征是，所 述的傳感器電路包括光源、與之相連接的檢測及處理芯片和固定底板，其中檢測及處理 芯片檢測反射面的微小區(qū)域圖像并輸出所檢測到的反射面X-Y方向位移，固定底板向光源 和檢測及處理芯片提供電源并傳輸數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，其特征是，所 述的導(dǎo)向套的內(nèi)徑等于介入導(dǎo)線的外徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，其特征是，所 述的檢測到導(dǎo)絲的二維運(yùn)動(dòng)是指將激光鼠標(biāo)傳感器電路板安裝到底座上調(diào)整位置使其檢 測軸線與底座中心線平齊；將傳感器的輸出接口連到計(jì)算機(jī)USB端口上，并選擇激光鼠標(biāo) 傳感器檢測分辨率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，其特征是，所 述的平面校準(zhǔn)處理是指1)將介入導(dǎo)絲僅沿其軸線，即Y方向以無旋轉(zhuǎn)的平動(dòng)方式向前或向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄 向前或向后的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離和傳感器檢測讀數(shù)；2)判斷與軸線正交的方向，即X方向的傳感器檢測讀數(shù)是否超出設(shè)定范圍，若超出則 調(diào)整傳感器與底座相對(duì)位置，使X方向的傳感器檢測讀數(shù)落在設(shè)定范圍內(nèi)；3)然后將介入導(dǎo)絲沿Y方向向前或向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄向前或向后實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離YA與 傳感器檢測讀數(shù)YS;4)重復(fù)步驟3)N次，N= 5 10，求得實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離與檢測數(shù)據(jù)的平均比例系數(shù)K” ^ =5/萬，其中為前述N次\的算術(shù)平均值，為前述N次Ys的算術(shù)平均值；5)將介入導(dǎo)絲僅沿其軸線進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)記錄實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度e與檢測得到的數(shù) 據(jù)xs;6)重復(fù)步驟5)N次，N= 5 10，求得實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度與檢測數(shù)據(jù)平均比例系數(shù)K2， Z2=g/^；，其中。為前述n次0的算術(shù)平均值，i為前述N次&的算術(shù)平均值；7)傳感器檢測軸線與導(dǎo)絲軸線夾角為a,a = arctan(Z;/}J)o
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，其特征是，所 述的測量及解耦計(jì)算處理是指當(dāng)導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)時(shí)存在既有沿軸線進(jìn)退也有沿軸線旋轉(zhuǎn)，傳感 器檢測反饋給計(jì)算機(jī)的信號(hào)為XS*YS，導(dǎo)絲實(shí)際前進(jìn)/后退的距離L及旋轉(zhuǎn)角度e由以 下式子推出'0'X0_cos a sin a'XL0-sin a cos aYs_
全文摘要
一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的介入導(dǎo)絲二自由度運(yùn)動(dòng)的非接觸式檢測方法，通過將介入導(dǎo)絲穿過兩段導(dǎo)向套，將傳感器電路板放置在介入導(dǎo)絲上方使其檢測焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)介入導(dǎo)絲，調(diào)整傳感器電路板使傳感器電路板上的傳感器能夠檢測到水平面上的二維運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行平面校準(zhǔn)處理后得到比例系數(shù)K1和K2，最后通過測量及解耦計(jì)算處理得到介入導(dǎo)絲的直線運(yùn)動(dòng)距離L及旋轉(zhuǎn)角度θ。本發(fā)明不僅成本低，安裝方便，而且體積減小，精度較高，與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)簡便，最重要的是，檢測部件不需要與被檢測物體直接接觸，從而大大減少了后期應(yīng)用中考慮隔離與消毒的問題。
文檔編號(hào)A61B5/06GK101919697SQ20101027545
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者沈杰, 言勇華, 陳大國 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué);中國人民解放軍第四五五醫(yī)院