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(dòng)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(hào)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(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。同時(shí)導(dǎo)絲受力反饋裝置的設(shè)計(jì)能夠模擬導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的阻力，提供良好的手感，達(dá)到真實(shí)醫(yī)學(xué)培訓(xùn)目的。

引言

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(duì)治療此類疾病效果明顯，針對(duì)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(guó)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)。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(dòng)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(duì)前者進(jìn)行了研究，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了一種血管介入手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。常見的血管介入手術(shù)器械有各種型號(hào)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(shí)，能夠準(zhǔn)確采集訓(xùn)練者對(duì)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(cè)量和采集信息，但是普通光學(xué)傳感器靈敏度較小，對(duì)采集物體的表面也有很高的要求，對(duì)小型精細(xì)物體如導(dǎo)管、導(dǎo)絲等的運(yùn)動(dòng)信息采集不夠精確，所以經(jīng)過對(duì)比，本文使用激光位移傳感器芯片ADNS-7530,進(jìn)行無接觸式測(cè)量，測(cè)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(dòng)時(shí)，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(dòng)計(jì)算出物體表面移動(dòng)的方向和增量并存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器里。

1.2 采集裝置

本文設(shè)計(jì)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(jì)

位移信息采集裝置中，采集電路主要是ADNS-7530與單片機(jī)之間的通信電路，包括單片機(jī)對(duì)傳感器內(nèi)的寄存器進(jìn)行初始化操作，以及讀取傳感器采集到的導(dǎo)絲實(shí)時(shí)的位移信息；再就是單片機(jī)與上位機(jī)軟件系統(tǒng)的串口通信電路，單片機(jī)將位移信息處理打包后通過串口發(fā)送給上位機(jī)。ADNS-7530傳感器采集位移信息時(shí)，將位移信息以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在了內(nèi)部寄存器Delta_X_L、Delta_Y_L、Delta_XY_H中，單片機(jī)通過SPI方式讀取上述寄存器中的位移數(shù)據(jù)。ADNS-7530要正常工作，準(zhǔn)確采集導(dǎo)絲的位移信息，必須先對(duì)其內(nèi)部的寄存器按照一定的順序進(jìn)行配置。如圖4所示。

2 導(dǎo)絲受力模擬裝置

導(dǎo)絲在血管中移動(dòng)與血管壁發(fā)生碰撞時(shí)，前進(jìn)會(huì)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(jì)了一個(gè)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(duì)導(dǎo)絲模型所產(chǎn)生的阻力施加于真實(shí)的導(dǎo)絲，模擬真實(shí)的手術(shù)環(huán)境。使訓(xùn)練者感受到反饋力后，及時(shí)調(diào)整操作動(dòng)作，從而達(dá)到訓(xùn)練的目的。由于導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動(dòng)只存在單一方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，具有兩個(gè)自由度。用一個(gè)二維的受力反饋裝置即可滿足要求。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(gè)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(jì)的導(dǎo)絲受力模擬裝置如圖5所示。

在本裝置的設(shè)計(jì)中傳動(dòng)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(gè)螺母將滑塊1和滑塊2連接起來，滑塊1的運(yùn)動(dòng)通過連桿帶動(dòng)嵌在導(dǎo)軌上的滑塊2 左右運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)軸上的滑塊1向外和向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑塊1向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿使其推動(dòng)滑塊2在導(dǎo)軌上向右運(yùn)動(dòng)，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(dòng)會(huì)受到影響，表現(xiàn)在用手推導(dǎo)絲時(shí)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(duì)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(cè)試

上位機(jī)虛擬手術(shù)軟件系統(tǒng)主要包括根據(jù)真實(shí)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(cè)等。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(cè)試，測(cè)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(shí)的導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，發(fā)生碰撞后能將碰撞信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)處理，給導(dǎo)絲施加對(duì)應(yīng)的壓力，從而模擬真實(shí)的導(dǎo)絲在血管中運(yùn)動(dòng)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(gè)位移采集裝置、更加靈敏的受力反饋裝置的設(shè)計(jì)、更加優(yōu)美的上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)血管介入手術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，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。