基于激光鼠標(biāo)傳感器的導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

【作 者】沈杰，李盛林，陳大國(guó)，言勇華

1 解放軍第四五五醫(yī)院，上海，200052

2 上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所，上海，200240

肝動(dòng)脈化療栓塞(TACE)是當(dāng)前用于治療肝臟腫瘤的重要的介入療法。因肝臟附近的血管較為復(fù)雜，需要先將導(dǎo)絲引導(dǎo)至病灶，再將導(dǎo)管沿導(dǎo)絲滑入。傳統(tǒng)的TACE術(shù)為醫(yī)生手動(dòng)操作，主要存在以下兩個(gè)不足：(1)導(dǎo)絲插入過(guò)程中的X射線成像會(huì)對(duì)醫(yī)生造成輻射傷害；(2)導(dǎo)絲插入過(guò)程中圖像為二維圖像，復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)在沒有三維信息的情況下給插管工作帶來(lái)了較大困難。使用導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)可以較好地解決這些問(wèn)題[1]。

1 基于激光鼠標(biāo)傳感器的導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的微創(chuàng)介入手術(shù)中，醫(yī)生常用的技巧有推送、回拉和捻旋等。在使用視覺反饋的導(dǎo)絲機(jī)器人輔助插入中，能否快速準(zhǔn)確地檢測(cè)導(dǎo)絲的動(dòng)作決定了系統(tǒng)能否正常工作，因而對(duì)傳感器的靈敏度要求要高于精度要求。文獻(xiàn)[5]中的方案可使醫(yī)生如同操作真正的導(dǎo)絲，在長(zhǎng)距離連續(xù)進(jìn)給時(shí)手需要不斷更換位置。

圖像處理的方法可用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，特別是非接觸式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域[6]。激光鼠標(biāo)傳感器（Laser Mouse Sensor,LMS）利用微型激光器照亮被檢測(cè)表面，同時(shí)一個(gè)微型CMOS傳感器不斷獲取被照亮區(qū)域的圖像，經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部的DSP處理后，比較相鄰兩次采樣時(shí)圖像的差別，計(jì)算出兩幅圖像在二維平面的上的位移。

1.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

工作于血管中的介入手術(shù)導(dǎo)絲只有兩個(gè)自由度(忽略彎曲)，即沿自身軸線進(jìn)退以及繞軸線旋轉(zhuǎn)。這樣應(yīng)確定導(dǎo)絲實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離及角度與LMS檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

圖1 LMS檢測(cè)坐標(biāo)系與導(dǎo)絲坐標(biāo)系Fig.1 Coordinates for LMS Detecting and Guide wire

令導(dǎo)絲旋轉(zhuǎn)角和直線運(yùn)動(dòng)距離分別為θ和L mm。如圖1所示，LMS檢測(cè)坐標(biāo)系為XsOYs，導(dǎo)絲坐標(biāo)系為XwOYw。由于安裝誤差等原因，XsOYs與XwOYw可能存在夾角，令其為α，在導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其表面上某點(diǎn)從原點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)。

設(shè)Lxs和Lys分別為L(zhǎng)MS在X軸和Y軸上檢測(cè)到位移的數(shù)值（后文中直接用Xs、Ys分別代替Lxs、Lys），K1和K2分別為L(zhǎng)與Ys、θ與Xs的比值。則有如下關(guān)系[7]：

設(shè)中間變量Xw和Yw分別為導(dǎo)絲坐標(biāo)系中X和Y方向上的變化量，即有關(guān)系式(2)：

在通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定K1、K2和α等參數(shù)后，對(duì)LMS檢測(cè)的數(shù)據(jù)代入式(1)即可求得θ和L。圖2為使用LMS的導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊示意圖。

圖2 基于LMS的導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊Fig.2 Guide wire motion detection module based on LMS

在上述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的基礎(chǔ)上，搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用步進(jìn)電機(jī)1通過(guò)螺桿驅(qū)動(dòng)一個(gè)滑臺(tái)，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；滑臺(tái)上的另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)2實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，介入導(dǎo)絲與電機(jī)2固連。介入導(dǎo)絲為日本Terumo的mm導(dǎo)絲。

1.2 測(cè)試步驟

根據(jù)前述測(cè)試方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定后，控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。第一組實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)導(dǎo)絲施以直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離YA=0.2 mm，重復(fù)進(jìn)行5次，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。根據(jù)表中的XS和YS的平均值和式(1)，可以求出，再由式(2)可求得Xw和Yw。再根據(jù)式(1)，此時(shí)導(dǎo)絲無(wú)旋轉(zhuǎn)，故有θ=0，則。第二組實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)導(dǎo)絲施以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度為。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算過(guò)程與第一組實(shí)驗(yàn)類似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2中，計(jì)算得到。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

在確定安裝誤差?yuàn)A角α及比例系數(shù)K1和K2之后，對(duì)裝置進(jìn)行精度與線性度實(shí)驗(yàn)。首先，對(duì)導(dǎo)絲只施加直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離為從0.5 mm到3 mm，步長(zhǎng)為0.5 mm。檢測(cè)得到數(shù)據(jù)經(jīng)變換后結(jié)果如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差均小于0.05 mm，相對(duì)誤差均小于5%。再對(duì)導(dǎo)絲施加單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，角度從π/72到2π，從圖4作圖的數(shù)據(jù)可得到角度檢測(cè)分辨率為0.05 rad。

表1 直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data for linear motion test

表2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Data for rotary motion test

圖3 單直線運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)分布圖Fig.3 Data distribution of linear motion

圖4 單旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)分布圖Fig.4 Data distribution of rotary motion

2 導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖5 導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)Fig.5 Guide wire tele-manipulation system

一個(gè)完整的介入導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包括以下部分：導(dǎo)絲進(jìn)給裝置、導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置、成像設(shè)備及圖像處理裝置、監(jiān)控及顯示設(shè)備和計(jì)算機(jī)[1]，如圖5所示。導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)分為兩部分，處于X光安全區(qū)域的控制部分和暴露在X光下的操作部分。控制部分主要為上位計(jì)算機(jī)和導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。醫(yī)生在計(jì)算機(jī)屏幕上的目標(biāo)區(qū)域圖像輔助下操作導(dǎo)絲，導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置檢測(cè)醫(yī)生的操作進(jìn)程。

2.1 導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

使用第1節(jié)中描述的基于LMS的導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)了導(dǎo)絲檢測(cè)裝置。如圖6所示，兩個(gè)長(zhǎng)方體盒固定在底板上，左邊長(zhǎng)方體內(nèi)放置激光鼠標(biāo)傳感器，并預(yù)留了力反饋裝置的空間；右邊長(zhǎng)方體作支撐導(dǎo)絲用，使導(dǎo)絲不至于下垂；左、右兩個(gè)長(zhǎng)方體在各自的左右兩壁均鉆有小孔讓導(dǎo)絲穿過(guò)。左、右長(zhǎng)方體之間的距離為150 mm，這是考慮到人手寬度大約為50 mm，且導(dǎo)絲一次實(shí)際進(jìn)給量最大約為100 mm。

圖6 導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置Fig.6 Apparatus for guide wire motion detection

2.2 導(dǎo)絲操縱裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)絲操縱裝置是操作在血管內(nèi)的導(dǎo)絲的裝置。它需要準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)導(dǎo)絲檢測(cè)裝置所檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)，并提供完善的保護(hù)措施，否則可能對(duì)病人造成傷害。

如圖7所示，電機(jī)1通過(guò)螺桿驅(qū)動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，固定在滑塊上的電機(jī)2實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要在電機(jī)2軸上安裝一個(gè)夾持裝置，配合電機(jī)1實(shí)現(xiàn)夾緊或放松。

圖7 導(dǎo)絲操縱裝置Fig.7 Apparatus for guide wire manipulation

滑塊螺桿上的行程約為2倍導(dǎo)絲檢測(cè)裝置中人手的行程，在等待狀態(tài)下滑塊處于螺桿長(zhǎng)度中央。為減少在小進(jìn)給量操作時(shí)滑塊頻繁回中，可設(shè)定規(guī)則如下：若單次直線進(jìn)給量大于1/2單向行程，則必須回中；若單次直線進(jìn)給量小于1/2，則計(jì)算累計(jì)路程，若累計(jì)量大于1/2單身行程，則回中，否則保持原位置。

3 導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)的軟件需要上、下位機(jī)配合實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)采集激光鼠標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，同時(shí)顯示攝像頭所采集的圖像。

3.1 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用普通PC，程序啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化，再開啟數(shù)據(jù)采集線程、處理線程以及視頻顯示線程。數(shù)據(jù)采集線程通過(guò)調(diào)用Windows系統(tǒng)底層API來(lái)獲得LMS的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是相對(duì)偏移量Xrel、Yrel，因此在數(shù)據(jù)采集線程中分別將其累加至Xabs、Yabs。以一定時(shí)長(zhǎng)為處理周期(如100 ms)，先檢查串口發(fā)送空閑標(biāo)志，若串口空閑，則向處理線程發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待。接著將Xabs、Yabs清零，回到采集數(shù)據(jù)位置。

3.2 下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)采用ARM7開發(fā)板(MCU為三星S3C44B0X，66 MHz，8 MB SDRAM,2 MB Nor Flash)。ARM處理器是一種32位的高性能、低功耗的RISC芯片，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)、帶有豐富的外設(shè)，在控制領(lǐng)域和消費(fèi)電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

下位機(jī)程序初始化后，即開始進(jìn)入無(wú)限循環(huán)。當(dāng)串口接收緩沖接收到設(shè)定閾值的數(shù)據(jù)后，引發(fā)串口接收中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序(ISR)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)全部接收完畢后，按該控制周期內(nèi)的脈沖數(shù)修改定時(shí)器的頻率等參數(shù)，然后啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器計(jì)數(shù)器減至零時(shí)，將定時(shí)器輸出引腳翻轉(zhuǎn)。定時(shí)器每翻轉(zhuǎn)兩次，脈沖計(jì)數(shù)減1，如此循環(huán)直至脈沖計(jì)數(shù)減至零，程序結(jié)束。

圖8 肝動(dòng)脈X光圖像Fig.8 X-ray Image of liver artery

4 實(shí)驗(yàn)研究

用前面介紹的硬件和軟件，進(jìn)行激光鼠標(biāo)用于導(dǎo)絲導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖8所示，圖中白色分叉狀物體為血管，而中間較為模糊的黑線為正在操作中的導(dǎo)絲。本實(shí)驗(yàn)中利用透明PVC軟管模擬主血管，用軟管壁上鉆的小孔模擬分支血管。將攝像頭安裝于垂直水平面方向向下，令導(dǎo)絲到目標(biāo)小孔的距離為d、小孔中心與軟管軸線連線與攝像頭拍攝平面垂線之間夾角為β。以d分別為30、40、50 mm，角度β分別為0o、30o、90o、120o兩個(gè)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)組合重復(fù)5次，求得平均值，所得數(shù)據(jù)見表3。從表3可以看出，在角度β一定時(shí)，距離d對(duì)完成時(shí)間有一定影響；而在d一定時(shí)，β對(duì)完成時(shí)間的影響更為顯著。在d一定，β=0o時(shí)用時(shí)最短，這是因?yàn)榇藭r(shí)圖像中小孔的影像最清晰，方位最明確。而在β=90o時(shí)花時(shí)最長(zhǎng)，這是因?yàn)樾】渍锰幵趫D像方位最差的地方，需要反復(fù)嘗試才可能達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。在β=120o時(shí)，所花時(shí)間處于β=90o與β=30o之間。同時(shí)也可以看到，同一d和β下，各次實(shí)驗(yàn)時(shí)間花費(fèi)差異較大，且在β較為不利時(shí)，所花時(shí)間差異也較大。總結(jié)前面的結(jié)果可得出，在使用視覺反饋的導(dǎo)絲導(dǎo)航裝置中，影響完成導(dǎo)絲遙操作的時(shí)間長(zhǎng)短主要因素是視覺反饋的信息量，即圖像為二維圖像，缺少方位信息。

表3 不同d和β下遙操作所用時(shí)間對(duì)比Tab.3 Time cost of tele-manipulation at different d and β

5 結(jié)論

本文介紹了一種將激光鼠標(biāo)用于導(dǎo)絲檢測(cè)的方法，在所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)估了該傳感器的性能，驗(yàn)證了激光鼠標(biāo)用于導(dǎo)絲檢測(cè)是可行的。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了視覺反饋的導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該裝置可完成導(dǎo)絲導(dǎo)航的任務(wù)，同時(shí)也得知圖像的深度信息對(duì)操作時(shí)間的影響較大。下一步將對(duì)力反饋進(jìn)行研究以增加臨場(chǎng)感，嘗試使用多攝像頭以及圖像融合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的三維重建，從而減少操作時(shí)間。

[1]陳大國(guó),沈杰,言勇華.機(jī)器人輔助導(dǎo)管插入系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志.2010,34(1): 35-38.

[2]Reddy V Y,Petr N,Zachary J.M,et al.View-synchronized robotic image-guided therapy for atrial fibrillation ablation; experimental validation and clinical feasibility[J].Circulation.2007,115(21):2705-2714.

[3]Mark S.P,Jeroen S,Carlos Van M,et al.Magnetic navigation in percutaneous coronary intervention[J].Journal of Interventional Cardiology,2006,19(6): 558-565.

[4]Rafael B,Luis G,Dan D,et al.Remote-control percutaneous coronary interventions: Concept,validation,and first-inhumans pilot clinical trial[J].Journal of the American College of Cardiology.2006,47(2): 296-300.

[5]Yogesh T,Jeffrey S.B,David W.H,et al.Design and performance evaluation of a remote catheter navigation system[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2009,56 (7):1901-1908.

[6]熊會(huì)元,宗志堅(jiān),高群.數(shù)控激光掃描測(cè)量系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2004,25(3): 33-36.

[7]Yan Y,Chen D,Yin H.Optics based motion measurement for a catheter navigation system: a novel and low cost approach[C].Intelligent Robotics and Applications.p.II.2010: 475-485.

[8]賴維鐵.人機(jī)工程學(xué)[M].武漢: 華中理工大學(xué)出版社,1997.

[9]劉達(dá),王田苗,田增民.血管介入手術(shù)機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)[P].中國(guó)專利:200910089761.8,2009-12-30.