专利名称：无接触测量的光电测距系统的制作方法
无S^tt的光电S!lJ^^
駄领域
本发明属于测量技术领域，特别涉及一种无^M测量的光电测距系统。
背景駄
目前，医疗机器人技术的研究E^誠为国际机器人领域的前沿研究热点之一，其中医疗外科 机器人的研，为突出。ifi^来，医务工作人员与科学工程技术人员紧密配合，研究开发了许多 类型的医用夕卜禾样^t几器人繊，有的B^被用于临床实践。如美国Intuitive Singical公司开发的 DaVinci夕卜禾样^l人系鄉口以色列Mazor公司推出盼'脊柱助理"脊胖术用丰/UI人等。
微创外禾样术是t!M非传统手^t径荆昔助医学影像^^手术器械和仪器对疾患进fiH衾断 和治疗的微创技7l^口方法，其目的在于将医源性创伤掛J、到最低程度，同时获得最佳疗效。脊柱
微创外^f^术也具有前面戶;M微创夕卜禾4^术的问题，而且脊柱的病变錢与錢生命器官相邻，
手雜度要求高，对医生提出了更高的要求。高精度的手术定位技术始终是限制脊柱微创外禾样
术推广的,。目前脊ttm创外!4^术只能在我国的一些大医院开展。
机器人駄魏决上述问题的錢方法。利用机器人的高精度、稳定性和可控性，来完成手
术的定位，为医生手术搭建一个稳固的手 作平台，改变了过去医^A能凭借主观判断和积累
的手术经验来完成手术的局面，倉^M^人为因素引起的手术皿，提高手术质量。
在脊椎微创手^W人实施手术的过程中，需要测量手术工具^A人体的距离，但手斜境 对测量方式有着自身的特殊要求，如不^M手术工具；需要旨手术工具的无0if境；较高的
测量精度等，因此无法翻常规的测s^:。
发明内容
本发明目的是解决微创手^w人在实施手术过程中无法采用常规的测量方式对手术工具进 入人体的距离进行测量的问题，鄉一种无,测量的光电测距系统。
本发明利用光电测量技术，通过专门设计的机构可以满;SJl^的测量要求。这项发明适用于
需要采用无,测i^的精确测距环饋，完全可以应用于脊裙微创手^mil人手术工具的测量。
本发明麟的无^M测量的光电测g瞎统包括发光源用于为光电测距系繊共光源；
M转辦彭央将发光源发出的J^S^斤射和g后照浙到被测t^面；
被测物为光电领鹏系统领遣的膽，用于将光路转换模块照射到被测物表面的光反射到图 像采集与处理模块；
图像采集与处理模块用于接收被测物表面反射的光线，并进行成像、记录被测物移动轨迹 以皿被测物移动轨jii:摄取的一系列图,行分析处理，最后得出移动方向和移动距离的数据；
数据通讯接口 用于将图像采集与处理模块得出的被测物移动方向和移动距离的m发送给 上鎌制单元。
以上臓的舰转换^^括
光源会^it^:用于将光源发出的^S行会聚；
第一反射镜^fi在光源会，镜的，上，用于目光^g^^t^t射的测ft)fe线；
第二反射衞^s^m—^f镜的反射皿上，用于将第一g镜g的测量，反射到被
测物表面上；
成#^: ise在被测物表面g的，上，用于 测物表面皿的光线会聚并在图像采 集与处理mhit行成像。
M^转擬莫块中的光源会^M、第一SM镜、第二^t镜和成^ii^可以，光学材料 制成辦^m转擬激。
戶，的图像采集与^S模i^m括
CMOS图像传S^:用于接lBt^成M^会聚的被测物表面g的光线后并成像； 数？ft号处理器用TO^由CMOS图像传自对被测物表面的成像，并对被测物移动 上摄取的一系列图皿行分析处理，最后得出被测 动方向和移动距离的数据； 控制寄存器用于保存测量结果及数^ft号处理器的配置文件。
通讯接口用于将数字信号处理器得出的被测物移动方向和移动距离的m^^^上Me制单元。
本发明戶皿的被测物为手术工具，该手术工具固定在手术工具固定机构上，该固定机构包括 线路板座，线路鹏上开有一个用于體手术工具的移动凹槽，移动凹槽的底部开有一个用于通
过光电领胆瞎统中;)m转擬莫^mr的测m^的通光孔，移动凹槽的上面m有一个防止手术 工具^m出的滑片，该滑片由固定機路板座上的线路鹏盖片固定，并由线路板座盖片上
设置的^^压簧定位机构定位，滑片上设有M^两个用于与^^压簧定位机构匹配的定位凹坑。本发明的储糊^^
本发明实现了手术工具的无^M测量；保证了手术的无菌环境；具有鹏、测距精确的特点; 结构简单、可靠、产品tt^平高。本发明满足了手斜境的基本要求，是利用机器人进行脊椎微 创手术的齒出，为手术的顺利誠麟了必^f牛，具剤艮好的应用前景。
图1是手术工具固定机构立体图2是本发明无,测量的光电测距系统方框示意图3是图像采集与^S模i央滩示意亂 图4是光电测距系tt作原理示意图5 ^fflg^式鹏转换t娥的光电测距系紅作原理示意图； 图6是本发明无^^测量的光电测距系统电路连^#考图。
图中，1线路板座，2滑片，3麟压簧定位机构，4线,座盖片，5鹏，6手术工具，7PCB 板，8图像^^处理模块，9发光源，10光源会lgit^， ll第一^!t镜，12第二^f镜，13成 14辦^m转斜激。
本项发明臓的无^M测量的光电测S孫魁要由两部分构成 第1分光电测距电路l莫块，如图2戶^，
光电预鹏电路模块利用光电絲原理实现了无劍弒精确测距。主要由以下四个核心部分构 成(见图2):发 ，光路转换模块，图像采S^tfcS模块，数据通讯接口。
发光源由LED发光二极管与驱动,皿，驱动tfeg&驱动LED发光二丰及管发出红色单光
,见光，为后面的模^^光源。
转换丰激由一^S^器件舰誠(见图4)，包括光源会Hig^ 10:用于将光源 发出的光^t行会聚；第一反射镜11:體在光源会^it^的光轴上，用于反射光源会^t^t 射的测* ;第二反射镜12:设置錢一反射镜的础mh，用于将第一SM镜础的测量 纖蹄至l败测物(本例指手术工具)表面上；成麟镜13:體在被测物表面蹄的鹏上，
用于将被测物表面g的光线会聚并在图像采集与^模:ythia行成像。itb^器件组根据光线的折射与鄉原理，将光线会Si^干次的折射与础，使光^M3iJi ,路板座i上的移动凹槽底部的通光 L照浙到手术工具6表面上，然后将手术工具表面CT回 的1分麟，MM器件组后糊到图像采集与处理模块。
图像采集与处理模块(见图3):包括CMOS图像传 ，用于接i]^圣成^S^会聚的被测 物^M&M的光线后并成像；数^ft号处理器，用于记录由CMOS图像传^^对被测物表面的成 像，并对被测物移动fi3ILt摄取的一系列图鹏行分析处理，最后得出被测物移动方向和移动距 离的 ;控制寄存器，用于保存观懂结果及数字信号处理器的隨文件；通讯接口用于将数 字信号处理器得出的被测物移动方向和移动距离的 发^1^上^$制单元。
图像采集与处理丰莫块中的CMOS图像传^^接收至彈术工具表面g回的光线后即可成
像，这样，当光电鼠l雜动时，鄉动车AM会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。虽然手术工
具是由同一种材料制成的精细均匀的针状物体，但是表面并不;^树光滑的，而是粗糙的，同时 由于光感应器具撤高分辨率，因此，采集至啲连贯图像并非完t样，并且有很明显的差异。 最后利用图像处理模块中的数字信号处理器对移动 ±摄取的一系列图,行分析处理，M 对这些图像上特征点位置的变^4行分析，比较 两幅图像的差异，来判断手术工具的移动方 向和移动距离，从而^^手术工具移动距离的测量。
光电测距系统具体fWa括細图像m^处理芯片PAN3101,晶振，以及轩电阻电容构 成的外围fi^，具体连接^^参见图6。
第二部分，手术工具固定机构，
手术工具固定机构由四部分构成1线路板座，2滑片，3 压簧定位机构，4 ，板座盖片。
线路mt开有一个用于皿手术工具6的移动凹槽，使手术工具可以在移动凹槽中自由的 上下移动。此器件 术工具保护在其中，使手术工具不与夕卜界相,，有效的保证了工具的无
,境；移动凹槽的底部开有1用于M:光电测S瞎统中，转换模i^mf的测M^的通光
孔，用于将测量光线照谢在手术工具上；移动凹槽的上面皿有一个防止手术工具^m脱出的 滑片2，该滑片由固定;fi^板座1上的线路板座M)t 4固定，并由线路板J^片上设置的M^压
簧定位机构3定位，繊压簧定位机构體繊路鹏盖片的上方，内部置有弹簧和織，弹簧与^^一fe^固定滑片的作用。滑片在线路板座与线路鹏盖片之间穿过，可以自由'翻，滑
片上设有S^两个用于与mE簧定位机构匹配的定位凹坑，用于滚珠,定位。
本发明中的誠有光电顶鹏电路丰势央的电路板、发光源、图像采集与处理芯片以及 转换
模块等，均固定在PCB板7上。
4柳时，将手术工具mMI路板座的移动凹槽后，推下滑片，^i^落入定位凹坑，滑片固定,
此时手术工具即可在凹槽中上下移动。手术完鹏，拉开滑片，滚珠落入另一个定位凹坑，固定
滑片，此时即可取下手术工具，使手术工具可以随病人自由行走。
根据本发明所设计的机构，手术工具只能社下移动，因此它只能髓图像采集与处理t激 的某一方向(如X轴方向)移动，所以手术工具的移动方向只有沿此方向的正向与负向正两种， 计算得到的移动的点数使用一个带將字节进行存储，放在寄存器中。如果为正，贝ij手术工具沿 正向移动了一鄉巨离，反之，贝俘术工具沿负向移动了一定的距离。此处理丰I^具有领鹏精度高 的特点，可达到每棘315点数，即#^化315点数，手术工具移动10mm，將精度可达0.032蘭。
在得到手术工具位移后，Mii繊通讯接口发ii^hM^制单元。数据通m^串行的方式， 在赔IJ上MS制单元发出的彭旬命令后，立即发送手术工具的位移。
鄉例2、
下面fflil—次完整的测距实例说明本发明。
如图1所示，^术工具^Am, 1上的移动凹槽中，推下滑片2， M^压簧定位机构3 内的弹簧推动 吃进，嵌入滑片上的定位凹坑中，，术工具固定，使手术工具可以在凹槽中 自由的上下移动，在CPU下达命令后，缓纟iaA人体，此时就可利用图4所示原理^^测距工作。
图4是电路测距m^测距方法原理图，如图4所示，主要有几个核心謝牛l线路鹏，5底 座，6手术工具，7PCB板，8图像采集与处理l娥，9发光源，10光源会^ii^， 11第一^g^镜， 12第二反射镜，13成#^。
14雖式光路转擬莫块。
7发光源9t皿中的驱动电路驱动LED发光二极管发出单色可见光，^a^ii，转换模块中 的光ii会^tmi0、第一Mlt镜ll、第二<镜12的若干次折射以及础，以一定角飾出， i!M^5与线路板座l的凹槽底部的通光 L ,鹏到手术工具6上，并蹄回来，再乡超 转换模块中的成^^ 13， iSA图像采,处理模块8中的CMOS图像传 (，走行路线由 图4中所示)。当手术工具移动时，CMOS图像传繊录得纖的图像，然后数字信号处理器对连 续 图片进行对比分析处理，以判断手术工具移动的方向和位移。如手术工具向图中内侧移动， 图像处理模淋就会相应计算出手术工具沿正向移动的数值，即手术工具iftA人体的距离，并将数 据舰数据通讯接口送出，交给上层控制单元处理。反之，如手术工具向图中夕hi够动，传繊 就会相应计算出手术工具沿负向移动的数值，即手术工具移出人体的距离，并将l[lg发送，交给 上层控制单元。
根据领鹏鹏模^f测得的M，可以控制手术工具i4A人体的距离，保证手术的顿利誠。 在手术^g，可以拉下滑片2， ^WA滑片另一个定位凹坑中，固定滑片，取下手术工具，
此时手术工具就可随病人自由行走，完成以后的工作。
综上，拟页发明就是禾,光电测量技术，舰专门设计的机构进行无,测量的精确测距方
式，除可应用于脊裙微创手7(^几器人手术工具的测影卜，还可应用于其它类似环境，有着纟断的
应用前景。
权利要求
1、一种无接触测量的光电测距系统，其特征在于该系统包括发光源用于为光电测距系统提供光源；光路转换模块将发光源发出的光经过折射和反射后照射到被测物表面；被测物为光电测距系统测量的对象，用于将光路转换模块照射到被测物表面的光反射到图像采集与处理模块；图像采集与处理模块用于接收被测物表面反射的光线，并进行成像、记录被测物移动轨迹以及对被测物移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，最后得出移动方向和移动距离的数据；数据通讯接口用于将图像采集与处理模块得出的被测物移动方向和移动距离的数据发送给上层控制单元。
2、 根据权利要求l戶腐的光电测g孫统，辦征在于臓的鹏转换丰I^括 光源会^ii^用于将光源发出的^S行会聚；第一g镜i，a源会^t^的，上，用于皿光源会^^ 的测 ^; 第二蹄衞體絲一Sif镜的M^麟上，用于将第一础镜湖的测量麟础到被 测物表面上成^t^:，在被测物表面反射的mt，用于 测物表面反射的，会聚并在图像采集与处理M^Lhi4行成像。
3、 根据权利要求2皿的光电测g瞎、统，，征在于所述的 转擬娥中的光源会皿 镜、第一Sf條、第二础镜和成^t^用光對才料帝MM本式^l转换模块。
4、 根据权利要求1臓的光电测S孫统，K^征在于所述的图像采集与处理模:^a括 CMOS图像传自用于接i(^M^5i^会聚的被测物表面g的;)^S并成像； 数字信号处理器用刊3^由CMOS图像传^l对被测^面的成像，并对被测物移动 上摄取的一系列图#^行分析处理，最^#出被测 动方向和移动距离的数据；控制寄存器用于保，糧结果及数^t号处理器的ES文件；通讯接口用于 ^号处理,出的被测 动方向和移动距离的 发^^上^制单元。
5、 根据权利要求1至4中f项臓的光电测距系统，赚征在于戶腿的被测物为手术工具，该手术工具固定在手术工具固定机构上，该固定机构包括线路板座，线路,上开有一个 用于腿手术工具的移动凹槽，移动凹槽的底部开有一个用于舰光电测距系统中光路转换模块 鄉的测散线的通光孔，移动凹槽的上面體有一个防止手术工具^&脱出的滑片，该滑片 由固定在线路板座上的线路板座盖片固定，并由线路板座盖片上设置的m压簧定位丰几构定位， 滑片上设有至少两个用于与麟压簧定位机构匹配的定位凹坑。
全文摘要
一种无接触测量的光电测距系统。该系统包括发光源、光路转换模块、被测物即手术工具、图像采集与处理模块、数据通讯接口。发光源发出的光线经光路转换模块的若干次折射及反射，照射到手术工具上，并反射回来，进入图像采集与处理模块的CMOS图像传感器中。当手术工具移动时，CMOS图像传感器录得连续的图像，然后数字信号处理器对连续两张图片进行对比分析处理，以判断手术工具移动的方向和位移。本发明适用于需要采用无接触测量方式的精确测距环境，完全可以应用于脊椎微创手术机器人手术工具的测量。该系统的主要优点是实现了手术工具的无接触测量；保证了手术的无菌环境；具有快速、测距精确的特点；结构简单、可靠、产品化水平高。
文档编号A61B19/00GK101427939SQ20081015317
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者刚 安, 宋银灏, 娜 张, 张建勋, 彬 李, 李大成, 原 雪, 硕 高 申请人:南开大学;天津医科大学总医院