一种导丝运动检测与控制系统的制作方法

本发明涉及一种导丝运动检测与控制系统，所属技术领域为医学血管介入手术模拟教学领域。

背景技术：

医学教育是非常重视实践操作的，没有临床实践就不能培养出合格的医生。现代医学人才培养最大的瓶颈之一就是学生被迫远离了临床真实环境下的操作练习，特别是血管内介入治疗这种要求高精确度的手术技术，介入医学人才的培养陷入了尴尬境地。然而，现代医学模拟技术的快速发展为这种困境开辟了新的途径。学生可以在血管介入手术模拟教学系统上重复练习，也可以反复观看专家的手术过程，使得血管介入手术培训的时间大为缩短。

技术实现要素：

本发明的目的在于配合用于介入手术培训的血管介入手术模拟教学系统，提供一种导丝运动检测与控制系统，该系统通过导丝位移信息的精确采集与处理、力反馈装置、机械结构设计等技术，可以实现与上位机虚拟手术软件系统的连接，为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，在虚拟的环境中进行手术治疗训练，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。

本发明的技术方案如下：

一种导丝运动检测与控制系统，其特征在于：包括导丝位移信息采集装置、导丝受力模拟装置；所述导丝位移信息采集装置包括钢管通道、传感器电路板、激光位移传感芯片、基座；激光位移传感芯片焊接在传感器电路板上，电路板固定在基座上，带有凹槽的金属通道在电路板下穿过，电路板上有采集接口和电源接口分别与外部单片机引脚和供电电源连接；所述导丝受力模拟装置包括转轴、连杆、第一滑块和第二滑块以及导轨；第一滑块套在转轴上，连杆通过两个螺母将第一滑块和第二滑块连接起来，第一滑块的运动通过连杆带动嵌在导轨上的第二滑块左右运动。

导丝运动检测与控制系统为介入手术医生的培训提供了很大的帮助，能够使得介入手术培训的时间大为缩短，从而培训更多的介入手术医生，救治更多的心脑血管病患者。本系统 具有一定程度的通用性，以后在对血管介入手术模拟教学系统进行深入研究时，可以在本系统的基础上进行进一步的开发，增加和扩展功能，降低研发成本，缩短开发周期。

本发明不仅对于提高现阶段医学模拟教学的水平具有重要的现实意义，同时也具有良好的市场前景。

附图说明

图1是导丝通道结构示意图；

图2是导丝位移采集装置结构图；

图3是单片机控制系统装置；

图4是导丝受力模拟装置。

具体实施方式

导丝运动检测与控制系统包括导丝位移信息采集装置、导丝受力模拟装置。导丝位移信息采集装置采用了Avago公司生产的ADNS-7530激光位移传感芯片，实时采集导丝的推、拉和旋转操作时造成的位移。导丝受力模拟装置的作用是将上位机虚拟手术系统中，导丝模型与血管模型发生碰撞后对导丝模型所产生的阻力施加于真实的导丝，模拟真实的手术环境。使训练者感受到反馈力后，及时调整操作动作，从而达到训练的目的，测试系统使用MFC开发设计，主要是模拟和验证介入手术训练系统要求的功能。

1、导丝位移信息采集装置：

位移采集装置的作用是在进行介入手术模拟时，能够准确采集训练者对导丝的推拉旋转产生的导丝位移信息，然后单片机读取位移信息处理后发送给上位机系统。

采用光学传感器可以进行无接触式测量和采集信息，但是普通光学传感器灵敏度较小，对采集物体的表面也有很高的要求，对小型精细物体如导管、导丝等的运动信息采集不够精确，所以经过对比，本发明激光位移传感器芯片采用ADNS-7530，进行无接触式测量，测量精度、耐用性、灵活性等方面得到了很大的提高。

当有物体在镜头采集距离内移动时，激光发射器VCSEL向物体表面发射激光，经反射后由传感器接收，通过光学原理获取连续物体表面图像，然后根据前后两张图像变化信息，内部DSP自动计算出物体表面移动的方向和增量并存储在内部寄存器里。

如图1、图2所示，本发明设计的导丝通道装置主要包括钢管通道1、传感器电路板2、基座3、激光位移传感芯片4。

激光位移传感器芯片4焊接在采集电路板上，电路板固定在基座上，带有凹槽的金属通 道在电路板下穿过，电路板上有采集接口5和电源接口6分别与外部单片机引脚和供电电源连接。

位移信息采集装置中，采集电路主要是激光位移传感器芯片与单片机之间的通信电路，包括单片机对传感器内的寄存器进行初始化操作，以及读取传感器采集到的导丝实时的位移信息；再就是单片机与上位机系统的串口通信电路，单片机将位移信息处理打包后通过串口发送给上位机。

激光位移传感器芯片采集位移信息时，将位移信息以二进制形式存储在了内部寄存器Delta_X_L、Delta_Y_L、Delta_XY_H中，单片机通过SPI方式读取上述寄存器中的位移数据。激光位移传感器芯片ADNS-7530要正常工作，准确采集导丝的位移信息，必须先对其内部的寄存器按照一定的顺序进行配置。

如图3所示，为了安装方便，本发明将单片机电路及相应的接口制成PCB电路板安装在一个金属外壳7中，只将与导丝受力模拟装置通信的步进电机控制接口、位移采集板接口、串口、电源、开关接出。

2、导丝受力模拟装置：

导丝在血管中移动与血管壁发生碰撞时，前进会受到阻力，因此，想要更加逼真地模拟血管内介入治疗的过程就要增加力反馈，本发明设计了一个导丝受力模拟装置。该装置的作用是将上位机虚拟手术软件系统中，导丝模型与血管模型发生碰撞后对导丝模型所产生的阻力施加于真实的导丝，模拟真实的手术环境。使训练者感受到反馈力后，及时调整操作动作，从而达到训练的目的。

本发明设计的导丝受力模拟装置如图4所示。由于导丝在血管中运动只存在单一方向的移动和转动，具有两个自由度。用一个二维的受力反馈装置即可满足要求。为了安装和使用方便，将位移信息采集装置和受力模拟装置一起封装在一个大的塑料盒中，只将金属管通道和一些接口留出，与单片机控制系统装置连接和通信。

在本装置的设计中传动装置包括转轴8、连杆9、第一滑块10、第二滑块11以及导轨12。第一滑块套在转轴上，连杆通过两个螺母将第一滑块和第二滑块连接起来，第一滑块的运动通过连杆带动嵌在导轨上的第二滑块左右运动。力反馈装置执行过程是这样的，通过步进电机转动，带动转轴转动，从而使转轴上的第一滑块向外和向内运动。步进电机正转，第一滑块向内运动，带动连杆使其推动第二滑块在导轨上向右运动，镶嵌在第二滑块上的弹性塑料板向右挤压穿过凹槽结构的导丝，导丝受到压力后运动会受到影响，表现在用手推导丝时有一种阻力感，不同的压力阻力感不同，从而使操作者改变对导丝的操作。步进电机反转则过程相反。

本发明上位机虚拟手术系统主要包括根据真实数据进行血管分割、血管建模、导管和导丝建模、支架和气囊建模、碰撞检测等。本系统与上位机虚拟介入手术系统连接后进行测试。

训练者在操作金属管通道里真实的导丝运动时，上位机系统中的虚拟导丝能够在虚拟血管里同步运动，发生碰撞后能将碰撞信号发送给单片机处理，给导丝施加对应的压力，从而模拟真实的导丝在血管中运动所受到的阻力。系统运行效果基本满意，能够满足训练者的练习。