【作 者】沈杰，李盛林，陳大國，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)機器人研究所，上海，200240

肝動脈化療栓塞(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)生手動操作，主要存在以下兩個不足：(1)導(dǎo)絲插入過程中的X射線成像會對醫(yī)生造成輻射傷害；(2)導(dǎo)絲插入過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題[1]。

1 基于激光鼠標(biāo)傳感器的導(dǎo)絲運動檢測裝置設(shè)計

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)絲機器人輔助插入中，能否快速準(zhǔn)確地檢測導(dǎo)絲的動作決定了系統(tǒng)能否正常工作，因而對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，在長距離連續(xù)進(jìn)給時手需要不斷更換位置。

圖像處理的方法可用于運動檢測，特別是非接觸式運動檢測領(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表面，同時一個微型CMOS傳感器不斷獲取被照亮區(qū)域的圖像，經(jīng)過傳感器內(nèi)部的DSP處理后，比較相鄰兩次采樣時圖像的差別，計算出兩幅圖像在二維平面的上的位移。

1.1 測試平臺搭建

工作于血管中的介入手術(shù)導(dǎo)絲只有兩個自由度(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)絲實際運動距離及角度與LMS檢測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

圖1 LMS檢測坐標(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)角和直線運動距離分別為θ和L mm。如圖1所示，LMS檢測坐標(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)絲運動過程中，其表面上某點從原點O運動到A點。

設(shè)Lxs和Lys分別為LMS在X軸和Y軸上檢測到位移的數(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)：

在通過實驗數(shù)據(jù)確定K1、K2和α等參數(shù)后，對LMS檢測的數(shù)據(jù)代入式(1)即可求得θ和L。圖2為使用LMS的導(dǎo)絲運動檢測模塊示意圖。

圖2 基于LMS的導(dǎo)絲運動檢測模塊Fig.2 Guide wire motion detection module based on LMS

在上述運動檢測模塊的基礎(chǔ)上，搭建了一個實驗平臺，使用步進(jìn)電機1通過螺桿驅(qū)動一個滑臺，實現(xiàn)直線運動；滑臺上的另一臺步進(jìn)電機2實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，介入導(dǎo)絲與電機2固連。介入導(dǎo)絲為日本Terumo的mm導(dǎo)絲。

1.2 測試步驟

根據(jù)前述測試方法，進(jìn)行實驗。在對裝置進(jìn)行標(biāo)定后，控制兩個步進(jìn)電機分別執(zhí)行相應(yīng)的運動。第一組實驗中僅對導(dǎo)絲施以直線運動，實際運動距離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)，此時導(dǎo)絲無旋轉(zhuǎn)，故有θ=0，則。第二組實驗中僅對導(dǎo)絲施以旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角度為。實驗與計算過程與第一組實驗類似，實驗結(jié)果列于表2中，計算得到。

1.3 實驗數(shù)據(jù)與分析

在確定安裝誤差夾角α及比例系數(shù)K1和K2之后，對裝置進(jìn)行精度與線性度實驗。首先，對導(dǎo)絲只施加直線運動，運動距離為從0.5 mm到3 mm，步長為0.5 mm。檢測得到數(shù)據(jù)經(jīng)變換后結(jié)果如圖3所示，試驗數(shù)據(jù)絕對誤差均小于0.05 mm，相對誤差均小于5%。再對導(dǎo)絲施加單獨的旋轉(zhuǎn)運動，角度從π/72到2π，從圖4作圖的數(shù)據(jù)可得到角度檢測分辨率為0.05 rad。

表1 直線運動實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data for linear motion test

表2 旋轉(zhuǎn)運動實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data for rotary motion test

圖3 單直線運動時數(shù)據(jù)分布圖Fig.3 Data distribution of linear motion

圖4 單旋轉(zhuǎn)運動時數(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

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

一個完整的介入導(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)絲運動檢測裝置、成像設(shè)備及圖像處理裝置、監(jiān)控及顯示設(shè)備和計算機[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?？刂撇糠种饕獮樯衔挥嬎銠C和導(dǎo)絲運動檢測裝置。醫(yī)生在計算機屏幕上的目標(biāo)區(qū)域圖像輔助下操作導(dǎo)絲，導(dǎo)絲運動檢測裝置檢測醫(yī)生的操作進(jìn)程。

2.1 導(dǎo)絲運動檢測裝置設(shè)計

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

圖6 導(dǎo)絲運動檢測裝置Fig.6 Apparatus for guide wire motion detection

2.2 導(dǎo)絲操縱裝置設(shè)計

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)絲檢測裝置所檢測到的運動，并提供完善的保護(hù)措施，否則可能對病人造成傷害。

如圖7所示，電機1通過螺桿驅(qū)動滑塊實現(xiàn)直線運動，固定在滑塊上的電機2實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。要實現(xiàn)直線往復(fù)運動，需要在電機2軸上安裝一個夾持裝置，配合電機1實現(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)絲檢測裝置中人手的行程，在等待狀態(tài)下滑塊處于螺桿長度中央。為減少在小進(jìn)給量操作時滑塊頻繁回中，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，則計算累計路程，若累計量大于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

導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)的軟件需要上、下位機配合實現(xiàn)。上位機軟件主要負(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，同時顯示攝像頭所采集的圖像。

3.1 上位機軟件實現(xiàn)

上位機采用普通PC，程序啟動后先進(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)采集線程通過調(diào)用Windows系統(tǒng)底層API來獲得LMS的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是相對偏移量Xrel、Yrel，因此在數(shù)據(jù)采集線程中分別將其累加至Xabs、Yabs。以一定時長為處理周期(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 下位機軟件實現(xiàn)

下位機采用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)域和消費電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

下位機程序初始化后，即開始進(jìn)入無限循環(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)修改定時器的頻率等參數(shù)，然后啟動定時器。定時器計數(shù)器減至零時，將定時器輸出引腳翻轉(zhuǎn)。定時器每翻轉(zhuǎn)兩次，脈沖計數(shù)減1，如此循環(huán)直至脈沖計數(shù)減至零，程序結(jié)束。

圖8 肝動脈X光圖像Fig.8 X-ray Image of liver artery

4 實驗研究

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)航的實驗驗證。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。本實驗中利用透明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兩個變量進(jìn)行實驗，每個組合重復(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，距離d對完成時間有一定影響；而在d一定時，β對完成時間的影響更為顯著。在d一定，β=0o時用時最短，這是因為此時圖像中小孔的影像最清晰，方位最明確。而在β=90o時花時最長，這是因為小孔正好處在圖像方位最差的地方，需要反復(fù)嘗試才可能達(dá)到目標(biāo)點。在β=120o時，所花時間處于β=90o與β=30o之間。同時也可以看到，同一d和β下，各次實驗時間花費差異較大，且在β較為不利時，所花時間差異也較大。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)絲遙操作的時間長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下遙操作所用時間對比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)絲檢測的方法，在所搭建的試驗平臺上進(jìn)行試驗，評估了該傳感器的性能，驗證了激光鼠標(biāo)用于導(dǎo)絲檢測是可行的。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了視覺反饋的導(dǎo)絲遙操作系統(tǒng)，并進(jìn)行了實驗。結(jié)果表明，該裝置可完成導(dǎo)絲導(dǎo)航的任務(wù)，同時也得知圖像的深度信息對操作時間的影響較大。下一步將對力反饋進(jìn)行研究以增加臨場感，嘗試使用多攝像頭以及圖像融合等技術(shù)實現(xiàn)圖像的三維重建，從而減少操作時間。

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