（机械电子工程专业论文）智能内窥镜微创手术器械导航研究与实现.pdf

摘要 机器人辅助微创手术技术融合了机械、电子、控制、传感器、生物医学、图像处理 等多学科尖端技术。也是世界医学界的一个共同目标，就像在工业生产领域使用机器人 代替人类劳动一样，在医疗手术过程中使用手术机器人代替医生可以长时问实施精准手 术，当然这是建立在医用机器人系统的稳定性和可靠性能够满足要求的基础上。 本文以实现医用内窥镜的弯曲状态检测为主要目标，借助嵌入式系统实现基本的远 程信息传输，实现基于嵌入式系统上的数字信号滤波算法及，大量信息存储等工作。硬 件系统设计实现了基于混合信号微处理器m s p 4 3 0 f g 4 6 18 的检测控制电路设计和基于 s 3 c 2 4 l o 的嵌入式系统设计。检测控制电路主要实现传感器信息检测，获取第一手数据 资料，嵌入式系统部分主要负责实时数据滤波，数据保存和远程传输。 由于此设备将使用在医疗手术过程中，硬件系统既包含数字信号又包含大量模拟信 号，而且数字信号中还有高速数字信号，因此，在硬件系统设计时，应充分考虑其抗干 扰和抗电磁辐射的能力，并要防止其对其他设备的干扰。 结合课题研究要求，本论文完成的主要工作有包括：硬件电路设计，嵌入式软件 设计和滤波器嵌入式算法设计、仿真及其在嵌入式系统的移植。硬件部分设计部分包括 差分放大电路设计，硬件滤波器设计，数据采集和嵌入式系统设计：。软件设计部分主 要完成了数据采集程序设计和，基于a r m l i n u x 嵌入式操作系统移植等；。并结合嵌 入式系统中硬件资源和运算能力有限的特点，在嵌入式系统中实现了卡尔曼滤波算法。 最终，提出了几个进一步进行研究的方向。首先，可以借助虚拟现实技术，利用获 取的数据进行内窥镜三维重建，方便手术过程的监控。其次，可以借助无线技术，如 z i g b e e ，实现系统与监控设备或手术机器人的无线信息传输，简化系统硬件结构，方 便使用。再次，需要完善基于嵌入式系统的远程网络技术，可以方便远程访问，专家会 诊或远程信息监控并拟合了内窥镜状态数据，并输出提，供给手术机器人使用或进行三 维重建。 关键词：手术导航智能内窥镜嵌入式系统卡尔曼滤波 a b s t r a c t r o b o t - a s s i s t e dm i n i r n a l l yi n v 勰i v es u 唱i c a lt e c h n i q u ec o m b i n e sm e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i c ， c o n t r o l ，s e n s o r s ，b i o m e d i c a l i m a g ep r o c e s s i n gm u l t i d i s c i p l i n a r ys o p h i s t i c a t e dt e c l l i l o l o 舒，t h e n l e d i c a lp r o f e s s i o ni sm e 、v o r l dac o m m o ng o a l ，a si nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nu s i n g r o b o t si n s t e a do f h 啪a i ll a b o u r i nt h em e d i c a ls t l r g i c a lr o b o tu s e di nt h es u 唱e r yd o c t o r sc a r i r e p l a c et h el o n gs u 唱i c a ip r e c i s i o n ，o fc o u r s e i sb u i i to nt h em e d i c a lr o b o ts y s f e ms 协b 诋t y a 1 1 dr c l i a b i l i t yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ef o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r ，i no r d e rt oa c h i e v et h eb e n d i n gs 协t em e d i c a le n d o s c o p i cd e t e c t i o na sa m a j o ro b j e c t i v ei ne m b e d d e ds y s t e m sw i t l lb a s i cl o n g d i s t a l l c et r a n s m i s s i o no fi n f o n n a t i o n ， e m b e d d e ds y s t e m sb a s e do nd i g i t a ls i g i l a lf i l t e r i n ga l g o r i t h ma 1 1 d ，al a r g en u m b e ro f 谊f o m l a t i o ns t o r a g ea n ds oo n d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f ah a r d w a r es y s t c _ mb a s e d o nt h e m i x e d s i g n a lt e s tm s p 4 3 0 f g 4 6 1 8m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ic i r c u i td e s i g na n ds 3 c 2 4 l o b a s e d e m b e d d e ds y s t e md e s i g n d e t e c t i o nc o n t r o lc i r c u i tm a i ns e n s o rd e t e c t i o n ，a 1 1 dg e tf i r s t h 锄d d a t a ，a j l de m b e d d e ds y s t e m sr e s p o n s i b l ef o rs o m eo fm em a j o rr e a l t i m ed a t af i i t e r i n 舀a i l d d a t an 姐s m i s s i o na n dl o n g d i s t a l l c e a st h ee q u i p m e mw i l lb eu s e di nt h em e d i c a is u 唱i c a ip r o c e s s ，t h eh a r 出v a r es y s t e m i n c l u d e sd i g i t a ls i g n a la l s oc o n t a i nal a r g en u m b e ro fa n a l o gs i g n a i ，b u ta l s oh i g h s p e e dd i g i t a l s i g n a l i nm ed i g i t a ls i g n a i ，m e r e f b r e ，h a r d w a r es y s t e md e s i g n ，s h o u l dt a k ef u i la c c o u n to fi t s r e s i s t a n c et oe i e c 仃o m a g n e t i ci n t e 疵r e n c ea n dm ea b i i i t yo fr a d i a t i o n ，锄dt o p r e v e mt h e i n t e m r e n c eo f o t h e re q u i p m e n t r e s e a r c hr c q u i r e m e n t si nc o 衄e c t i o nw i mt l l et o p i co ft h i sp 印e rh a v ec o m p l e t e dt 1 1 e m a j o rw o r k ，i n c l u d i n g ：h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，a n de m b e d d e ds o r w a r ed e s i g na n de m b e d d e d f i l t e ra l g o r i t h md e s i g n s i m u l a t i o na n de m b e d d e ds y s t e mi nm et r a n s p l a 呲h a r d w a r ed e s i g i l i n c i u d ed i 毹r e n t 主a la m p l i f i e fd e s i g n h a r d 忸r e 矗l t e rd e s i g n ，d a aa c q u i s i t i o na n de m b e d d e d s y s t e md e s i g n s o r w a r ed e s i g nc o m p l e t e ds o m eo ft h em a j o rd e s i g na n dd a t ac o l l e c t i o n p r o c e d u r e s ，b a s e do nn 艟a r m e m b e d d e dl i n u xo p e r a t j n gs y s t e m 仃a n s p j a j l t a t i o n ； c o m b i n e dw i t l le m b e d d e ds y s t e m sh a r d w a r er e s o u r c e sa n dl i m i t e dc o m p u t i n gp o w e ro ft h e c h a r a c t e r i s t i c st h a tm ee m b e d d e ds y s t e ma c h i e v e dk a l m a n f i l t e r i n ga l g o r i t h m u l t i m a l e l y ，r a i s e dan u m b e ro ff h r 山e r 咒s e a r c hd i r e c t i o n s f i r s to fa j l ，c a nm a k eu s eo f v i m 冶lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，锄di l s e dt h ed a t ae n d o 虻o p e3 dr e c o n s t m c t i o ns u r g e r yf a c i l i t a t e t h ep r o c e s so fm o n i t o r i n g s e c o n d ，i tc a nh e l pw i t hw i r e l e s st e c i m o l o g y s u c ha sz i g b e e ，t o r e a l i z et 1 1 e s y s t e ma r i dm o n i t o r i n ge q u i p m e n to rs u r g i c a ir o b o tw i r e l e s si n f o n l l a t i o n t m r i s m i s s i o i l s i m p l i 母s y s t e mh a r d w a r es t m c t u r e ，a 1 1 de a s eo fu s e t h i r d ，t h en e e dt oi m p r o v e b a s e do nt h e 锄b e d d e d s y s t e m b a s e dt e 】e m e d i c i n en e t w o r kl e c h n o 】o 趴i w i l 】b ec o n v e n j e m r e m o t ea c c e s s ， e x p e r t c o n s u l t a t i o no rr e m o t em o n i t o r i n ga i l di n f o r m a t i o n f i t t i n gm e e n d o s c o p es t a t ed a t a ，a n dt oo u t p u t ，u s eo rs u p p l yo fs u 唱i c a im b o t3 dr e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s u r g i c a in a v i g a t i o ni n t e u i g e n te n d o s c o p i c e m b e d d e ds y s t e m s k a i m a nf i l t e r 西安电子科技大学 学位论文创新- 陛声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 同期一丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的舰定，即：研究尘在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：塑盥垫 导师签名 日期 2 塑鸷丞 闩期 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍微创手术前景，内窥镜辅助机器人手术的发展历程及发展方向。本论 文项目来源及完成本论文的相关工作内容简介。 1 1 微创手术发展概况 1 1 1 内窥镜微创手术发展历程 普通外科是现代医学中发展相对缓慢的一门学科。现在的一些手术方式和5 0 年前 可能无明显差别。大多数腹部外科疾病的治疗，有时甚至仅为了明确渗断就需要丌腹手 术。腹腔镜的出现和发展，使腹部外科疾病的治疗有了巨大进步。通过近2 0 年的发展， 腹腔镜不仅适用于大多数腹部手术，并且还延伸到腹部以外的其他手术，如甲状腺。腹 腔镜手术也因此更名为微创手术，成为整个外科手术发展的新方向 1 l 。 1 9 0 1 年，俄罗斯彼得堡的妇科医师o t t 在腹前壁作一小切口，插入窥阴器到腹腔内， 用头镜将光线反射进入腹腔，对腹腔进行检查，并称这种检查为腹腔镜检查【烈。 1 9 7 2 年美国妇科腹腔镜医师协会计划在以后几年中要完成近5 0 力例的腹腔检查， 这种检查法已被妇科医师广泛接受1 3 】。 1 9 8 6 年c u s c h i e r i 开始进行腹腔镜胆囊切除术的动物实验，并在1 9 8 8 年首届世界外 科内镜代表会议上作了一例腹腔镜切除实验动物胆囊获得成功的报导【“。 1 9 8 7 年法国的m o u r e t 在电视腹腔镜下完成了胆囊切除术，标志着外科史上具有划 时代意义的微创性手术时代真正开始i 引。 1 9 9 1 年2 月，苟祖武完成我国第一例腹腔镜外科手术腹腔镜胆囊切除术。1 0 年来，我国己开展4 0 多种腹腔镜外科手术，病例超过1 0 0 万【4 】 微创手术技术是目前医学晃最先进的技术，是夕卜科医疗手术发展的方向，由于微创 手术具有伤口创面小，治愈率高，大大减轻了病患者的痛苦，因而受到广大患者和医学界 的认同。医用内窥镜是能够直接进入体内的计量诊断设备，它能够准确地诊断和反应出患 者病灶区的真实情况，由于它体积小，可以直接进入体内( 如胃，肠，肛等) 也可通过切口 直接进入医生需诊断所要求的部位，因此它不仅是先进的诊断设备同时也是微创手术必 不可少的关键性指导性设备。 1 1 2 内窥镜微刨手术发展现状及发展趋势 中国发展微创外科比较国外晚，但发展的步伐却很快，目前基本上与世界同步，中 2 智能内窥镜手术器械导航研究与实现 国在微创手术治疗直肠癌方面，已经走在了世界前列。在传统手术所涉及的所有领域内， 只要患者的疾病符合微创手术的适应症。现代微创外科都能很好地丌展手术治疗。 采用微创医学实施的手术，因创伤小，伤口愈合时间短，术后恢复快，病人住院时 间明显缩短，相对弥补了整体治疗费用与传统手术的差距，尤其是微创外科手术使患者 提高了的生命健康品质，这是无法用金钱来衡量比照的。因此，全球各地，特别是发达 国家，只要能够采用微创外科手术治疗的疾病，病人会首选微创外科大夫来做手术1 3 8 l 。 随着高科技的飞速发展，各种先进的科学技术都在向医学渗透，包括微电子学、计 算机技术、光电技术、电信技术等，这使微创外科技术本身更趋现代化、合理化，模拟 更逼真。在不久的将来，外科医生很快就会将下列内容列入学习r 程【5 j 【6 i ： ( 1 ) 模拟手：由于现在的腹腔镜技术还不能像人手那样在操作过程中有感觉，科学 家们正在致力于利用一些传感仪器和设备，使医生的手在操作时通过操作器械产生“手 感”，使得腹腔镜技术近似于医生手的操作。 ( 2 ) 机器人：目前微创手术的术者操作难以达到像电脑计算那样的精确，人们证在 利用自动化系统，利用机器人进行各种腹腔镜技术的操作。 ( 3 ) 网络远程操作：通过卫星建立世界范围内的信息网、联络网、操作网点，使得 医生对患者的诊治通过电讯电传，远距离对话而完成。 医生在实际实施微创手术的时候，内窥镜至始至终伴随在手术( 指导手术) 的过程 中。通俗地讲，它是医生在患者体内的眼睛。在现代医疗技术中，内窥镜与高频电切手 术刀，超声手术刀，微波手术刀，激光手术刀等，并同其它先进医疗设备联合使用，由 此我们可以看出医用内窥镜在手术治疗和病情诊断上起着非常重要的作用。 随着医学技术的发展及医疗水平的不断提高，特别近几年来，我国囡民经济的快速 发展，对医用内窥镜的需求及普及大幅增加，在市、县、区和一些乡镇医院都拥有内窥 镜。目前不仅在市级以上的大医院中许多科，如外科、肛肠科、妇科、内分泌科等，大 量开展内窥镜诊断与治疗工作，就连许多民营医院也在开展内窥镜医疗技术工作。由于 医务人员只有通过内窥镜显示装置才能观察到病人患病部位的情况，凭肉眼无法观察到 病人体内所有病变部位。 作为一种重要的微创伤外科手术( m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ) ，内镜手术 ( e n d o s c o p i cs u r g e r y ) 近年来得到了迅速的发展。与传统的丌放性手术( 0 p e ns u r g e r y ) 相 比，它具有创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗社会成本等优点。因 此，内镜手术是对传统开放性手术的一次重大变革，是外科手术技术的一项突破。目l j i ， 内镜手术已在许多外科领域得到应用，如表1 1 【7 j 【8 l 所示。 第一章绪论 表1 1 内镜手术麻_ h j 外科领域应辟j 举例 内镜名称 腹腔外科胆囊切除术肾切除术腹肺镜 胸外科腑脏镜检奄胸腔镜 盆腔外科盆腔镜检商盆腔镜 骨关节外科关节内脏镜检壳戈诲内脏镜 心血管外科血管镜检商 血管镜 3 在西方发达国家，内镜外科手术已经较普及。1 9 9 2 年在美国、欧洲和同本已有7 0 的胆囊切除手术采用了腹腔镜手术( l a p 啪s c 叩i cs u r g e r y ) 。据估计西方国家在2 0 0 0 年， 6 0 8 0 的腹腔外科手术都将采用内镜手术方式进行f ”。但是现有的内镜手术还存在不 足之外，主要表现在： ( 1 ) 内镜一般由名专职的辅助医生徒手操作，这不仅要花费较多的人力，而且难 于保证内镜的准确定位和图像的稳定性，影响手术的安全性。 ( 2 ) 辅助医生操作内镜和主刀医生操作手术工具时缺乏应有的触感，容易产生误动 作，而损伤患者内脏器官或组织。为此，采用内镜手术要求医生经过专门训练，具有熟 练精湛的操作技巧，从而影响了这项先进技术的推广应用。 1 2 微创手术机器人的发展现状与前景 1 2 1 微创手术机器人的发展现状 近年来， 由于机器人技术、微机电系统技术、计算机图像技术等的迅速发展，已 经出现了外科手术机器入( s u r g i c a lr o b o t ) ，这为进一步完善内镜手术提供了新的途径。 借助于机器人动作精确、工作可靠的优点，可使内镜手术更具安全性、准确性和便利性。 鉴于其诱人的应用前景，辅助内镜手术机器人系统的研制丌发己成为生物医学领域的一 个热点研究课题 9 1 。 微创手术作为手术医疗的一大重要分支。近年在越来越多的传统手术领域都获得了 革命性的成功，它具有恢复快、切口小、创伤小、减轻病人痛苦的优点，而且从现有技 术上讲，9 5 以上传统手术病人都可以通过微创手术来达到治疗的目的。利用手术机器 人实施的微创手术是目前一项重要研究课题。机器人手术能够成功进行的蔚提条件是具 有能够精确定位的前端的传感和检测装置，才能够精确获取机器人动作轨迹和检测装置 处于人体中的相对位置，只有准确高效完成前端信息处理才能有效保证后续手术治疗过 程的进行。内窥镜作为大多数微创手术的必须设备，在微创手术过程中发挥着巨大作用， 利用它医生或手术机器人才实时、准确的获取人体病变的真实信息或人体器官内部病变 4 智能内短镜术器械甘航“玎究j 炙观 状况。堪管”，以扶取这剃t 信息的途径 j 连多。 予术过程- h 内窥镜i i r 以幸i i i 助医生实施r 术，机器人辅助微创手术中，i j 窥镜蜓址 一种不可或缺的l i 具。内窥镜【j 以f m 叻微小们下术圳il 进入休内川j ：脱测以阱助丁术， 但州时又会带米些负l f l f j ；i ；l 晌，比如，会0 l ，窿躺人_ ；! ； 外的师打，或妨但挣j jj e 他r 术器敞 的工作等。i | i j ，为了眦合内窥镜柙i 欠r 术顺利进 j ：，j j 要扶嫩l 4 窥镜九：人体内忡队叁 和位代，以减轻瘸人痛k 雨1 1 7 ；助丁术顺利进 j ：，际i 必学擀通常采川如i i 厅法对内豌镜 定位，j c 优缺，_ 分刖如l ： ( 1 ) 凭什 l 廷化的经验试探性一 找脱察点。这种办法对i 必化经验篮求较1 1 5 ，j n 川会他 绀病人忍受坐多的，i h 凡。饥机器人丁术过袱l 一 j l i j 愀小无法f 止用。 ( 2 ) 计l i 机体j ，；搬影( c 1 - ) 磁j 振成像( mr 1 ) i 批定似臀脱代j 上术进f 埔f 确 定位。这种办法l m 彳1 助1 ：【父乍或机器人r 术的进i j ：，f i 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j 内镜r 术机器人系统发肥的必然趋於p i 。 l f 丽，i ，l = 多家的“) f 究机构l 绐n ：轴助内镜。r 术机： ：；人n 勺j 是础i ：，j 胁了远p t lr 术 系统的f i ：j f 究嗣j 试验l ：作。感人利米一：_ k 人学远私p 【器人实验i 于1 9 9 3 年7 j7 同成 功地进i j ：j i l = 界l ：第。例远f l ! 下术试验i ，化也人利恢乍m 火加州迎过远袱r 术 系统对位j ：意火利米兰的一个模型猜( 内部含彳r 真贸猿； ： 1 fj 进行了帧拟r 术，手术内容 也杆表皮涧切、活自【织愉食管。试验两地川趴1 4 0 0 0 公l l ，试验l f j i f 送j l 过一嗣l 光纤m 络进f j ：。1 9 9 7 年9j 】ii 奉尔床人学也成j j j 地进i j ：厂例远袱r 术试鸵| l 。，试验 两地相i7 0 0 公段一名阪乍通过遥控姨抖对楸“径仪为l m l l l 的人造m 竹进 j ：了 6 智能内窥镜手术器械导航研究与实现 缝合手术，试验中的通信线路为因特网。上述试验的成功都充分说明了远程手术的可 行性和今后诱人的发展前景。 1 3 1 主要工作 1 3 主要工作和论文安排 本文是针对中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所首席科学 家杨广中教授，结合在英国帝国理工医大学计算系手术机器人方面的研究，提出的在内 窥镜智能导航系统方面进行的基础应用型研究。本人在系统设计过程中主要承担的工作 有： ( 1 ) 内窥镜弯曲检测的模拟电路设计、调试。 ( 2 ) 结合机器人手术信息传输用的嵌入式系统设计。 ( 3 ) 基于嵌入式系统的操作系统移植。 ( 4 ) 卡尔曼滤波算法设计、仿真和在嵌入式处理器上的实现。 1 3 2 论文的章节安排 第一章主要介绍了内窥镜微创手术的发展和酊景，以及结合手术机器人的应用前景 和本项目研究的意义。 第二章简要介绍了本论文研究工作开展所依赖的载体及系统介绍。 第三章详细叙述了硬件系统的设计工作。 第四章详细介绍了软件系统的工作，包括设计思想，设计流程和设计结果。 第五章主要介绍了在嵌入式系统上的卡尔曼滤波器设计。 第六章分析本系统设计需要进一步改进的地方和还可以进一步继续研究的方向。 第二章内窥镜导航系统概述 7 第二章内窥镜导航系统概述 本章主要介绍手术过程中使用到的内窥镜系统，结合内窥镜系统说明本论文研究 的要点和内窥镜检测系统工作过程简介。 2 1 1 内窥镜简介 2 1 内窥镜系统简介 继第一代硬式胃镜和第二代光导纤维内镜之后出现了第三代内窥镜电子内窥镜。 电子内窥镜主要由内镜( e n d o s c o p y ) 、电视信息系统中心( v i d e o i n f o n n a t i o ns y s t e mc e n t e r ) 和电视监视器( t e l e v i s i om o n i t o r ) 三个主要部分组成。它的成像主要依赖于镜身酶端装 备的微型图像传感器( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) ，c c d 就象一台微型摄像机将图像经 过图像处理器处理后，显示在电视监视器的屏幕上。比普通光导纤维内镜的图像清晰， 色泽逼真，分辨率更高而且可供多人同时观看【4 】。 电子内镜的第一代产品自1 9 8 3 年应用于临床以来到目前已生产出第三代电子内 镜应用于临床。世界上生产电子内镜比较著名的公司由美国的雅伦( w e l c h a l i v n ) 和只 本的奥林巴斯( o l y m p a s ) 等。由于电子内镜的问世，给百余年来内镜的诊断和治疗丌 刨了历史新篇章，电子内镜在临床、教学和科研中越来越发挥出它巨大的作用【6 1 。 2 1 2 电子内窥镜系统结构 如图2 1 所示为一般手术过程使用到的电子内窥镜系统。 图2 i 医用电子内窥镜系统 其中，本设计用到的内窥镜基本结构示意图如图2 r 2 所示，实物如图2 3 所示，其 中内窥镜探头到连接器部分，在手术过程中将深入病人体内进行病变检测。 8 智能内窥镜手术器械导航研究与实现 内窥镜探头 囝像娃1 i 要口 图2 2 电子内窥镜结构示意| ! i 1 电子内窥镜基本结构 电子内窥镜主要结构由c c d 耦合腔镜、腔内冷光照明系统、视频处理系统、和显 示打印系统等部分组成。c c d 耦合腔镜将c c d 耦合器件置于腔镜先端，直接对腔内组 织或部位进行直接摄像，经电缆传输信号到图像中心。电子内窥镜实物照片，如图2 _ 3 所示。 图2 3 医用电子内窥镜实物 2 电子内窥镜的成像原理 电子内窥镜的成像原理是利用电视信息中心装备的光源所发出的光，经内镜内的导 光纤维将光导入受检体腔内，c c d 图像传感器接受到体腔内粘膜面反射来的光，将此 光转换成电信号再通过导线将信号输送到电视信息中心，再经过电视信息中心将这些 电信号经过贮存和处理，最后传输到电视监视器中在屏幕上显示出受检脏器的彩色粘膜 图像。目前世界上使用的c c d 图像传感器有两种，其具体的形成彩色图像的方式略有 不同。 本论文设计用到的电子内窥镜为电子全结肠镜，系统实际规格参数如下： ( 1 ) 视野角：1 4 5 度 ( 2 ) 景深：3 1 0 0 m m ( 3 ) 先端部外径：1 3 2 唧 ( 4 ) 插入部外径：1 2 9 咖 ( 5 ) 弯曲部角度：上下各1 8 0 度，左右各1 6 0 度 第二章内窥镜导航系统概述 9 ( 6 ) 钳子管道：3 7 m m ( 7 ) 有效长度：1 3 3 0 m m ( 8 ) 全长：1 6 3 0 m m ( 9 ) 系统工作时需要的配件要求如下： ( 1 0 ) 影象处理中心l 台 ( 1 1 ) 电子全结肠镜l 条 ( 1 2 ) l m d 1 4 2 0 彩色液晶医用监视器l 台 2 2 内窥镜导航系统设计思路 内窥镜导航系统设计是基于前面介绍的电子全结肠镜，但系统在选择传感器等工作 过程还考虑一般电子内窥镜工作方式，使本设计不失一般性，能应用于其他内窥镜系统。 首先，系统面临的问题是传感器选择，鉴于微创手术内窥镜体积都要尽可能的小， 因此跟随内窥镜工作的传感器也必须体积尽可能小，而且不能妨碍到内窥镜的萨常工 作。为了能够全面获取内窥镜在人体内的形变状况，则需要在内窥镜上的检测在多点进 行，随着内窥镜长度不同，传感器数目不能完全确定。最后再通过数字拟合或虚拟现实 的方法重构内窥镜在人体内的弯曲状态。 其次，鉴于以上原因，传感器拟选择应变片。那么，对应变片应变力的检测是一项 非常精细而且难以调试的部分。一般采用惠新通电桥经行检测，因此，这部分模拟电路 的电压和电阻需要调整的非常精确，才能从源头上提高检测精确性。 再次，为了能够有效地实现与手术机器人的衔接，系统肯定需要微处理器完成在系 统的实时检测和处理，应该具备多种通信功能，比如，串行通讯，t c p 以p 通讯，u s b 通讯等等，还需要实现一定的嵌入式算法的处理和结果显示能力。为了提高系统的兼容 性和扩展性能需要系统能够运行操作系统，以方便以后的丌发和技术更新。因此对处理 器要求就比较高了，选择一款适合的处理器来完成相应的工作非常重要。 同时，高性能的处理器意味着电路设计和程序设计的复杂化。电路设计需要考虑到 高速信号并使系统工作的可靠和稳定。软件设计需要考虑到程序的健壮性和可读性，方 便以后的再次利用。 根据系统的需要画出系统结构示意图如图2 4 所示，以指导以后系统各部分的工作。 1 0 智能内窥镜手术器械导航研究与实现 图2 4 系统整体结构示意幽 2 - 3 本章小结 本章主要介绍了通用内窥镜结构与本设计所用到的电子内窥镜结构状况，并就本系 统设计提出了一个总体性的设计方案，用以指导以后各章节所描述的整个系统的设计内 容。 第二章硬件系统结构设计 第三章硬件系统结构设计 由于医生或手术机器人在工作过程中。需要不断的实时获取内窥镜弯曲状态信息， 对内窥镜进行调整，以减轻病人痛苦和实现手术要求。因此要求系统有足够的稳定性和 高的可靠性。硬件是保证系统稳定性和可靠性的前提条件。 医学检测设备中可用于内窥镜弯曲检测设备通常借助电磁或放射源造影等方法，缺 点是此类设备系统复杂，技术要求较高，设备问的电磁干扰更要小心防备，不方便实时 获取数字结果，难以被手术机器人直接利用。因此在本系统设计过程中充分考虑以上因 素，在传感器选型和系统设计方面尽可能使系统实现实时数字化，避免使用电磁方法。 整个系统包括传感器、弯曲信号检测和数据处理几大部分。每个部分都有很多资源 可供选择，因此几个部分合理衔接是整个系统可靠工作的基础。系统框图如图3 1 所示。 图3 1 智能内窥镜系统框幽 传感器结合电桥，负责将测量的非电信号转换为电信号。信号放大模块负责将检测 到的微弱电信号放大。信号滤波模块则将信号中的干扰信号和杂波滤除。信号转换与处 理模块负责将模拟信号转换成为数字信号和基本的信号处理工作。以方便进一步数字处 理和显示。嵌入式系统部分负责实现嵌入式软件滤波算法和信息显示与信息传输，是整 个系统的控制处理中心。 3 1 1 传感器选择 3 1 信号检测处理模块电路设计 用于弯曲检测传感器，可以采用应变片，光纤和激光等方法。手术用内窥镜直径介 于2 m m 至l o m m 之间长度在l o c m 与5 0 c m 之问，相对体积较小，可以容纳传感器的 空间非常有限。为了满足微创手术要求，在选择传感器时应在满足测量要求的条件下， 尽可能选择占用体积空间最小，可以方便嵌入到内窥镜中的产品。 激光方法是利用物体对光线直线传播的阻碍作用进行检测，只能对系统整体检测， 并不适合现在的内窥镜系统。采用光纤方法，需要外部光源，可以借助内窥镜光源，可 以方便测算弯曲程度，但是不能在一根光纤上表达发生弯曲的具体位置，若要检测内窥 1 2智能内窥镜手术器械导肮研究与实现 镜的弯曲位置，还需要很多根光纤和光源，不容易实现。应变片是一个很好的选择，技 术成熟，可以做的很薄很小，占用更小的体积，方便内嵌到内窥镜中，可以多点测量以 检测各个点的弯曲状况从而得到整个内窥镜的弯曲状况。综上叙述，本系统将采用应变 片作为传感器。 考虑应变片的精度和性能，咨询众多应变片厂商后选择同本共和( k y o w a ) 产品，型 号为k f g 5 1 2 0 d 1 6 “n 1 5 c 2 ，三轴式应变片可以同时检测同位置上的三个方向变化 状况。其结构如图3 2 所示。 图3 2 二轴式应变片结构幽 应变片生产厂商给出的本文实验用应变片性能参数如下： ( 1 ) 适合用于塑料复合材料的千度测试 ( 2 ) 应变片长度：2 m m ( 3 ) 适用膨胀系数：9 l o 。6 ( 4 ) 片型：三轴4 5 。 ( 5 ) 工作温度范围：5 5 + 2 0 0 ( 胶e p 3 4