为了配合血管介入手术仿真教学系统进行介入手术培训，自主开发了一套血管介入手术器械运动控制系统。该系统能够将介入手术器械导丝的位移信号发送到上位机，在上位机软件系统中准确描述虚拟导丝的位移，并实现同步运动。同时，导丝力反馈装置的设计可以模拟导丝在血管内运动时遇到的阻力，提供良好的手感，达到真正医学训练的目的。

介绍

血管疾病已经成为严重威胁人类生命的疾病之一。目前，放射介入治疗是治疗这类疾病的有效方法。针对传统介入外科医生的培训不能经常在临床环境中进行的问题，国内出现了一套介入外科模拟教学系统，用于外科培训。血管介入治疗仿真教学系统由介入器械运动控制系统和虚拟介入手术软件系统组成。本文主要研究前者，自主设计开发了血管介入器械运动控制系统。常见的血管介入手术器械包括各种类型的导丝、导管、对比装置、球囊、支架等。由于导丝在引导导管进入血管和放置支架、球囊等手术器械方面起着非常重要的作用，所以本文讨论的介入手术器械以导丝为例。该系统由导丝位移信息采集装置和导丝应力模拟装置组成。

1导丝位移信息采集装置

位移采集装置的作用是在介入手术模拟过程中，准确采集训练者推拉旋转导丝产生的导丝位移信息，然后由单片机读取并处理位移信息，并发送到上位机软件系统。

1.1收购原则

光学传感器可用于非接触式测量和信息采集，但普通光学传感器灵敏度低，对采集物体表面要求高，对导管、导丝等细小物体的运动信息采集不够准确。因此，经过比较，本文采用激光位移传感器芯片ADNS-7530进行非接触式测量，测量精度、耐用性和灵活性都有了很大的提高。

ADNS-7530的工作原理如图1所示。当物体在镜头的采集距离内运动时，激光发射器VCSEL向物体表面发射激光，经反射后被传感器接收，通过光学原理获得物体连续的表面图像。然后根据两幅图像的变化信息，自动计算物体表面移动的方向和增量，并存储在内部寄存器中。

1.2采集设备

本文设计的导丝通道装置主要由钢管通道、传感器电路板、底座、弹簧挡块固定装置等组成。如图2所示。

导丝位移信息采集装置如图3所示。ADNS-7530焊接在采集电路板上，电路板固定在底座上，带有凹槽的金属通道从电路板下穿过，电路板上设有采集接口和电源接口，分别与外部单片机引脚和电源连接。

1.3采集电路设计

在位移信息采集装置中，采集电路主要是ADNS-7530与单片机的通信电路，包括单片机初始化传感器中的寄存器，读取传感器采集的导丝实时位移信息；然后是单片机与上位机软件系统的串行通信电路。单片机对位移信息进行处理和打包，通过串口发送给上位机。当ADNS-7530传感器收集位移信息时，它将位移信息以二进制形式存储在内部寄存器中

当导丝在血管内运动，与血管壁发生碰撞时，会受到阻力。因此，为了更真实地模拟血管内介入治疗的过程，有必要增加力反馈。本文自主设计了导丝受力模拟装置。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碰撞后的阻力施加到真实导丝上，模拟真实手术环境。使训练者感受到反馈力，及时调整操作动作，从而达到训练的目的。因为导丝在血管中只沿单一方向运动和旋转，所以它有两个自由度。二维力反馈装置可以满足要求。为了方便安装和使用，将位移信息采集装置和力模拟装置封装在一个大的塑料盒中，只留下金属管通道和部分接口，用于与单片机控制系统装置的连接和通讯。本文设计的导丝应力模拟装置如图5所示。

在本装置的设计中，传动装置包括转轴、连杆、滑块1、滑块2和导轨。

滑块1套装在转轴上，连杆通过两个螺母连接滑块1和滑块2，滑块1的运动通过连杆带动嵌在导轨中的滑块2左右运动。力反馈装置的实现过程是：通过步进电机的旋转驱动转轴，使转轴上的滑块1向外和向内运动。当步进电机正转时，滑块1向内移动，带动连杆推动滑块2在导轨上向右移动。嵌在滑块2中的弹性塑料板将穿过凹槽结构的导丝向右压，被压后导丝的运动受到影响，说明用手推演导丝时有阻力感，不同的压力阻力感不同，操作者可以改变导丝的操作。步进电机反向，过程反向。

3系统测试

上位机虚拟手术软件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、支架和球囊建模、碰撞检测等。该系统与PC虚拟介入手术软件系统连接后进行测试，测试结果如图6和图7所示。

当训练者操作真实导丝在金属管通道内运动时，上位机软件系统中的虚拟导丝可以在虚拟血管内同步运动，碰撞后可以将碰撞信号送到单片机进行处理，并对导丝施加相应的压力，从而模拟真实导丝在血管内运动的阻力。

系统的运行效果基本令人满意，基本可以满足培训师的培训。当然，系统还有很多需要改进的地方，比如增加多个位移采集装置，设计更灵敏的力反馈装置，设计更美观的上位机软件界面等。以更好地满足当代医学模拟教学的需要。

4结论

本文介绍的血管介入手术器械运动控制系统为介入外科医生的培训提供了很大的帮助。该系统具有一定的通用性。今后在研究血管介入手术仿真教学系统时，可以进一步开发，增加和扩展其功能，降低研发成本，缩短开发周期。