基于ADXL345加速度傳感器的傾角測量系統(tǒng)設計

引言

穿刺器廣泛用于婦科、普外科、胸科和泌尿科等醫(yī)療手術操作中,用于建立器械入口、病變抽取和病變治療等。臨床操作中,穿刺器的刺入角度非常關鍵,盡管有影像引導,但穿刺針的入針方位角度通常由操作醫(yī)生憑借經(jīng)驗把握,對操作醫(yī)生醫(yī)療臨床操作水平要求較高。實際臨床中,當微創(chuàng)手術連續(xù)進行時,操作醫(yī)生產(chǎn)生疲勞,容易導致入針角度出現(xiàn)偏差,不能準確到達病變位置,造成手術失敗,增加患者穿刺次數(shù)和并發(fā)癥發(fā)生率。

針對這一問題,以CT影像引導臨床操作為應用對象,如圖1所示,設計一套能夠實現(xiàn)實時測量,準確顯示入針方位角度的系統(tǒng),輔助操作醫(yī)生順利、準確地將穿刺器送達病變位置,減輕操作醫(yī)生體力消耗,提高手術成功率,具有重要的醫(yī)療應用前景。

圖1 CT影像引導微創(chuàng)手術操作

1ADXL345加速度傳感器

ADXL345加速度傳感器是美國ADI公司生產(chǎn)的一款體積較小的超低功耗數(shù)字化加速度傳感器,它由三軸加速度傳感器、敏感電子元件、模數(shù)轉換、數(shù)字濾波、電源管理和邏輯控制、串行端口組成,由固定于機械慣性系統(tǒng)上的敏感電子元件測量加速度變化,經(jīng)數(shù)字化處理后輸出。ADXL345傳感器芯片采用雙地址自選址型,INT1和INT2懸空為默認地址,INT1和INT2置高電平為備用地址,其數(shù)據(jù)通過IIC總線傳回MCU部分進行處理并計算得出角度。

2傾角測量原理

穿刺針桿傾斜角由ADXL345加速度傳感器敏感重力加速度獲得。為了測量微創(chuàng)手術穿刺針桿的角度,將針桿假想為形狀規(guī)則的質量塊,當測量處于平衡狀態(tài)時,傾角由唯一激勵源一重力加速度獲得。考慮敏感軸上的分量,與重力加速度的大小和方向建立關系,可以實現(xiàn)傾斜角度的測量。

2.1單軸加速度

設加速度傳感器測量結果為F(9),9為傾斜角度,g為重力加速度,如圖2所示。則有:

2.2兩軸加速度

對于兩軸加速度傳感器,令兩個傳感方向,皆垂直于重力加速度方向,當兩軸傾斜角9x,9y變化時,加速度傳感器測量結果為:

圖2傾斜角測量原理圖

運用兩軸加速度傳感器無法解決傾斜角測量中全方位和全擺幅共同實現(xiàn)的矛盾,所以,為測量一個全方位、全擺幅的傾斜角,就必須使用三軸加速度。

2.3三軸加速度

根據(jù)牛頓第二定律,在宏觀低速情況下,在外力作用下,產(chǎn)生一定大小的加速度,即:

假定質量塊沒有受到其他外力的作用,僅受重力作用,其在空間三個坐標上產(chǎn)生由重力分力引起的加速度分量,如圖3所示。

圖3三維空間中質量塊的傾斜角度

根據(jù)夾角幾何關系,有:

重力加速度g在各軸上的分量為:

聯(lián)立式(5)和(6),有:

則質量塊的空間方位角度可由以下公式計算得出:

式中:●l,al,yl為質量塊姿態(tài)改變后質量塊的方位角。

實際應用中,ADXL345加速度傳感器基于慣性原理,首先獲得質量塊(穿刺針桿)的加速度數(shù)值信息,然后根據(jù)式(8)至式(l0)計算得到質量塊(穿刺針桿)的方位角度信息。

3系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要包括儀器主機ESP32控制單元、傳感器模塊ADXL345和內(nèi)置OLED顯示單元,系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3.1硬件設計

該傾角測量系統(tǒng)主機端基于ESP32單片機,如圖5所示,它是一款集成w6-F6功能的微控制器,擁有強大的性能,可以用來開發(fā)復雜的應用,內(nèi)置32位雙核處理器,最高頻率為240MHz。ESP32具有性能強大、響應速度快、功耗低等優(yōu)勢,除此之外,自帶w6-F6和藍牙功能,配置充電管理、OLED顯示,采用4層PCB、元件堆疊等方案使體積最小化,盡可能減輕對操作者精確操作的影響。

傳感器選擇ADXL345加速度傳感器,實物如圖s所示,可檢測靜態(tài)的重力加速度,也可測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度。需要注意的是,ADXL345加速度傳感器不能直接測量物體的三維角度值,它是先測量物體的重力加速度,再解析重力加速度在X、y、Z三軸間的分量,最后利用解算公式求出物體在三維方向的角度值。

圖6ADXL345傳感器

經(jīng)濾波算法處理后,傳感器模塊角度測量精度可達士0.1o:同時采用通用夾具方案,可通過更換夾具適配多種醫(yī)療設備或用于其他用途。

由加速度傳感器可換算得出三軸角度。由于使用重力場作為基準,當Z軸平行于重力方向時,回轉角度(Xy軸組成的平面上的回轉角度)無法獲得有效參考,不能得到有效的回轉角度讀數(shù),因此,在平行于鉛垂面的平面上,在傳感器模塊加入十字激光參考。十字激光兩軸分別與X、y軸平行,十字激光兩軸相對于參考坐標系X、y軸的偏轉均為回轉角。

3.2軟件設計

系統(tǒng)程序設計是測量系統(tǒng)設計的重點。由于ESP32采用了FreeRTOS系統(tǒng)框架,系統(tǒng)的控制流程大為簡化,同時有利于后期的維護。

軟件部分主要由主程序和終端服務程序兩部分組成,終端程序負責接收ADXL345加速度傳感器發(fā)來的傾角數(shù)據(jù),主程序負責傾角數(shù)據(jù)的二次處理、用戶數(shù)據(jù)命令的收發(fā)、存儲管理、界面顯示等一系列工作。

主程序設計分為五個實時運行任務,分別為數(shù)據(jù)處理任務、藍牙任務、wi-Fi任務、顯示任務和看門狗復位任務。

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

程序設計中,先初始化串口、I/O口和顯示模塊,同時獲取傳感器模塊的配置和儀器主機電池電壓,然后在終端程序內(nèi)讀取傳感器模塊ADXL345發(fā)來的數(shù)據(jù)信息,隨后對數(shù)據(jù)信息進行角度換算處理,再發(fā)送到OLED模塊顯示。

測量系統(tǒng)使用過程中,操作者手部的輕微抖動會影響傳感器基于重力場對方位角的計算,因此引入時差校準來消除影響,即提前或者延后若干毫秒再采集數(shù)據(jù)。

計算校準流程如圖8所示。

具體校準程序設計設置如下:

目前,基于ADXL345加速度傳感器的傾角測量系統(tǒng)已制作完成,系統(tǒng)采用模塊化設計,包括ESP32主機模塊、傳感器模塊和OLED顯示單元,如圖9所示。

4結語

基于ADXL345傳感器的傾角測量系統(tǒng)采用模塊化設計,結構簡單,成本低,具有較好的醫(yī)療應用前景。通過硬件選取和軟件程序設計,目前該傾角系統(tǒng)已基本制作完成,但穿刺針桿的夾持結構設計還不夠簡便,硬件系統(tǒng)無菌化處理問題還沒有解決,與實際醫(yī)療應用需求尚有差距,需要進一步改進完善。