基于ADXL345加速度傳感器的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shù)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(guān)鍵,盡管有影像引導(dǎo),但穿刺針的入針方位角度通常由操作醫(yī)生憑借經(jīng)驗(yàn)把握,對操作醫(yī)生醫(yī)療臨床操作水平要求較高。實(shí)際臨床中,當(dāng)微創(chuàng)手術(shù)連續(xù)進(jìn)行時(shí),操作醫(yī)生產(chǎn)生疲勞,容易導(dǎo)致入針角度出現(xiàn)偏差,不能準(zhǔn)確到達(dá)病變位置,造成手術(shù)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(dǎo)臨床操作為應(yīng)用對象,如圖1所示,設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測量,準(zhǔn)確顯示入針方位角度的系統(tǒng),輔助操作醫(yī)生順利、準(zhǔn)確地將穿刺器送達(dá)病變位置,減輕操作醫(yī)生體力消耗,提高手術(shù)成功率,具有重要的醫(yī)療應(yīng)用前景。

圖1 CT影像引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)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(zhuǎn)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(jī)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(rèn)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(jìn)行處理并計(jì)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(shù)穿刺針桿的角度,將針桿假想為形狀規(guī)則的質(zhì)量塊,當(dāng)測量處于平衡狀態(tài)時(shí),傾角由唯一激勵(lì)源一重力加速度獲得?？紤]敏感軸上的分量,與重力加速度的大小和方向建立關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)傾斜角度的測量。

2.1單軸加速度

設(shè)加速度傳感器測量結(jié)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(gè)傳感方向,皆垂直于重力加速度方向,當(dāng)兩軸傾斜角9x,9y變化時(shí),加速度傳感器測量結(jié)果為:

圖2傾斜角測量原理圖

運(yùn)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(shí)現(xiàn)的矛盾,所以,為測量一個(gè)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(zhì)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(gè)坐標(biāo)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(zhì)量塊的傾斜角度

根據(jù)夾角幾何關(guān)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(zhì)量塊的空間方位角度可由以下公式計(jì)算得出:

式中:●l,al,yl為質(zhì)量塊姿態(tài)改變后質(zhì)量塊的方位角。

實(shí)際應(yīng)用中,ADXL345加速度傳感器基于慣性原理,首先獲得質(zhì)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(jì)算得到質(zhì)量塊(穿刺針桿)的方位角度信息。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括儀器主機(jī)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(shè)計(jì)

該傾角測量系統(tǒng)主機(jī)端基于ESP32單片機(jī),如圖5所示,它是一款集成w6-F6功能的微控制器,擁有強(qiáng)大的性能,可以用來開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用,內(nèi)置32位雙核處理器,最高頻率為240MHz。ESP32具有性能強(qiáng)大、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)勢,除此之外,自帶w6-F6和藍(lán)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(shí)物如圖s所示,可檢測靜態(tài)的重力加速度,也可測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)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(dá)士0.1o:同時(shí)采用通用夾具方案,可通過更換夾具適配多種醫(yī)療設(shè)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(zhǔn),當(dāng)Z軸平行于重力方向時(shí),回轉(zhuǎn)角度(Xy軸組成的平面上的回轉(zhuǎn)角度)無法獲得有效參考,不能得到有效的回轉(zhuǎn)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(biāo)系X、y軸的偏轉(zhuǎn)均為回轉(zhuǎn)角。

3.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。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(shí)有利于后期的維護(hù)。

軟件部分主要由主程序和終端服務(wù)程序兩部分組成,終端程序負(fù)責(zé)接收ADXL345加速度傳感器發(fā)來的傾角數(shù)據(jù),主程序負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)分為五個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行任務(wù),分別為數(shù)據(jù)處理任務(wù)、藍(lán)牙任務(wù)、wi-Fi任務(wù)、顯示任務(wù)和看門狗復(fù)位任務(wù)。

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

程序設(shè)計(jì)中,先初始化串口、I/O口和顯示模塊,同時(shí)獲取傳感器模塊的配置和儀器主機(jī)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(jìn)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(dòng)會影響傳感器基于重力場對方位角的計(jì)算,因此引入時(shí)差校準(zhǔn)來消除影響,即提前或者延后若干毫秒再采集數(shù)據(jù)。

計(jì)算校準(zhǔn)流程如圖8所示。

具體校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)設(shè)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(shè)計(jì),包括ESP32主機(jī)模塊、傳感器模塊和OLED顯示單元,如圖9所示。

4結(jié)語

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