本发明专利技术公开了一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置及测量方法，包括进针单元，激光照射单元和摄像单元；所述进针单元包括穿刺针体，所述穿刺针体由电机驱动实现自动进针；所述激光照射单元包括激光光纤、分光镜、扩束镜Ⅰ和扩束镜Ⅱ，分光镜将激光分成两束，一束通过扩束镜Ⅰ后照射至穿刺组织表面并通过摄像管道收集形成反射光、另一束通过扩束镜Ⅱ后形成参考光；所述摄像单元包括成像透镜、反射镜、半透半反镜、CCD光电传感器和CCD传导线，对参考光和反射光进行干涉形成散斑干涉图像，并传输至人体外部。本发明专利技术通过激光测量穿刺针尖端受力大小，提高穿刺力测量的准确性，保证将手术针针尖精确控制到某个目标位置区域，保证手术的成功率。术的成功率。术的成功率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置及测量方法
[0001]本专利技术涉及穿刺手术医疗技术，特别涉及一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置及其穿刺力测量方法。
技术介绍
[0002]用手术针经皮穿刺进入软组织是现代临床医学一个很重要的组成部分，在临床医学中有越来越多的应用需求，比如活组检测、注射、神经外科和癌症的治疗等过程都会用到类似的微创治疗手段。穿刺手术最关键的便是将手术针针尖精确控制到某个目标位置区域，但由于在穿刺过程中手术针和周围组织的相互作用和组织内部的复杂环境使得组织和手术针都发生变形，手术针会偏离预定的运动路径并最终导致无法精确的到达目标区域。为提高穿刺的准确性，人们尝试用手术机器人等机械设备代替人手以消除人为误差，提高穿刺精准性。
[0003]为更好地了解穿刺力，为机器人辅助穿刺控制提供参照，许多研究人员提出了不同的穿刺力模型。其中，Maurinetal在2004的研究成果中展示了在手术针穿刺和收回过程中的轴向力随时间和穿刺深度的分布图，Simone和Okamura在2002的工作中，基于穿刺力分布图对手术针穿刺牛的肝脏过程中的穿刺力进行了建模，由分布图和模型可知穿刺力可分为刺破前和刺破后两个阶段，刺破前，穿刺针主要受到肝脏组织变形产生的刚性力；刺破后，针在组织中运动，主要受到轴向切割力和摩擦力，且穿刺力随着穿刺深度的增加而增大，当穿刺深度不变，穿刺力基本保持不变。Dimaio等建立的针刺软组织变形仿真，发现在穿刺刺破后，刺入深度越大，穿刺力越大，组织表面的变形越大。
[0004]目前，穿刺力主要由装在针尾的传感器获取，该种测量方式精度较低，在尖端穿刺力的测量过程中干扰因素较大，无法准确获得接近穿刺尖端的受力情况。随着手术机器人的深入研发，穿刺手术的精准性需要以穿刺力的高精度测量为基础，因此，一种接近穿刺针尖端部位的穿刺力测量方法，对进一步提高手术成功率和可靠性具有重要的意义。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置及其穿刺力测量方法，通过激光测量穿刺针尖端受力大小，提高穿刺力测量的准确性，保证将手术针针尖精确控制到某个目标位置区域，最大程度地保证手术的成功率。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置，其特征在于，包括：
[0007]外保护套；
[0008]内软套管，所述内软套管设置在所述外保护套的内部，所述外保护套内设置有出针管道、照明管道和摄像管道；
[0009]进针单元，所述进针单元包括穿刺针体，所述穿刺针体设置在所述出针管道内，所述穿刺针体由电机驱动沿所述出针管道运动实现自动进针；
[0010]激光照射单元，所述激光照射单元包括激光光纤、分光镜、扩束镜Ⅰ和扩束镜Ⅱ，所述激光光纤设置在所述照明管道内，所述激光光纤的前端依次设置所述分光镜和所述扩束镜Ⅰ，所述扩束镜Ⅱ设置在所述分光镜的侧面，通过所述激光光纤传输的激光在经过所述分光镜后分成两束，一束通过所述扩束镜Ⅰ后照射至穿刺组织表面并通过所述摄像管道收集形成反射光、另一束通过所述扩束镜Ⅱ后形成参考光；以及，
[0011]摄像单元，所述摄像单元包括成像透镜、反射镜、半透半反镜、CCD光电传感器和CCD传导线，所述CCD传导线设置在所述摄像管道内，所述CCD传导线的前端依次设置所述CCD光电传感器、所述半透半反镜、所述反射镜和所述成像透镜，所述CCD光电传感器与所述CCD传导线相连接，所述半透半反镜与所述扩束镜Ⅱ相对，利用所述成像透镜将物像成像于所述CCD光电传感器的镜头，利用所述反射镜将所述反射光调整至与所述CCD光电传感器的镜头平行，利用所述半透半反镜将所述参考光和所述反射光进行干涉形成散斑干涉图像，利用所述CCD光电传感器将采集到的所述散斑干涉图像经过所述CCD传导线传输至人体外部。
[0012]进一步地，所述出针管道、所述照明管道和所述摄像管道沿纵向并列排布、沿横向呈三角形排布，所述出针管道位于三角形顶角位置，所述照明管道和所述摄像管道分别位于三角形底角位置。
[0013]进一步地，所述内软套管内、位于所述照明管道和所述摄像管道之间设置有连通通道，所述连通通道的一端位于所述分光镜位置、另一端位于所述半透半反镜位置，所述扩束镜Ⅱ设置在所述连通通道内。
[0014]本专利技术所采用的另一技术方案是：一种上述基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置的穿刺力测量方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1，通过上述基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置获取散斑干涉图像；
[0016]步骤2，对步骤1获得的散斑干涉图像采用相减模式处理后得到干涉条纹图，对得到的干涉条纹图采用基于正交小波变换的条纹图非线性滤波方法消除噪声；
[0017]步骤3，采用空间载波傅立叶变换法获取步骤2中消除噪声后的干涉条纹图的相位信息；
[0018]步骤4，基于步骤3得到的相位信息，建立穿刺力大小与相位信息中的条纹最大相位变化值之间的数学模型，根据所建立的数学模型计算得到穿刺力。
[0019]进一步地，步骤2中，所述的对得到的干涉条纹图采用基于正交小波变换的条纹图非线性滤波方法消除噪声包括：
[0020]步骤2-1，对具有内部边界的干涉条纹图进行处理，得到含有内部边界高频成分位置信息的标记图；
[0021]步骤2-2，对具有内部边界的干涉条纹图进行多层小波变换，得到多层小波变换的频谱图；
[0022]步骤2-3，对步骤2-2得到的多层小波变换的频谱图根据步骤2-1得到的标记图进行滤波处理，滤除高频分量的噪声；
[0023]步骤2-4，对步骤2-3滤除高频分量噪声后的多层小波变换的频谱图进行小波反变换，重建图像，得到滤除散斑噪声又保护了内部边界的干涉条纹图。
[0024]其中，步骤2-1中，所述的对具有内部边界的干涉条纹图进行处理，得到含有内部
边界高频成分位置信息的标记图具体为：
[0025]用全滤波后的平滑图像与原始干涉条纹图相减，得到一幅原始干涉条纹图中高频分量损失的分布图，对分布图的最大频率的时频信息进行标记，得到一幅含有内部边界高频成分位置信息的标记图。
[0026]进一步地，步骤3中，所述的采用空间载波傅立叶变换法获取步骤2中消除噪声后的干涉条纹图的相位信息具体为：
[0027]通过傅立叶变换将消除噪声后的干涉条纹图从空间域变换到频域，在频域上将高频噪声和载波项去除，留下变形条纹的频率，再用逆傅立叶变换从频域变换到空间域，得到一个复数的条纹分布，通过复数运算计算出消除噪声后的干涉条纹图的相位值
△
φ，该相位值为物体变形引起的相位变化值。
[0028]进一步地，步骤4中，所述的建立穿刺力大小与相位信息中的条纹最大相位变化值之间的数学模型包括：
[0029]步骤4-1，建立穿刺力大小和物体最大离面位移之间的数学模型：
[0030][0031]式中，F(W...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置，其特征在于，包括：外保护套(1)；内软套管(2)，所述内软套管(2)设置在所述外保护套(1)的内部，所述外保护套(1)内设置有出针管道(3)、照明管道和摄像管道；进针单元，所述进针单元包括穿刺针体(13)，所述穿刺针体(13)设置在所述出针管道(3)内，所述穿刺针体(13)由电机驱动沿所述出针管道(3)运动实现自动进针；激光照射单元，所述激光照射单元包括激光光纤(4)、分光镜(5)、扩束镜Ⅰ(6)和扩束镜Ⅱ(7)，所述激光光纤(4)设置在所述照明管道内，所述激光光纤(4)的前端依次设置所述分光镜(5)和所述扩束镜Ⅰ(6)，所述扩束镜Ⅱ(7)设置在所述分光镜(5)的侧面，通过所述激光光纤(4)传输的激光在经过所述分光镜(5)后分成两束，一束通过所述扩束镜Ⅰ(6)后照射至穿刺组织表面并通过所述摄像管道收集形成反射光、另一束通过所述扩束镜Ⅱ(7)后形成参考光；以及，摄像单元，所述摄像单元包括成像透镜(8)、反射镜(9)、半透半反镜(10)、CCD光电传感器(11)和CCD传导线(12)，所述CCD传导线(12)设置在所述摄像管道内，所述CCD传导线(12)的前端依次设置所述CCD光电传感器(11)、所述半透半反镜(10)、所述反射镜(9)和所述成像透镜(8)，所述CCD光电传感器(11)与所述CCD传导线(12)相连接，所述半透半反镜(10)与所述扩束镜Ⅱ(7)相对，利用所述成像透镜(8)将物像成像于所述CCD光电传感器(11)的镜头，利用所述反射镜(9)将所述反射光调整至与所述CCD光电传感器(11)的镜头平行，利用所述半透半反镜(10)将所述参考光和所述反射光进行干涉形成散斑干涉图像，利用所述CCD光电传感器(11)将采集到的所述散斑干涉图像经过所述CCD传导线(12)传输至人体外部。2.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置，其特征在于，所述出针管道(3)、所述照明管道和所述摄像管道沿纵向并列排布、沿横向呈三角形排布，所述出针管道(3)位于三角形顶角位置，所述照明管道和所述摄像管道分别位于三角形底角位置。3.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置，其特征在于，所述内软套管(2)内、位于所述照明管道和所述摄像管道之间设置有连通通道，所述连通通道的一端位于所述分光镜(5)位置、另一端位于所述半透半反镜(10)位置，所述扩束镜Ⅱ(7)设置在所述连通通道内。4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置的穿刺力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过如权利要求1至3任一项所述的基于激光散斑干涉原理的穿刺力测量装置获取散斑干涉图像；步骤2，对步骤1获得的散斑干涉图像采用相减模式处理后得到干涉条纹图，对得到的干涉条纹图采用基于正交小波变换的条纹图非线性滤波方法消除噪声；步骤3，采用空间载波傅立叶变换法获取步骤2中消除噪声后的干涉条纹图的相位信息；步骤4，基于步骤3得到的相位信息，建立穿刺力大小与相位信息中的条纹最大相位变化值之间的数学模型，根据所建立的数学模型计算得...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋乐，侯宇鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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