虛擬關節內窺鏡手術訓練系統

摘要：為了協助醫生進行培訓和手術前演習，設計出一套虛擬關節內窺鏡手術訓練系統來模擬手術操作過程。采用各種電子傳感器和機械相結合的辦法，形成球桿式的手術訓練設備，利用STM32微處理器的強大處理功能制作硬件系統，結合上位機3Dmax制作的三維軟件環境，生成整套系統。最終設計出一套關節內窺鏡訓練系統來模擬手術環境，并配合電腦三維軟件虛擬來整個手術過程。整套訓練系統操作靈活簡便，能夠滿足新手醫生訓練做手術的要求。

關鍵詞：虛擬手術；STM32；內窺鏡訓練系統；光電傳感器

中圖分類號：TN919—34文獻標識碼：A文章編號：1004—373X（2012）18—0139—03

關節內窺鏡技術是一種需侵入人體，在人體關節腔中能來回游走并做醫學觀察診斷和手術治療的醫療手段，由于其手術過程創傷面小，病人術后康復迅速，在國內外廣泛用于臨床診斷和治療[1—2]。本文介紹一種應用虛擬現實技術實現關節內窺鏡訓練功能的控制系統，將真實內窺鏡器械和各種機電控制方法相結合，為新手醫生提供一個較真實的內窺鏡手術訓練環境。

1機械結構設計

在虛擬關節內窺鏡手術訓練系統中，要求左手操作攝像機，右手操作剪刀。兩個設備都能在三維空間范圍內自由移動。

用一個搖桿來模擬攝像機的動作，兩個光電傳感器裝在搖桿的球體處，用來模擬攝像機的上下左右移動，一個光電傳感器壓在搖桿上，來捕捉攝像機的伸進伸出動作，一個光電傳感器裝在搖桿的頭上，來捕捉攝像機的旋轉動作，一個脈沖電位器也裝在搖桿的頭上，來捕捉攝像機的微調動作。

用另一個搖桿來模擬剪刀的動作，兩個光電傳感器裝在搖桿的球體處，用來模擬剪刀的上下左右移動，一個光電傳感器壓在搖桿上，來捕捉剪刀的伸進伸出動作，一個光電傳感器裝在搖桿的頭上，來捕捉剪刀的旋轉動作，一個電位器也裝在搖桿的頭上，來捕捉剪刀的開合動作。

還有兩個按鍵操作，用來復位整套訓練系統。

2訓練系統控制板硬件設計

2.1虛擬關節內窺鏡手術訓練系統的輸入輸出信號

從機械結構分析知，在虛擬關節內窺鏡手術訓練系統里，有下列信號需要采集如表1所示。

2.2硬件系統基本構成

MCU芯片這里我們選用了意法半導體公司的STM32F103C8芯片，同其它微控制器相比具有以下優勢：基于ARM@CortexM3內核、哈佛總線結構；單周期乘法指令、硬件除法指令；與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35%且代碼最多可節省45%；90DMIPs運行速度，72MHz主頻運行的CPU；內置了快速的中斷控制器；Thumb—2指令集以16的代碼密度帶來了32位的性能。采用它具有高性價比，并且還自帶USB接口[3—4]。