基于微電子機械加速度傳感器的腹腔鏡訓練評價系統(tǒng)

徐明哲，王殊軼，孫昌英

(上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093)

1 引 言

腹腔鏡手術相較于傳統(tǒng)外科手術具有創(chuàng)傷小、術后疼痛輕、住院時間短、美容效果好等特點，因此普及化程度越來越高。但其與傳統(tǒng)的開放手術相比，醫(yī)生在操作技巧上有明顯的區(qū)別，腹腔鏡手術區(qū)別于傳統(tǒng)手術的特點有：(1)二維的空間觀念感；(2)熟練掌握腹腔鏡器械；(3)腹腔鏡下解剖的識別能力；(4)雙手的協(xié)調(diào)性。由此可見其技術難度大，學習曲線長，培養(yǎng)方式與傳統(tǒng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)也有所不同，所以對醫(yī)師進行腹腔鏡手術技能培訓非常有必要[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，腹腔鏡醫(yī)生的手術培訓效果、手術經(jīng)驗與腹腔鏡手術并發(fā)癥的發(fā)生有著密切的關系[3-4]。國外的一些大學和研究機構針對這一現(xiàn)象開發(fā)出了腹腔鏡手術客觀評價系統(tǒng)，通過采集培訓者在腹腔鏡培訓中一系列的運動參數(shù)，對培訓者的操作完成評價[5-7]，如Varas等[8]通過2名資深腹腔鏡醫(yī)師對培訓者的錄像過程中的行為進行分析，根據(jù)操作時間、手運動的路徑及錯誤率等指標進行腹腔鏡培訓效果評分。Aggarwal等[9]利用兩名打分人員通過視頻錄像對操作者下針的位置、針的運動軌跡、打結的技巧等方面來評價操作者的培訓績效。荷蘭代爾夫特理工大學人機系統(tǒng)組開發(fā)了一款TrEndo機械式手術追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個萬向節(jié)和三個光學傳感器組成的能檢測到四個自由度的微創(chuàng)手術追蹤系統(tǒng), 傳感器檢測器械平移的精度為0.06 mm,器械沿自身軸線轉(zhuǎn)動的角度精度為1.27°，器械圍繞微創(chuàng)傷口轉(zhuǎn)動的最小角度為0.23°。TrEndo系統(tǒng)的準確度高于95%，是一款優(yōu)良的客觀評價系統(tǒng)，但造價也極其昂貴[10-11]。

在國內(nèi)研究領域中，目前只有主觀評價模式，而基于客觀指標對于腹腔鏡操作技能的評估，國內(nèi)尚無研究。如國內(nèi)魯欣等[12]采樣實時考核兩種考核方式對受訓者的培訓結果，其過程較費時、耗人力，只適用于受試者不多的技能評估。

目前由于傳統(tǒng)腹腔鏡培訓評價體系耗時、耗力和國外培訓評價系統(tǒng)昂貴的價格限制，絕大多數(shù)綜合醫(yī)院的年輕醫(yī)師得不到有效的腹腔鏡手術培訓機會。為了有效緩解這一問題，本研究開發(fā)設計了基于微電子機械(micro electronic mechanical system，MEMS)加速度傳感器的腹腔鏡手術訓練評價系統(tǒng)，采取卡爾曼濾波算法對獲得的測量數(shù)據(jù)進行處理，減少環(huán)境噪聲的影響，并使用歐拉角算法，引入陀螺儀數(shù)據(jù)用于消除重力加速度對各個軸分量的影響，得到器械的三軸運動加速度，使用軟件編程實現(xiàn)了腹腔鏡手術培訓任務評價系統(tǒng)，測量指標包括：操作時間、平均速度、器械運動平滑性、器械空閑率，實現(xiàn)了腹腔鏡訓練過程中對器械評價指標數(shù)據(jù)的采集、分析和保存，并使用培訓箱進行了訓練任務測試，驗證系統(tǒng)的有效性。

2 系統(tǒng)的評價指標及其實現(xiàn)

2.1 評價指標

我們所設計的腹腔鏡訓練評價系統(tǒng)主要采集培訓過程中手術器械的運動參數(shù)，通過分析相應的指標評價測試者的培訓過程，提供培訓建議，提高培訓效果。

本研究所選擇的操作評價指標為：(1)操作時間：以秒為單位，描述操作過程的總時間(不論任務完成與否)。(2)平均速度：以厘米每秒為單位，描述器械尖端在操作過程中的平均速度。(3)運動平滑性：為加速度的變化率，用以描述操作過程器械運動的平穩(wěn)程度。(4)空閑率：任務過程中器械無運動時間與操作時間的比例。

這些評價指標中，完成時間、移動距離、平均速度和運動平穩(wěn)度實現(xiàn)對操作者任務完成效率進行評價；空閑率和學習曲線可以對操作者的任務完成效率進行評價，綜合上述指標可以對培訓者進行指導，提高培訓效率。

本研究設計了MEMS加速度傳感器模塊(采樣頻率100 Hz)[13-14]，獨立獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件使用不同的公式得到評價參數(shù)。

使用Micron Tracker雙目視覺系統(tǒng)獲得的器械三維坐標數(shù)據(jù)計算任務完成時間、器械尖端總位移長度、空閑率指標，使用MEMS加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過積分和微分分別得到器械的速度和運動平穩(wěn)度指標，經(jīng)過軟件處理平臺，完成由原始數(shù)據(jù)到指標的計算和數(shù)據(jù)保存，并導出培訓完成情況報告，見圖1。

圖1系統(tǒng)設計框圖

Fig1Systemconfigurationblockdiagram

2.2 指標獲取

2.2.1硬件平臺 基于意法半導體公司生產(chǎn)的iNEMO慣性傳感器模塊LSM330DLC，本研究設計并制作了MEMS加速度傳感器測量模塊。

由于測量過程中，傳感器數(shù)據(jù)容易受到環(huán)境變化的影響，會有大量的噪聲進入傳感器輸出數(shù)據(jù)，而且噪聲的頻率和運動參數(shù)頻率混疊，因此本研究應用信號融合的方法，提高數(shù)據(jù)精度[15]。采用卡爾曼濾波算法對輸出數(shù)據(jù)進行時域濾波，采用歐拉角算法實時計算傳感器的位置，消除固有的重力加速度在各軸上的分量[16-20]。其原始數(shù)據(jù)處理流程圖見圖2。

圖2 MEMS模塊實現(xiàn)流程圖

Fig2MEMSmoduleimplementationflowchart

2.2.2加速度傳感器模塊標定 MEMS加速度傳感器焊接到印制電路板上時會受到外部應力，這樣會影響傳感器的敏感度和零點輸出，因此需要對傳感器進行標定。

(1)量程標定

將焊接好的傳感器Z軸放置于水平位置，當傳感器Z軸輸出穩(wěn)定時，再將傳感器翻轉(zhuǎn)180°(Z軸另外一個方向水平放置)，等待傳感器輸出穩(wěn)定。這樣就相當于±1 g的加速度被加載到Z軸上，將穩(wěn)定讀數(shù)的較大值減去較小值，然后除以2就得到傳感器的實際敏感度，Y軸和X軸也按照上述過程進行標定。由于焊接好的傳感器敏感度隨時間和溫度變化很小，所以只需要標定一次即可[15]。

(2)零點標定

零點標定是指在傳感器某一軸上加載0 g的固定輸入時，測量值偏離加速度敏感標定中點的程度，零點輸出會隨著焊接應力和超出測量范圍的外部機械應力產(chǎn)生輕微的變化，因此，在每次使用前都應該進行零點標定消除影響。

(3)卡爾曼濾波算法實現(xiàn)及驗證

卡爾曼濾波分為兩部分:時間更新與測量更新。隨著時間更新方程和測量更新方程的計算，系統(tǒng)狀態(tài)的估計被重復進行著： 前一次的后驗估計被用于預測下一時刻的先驗估計，見圖3。

本研究采集一段MEMS加速度傳感器的運動過程，通過串口上傳到PC并保存，見圖4，經(jīng)過卡爾曼濾波之后的數(shù)據(jù)平滑很多，濾波算法效果達到了預期目標。

(4)歐拉角算法實現(xiàn)

圖3 預測和校正方程關系圖

圖4 濾波數(shù)據(jù)對比圖

Fig4Filterdatacontrastfigure

其中，θ、Ψ和φ分別表示陀螺儀測得的目標物體繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角度。當陀螺儀的采樣速度很高時，由于采樣時間間隔很小，因此，可以認為目標物體沿各個軸向的轉(zhuǎn)動角度即為陀螺儀測得的各個軸向轉(zhuǎn)動角度。為了滿足本研究所設計系統(tǒng)的實時測量要求，采用Ck和Ck+1分別表示目標物體第k次和第k+1次采樣時刻測得的轉(zhuǎn)移矩陣，因此，我們可使用以下公式：

Ck+1=CkAk

(1)

(2)

(3)

(4)

σx、σy、σz分別表示在間隔時間內(nèi)x、y、z三個方向的陀螺儀所測得的轉(zhuǎn)動角度。通過上述變換，就把計算k+1次轉(zhuǎn)移矩陣變化的任務變成了只需要計算從k次到k+1次之間轉(zhuǎn)移矩陣的一次變化的任務，然后通過遞推可以實時的更新轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2.3軟件平臺 使用LabVIEW編寫系統(tǒng)軟件，其中各個模塊的實現(xiàn)過程如下文所述。

(1)操作時間：以秒為單位描述操作過程的總時間(不論任務完成與否)。

(5)

(2)平均速度：以厘米每秒為單位描述器械尖端在操作過程中的平均速度。

(6)

其中ax、ay、az分別表示MEMS加速度傳感器模塊測得的器械沿傳感器三個軸的加速度值。

(3)運動平滑性：為加速度的變化率，用以描述操作過程器械運動的平穩(wěn)程度。

(7)

(4)空閑率：任務過程中器械無運動時間與操作時間的比例。其中Tf表示器械運動加速度模值小于0.01g的時間。

(8)

3 左右移環(huán)任務測試驗證

3.1 測試流程

測試招募身體健康的在校女大學生一名，年齡25周歲，右利手，在進行培訓評價之前無腹腔鏡手術經(jīng)驗，經(jīng)過一定時間的視頻培訓，以使受訓者掌握模擬腹腔鏡手術器械訓練過程。本次培訓選擇左右移環(huán)任務，左右移環(huán)任務為腹腔鏡培訓的基礎操作[21]。此次測試中培訓者需要完成十次訓練，每次中間間隔15 min，讓受訓者肌肉得到休息。訓練選用的腹腔鏡模擬訓練箱是由瑞紅實驗室設備有限公司生產(chǎn)的200E型腹腔鏡模擬訓練箱，訓練器層可調(diào)節(jié)高度至合適位置，選取兩把抓鉗和一把持針器作為本次培訓的器械。測試人員與儀器見圖5。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

資料顯示，目前對腹腔鏡訓練評價指標參數(shù)并無統(tǒng)一標準[12]，本實驗測試人員實驗前無任何腹腔鏡手術經(jīng)驗，屬于腹腔鏡培訓過程的學習期，因此其分析范圍定位在腹腔鏡學習技能上升期，不涉及技術成熟期階段。

圖5 測試人員與儀器

左右移環(huán)任務可以訓練操作者的手眼協(xié)調(diào)能力和雙手配合能力。與開腹手術相比，腹腔鏡手術對手術時間要求更為嚴格，這就要求操作者需要在盡可能短的時間內(nèi)完成操作，并且任務操作時間已被證明是一個很重要的客觀評價指標之一[22]。如圖6所示，操作時間呈下降趨勢，第10次操作時間相較第1次減少32%。

圖6 操作時間對比圖

傳統(tǒng)二維腹腔鏡系統(tǒng)降低了視覺的距離感覺從而導致器械的移動速度減慢。器械移動的速度直接反應操作者的技術熟練程度[23]。任務過程中的速度常用于評價腹腔鏡手術操作技能，器械尖端的速度更是個精確的客觀指標。當操作者對任務的操作過程越來越熟悉時，器械所走過的總路徑長度會減少，操作時間也會變短，所以操作過程中的平均速度會減小，見圖7。通過訓練，第10次較第1次左右手的操作平均速度分別降低45%和32%。

空閑率是指任務過程中器械無運動時間與操作時間的百分比。初學者與有經(jīng)驗的操作者在操作縫合任務和更復雜的任務時，空閑率有著顯著性差異[24]。當操作時間縮短、操作平均速度減小時，空閑率減小，見圖8，第10次比第1次降低53%。

圖7速度對比圖

Fig7Velocitycontrastfigure

圖8 空閑率對比圖

運動的平穩(wěn)度可通過器械加速度的變化率來體現(xiàn)，可精確地反映出操作者技能的熟練程度。通過訓練，左右手平穩(wěn)度分別提高15%和19%，見圖9。

圖9 平穩(wěn)度對比圖

通過對左右移環(huán)中左右手參數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)右手數(shù)據(jù)在路徑對比與速度對比中均明顯高于左手，在完成任務的過程中，右手操作占據(jù)主導地位。分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過第6次訓練后，左右手協(xié)調(diào)能力明顯提高。任務培訓的目標之一就是提高培訓者的左右手協(xié)調(diào)程度，因此，在后續(xù)的研究中可以將左右手空閑率的時間分布做比較，消除兩手同時靜止時對數(shù)據(jù)的影響。

通過對每項實驗的各項參數(shù)對比分析可知，隨著訓練次數(shù)的增加，操作者越來越熟悉實驗任務流程，各項參數(shù)均隨實驗次數(shù)的增加而下降，其下降趨勢與學習曲線比較相似。當訓練者達到一定的熟練程度之后，各項參數(shù)趨于平穩(wěn)，學校效率降低，通常建議訓練者間隔一段時間之后再進行培訓。

4 結論與討論

腹腔鏡手術的廣泛應用對培訓的要求越來越高，現(xiàn)有的人力資源已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的專家式培訓評價體系，因此，本研究設計了廣泛適用于訓練箱或虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)的評價系統(tǒng)，本系統(tǒng)自動采集培訓者培訓過程中器械的運動參數(shù)進行分析，對訓練者培訓后及時反饋情況，減少了對專家的依賴。

本研究開發(fā)設計了MEMS加速度傳感器模塊用于采集器械的運動加速度數(shù)據(jù)，模塊具有體積小、使用方便等特點；傳感器由于容易受到外部環(huán)境的影響，測量得到的數(shù)據(jù)中往往夾雜有噪聲，并且噪聲的頻率和人體運動頻率混疊，本研究采用了卡爾曼濾波算法處理數(shù)據(jù)；并建立了軟件平臺對采集數(shù)據(jù)進行處理、分析，可定量給出培訓者每次訓練后四大指標增減率，并使用培訓箱進行了訓練任務測試，驗證了系統(tǒng)的有效性。

本研究仍有不足之處：在實驗驗證過程中，未找到合適的專家來進行操作，以形成以后培訓者的對比標準；本課題所設計的系統(tǒng)未能完成培訓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理、存儲與對比分析。

在以后的研究中，可以設計實現(xiàn)基于MEMS加速度傳感器模塊的三維坐標追蹤算法并與雙目視覺追蹤系統(tǒng)配合使用，提高其測量精度；完成測量數(shù)據(jù)與PC的無線傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運動指標的實時計算和分析，完成對培訓過程的實時指導；形成雙目數(shù)據(jù)追蹤系統(tǒng)網(wǎng)絡，擴大其測量空間范圍；實現(xiàn)訓練者培訓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲與管理。