[發(fā)明專(zhuān)利]基于結(jié)腸診查微型機(jī)器人的結(jié)腸三維重構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810309611.2
• 申請(qǐng)日: 2018-04-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108814537B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高晉陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): A61B1/31
• 分類(lèi)號(hào): A61B1/31;A61B1/04
• 代理公司: 太原新航路知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14112
• 代理人: 王勇

1.一種基于結(jié)腸診查微型機(jī)器人的結(jié)腸三維重構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于：包括結(jié)腸診查微型機(jī)器人和數(shù)據(jù)分析控制系統(tǒng)；

所述結(jié)腸診查微型機(jī)器人包括變徑履帶式行走機(jī)構(gòu)、攝像頭、三個(gè)薄膜壓力傳感器、第I無(wú)線通信模塊、感應(yīng)接收線圈；

所述變徑履帶式行走機(jī)構(gòu)包括變徑子機(jī)構(gòu)和三個(gè)行進(jìn)子機(jī)構(gòu)；

所述變徑子機(jī)構(gòu)包括前擋板(101a)、后擋板(101b)、第I步進(jìn)電機(jī)(102)、主動(dòng)齒輪(103)、絲杠(104)、從動(dòng)齒輪(105)、前螺母(106a)、后螺母(106b)、三個(gè)導(dǎo)桿(107)、三個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)；

所述每個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)均包括前主動(dòng)桿(108a)、后主動(dòng)桿(108b)、前從動(dòng)桿(109a)、后從動(dòng)桿(109b)；前主動(dòng)桿(108a)的中部和后主動(dòng)桿(108b)的中部交叉鉸接；前從動(dòng)桿(109a)的首端與后主動(dòng)桿(108b)的尾端鉸接；后從動(dòng)桿(109b)的首端與前主動(dòng)桿(108a)的尾端鉸接；

前擋板(101a)和后擋板(101b)相互正對(duì)；第I步進(jìn)電機(jī)(102)的機(jī)座固定安裝于前擋板(101a)和后擋板(101b)之間，且第I步進(jìn)電機(jī)(102)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)貫穿前擋板(101a)；主動(dòng)齒輪(103)固定裝配于第I步進(jìn)電機(jī)(102)的輸出軸上，且主動(dòng)齒輪(103)位于前擋板(101a)的前側(cè)；絲杠(104)的前端轉(zhuǎn)動(dòng)貫穿前擋板(101a)；絲杠(104)的后端轉(zhuǎn)動(dòng)支撐于后擋板(101b)上；絲杠(104)的前部和后部各攻有一段螺紋；兩段螺紋均位于前擋板(101a)和后擋板(101b)之間，且兩段螺紋的旋向相反；從動(dòng)齒輪(105)固定裝配于絲杠(104)的前端，且從動(dòng)齒輪(105)與主動(dòng)齒輪(103)嚙合；前螺母(106a)旋擰于絲杠(104)的前段螺紋上；前螺母(106a)的端面貫通開(kāi)設(shè)有三個(gè)前導(dǎo)向孔(110a)，且三個(gè)前導(dǎo)向孔(110a)圍繞前螺母(106a)的軸線等距平行排列；前螺母(106a)的外側(cè)面延伸設(shè)置有三個(gè)前耳片(111a)，且三個(gè)前耳片(111a)圍繞前螺母(106a)的軸線等距排列；三個(gè)前耳片(111a)的耳孔軸線均與前螺母(106a)的軸線垂直，且三個(gè)前耳片(111a)的耳孔軸線共同圍成等邊三角形；后螺母(106b)旋擰于絲杠(104)的后段螺紋上；后螺母(106b)的端面貫通開(kāi)設(shè)有三個(gè)后導(dǎo)向孔(110b)，且三個(gè)后導(dǎo)向孔(110b)圍繞后螺母(106b)的軸線等距平行排列；后螺母(106b)的外側(cè)面延伸設(shè)置有三個(gè)后耳片(111b)，且三個(gè)后耳片(111b)圍繞后螺母(106b)的軸線等距排列；三個(gè)后耳片(111b)的耳孔軸線均與后螺母(106b)的軸線垂直，且三個(gè)后耳片(111b)的耳孔軸線共同圍成等邊三角形；三個(gè)導(dǎo)桿(107)的前端均固定支撐于前擋板(101a)上，且三個(gè)導(dǎo)桿(107)的前部分別滑動(dòng)貫穿三個(gè)前導(dǎo)向孔(110a)；三個(gè)導(dǎo)桿(107)的后端均固定支撐于后擋板(101b)上，且三個(gè)導(dǎo)桿(107)的后部分別滑動(dòng)貫穿三個(gè)后導(dǎo)向孔(110b)；三個(gè)前主動(dòng)桿(108a)的首端分別與三個(gè)前耳片(111a)鉸接；三個(gè)后主動(dòng)桿(108b)的首端分別與三個(gè)后耳片(111b)鉸接；

所述每個(gè)行進(jìn)子機(jī)構(gòu)均包括機(jī)箱(201)、第II步進(jìn)電機(jī)(202)、主動(dòng)錐齒輪(203)、左軸承(204a)、右軸承(204b)、轉(zhuǎn)軸(205)、左同步帶輪(206a)、右同步帶輪(206b)、從動(dòng)錐齒輪(207)、左減阻滾輪(208a)、右減阻滾輪(208b)、左履帶(209a)、右履帶(209b)、耳板(210)；

機(jī)箱(201)的前外壁左邊緣延伸設(shè)置有左凸板(211a)；左凸板(211a)上貫通開(kāi)設(shè)有左軸承裝配孔；機(jī)箱(201)的前外壁右邊緣延伸設(shè)置有右凸板(211b)；右凸板(211b)上貫通開(kāi)設(shè)有右軸承裝配孔；機(jī)箱(201)的上壁左部、后壁左部、下壁左部共同貫通開(kāi)設(shè)有一列左滾輪裝配孔；機(jī)箱(201)的上壁右部、后壁右部、下壁右部共同貫通開(kāi)設(shè)有一列右滾輪裝配孔；機(jī)箱(201)的上外壁左邊緣和下外壁左邊緣各延伸設(shè)置有一個(gè)左限位凸邊(212a)；機(jī)箱(201)的上外壁右邊緣和下外壁右邊緣各延伸設(shè)置有一個(gè)右限位凸邊(212b)；機(jī)箱(201)的上外壁中部延伸設(shè)置有縱向上限位凸臺(tái)(213a)；機(jī)箱(201)的下外壁中部延伸設(shè)置有縱向下限位凸臺(tái)(213b)；第II步進(jìn)電機(jī)(202)的機(jī)座固定安裝于機(jī)箱(201)的內(nèi)腔，且第II步進(jìn)電機(jī)(202)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)貫穿機(jī)箱(201)的前壁；主動(dòng)錐齒輪(203)固定裝配于第II步進(jìn)電機(jī)(202)的輸出軸上，且主動(dòng)錐齒輪(203)位于機(jī)箱(201)的前側(cè)；左軸承(204a)固定裝配于左軸承裝配孔內(nèi)；右軸承(204b)固定裝配于右軸承裝配孔內(nèi)；轉(zhuǎn)軸(205)的兩端分別固定穿設(shè)于左軸承(204a)的內(nèi)圈和右軸承(204b)的內(nèi)圈；左同步帶輪(206a)固定裝配于轉(zhuǎn)軸(205)的左部，且左同步帶輪(206a)位于左凸板(211a)的右側(cè)；右同步帶輪(206b)固定裝配于轉(zhuǎn)軸(205)的右部，且右同步帶輪(206b)位于右凸板(211b)的左側(cè)；從動(dòng)錐齒輪(207)固定裝配于轉(zhuǎn)軸(205)上，且從動(dòng)錐齒輪(207)位于左同步帶輪(206a)和右同步帶輪(206b)之間；從動(dòng)錐齒輪(207)與主動(dòng)錐齒輪(203)嚙合；左減阻滾輪(208a)的數(shù)目與左滾輪裝配孔的數(shù)目一致；各個(gè)左減阻滾輪(208a)一一對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)裝配于各個(gè)左滾輪裝配孔內(nèi)，且各個(gè)左減阻滾輪(208a)的軸線均與轉(zhuǎn)軸(205)的軸線平行；右減阻滾輪(208b)的數(shù)目與右滾輪裝配孔的數(shù)目一致；各個(gè)右減阻滾輪(208b)一一對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)裝配于各個(gè)右滾輪裝配孔內(nèi)，且各個(gè)右減阻滾輪(208b)的軸線均與轉(zhuǎn)軸(205)的軸線平行；左履帶(209a)同時(shí)裝配于左同步帶輪(206a)和各個(gè)左減阻滾輪(208a)上；右履帶(209b)同時(shí)裝配于右同步帶輪(206b)和各個(gè)右減阻滾輪(208b)上；耳板(210)縱向固定于縱向上限位凸臺(tái)(213a)的上表面中部；耳板(210)的耳孔數(shù)目為兩個(gè)，且兩個(gè)耳孔呈前后平行排列；

三個(gè)耳板(210)的前耳孔分別與三個(gè)前從動(dòng)桿(109a)的尾端鉸接；三個(gè)耳板(210)的后耳孔分別與三個(gè)后從動(dòng)桿(109b)的尾端鉸接；

攝像頭固定安裝于前擋板(101a)上，且攝像頭的軸線與絲杠(104)的軸線重合；

三個(gè)薄膜壓力傳感器分別固定安裝于三個(gè)縱向下限位凸臺(tái)(213b)的下表面，且三個(gè)薄膜壓力傳感器分別與三個(gè)左履帶(209a)的外側(cè)面和三個(gè)右履帶(209b)的外側(cè)面齊平；

第I無(wú)線通信模塊固定安裝于第I步進(jìn)電機(jī)(102)的機(jī)座的外側(cè)面；第I無(wú)線通信模塊的輸入端分別與攝像頭的輸出端和三個(gè)薄膜壓力傳感器的輸出端有線連接；第I無(wú)線通信模塊的輸出端分別與第I步進(jìn)電機(jī)(102)的控制端和三個(gè)第II步進(jìn)電機(jī)(202)的控制端有線連接；

感應(yīng)接收線圈固定安裝于后擋板(101b)上；感應(yīng)接收線圈的輸出端分別與攝像頭的電源端、三個(gè)薄膜壓力傳感器的電源端、第I無(wú)線通信模塊的電源端、第I步進(jìn)電機(jī)(102)的輸入端、三個(gè)第II步進(jìn)電機(jī)(202)的輸入端連接；

所述數(shù)據(jù)分析控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、第II無(wú)線通信模塊；

第II無(wú)線通信模塊與計(jì)算機(jī)雙向有線連接；第II無(wú)線通信模塊與第I無(wú)線通信模塊雙向無(wú)線連接；

具體工作過(guò)程如下：

步驟一：將數(shù)據(jù)分析控制系統(tǒng)設(shè)置于人體外；然后，計(jì)算機(jī)依次通過(guò)第II無(wú)線通信模塊、第I無(wú)線通信模塊向三個(gè)第II步進(jìn)電機(jī)(202)發(fā)送控制指令，三個(gè)第II步進(jìn)電機(jī)(202)由此依次通過(guò)三個(gè)主動(dòng)錐齒輪(203)、三個(gè)從動(dòng)錐齒輪(207)驅(qū)動(dòng)三個(gè)轉(zhuǎn)軸(205)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)轉(zhuǎn)軸(205)由此帶動(dòng)三個(gè)左同步帶輪(206a)和三個(gè)右同步帶輪(206b)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)左同步帶輪(206a)由此帶動(dòng)三個(gè)左履帶(209a)進(jìn)行滾動(dòng)，三個(gè)右同步帶輪(206b)由此帶動(dòng)三個(gè)右履帶(209b)進(jìn)行滾動(dòng)，由此使得結(jié)腸診查微型機(jī)器人經(jīng)肛門(mén)行走至結(jié)腸的起點(diǎn)位置；

步驟二：計(jì)算機(jī)依次通過(guò)第II無(wú)線通信模塊、第I無(wú)線通信模塊向第I步進(jìn)電機(jī)(102)發(fā)送控制指令，第I步進(jìn)電機(jī)(102)由此依次通過(guò)主動(dòng)齒輪(103)、從動(dòng)齒輪(105)驅(qū)動(dòng)絲杠(104)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，前螺母(106a)和后螺母(106b)由此進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)三個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)擴(kuò)張至一定幅度，由此使得三個(gè)左履帶(209a)、三個(gè)右履帶(209b)、三個(gè)薄膜壓力傳感器均與結(jié)腸內(nèi)壁緊密接觸；此時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制指令確定變徑子機(jī)構(gòu)的擴(kuò)張直徑；攝像頭采集當(dāng)前位置的結(jié)腸圖像，并依次通過(guò)第I無(wú)線通信模塊、第II無(wú)線通信模塊將結(jié)腸圖像發(fā)送至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)一方面對(duì)結(jié)腸圖像進(jìn)行顯示，另一方面通過(guò)分析結(jié)腸圖像的對(duì)稱(chēng)性確定當(dāng)前位置的結(jié)腸軸線斜率；與此同時(shí)，三個(gè)薄膜壓力傳感器采集接觸壓力，并依次通過(guò)第I無(wú)線通信模塊、第II無(wú)線通信模塊將接觸壓力發(fā)送至計(jì)算機(jī)；

然后，計(jì)算機(jī)依次通過(guò)第II無(wú)線通信模塊、第I無(wú)線通信模塊向第I步進(jìn)電機(jī)(102)發(fā)送控制指令，由此使得三個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)擴(kuò)張至另一幅度；此時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制指令再次確定變徑子機(jī)構(gòu)的擴(kuò)張直徑；三個(gè)薄膜壓力傳感器再次采集接觸壓力，并依次通過(guò)第I無(wú)線通信模塊、第II無(wú)線通信模塊將接觸壓力發(fā)送至計(jì)算機(jī)；

計(jì)算機(jī)根據(jù)兩次確定的變徑子機(jī)構(gòu)的擴(kuò)張直徑以及兩次接收到的接觸壓力，計(jì)算出當(dāng)前位置的結(jié)腸初始內(nèi)徑和結(jié)腸初始壁厚，具體計(jì)算公式如下：

ε＝(D′-D)/D (2)；

式(1)-(3)中：N為接觸壓力；h為結(jié)腸初始壁厚；σ為結(jié)腸的環(huán)向應(yīng)力；t為時(shí)間；ε為結(jié)腸的應(yīng)變；D′為變徑子機(jī)構(gòu)的擴(kuò)張直徑；D為結(jié)腸初始內(nèi)徑；E₁、E₂、E₃、η₁、η₂均為反映結(jié)腸生物力學(xué)特性的待定常數(shù)，其均可通過(guò)對(duì)結(jié)腸單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合確定；

步驟三：計(jì)算機(jī)依次通過(guò)第II無(wú)線通信模塊、第I無(wú)線通信模塊向第I步進(jìn)電機(jī)(102)發(fā)送控制指令，由此使得四連桿機(jī)構(gòu)閉合；然后，計(jì)算機(jī)依次通過(guò)第II無(wú)線通信模塊、第I無(wú)線通信模塊向三個(gè)第II步進(jìn)電機(jī)(202)發(fā)送控制指令，由此使得結(jié)腸診查微型機(jī)器人行走一段距離后到達(dá)結(jié)腸的下一位置，該段行走距離小于5cm；然后，計(jì)算機(jī)根據(jù)上一位置的結(jié)腸軸線斜率和結(jié)腸診查微型機(jī)器人的該段行走距離確定該段結(jié)腸的軸線；然后，重復(fù)執(zhí)行步驟二，由此一方面確定當(dāng)前位置的結(jié)腸軸線斜率，另一方面計(jì)算出當(dāng)前位置的結(jié)腸初始內(nèi)徑和結(jié)腸初始壁厚；然后，計(jì)算機(jī)根據(jù)上一位置的結(jié)腸初始內(nèi)徑和結(jié)腸初始壁厚、該段結(jié)腸的軸線、當(dāng)前位置的結(jié)腸初始內(nèi)徑和結(jié)腸初始壁厚重構(gòu)出該段結(jié)腸的三維模型；

步驟四：重復(fù)執(zhí)行步驟三，由此逐段重構(gòu)出整個(gè)結(jié)腸的三維模型；

步驟五：計(jì)算機(jī)對(duì)各段結(jié)腸的三維模型進(jìn)行平滑化處理，由此確定整個(gè)結(jié)腸的最終三維模型。