基于加速度传感器的肠镜轨迹跟踪系统的研究

摘要

在进行常规的肠镜检查以及手术过程中由于人们对肠镜在肠道内部运动轨迹未知，在肠道的一些特殊部位容易出现肠损伤、穿孔等一些肠镜检查并发症。当前可用于空间定位和轨迹跟踪的技术主要有基于可见光或红外光的追踪技术、电磁追踪以及利用计算机的三维视觉算法等，但是设备昂贵、操作复杂，尺寸过大难以应用于传统肠镜中。随着MEMS技术发展，微型传感器的体积小、易携带、低成本、功耗低等等优点使其在许多领域得到了广泛的应用。 本论文的成果如下： 1.设计了基于加速度传感器的肠镜轨迹跟踪系统，硬件系统包括三轴加速度传感器、陀螺仪以及处理器，软件部分为PC端的软件平台。三轴加速度传感器与陀螺仪与处理器通过导线连接，处理器接收到传感器的数据后通过串口发送上位机。 2.实现肠镜轨迹跟踪的算法是加速度积分算法和坐标变换算法，三轴加速度传感器ADXL345以及陀螺仪L3G4200d采集肠镜探头的加速度和角速度数据，利用角速度数据求解旋转矩阵，消除由于坐标系变换而产生的影响，修正后的加速度数据进行积分运算，二次积分的结果为位移量，三个方向的位移量确定坐标值。 3.设计了一种位移重建以及三维曲线显示运动轨迹的算法。处理的结果能够模拟出肠镜运动轨迹。所显示的轨迹与实际相比，正常动作三维显示轨迹能到达94.6%，而打结类型动作也能达到90%。位移量的计算结果中，正常动作准确度达到91.4%以上，打结类型准确度为87%以上。自组织映射神经网络（SOM）对肠镜动作进行聚类分析，进行动作尤其是打结识别。其准确度达到98%以上。 4.本论文的研究成果可以应用于肠镜检查中，能够在肠镜检查中能够观察肠镜的运动轨迹，尤其肠道一些特殊形状部位，如乙状结肠部位。肠镜医护人员可通过该系统观察肠镜的运动轨迹，发现特殊易于发生肠损伤的位置从而采取相应措施尽量避免事故的发生。