單孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡伯韜，封海波，2，崔賢玉，付宜利，呂 毅

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院肝膽外科，陜西 西安 710061）

0 引言

近年來(lái)，單孔腹腔鏡手術(shù)（LESS）得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，有專家指出這種手術(shù)是微創(chuàng)外科手術(shù)（MIS）的發(fā)展方向之一［1］。目前，國(guó)外對(duì)單孔腹腔鏡手術(shù)視覺平臺(tái)做了許多研究［2-8］。單孔腹腔鏡手術(shù)首先在腹壁上開孔，將手術(shù)器械經(jīng)由這個(gè)孔放入患者腹腔內(nèi)。這種手術(shù)減少了患者的創(chuàng)口數(shù)量，對(duì)患者的美容有幫助。但是，目前普通微創(chuàng)外科手術(shù)器械在直接應(yīng)用于單孔腹腔鏡手術(shù)時(shí)存在不便，主要是剛性的攝像裝置容易在戳卡處和其他器械產(chǎn)生干涉。一種新型的解決方法是將微型手術(shù)機(jī)器人放在患者腹腔內(nèi)工作。這種工作方式的優(yōu)點(diǎn)是能減少對(duì)戳卡空間的要求，減少器械沖突的發(fā)生。為此，針對(duì)單孔腹腔鏡手術(shù)的需求，研制應(yīng)用于腹腔內(nèi)微型機(jī)器人上的視覺系統(tǒng)，為外科手術(shù)提供視野和照明具有重要意義。

1 視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

盡管有很多研究，也取得一些成果，但是由于單孔腹腔鏡手術(shù)所面臨的環(huán)境復(fù)雜，手術(shù)的要求比較高，單孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人視覺系統(tǒng)仍然有很多的工作需要進(jìn)一步研究。以下要求應(yīng)該滿足：

a.節(jié)能。因?yàn)橐曈X系統(tǒng)將要安裝在腹腔內(nèi)微型機(jī)器人上，由電池提供電源。所以攝像頭模塊的功率應(yīng)該盡可能小，從而能滿足連續(xù)工作一場(chǎng)手術(shù)時(shí)間的要求。

b.圖像質(zhì)量和幀率。因?yàn)樵摂z像頭模塊面向外科手術(shù)的需要，所以圖像分辨率應(yīng)該高于30萬(wàn)像素。圖像傳輸幀率應(yīng)該在25幀／s以上，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像顯示的目標(biāo)。

c.照明質(zhì)量。對(duì)于外科手術(shù)醫(yī)生來(lái)說(shuō)，在手術(shù)時(shí)需要提供明亮和光照均勻的視野?？紤]到外科手術(shù)的實(shí)際情況，設(shè)定視野區(qū)域?yàn)榫嚯x攝像頭10cm，邊長(zhǎng)為12cm的正方形區(qū)域。視覺系統(tǒng)應(yīng)能在視野區(qū)域內(nèi)提供最低照度為3300lx，色溫高于5700K的照明。

d.系統(tǒng)體積?？紤]到視覺系統(tǒng)安裝在微型機(jī)器人內(nèi)，視覺系統(tǒng)的尺寸應(yīng)小于20mm×20mm×5 mm。

為了滿足上述要求，視覺系統(tǒng)分為3個(gè)模塊：

a.攝像頭子模塊。主要由鏡頭、鏡頭座、成像芯片及外圍電路組成。其主要功能是采集圖像，并將圖像轉(zhuǎn)換成和無(wú)線傳輸相匹配的格式。

b.照明子模塊，主要由LED和外圍電路組成。其主要功能是為攝像提供滿足要求的照明。

c.無(wú)線傳輸子模塊。分為無(wú)線發(fā)射端和無(wú)線接收端。在微型機(jī)器人內(nèi)有發(fā)射端，主要由無(wú)線視頻發(fā)射芯片及射頻放大電路組成，用于發(fā)射視頻信號(hào)。在體外有接收端，主要功能是接收視頻并將視頻傳入顯示器。

2 攝像頭子模塊設(shè)計(jì)

攝像頭子模塊設(shè)計(jì)首先需要選擇合理的方案。無(wú)線視頻傳輸?shù)闹饕桨赴〝?shù)字式和模擬式。其中數(shù)字式的傳輸方式直接傳輸數(shù)字格式的視頻信號(hào)。該方案?jìng)鬏斝Ч?，但是占用帶寬大?］，以目前技術(shù)無(wú)法在小功率、小尺寸限制下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸30萬(wàn)像素視頻的目標(biāo)。因此，視覺系統(tǒng)采用了模擬視頻傳輸?shù)姆桨?。模擬格式傳輸?shù)脑硎抢脭z像頭產(chǎn)生的NTSC／PAL格式模擬信號(hào)，通過(guò)調(diào)頻之后進(jìn)行傳輸。

2.1 芯片選擇

攝像芯片常采用CMOS和CCD芯片。和CCD芯片相比，CMOS芯片功耗低，集成度高，外圍電路簡(jiǎn)單，較為符合功耗以及體積的設(shè)計(jì)要求，因此選用CMOS類型的成像芯片。以下列出了幾種常見的能產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出的CMOS芯片方案，其對(duì)比結(jié)果如表1所示。

為了滿足上述提出的設(shè)計(jì)要求，從芯片尺寸、分辨率以及電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度角度出發(fā)，最終采用比亞迪生產(chǎn)的BF3003芯片作為攝像頭芯片。

表1 攝像頭方案設(shè)計(jì)比較

2.2 鏡頭選擇

鏡頭選擇的步驟包括計(jì)算放大倍率、計(jì)算焦距、計(jì)算視場(chǎng)角和選擇光圈數(shù)4步。

a.放大倍率β的確定。根據(jù)芯片手冊(cè)，BF3003芯片成像尺寸為3.912mm×3.492mm。其中放大倍率β=，l為視場(chǎng)區(qū)域?qū)蔷€長(zhǎng)度，l′為CMOS芯片成像面積對(duì)角線長(zhǎng)度。根據(jù)兩者數(shù)值計(jì)算得到β=0.031，取β=0.035。

b.焦距計(jì)算。根據(jù)高斯公式：

像距l(xiāng)′為3.5mm，物距l(xiāng)為-10cm，計(jì)算得到焦距f′=3.38mm。

c.視場(chǎng)角計(jì)算。根據(jù)視場(chǎng)角計(jì)算公式：

x為成像區(qū)域?qū)蔷€長(zhǎng)度；f為鏡頭焦距。計(jì)算得到α=75.6°。

d.光圈數(shù)選擇。光圈數(shù)和通光量有關(guān)。光圈數(shù)越小，透鏡孔徑越大，通光量越大。但是光圈數(shù)越小，造成景物觀察的景深較小。綜合考慮選擇光圈數(shù)為3左右。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇透鏡為合盈光電有限公司生產(chǎn)的HPB2033＿B9透鏡。其光圈數(shù)為3，視場(chǎng)角為72°，總長(zhǎng)為4.3mm。

3 照明子模塊設(shè)計(jì)

在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要工作是選擇合適的LED以及LED布局方式。選擇典型LED的布局方式（一種是圓周式，一種是矩形式）進(jìn)行分析。

在考慮布局方式時(shí)，主要考慮布局對(duì)于最小照度以及照明均勻性的影響。因此做如下幾個(gè)約束：首先，將LED布局限定在距離中心的圓內(nèi)，LED布局要考慮實(shí)際空間限制，不可能離中心過(guò)遠(yuǎn)；其次，考慮光照的均勻性，光源應(yīng)該至少分別沿著X軸和Y軸對(duì)稱。通過(guò)這個(gè)條件，拍攝的圖像左側(cè)和右側(cè)亮度相等，上側(cè)和下側(cè)亮度相等。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先分析不同布局方式對(duì)于最小照度以及照明均勻性的影響，然后分析如何選擇合適的LED。

3.1 不同布局對(duì)最低照度影響

通過(guò)比較在LED數(shù)量一致的情況下，圓周型布局和矩形布局在視野范圍內(nèi)最小照度的值，可以分析不同布局對(duì)最低照度的影響。根據(jù)LED照明的分布公式，在圓周布局下成像區(qū)域上坐標(biāo)為（x，y）的點(diǎn)照度為：

z為光源距視野的距離；D為布局的最外緣邊緣的直徑。根據(jù)上述照度公式，照度最小值點(diǎn)為視野平面的邊緣點(diǎn)。確定D為12mm，x為6cm，y為6cm，z為10cm。此處光強(qiáng)值和LED選擇有關(guān)，因?yàn)長(zhǎng)ED還沒有確定，所以暫時(shí)選擇日亞公司NHSW157B白色高亮LED，其光強(qiáng)為3cd。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，得到2種布局的最低照度結(jié)果計(jì)算如表2所示。

從表2可以看出，不同布局方式對(duì)于光強(qiáng)最小值的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

表2 不同布局照度對(duì)比表

3.2 不同布局對(duì)光照均勻性影響

光照均勻性定義為視野內(nèi)最小光強(qiáng)和最大光強(qiáng)之比，其公式［10］為：

根據(jù)2種布局的分布公式，照度最大值點(diǎn)為x=0，y=0的點(diǎn)。光強(qiáng)最小值點(diǎn)為x=6cm，y=6 cm的點(diǎn)。根據(jù)以上的公式，計(jì)算LED數(shù)量為4～80時(shí)的光照均勻值，得到其曲線如圖1所示。

圖1 照明均勻性比較結(jié)果

分析圖1，并結(jié)合以上所述相同LED數(shù)量情況下光強(qiáng)最小值接近，可以得出圓周方式布局優(yōu)于矩形方式布局的結(jié)論，因此，選擇圓周布局作為L(zhǎng)ED布局的方式。

3.3 LED型號(hào)的選擇

在圓周布局下，選擇LED需要滿足最低光照條件，同時(shí)使總功率最小，即

F（I0，P0）=0為單個(gè)LED額定功率和額定光強(qiáng)的關(guān)系；E（x，y）為上文提到的圓周布局情況下視野內(nèi)光強(qiáng)分布函數(shù)。根據(jù)三角函數(shù)變換公式，得到power≥K，即總功率有一個(gè)下界，這個(gè)下界和LED的功率光強(qiáng)比有關(guān)。P為L(zhǎng)ED的額定功0率，I0為L(zhǎng)ED的額定光強(qiáng)。功率光強(qiáng)比越小，下界越小。對(duì)于LED來(lái)說(shuō)是固定的性質(zhì)。因此，以功率光強(qiáng)比作為L(zhǎng)ED選擇的指標(biāo)。

綜合上述考慮，最終選擇日本日亞公司生產(chǎn)的NESW157B白色LED，其額定功率為0.155W，額定光強(qiáng)為6.7cd。

4 無(wú)線傳輸子模塊設(shè)計(jì)

4.1 無(wú)線發(fā)射芯片選擇

攝像頭采集到的圖像經(jīng)過(guò)芯片處理之后輸出，需要通過(guò)射頻方式傳輸?shù)襟w外。傳輸系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了臺(tái)灣立積公司生產(chǎn)的RTC6701模擬視頻傳輸芯片。這是工作在ISM頻段2.4GHz的調(diào)頻芯片，可以通過(guò)管腳選擇來(lái)設(shè)置不同的發(fā)射頻段，防止和其他頻段發(fā)生沖突。但是其輸出功率較小，為了能獲得穩(wěn)定的圖像，需要設(shè)計(jì)功率放大電路對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大。

4.2 射頻功率放大電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)放大電路工作頻率為2.4GHz，放大功率為100mW。其中輸入阻抗根據(jù)RTC6701的手冊(cè)，為50Ω，輸出為陶瓷天線，輸出阻抗為50Ω。射頻放大電路的設(shè)計(jì)步驟如下［11］：

a.放大電路方案選擇。首先，根據(jù)導(dǎo)通角不同，功率放大電路設(shè)計(jì)有A類，B類，AB類以及C類。因?yàn)楣β史糯筝^小，因此采用A類放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，射頻三極管選擇為恩智浦公司的BFG540射頻三極管，其S參數(shù)如表3所示。

表3 BFG540S參數(shù)表

b.穩(wěn)定性檢驗(yàn)。根據(jù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)公式，計(jì)算Δ和K 參數(shù)，計(jì)算得到 K=3.0809，｜Δ｜=0.6278。因此射頻三極管為絕對(duì)穩(wěn)定。

c.最大增益器方式設(shè)計(jì)。根據(jù)射頻三極管的單向優(yōu)質(zhì)指數(shù)，計(jì)算得到其結(jié)果為U=0.0959，可以采用單向化設(shè)計(jì)。因此，根據(jù)單向化設(shè)計(jì)的要求，對(duì)其輸入和輸出阻抗進(jìn)行匹配。其中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中輸入阻抗Γs==0.727∠-148°，輸出阻抗為ΓL==0.382∠86.3°。利用Smith圓圖進(jìn)行阻抗匹配，得到最終的功率放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)所述的攝像頭，照明以及無(wú)線傳輸子模塊設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的加工。整個(gè)系統(tǒng)尺寸（長(zhǎng)寬高）為12mm×17mm×6mm，滿足體積要求。

為了驗(yàn)證實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)男阅?，設(shè)計(jì)了幀頻測(cè)試的實(shí)驗(yàn)。幀頻測(cè)試時(shí)采用的原理是［12］利用攝像頭觀察幀頻測(cè)試儀上的發(fā)光二極管，通過(guò)調(diào)整發(fā)光二極管的發(fā)光時(shí)間間隔T0，逐步靠近攝像設(shè)備的曝光時(shí)間T。當(dāng)n個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光時(shí)間間隔T0滿足T=nT0時(shí)，觀察到的圖像為穩(wěn)定的圖像。否則，觀察到LED在閃爍或者有運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)幀頻測(cè)試儀原理，制作了幀頻測(cè)試電路板，電路板上有8個(gè)LED，利用基于STM32的主控電路板進(jìn)行控制。通過(guò)主控電路上的按鍵，調(diào)節(jié)LED發(fā)光的時(shí)間間隔，直到利用視覺系統(tǒng)觀察到幀頻測(cè)試電路板上的LED不閃爍。

在上述條件下，LED的發(fā)光時(shí)間為4.166ms，計(jì)算得到攝像頭1幀時(shí)間為33.3ms，得到攝像頭的固有周期為30幀／s。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明攝像頭的幀率滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著外科手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)外科手術(shù)器械提出了新要求。根據(jù)面向單孔腹腔鏡手術(shù)的微型機(jī)器人的要求，設(shè)計(jì)了視覺系統(tǒng)的攝像頭模塊、照明模塊和無(wú)線傳輸模塊，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了功耗、圖像質(zhì)量和照明質(zhì)量的要求；實(shí)現(xiàn)了面向單孔腹腔鏡手術(shù)的微型機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，并通過(guò)幀頻實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸30萬(wàn)像素視頻的性能。

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