基于ADXL345加速度傳感器的傾角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)臨床穿刺手術(shù)操作中穿刺針桿插入角度容易出現(xiàn)偏差的困境，基于ADXL345加速度傳感器開發(fā)了一套傾角測(cè)量系統(tǒng)。首先給出了ADXL345加速度傳感器的傾角測(cè)量物理原理；其次給出了該套傾角測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括ESP32主機(jī)、ADXL345加速度傳感器和OLED顯示模塊，并給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖。研制結(jié)果表明，該傾角測(cè)量系統(tǒng)能夠較好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穿刺針桿插入角度，方便醫(yī)生手術(shù)操作，必將有效提高穿刺手術(shù)成功率。

關(guān)鍵詞：ADXL345加速度傳感器；傾角測(cè)量；ESP32；流程圖

中圖分類號(hào)：TH772" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）08-0031-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.008

0" " 引言

穿刺器廣泛用于婦科、普外科、胸科和泌尿科等醫(yī)療手術(shù)操作中，用于建立器械入口、病變抽取和病變治療等。臨床操作中，穿刺器的刺入角度非常關(guān)鍵，盡管有影像引導(dǎo)，但穿刺針的入針方位角度通常由操作醫(yī)生憑借經(jīng)驗(yàn)把握，對(duì)操作醫(yī)生醫(yī)療臨床操作水平要求較高。實(shí)際臨床中，當(dāng)微創(chuàng)手術(shù)連續(xù)進(jìn)行時(shí)，操作醫(yī)生產(chǎn)生疲勞，容易導(dǎo)致入針角度出現(xiàn)偏差，不能準(zhǔn)確到達(dá)病變位置，造成手術(shù)失敗，增加患者穿刺次數(shù)和并發(fā)癥發(fā)生率[1]。

針對(duì)這一問題，以CT影像引導(dǎo)臨床操作為應(yīng)用對(duì)象，如圖1所示，設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，準(zhǔn)確顯示入針方位角度的系統(tǒng)，輔助操作醫(yī)生順利、準(zhǔn)確地將穿刺器送達(dá)病變位置，減輕操作醫(yī)生體力消耗，提高手術(shù)成功率，具有重要的醫(yī)療應(yīng)用前景。

1" " ADXL345加速度傳感器

ADXL345加速度傳感器是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的一款體積較小的超低功耗數(shù)字化加速度傳感器[2-3]，它由三軸加速度傳感器、敏感電子元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、電源管理和邏輯控制、串行端口組成，由固定于機(jī)械慣性系統(tǒng)上的敏感電子元件測(cè)量加速度變化，經(jīng)數(shù)字化處理后輸出。ADXL345傳感器芯片采用雙地址自選址型，INT1和INT2懸空為默認(rèn)地址，INT1和INT2置高電平為備用地址，其數(shù)據(jù)通過IIC總線傳回MCU部分進(jìn)行處理并計(jì)算得出角度。

2" " 傾角測(cè)量原理

穿刺針桿傾斜角由ADXL345加速度傳感器敏感重力加速度獲得。為了測(cè)量微創(chuàng)手術(shù)穿刺針桿的角度，將針桿假想為形狀規(guī)則的質(zhì)量塊，當(dāng)測(cè)量處于平衡狀態(tài)時(shí)，傾角由唯一激勵(lì)源——重力加速度獲得?？紤]敏感軸上的分量，與重力加速度的大小和方向建立關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)傾斜角度的測(cè)量[4-5]。

2.1" " 單軸加速度

設(shè)加速度傳感器測(cè)量結(jié)果為F（θ），θ為傾斜角度，g為重力加速度，如圖2所示。則有：

2.2" " 兩軸加速度

對(duì)于兩軸加速度傳感器，令兩個(gè)傳感方向，皆垂直于重力加速度方向，當(dāng)兩軸傾斜角θx，θy變化時(shí)，加速度傳感器測(cè)量結(jié)果為：

運(yùn)用兩軸加速度傳感器無(wú)法解決傾斜角測(cè)量中全方位和全擺幅共同實(shí)現(xiàn)的矛盾，所以，為測(cè)量一個(gè)全方位、全擺幅的傾斜角，就必須使用三軸加速度。

2.3" " 三軸加速度

根據(jù)牛頓第二定律，在宏觀低速情況下，在外力作用下，產(chǎn)生一定大小的加速度，即：

假定質(zhì)量塊沒有受到其他外力的作用，僅受重力作用，其在空間三個(gè)坐標(biāo)上產(chǎn)生由重力分力引起的加速度分量x，y，z，如圖3所示。

根據(jù)夾角幾何關(guān)系，有：

重力加速度g在各軸上的分量為：

聯(lián)立式（5）和（6），有：

則質(zhì)量塊的空間方位角度可由以下公式計(jì)算得出：

式中：α1，β1，γ1為質(zhì)量塊姿態(tài)改變后質(zhì)量塊的方位角。

實(shí)際應(yīng)用中，ADXL345加速度傳感器基于慣性原理，首先獲得質(zhì)量塊（穿刺針桿）的加速度數(shù)值信息，然后根據(jù)式（8）至式（10）計(jì)算得到質(zhì)量塊（穿刺針桿）的方位角度信息。

3" " 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括儀器主機(jī)ESP32控制單元、傳感器模塊ADXL345和內(nèi)置OLED顯示單元，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3.1" " 硬件設(shè)計(jì)

該傾角測(cè)量系統(tǒng)主機(jī)端基于ESP32單片機(jī)[6]，如圖5所示，它是一款集成Wi-Fi功能的微控制器，擁有強(qiáng)大的性能，可以用來(lái)開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用，內(nèi)置32位雙核處理器，最高頻率為240 MHz。ESP32具有性能強(qiáng)大、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)勢(shì)，除此之外，自帶Wi-Fi和藍(lán)牙功能，配置充電管理、OLED顯示，采用4層PCB、元件堆疊等方案使體積最小化，盡可能減輕對(duì)操作者精確操作的影響。

傳感器選擇ADXL345加速度傳感器，實(shí)物如圖6所示，可檢測(cè)靜態(tài)的重力加速度，也可測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。需要注意的是，ADXL345加速度傳感器不能直接測(cè)量物體的三維角度值，它是先測(cè)量物體的重力加速度，再解析重力加速度在X、Y、Z三軸間的分量，最后利用解算公式求出物體在三維方向的角度值。

經(jīng)濾波算法處理后，傳感器模塊角度測(cè)量精度可達(dá)±0.1°；同時(shí)采用通用夾具方案，可通過更換夾具適配多種醫(yī)療設(shè)備或用于其他用途。

由加速度傳感器可換算得出三軸角度。由于使用重力場(chǎng)作為基準(zhǔn)，當(dāng)Z軸平行于重力方向時(shí)，回轉(zhuǎn)角度（XY軸組成的平面上的回轉(zhuǎn)角度）無(wú)法獲得有效參考，不能得到有效的回轉(zhuǎn)角度讀數(shù)，因此，在平行于鉛垂面的平面上，在傳感器模塊加入十字激光參考。十字激光兩軸分別與X、Y軸平行，十字激光兩軸相對(duì)于參考坐標(biāo)系X、Y軸的偏轉(zhuǎn)均為回轉(zhuǎn)角。

3.2" " 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由于ESP32采用了FreeRTOS系統(tǒng)框架，系統(tǒng)的控制流程大為簡(jiǎn)化，同時(shí)有利于后期的維護(hù)。

軟件部分主要由主程序和終端服務(wù)程序兩部分組成，終端程序負(fù)責(zé)接收ADXL345加速度傳感器發(fā)來(lái)的傾角數(shù)據(jù)，主程序負(fù)責(zé)傾角數(shù)據(jù)的二次處理、用戶數(shù)據(jù)命令的收發(fā)、存儲(chǔ)管理、界面顯示等一系列工作。

主程序設(shè)計(jì)分為五個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行任務(wù)，分別為數(shù)據(jù)處理任務(wù)、藍(lán)牙任務(wù)、Wi-Fi任務(wù)、顯示任務(wù)和看門狗復(fù)位任務(wù)。

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

程序設(shè)計(jì)中，先初始化串口、I/O口和顯示模塊，同時(shí)獲取傳感器模塊的配置和儀器主機(jī)電池電壓，然后在終端程序內(nèi)讀取傳感器模塊ADXL345發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，隨后對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行角度換算處理，再發(fā)送到OLED模塊顯示。

測(cè)量系統(tǒng)使用過程中，操作者手部的輕微抖動(dòng)會(huì)影響傳感器基于重力場(chǎng)對(duì)方位角的計(jì)算，因此引入時(shí)差校準(zhǔn)來(lái)消除影響，即提前或者延后若干毫秒再采集數(shù)據(jù)。

計(jì)算校準(zhǔn)流程如圖8所示。

具體校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)設(shè)置如下：

dy = atan（Y_out / sqrt（pow（X_out， 2） + pow（Z_out， 2））） * 180 / PI;

dx = atan（-1 * X_out / sqrt（pow（Y_out， 2） + pow（Z_out， 2））） * 180 / PI;

// Low-pass filter

dyf = 0.94 * dyf + 0.06 * dy;

dxf = 0.94 * dxf + 0.06 * dx;" "http://加權(quán)平均校準(zhǔn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)權(quán)重0.94，時(shí)差數(shù)據(jù)權(quán)重0.06

if（digitalRead（0）==HIGH）" " " //實(shí)時(shí)測(cè)量選擇高電平

……

目前，基于ADXL345加速度傳感器的傾角測(cè)量系統(tǒng)已制作完成，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括ESP32主機(jī)模塊、傳感器模塊和OLED顯示單元，如圖9所示。

4" " 結(jié)語(yǔ)

基于ADXL345傳感器的傾角測(cè)量系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，具有較好的醫(yī)療應(yīng)用前景。通過硬件選取和軟件程序設(shè)計(jì)，目前該傾角系統(tǒng)已基本制作完成，但穿刺針桿的夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不夠簡(jiǎn)便，硬件系統(tǒng)無(wú)菌化處理問題還沒有解決，與實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用需求尚有差距，需要進(jìn)一步改進(jìn)完善。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2022-12-09

作者簡(jiǎn)介：魏子程（2001—），男，云南人，研究方向：計(jì)算機(jī)（ESP32）應(yīng)用。

通信作者：張海軍（1976—），男，山東魚臺(tái)人，副教授，研究方向：醫(yī)療器械設(shè)計(jì)。