專利名稱：球囊尺寸測量裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種球囊尺寸測量裝置和方法，尤其是一種PTCA(經皮冠狀動脈腔內血管成形術)球囊擴展導管的球囊尺寸測量裝置及其測量方法。
背景技術：
PTCA是“經皮冠狀動脈腔內成形術”的英文簡稱。即利用一種細長的柔軟導管以及導絲、球囊及其它相關器材在X線透視及造影劑的指引下，針對顯著狹窄甚至閉塞的冠狀動脈病變部位進行擴張，以達到開通和擴張管腔，改善和恢復冠脈血流的目的。為了進一步保持管腔開通，維持正常血流，目前往往在PTCA后進一步行支架植入術。球囊尺寸測量是指球囊在名義使用壓力下擴張后所成型尺寸的測量。如果球囊過長，擴張過大，支架在擴張時容易產生“狗骨效應”；而球囊過短，則支架擴張不完全，擴張一致性差。因此精確測量球囊的尺寸，對于保證支架系統的質量而言非常重要。目前對于球囊尺寸的測量通常由人工進行。在現有的人工測量球囊尺寸中，測量精度不高，并且測量球囊有效長度與測量球囊有效直徑分開進行，從而效率不高。因此亟需一種精確高效測量設備來檢測球囊尺寸。
發明內容
本發明針對現有人工測量球囊尺寸精度不高，并且測量有效長度與測量有效直徑分開進行效率不高的缺點，提供一種測量球囊尺寸的裝置及測量方法。為實現上述目的，根據本發明的一方面，提供了一種球囊尺寸測量裝置，其包括采集控制單元、機械單元、直徑測量單元和數據采集單元。所述采集控制單元包括第一通訊接口、第一微處理器、前后限位開關、控制電路、采集電路、直流電機和增量式編碼器；機械單元包括滾珠絲桿副、球囊夾具和傳動機構，所述滾珠絲桿副包括螺母滑塊和絲桿軸；直徑測量單元包括非接觸式測徑部分、第二微處理器和第二通訊接口 ；數據處理單元包括數據記錄模塊、球囊形狀繪制模塊和球囊尺寸計算模塊。第一微處理器通過采集電路與增量式編碼器相連，并通過控制電路與直流電機的輸入端相連，直流電機的輸出端與滾珠絲桿副的絲桿軸相連，前后限位開關限定球囊的運動行程；螺母滑塊安裝到絲桿軸上，球囊夾具固定在螺母滑塊上，球囊夾具夾帶球囊穿過非接觸式測徑部分，由非接觸式測徑部分測得的球囊直徑數據經第二微處理器的處理，通過第二通訊接口實時傳輸給數據記錄模塊。增量式編碼器通過所述傳動機構連接到絲桿軸，并從絲桿軸獲取轉動信號，采集電路和微處理器對所述轉動信號進行處理獲得位置數據，位置數據通過第一通訊接口實時傳輸給數據記錄模塊。數據記錄模塊將球囊直徑數據和位置數據傳給球囊形狀繪制模塊，由球囊形狀繪制模塊繪制出球囊的二維投影圖像；球囊繪制模塊將數據傳輸給球囊尺寸計算模塊，由球囊尺寸計算模塊計算出球囊的尺寸。優選地，機械單元與直徑測量單元以可拆卸方式連接，機械單元的球囊夾具部分可調整以適應直徑測量單元，以便球囊處于最佳的被掃描區域。更優選地，機械單元與直徑測量單元通過螺栓連接。優選地，所述傳動機構采用皮帶輪傳動方式，其包括編碼器皮帶輪、絲桿軸皮帶輪以及連接編碼器皮帶輪和絲桿軸皮帶輪的皮帶。優選地，直徑測量單元采用非接觸式激光測徑的方式測量球囊的直徑，第二微處理器向通訊接口發送所測直徑數據，發送頻率優選為1-50個/秒。優選地，通過控制電路設置直流電機的行程遠近，對直流電機進行調速。優選地， 第一微處理器計算得到位置數據并通過第一通訊接口發送位置數據的頻率為100個/秒。優選地，直流電機的轉動方向和速度可調，正反轉速范圍優選為0 100轉/分。優選地，數據處理單元的數據記錄模塊實時記錄第一通訊接口所發送的球囊直徑數據和位置數據，球囊形狀繪制模塊根據所述球囊直徑數據和位置數據繪制出球囊的二維投影形狀圖，球囊尺寸計算模塊確定球囊的有效直徑并根據預先定義的閾值參數計算球囊的有效長度。優選地，球囊的有效直徑通過對球囊的中間平直段的直徑求平均值而獲得，以所述有效直徑的90%作為閾值來確定球囊的有效長度的起端和終端，從而求得球囊的有效長度。根據本發明的另一方面，提供一種使用本發明的裝置測量球囊尺寸的方法，其包括將球囊裝載到球囊夾具上；推送所述球囊在所述直徑測量單元中移動；測量并記錄所述球囊的直徑數據；測量并記錄所述球囊的位置數據；根據所述球囊的直徑數據和位置數據繪制球囊的二維投影形狀；計算所述球囊的尺寸。本發明的有益效果是為球囊提供了便捷的裝載方式；并為球囊提供了穩定并可調的推送方式。并且可同時測量球囊的有效長度和有效直徑，使得測量球囊的尺寸的效率大大提高。另外，避免了人工測量的主觀性，提高了測量精度，也提高了尺寸測量值的可信度。
圖1是本發明的球囊尺寸測量裝置的結構框圖；圖2是本發明的球囊尺寸測量裝置中的采集控制單元、機械單元和直徑測量單元的關系示意圖；圖3A、;3B是在測量過程中裝載在球囊夾具上的球囊與直徑測量單元的關系示意圖，其中圖3A是正視截面圖，圖:3B是沿圖3A中線A-A截取的側視截面圖；圖4是示出球囊夾具中夾頭的具體結構以及球囊裝載的示意圖；圖5是數據處理單元對球囊尺寸與位置數據進行處理的流程圖；圖6是根據一個實例測得的球囊直徑數據的實時記錄示意圖；圖7是根據一個實例測得的位置數據的實時記錄示意圖；圖8是根據圖6、7的數據繪制的球囊形狀示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與優選實施例對本發明作進一步的說明。如圖1所示，本發明的球囊尺寸測量裝置包括采集控制單元100、機械單元200、直徑測量單元300和數據處理單元400。根據本發明優選實施例的該球囊尺寸測量裝置的具體結構如下。如圖1所示，采集控制單元100包括第一通訊接口 101、第一微處理器102、限位開關103、控制電路104、采集電路105、直流電機106和增量式編碼器107。限位開關103可包括前限位開關和后限位開關。機械單元200包括滾珠絲桿副201、球囊夾具203和傳動機構207。滾珠絲桿副 201包括螺母滑塊202和絲桿軸206。直徑測量單元300包括非接觸式測徑部分301、第二微處理器302和第二通訊接口 303。數據處理單元400包括數據記錄模塊401、球囊形狀繪制模塊402和球囊尺寸計算模塊403。如圖1和圖2所示，采集控制單元100中的第一微處理器102通過控制電路104與直流電機106的輸入端相連，直流電機106的輸出端與機械單元200中滾珠絲桿副201的絲桿軸206相連。優選地，通過聯軸器208實現該連接。螺母滑塊202安裝到絲桿軸206上，螺母滑塊相對于絲桿軸206可滑動，并用于固定球囊夾具203，絲桿軸206通過傳動機構207連接到采集控制單元100中的增量式編碼器107。優選地，傳動機構207采用皮帶輪傳動，其可包括編碼器皮帶輪204和絲桿軸皮帶輪205，絲桿軸皮帶輪205與編碼器皮帶輪204通過皮帶連接。應該理解，采用其他形式的傳動機構也是可行的，例如齒輪、摩擦輪等。球囊夾具203固定在螺母滑塊202上，球囊夾具203用于夾帶球囊10穿過直徑測量單元300的非接觸式測徑部分301，由非接觸式測徑部分301所測得的球囊直徑數據經第二微處理器302處理，通過第二通訊接口 303實時傳輸給數據處理單元400中的數據記錄模塊401。增量式編碼器107例如通過皮帶輪傳動的方式從絲桿軸206獲取轉動信號，經采集電路105和第一微處理器102處理，將球囊夾具203或螺母滑塊202相對于一端限位開關(例如，后限位開關)的位置數據作為球囊位置數據，并通過第一通訊接口 101實時傳輸給數據記錄模塊401。數據記錄模塊401將接收的位置數據和球囊直徑數據傳輸給球囊形狀繪制模塊402，由球囊形狀繪制模塊402根據所述位置數據和球囊直徑數據繪制出球囊的二維投影圖像。球囊繪制模塊402將位置數據和球囊直徑數據傳輸給球囊尺寸計算模塊 403，由球囊尺寸計算模塊403計算出球囊的精確尺寸。所述機械單元200與直徑測量單元300以可拆卸方式連接，優選地，采用螺栓固定方式連接。機械單元200的球囊夾具203可調整以適應直徑測量單元300，以便球囊10處于最佳的被掃描區域。使用增量式編碼器107來測量精確的位置數據，位置數據可用于計算球囊的有效長度，后面將對此進行詳細描述。直徑測量單元300可以采用市場購置的產品，例如激光測徑儀，其采用非接觸式激光測徑的方式測量球囊的直徑，并由第二微處理器302向第二通訊接口 303發送所測直徑數據。優選地，發送直徑數據的頻率大于30個/秒。所述采集控制單元100的控制電路104上設置有按鍵(未示出)，通過所述按鍵可設置直流電機106的行程遠近，可對直流電機106進行調速，第一微處理器102利用經由采集電路105從增量式編碼器107獲得的信號進行計算，得到位置數據，并通過第一通訊接口 101發送。優選地，計算和發送位置數據的頻率為100個/秒。所述直流電機106的轉動方向和速度可調，優選地，正反轉速范圍為0 100轉/ 分。所述數據處理單元400的數據記錄模塊401能實時記錄第一通訊接口 101和第二通訊接口 303所發送的球囊直徑數據和位置數據。球囊形狀繪制模塊402根據所述球囊直徑數據和位置數據繪制出球囊10的二維投影形狀圖。球囊尺寸計算模塊403可根據預先定義的閾值參數計算球囊10的有效長度。圖2示出根據本發明優選實施例的球囊尺寸測量裝置中的采集控制單元、機械單元和直徑測量單元的關系。如前面所述，直流電機106可通過聯軸器208與絲桿軸206相連，通過滾珠絲桿副201將旋轉運動轉化成直線運動。前限位開關和后限位開關使得球囊 10在規定的行程區間往返運動，當固定球囊夾具203的螺母滑塊202觸碰到后限位開關時， 螺母滑塊202向前運動；當螺母滑塊202觸碰到前限位開關時，螺母滑塊202向后運動。此外，螺母滑塊202的運動速度受第一微處理器102和控制電路104控制。在螺母滑塊202上固定球囊夾具203(球囊夾具203的結構在后面參考圖3、4描述)，球囊夾具203的夾頭2032的位置可以前后調整以適應不同規格球囊的安放，其一端向外伸入直徑測量單元300的非接觸式測徑部分301，使得裝載在球囊夾具203上的球囊10 得以進行直徑測量。絲桿軸206上固定的絲桿軸皮帶輪205與編碼器皮帶輪204通過皮帶連接，增量式編碼器107可測得絲桿軸206轉動的方向和轉過的量，將脈沖信號傳輸給第一微處理器 102。這里以后限位開關作為位置起點，即坐標系的“0”點，以前限位開關作為位置終止點， 那么螺母滑塊202以“0”點為位置基準點，第一微處理器102根據正反脈沖信號的增減使得位置數據值也隨之增減，并將位置數據傳輸給第一通訊接口 101。應該理解，以前限位開關作為位置起點，以后限位開關作為位置終止點，也是可行的。在本發明中，對通訊接口的類型沒有限制，其可以為有線的，例如串口、并口、USB 接口等；也可以為無線的，例如WiFi、藍牙等。圖3AJB示出測量過程中球囊夾具203、球囊10和直徑測量單元300的關系。根據本發明的優選實施例，球囊夾具203由橫桿2031和夾頭2032組成，橫桿2031具有導槽， 可以根據球囊尺寸的不同調節前后夾頭的距離，優選地，可調的距離范圍是70cm-200cm。球囊導管的導絲腔中穿過導絲20后，球囊10的兩端剛度增大，從而可夾在夾頭 2032中同時使球囊10的位置保持平直并與直徑測量單元300的端面垂直，以這種方式將球囊10裝載在球囊夾具203中。球囊10裝載的位置最好保持在直徑測量單元300的非接觸式測徑部分301的中心位置，即最佳的測量位置。球囊10的來回行程應在直徑測量單元 300的測量范圍之中。圖4示出根據本發明的優選實施例的球囊夾具中夾頭的具體結構以及球囊裝載的示意圖。在圖4所示的優選實施例中，夾頭2032設計成可上下調整的，可由調整螺絲2033 進行控制。夾頭2032由固定片2034、彈性壓緊片2035和壓緊螺絲2036組成。裝載時只需將球囊10兩端的導絲20壓入夾頭2032，彈性壓緊片2034稍張開，等導絲20壓至導絲孔， 彈性壓緊片2034自然回彈閉緊。注意裝載時前后夾頭中間的球囊導絲段平直不要彎曲，并且控制好球囊410與直徑測量單元的位置關系，參考圖3A、3B。圖5示出本發明的數據處理單元對球囊尺寸與位置數據進行處理的流程圖。本發明的數據處理單元400可以采用PC、單片機、嵌入式系統、SoC等實現。如前面所述，其可包括數據記錄模塊401、球囊形狀繪制模塊402和球囊尺寸計算模塊403。數據處理模塊401 用于實時記錄球囊直徑數據和實時記錄位置數據。球囊形狀繪制模塊402用于根據球囊直徑數據和位置數據在坐標系中繪制球囊10的外觀形狀。球囊尺寸計算模塊403根據球囊直徑數據和位置數據計算球囊10的有效長度、有效直徑，并記錄報告和保存。數據處理單元400實時記錄球囊直徑數據和實時記錄位置數據，以這兩種數據為縱坐標和橫坐標來繪制球囊形狀圖，并得到球囊的有效直徑和有效長度。在生成球囊形狀圖的坐標數據中(球囊形狀圖可參考圖8)，去掉球囊兩端錐形段的數據，中間段形狀平直，用來計算有效直徑。優選地，對球囊的中間平直段的直徑求平均值作為球囊的有效直徑。替代地，也可以球囊的中間平直段中任一點的直徑作為球囊的有效直徑。有效長度是球囊擴張后起到有效支撐作用的球囊長度，球囊兩端錐形段是均勻漸變的，定義錐形段直徑為有效直徑的90%是有效長度的起端和終端，介于起端和終端的這段長度是有效長度，截取起端和終端位置數據，用來計算有效長度。應該理解，以有效直徑的90%作為有效長度的起端和終端閾值僅是本發明的優選實施方式。本發明并不限于此， 例如，該閾值可以是有效直徑的60 % -100 %中的任意數值，例如，60 %、65 %、70 %、75 %、 80%、85%、88%、92%、95%、98% 等。下面結合圖6-8對球囊尺寸測量的一個實例進行描述。圖6示出根據一個實例測得的球囊直徑數據的實時記錄。啟動球囊尺寸測量裝置，球囊夾具203夾帶球囊10將其送入直徑測量單元300。在該例中，每個球囊10的測試是4次推送，即送入、回歸、送入、回歸。也就是說，送入和回歸各作為1個推送周期。在每次推送過程中測量并實時記錄位置數據和球囊直徑數據。在該例中，進行4個周期的測量， 從而進行4次有效直徑和有效長度的計算，對計算結果取平均值作為球囊最終的有效直徑和有效長度。應該理解，測試周期和計算次數可以更多或更少。最少可以僅進行一次推送完成一個周期的測量，并從中得到球囊的有效直徑和有效長度。圖6是實時記錄下的直徑數據圖，橫坐標是時間軸，單位ms ；縱坐標是測試的球囊的直徑數據，單位mm。優選地，直徑數據可精確到0. 001mm。圖6中截取了上述推送測量過程所記錄的直徑數據的一部分。實際上，圖6中包含有3個推送過程的直徑數據。圖中的高平直段是球囊10的有效長度段，低平直段是球囊兩端導絲20的直徑，傾斜段是球囊錐形段。圖7示出測得的位置數據的實時記錄。啟動球囊尺寸測量裝置后，在推送動作過程中，數據記錄模塊401對推送的位置數據進行記錄，優選地，推送位置在O-IOOmm的范圍內，圖中的橫坐標是時間軸，單位是ms ；縱坐標是位置數據，單位是mm。優選地，位置數據可精確至0.01mm。圖7是截取的測試過程中記錄下來的一段數據圖。圖中拐點處表示推送換向，位置數據呈現一條直線表示推送的速度是勻速的。推送的速度是可調的，其可由采集控制單元100調整，優選地，可調的速度范圍在0-20mm/s。圖8示出根據圖6、7的數據繪制的球囊形狀。圖中橫坐標是位置數據，單位是mm，來源于圖7所示的位置數據記錄；縱坐標是球囊直徑數據，單位是mm，來源于圖6所示的直徑數據記錄。圖8所示球囊形狀繪制是離散的，但因為有足夠多的點，所以不會影響球囊形狀繪制的精度。圖8中所示為某一球囊測試一次所繪制的形狀圖，球囊的位置數據大概在 61mm-82mm。利用球囊的中間平直段采集到的點計算球囊的有效直徑；球囊的有效長度是由設定的閾值(例如，有效直徑的90%)所確定起端和終端之間的長度。球囊尺寸計算模塊403可在所繪制的球囊形狀基礎上計算球囊尺寸。球囊尺寸計算模塊403先將離散的數據處理(例如，擬合)成連續的數據曲線，然后根據設定的閾值確定起端和終端，由此計算出球囊精確的有效長度值。
權利要求
1.一種測量球囊尺寸的裝置，包括采集控制單元(100)、機械單元000)、直徑測量單元(300)和數據處理單元000)，其特征在于所述采集控制單元(100)包括第一通訊接口(101)、第一微處理器(102)、前后限位開關(103)、控制電路(104)、采集電路(105)、直流電機(106)和增量式編碼器(107)；所述機械單元(200)包括滾珠絲桿副001)、螺母滑塊002)、球囊夾具003)、傳動機構(207)，所述滾珠絲桿副(201)包括螺母滑塊(202)和絲桿軸(206)；所述直徑測量單元(300)包括非接觸式測徑部分(301)、第二微處理器(30 和第二通訊接口 (303)；所述數據處理單元(400)包括數據記錄模塊(401)、球囊形狀繪制模塊(40 和球囊尺寸計算模塊G03)；其中，所述第一微處理器(10 通過采集電路(10 與增量式編碼器(107)相連，并通過控制電路(104)與直流電機(106)的輸入端相連，直流電機(106)的輸出端與滾珠絲桿副O01)的絲桿軸(206)相連，所述前后限位開關(103)限定球囊的運動行程；所述螺母滑塊(20 安裝到絲桿軸(206)上，球囊夾具Q03)固定在螺母滑塊(202) 上，球囊夾具(20 夾帶球囊穿過非接觸式測徑部分(301)，由非接觸式測徑部分(301)所測得的球囊直徑數據經第二微處理器(30 處理，通過第二通訊接口(30 實時傳輸給數據記錄模塊(401)；所述增量式編碼器(107)通過所述傳動機構(207)連接到絲桿軸006)，并從絲桿軸 (206)獲取轉動信號，所述采集電路(10 和第一微處理器(10 對所述轉動信號進行處理獲得位置數據，所述位置數據通過第一通訊接口(101)實時傳輸給數據記錄模塊G01)；所述數據記錄模塊G01)將球囊直徑數據和位置數據傳輸給球囊形狀繪制模塊 002)，由球囊形狀繪制模塊(40 繪制出球囊的二維投影圖像；球囊繪制模塊(40 將數據傳輸給球囊尺寸計算模塊G03)，由球囊尺寸計算模塊(40 計算出球囊的尺寸。
2.根據權利要求1所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述機械單元(200)與直徑測量單元(300)以可拆卸方式連接，機械單元O00)的球囊夾具(20 部分能夠調整以適應直徑測量單元(300)，以便球囊處于最佳的被掃描區域。
3.根據權利要求2所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述機械單元(200)與直徑測量單元(300)通過螺栓連接。
4.根據權利要求1所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述傳動機構(207)采用皮帶輪傳動方式，包括編碼器皮帶輪004)、絲桿軸皮帶輪Q05)以及連接所述編碼器皮帶輪(204)和絲桿軸皮帶輪O05)的皮帶。
5.根據權利要求1所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述直徑測量單元(300) 采用非接觸式激光測徑的方式測量球囊的直徑，所述第二微處理器(302)向第二通訊接口 (303)發送所測直徑數據的頻率為1-50個/秒。
6.根據權利要求1所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于通過所述控制電路(104) 設置直流電機(106)的行程，對直流電機(106)進行調速，所述第一微處理器(10 計算得到位置數據并通過第一通訊接口(101)發送所述位置數據的頻率為100個/秒。
7.根據權利要求1所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述直流電機(106)的轉動方向和速度能夠調節，正反轉速范圍為0 100轉/分。
8.根據權利要求1所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述數據處理單元(400) 的數據記錄模塊G01)能實時記錄第一通訊接口(101)和第二通訊接口(30 所發送的球囊直徑數據和位置數據，球囊形狀繪制模塊(40 根據所述球囊直徑數據和位置數據繪制出球囊的二維投影形狀圖，球囊尺寸計算模塊(40 確定球囊中間平直段的有效直徑并根據預先定義的閾值參數計算球囊的有效長度。
9.根據權利要求8所述的球囊尺寸測量裝置，其特征在于所述有效直徑通過對球囊的中間平直段的直徑求平均值而獲得，以所述有效直徑的90%作為所述閾值來確定球囊的有效長度的起端和終端，從而求得有效長度。
10.一種通過權利要求1-9中任一項所述的裝置測量球囊尺寸的方法，其包括 將球囊裝載到球囊夾具上；推送所述球囊在所述直徑測量單元中移動； 測量并記錄所述球囊的直徑數據； 測量并記錄所述球囊的位置數據；根據所述球囊的直徑數據和位置數據繪制球囊的二維投影形狀； 計算所述球囊的尺寸。
全文摘要
本發明涉及一種球囊尺寸測量裝置和方法，該裝置包括采集控制單元、機械單元、直徑測量單元和數據處理單元。采集控制單元包括第一通訊接口、第一微處理器、前后限位開關、控制電路、采集電路、直流電機和增量式編碼器；機械單元包括滾珠絲桿副、球囊夾具和傳動機構，所述滾珠絲桿副包括螺母滑塊和絲桿軸；直徑測量單元包括非接觸式測徑部分、第二微處理器和第二通訊接口，數據處理單元包括數據記錄模塊、球囊形狀繪模塊和球囊尺寸計算模塊。
文檔編號G01B11/08GK102213582SQ201110085818
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者孫冰, 施重頻, 李勇, 王盛強, 陳齊歐 申請人:微創醫療器械(上海)有限公司