侯健，周宇△，陸巍，劉子悅，李媛，李文慧

(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海 200092)

1 引 言

消化道的重建是胃腸外科手術(shù)中最重要的步驟之一，去除病變組織后，醫(yī)生需要對(duì)剩余部分進(jìn)行吻合手術(shù)，形成連續(xù)的消化道，規(guī)范的消化道重建對(duì)于提高手術(shù)的成功率，降低手術(shù)并發(fā)癥率具有重要的意義[1-3]。目前臨床上消化道重建的方法包括手工吻合和機(jī)械吻合[1-4]。相對(duì)于手工吻合，機(jī)械吻合能夠縮短手術(shù)時(shí)間，具有縫口更整齊，愈合效果更好等優(yōu)點(diǎn)。使用吻合器時(shí)需要將組織壓榨到一定厚度，對(duì)組織進(jìn)行過度壓榨或欠壓榨都將影響最終的吻合口質(zhì)量[5-8]。壓榨不夠時(shí)，易引起吻合口出血；壓榨過度，會(huì)導(dǎo)致吻合部位組織失活過早壞死，從而引起吻合口瘺等并發(fā)癥。因此，醫(yī)生需要把握好對(duì)組織的壓榨程度[4,7]。

隨著技術(shù)的更新，開始出現(xiàn)了自動(dòng)吻合器[11]，實(shí)現(xiàn)了夾持和擊發(fā)動(dòng)作的自動(dòng)化，使用更加方便，然而它并未實(shí)現(xiàn)壓榨過程的智能化，仍需要醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷組織壓榨狀態(tài)，決定吻合器的壓榨停止時(shí)間，因此，仍未解決人為因素可能造成的吻合器使用問題[10]。要找到合適的壓榨方法，必須明確影響壓榨質(zhì)量的可控因素。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)[11-12]：壓榨時(shí)間會(huì)影響吻合釘?shù)某尚停龃髩赫r(shí)間有利于提高吻合口的質(zhì)量；在對(duì)圓形吻合器的研究中，得到了25%的安全壓縮比率[13-14]；由于組織的特性，通常會(huì)施加8 g/mm2的壓強(qiáng)來固定組織，結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，壓榨過程主要會(huì)受壓強(qiáng)、時(shí)間和壓縮比率等影響[13-17]。要實(shí)現(xiàn)吻合器壓榨過程的智能化，除了要掌握可能影響壓榨過程的外部可控因素之外，還需要觀察組織內(nèi)部在壓榨過程中發(fā)生的變化。生物組織由組織液和細(xì)胞共同構(gòu)成，工程上會(huì)用ColeY模型、5/500 kHz并行模型等電學(xué)模型來表征生物組織的內(nèi)部狀態(tài)[2-3,18-20]，利用生物阻抗來建立與生物體之間的聯(lián)系。因此，為了進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，探究不同參數(shù)對(duì)組織壓榨效果的影響，找到生物組織的智能壓榨方法，本研究研制了一款專用的、高精度的可檢測(cè)生物組織阻抗數(shù)據(jù)的自動(dòng)壓榨裝置。

2 系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)消化道組織進(jìn)行壓榨實(shí)驗(yàn)時(shí)，消化道組織的受壓榨壓強(qiáng)、厚度以及內(nèi)部阻抗變化是影響組織壓榨質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，普通的手動(dòng)壓榨裝置存在壓榨模式單一、對(duì)關(guān)鍵參數(shù)控制和測(cè)量不精準(zhǔn)等明顯不足。為了實(shí)驗(yàn)要求，自動(dòng)壓榨裝置需滿足精準(zhǔn)控制壓榨距離、準(zhǔn)確檢測(cè)組織所受到壓強(qiáng)、精確測(cè)量組織厚度以及壓榨模式可變的設(shè)計(jì)需求。自動(dòng)壓榨裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖，見圖1。系統(tǒng)分為：開關(guān)電源、基于STM32單片機(jī)的主控模塊、電機(jī)壓榨、壓力檢測(cè)、阻抗檢測(cè)以及人機(jī)交互觸摸屏6個(gè)模塊。

系統(tǒng)由開關(guān)電源模塊統(tǒng)一供電，主控模塊以STM32F103VG芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制；電機(jī)壓榨模塊負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)參數(shù)反饋，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)組織的壓榨和厚度測(cè)量；人機(jī)交互觸摸屏選用醫(yī)用YY系列串口屏(武漢中顯示公司)，實(shí)驗(yàn)人員可通過人機(jī)交互觸摸屏選擇不同壓榨模式，設(shè)置壓強(qiáng)、厚度等壓榨參數(shù)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果也通過觸摸屏顯示；主控模塊接收觸摸屏發(fā)送的指令，控制電機(jī)壓榨模塊對(duì)組織的壓榨，同時(shí)通過阻抗檢測(cè)模塊測(cè)量和記錄組織的阻抗值，直至完成設(shè)定的壓榨模式。

圖1 (a).自動(dòng)壓榨裝置系統(tǒng)框圖；(b).自動(dòng)壓榨裝置實(shí)物圖

2.2 電機(jī)壓榨

壓榨模式控制及厚度測(cè)量基于電機(jī)壓榨模塊實(shí)現(xiàn)。預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，消化道系統(tǒng)中較薄的小腸組織的厚度在1～2 mm之間，考慮厚度1 mm的情況以及文獻(xiàn)[13-14]中提到的25%的安全壓縮比，對(duì)組織的壓榨精度要求應(yīng)達(dá)到0.25 mm?；诖耍_定了以SS伺服步進(jìn)電機(jī)42SSC-HB(智創(chuàng)公司)以及10000PPR編碼器組成的電機(jī)系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬吻合器的吻合動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)每0.036°精確行走一次，最小步進(jìn)距離可達(dá)0.001 mm。程序設(shè)計(jì)中，主控模塊通過PWM波對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)不同的壓榨模式，同時(shí)檢測(cè)編碼器反饋的電機(jī)軸位置信息，每20 μs更新一次，主控模塊根據(jù)此信息計(jì)算出升降結(jié)構(gòu)的位置、進(jìn)而得到組織的厚度數(shù)據(jù)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)偏差時(shí)，會(huì)采取糾正措施，消除偏差。足夠小的步進(jìn)距離以及精確的反饋控制方式使電機(jī)壓榨模塊具有高精度的壓榨控制和厚度測(cè)量的能力，可滿足實(shí)驗(yàn)需求。

2.3 壓強(qiáng)測(cè)量

壓強(qiáng)測(cè)量對(duì)與組織的壓榨控制至關(guān)重要。相關(guān)文獻(xiàn)中提到，對(duì)消化道組織適宜的壓榨強(qiáng)度為8 g/mm2左右，在研究過程中，需要擴(kuò)大壓榨強(qiáng)度范圍來研究其對(duì)壓榨效果的影響，預(yù)實(shí)驗(yàn)表明2～35 g/mm2是一個(gè)充足的參數(shù)范圍，故以此作為裝置研制的技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)采用壓力傳感器檢測(cè)壓力后，經(jīng)過計(jì)算得到壓強(qiáng)值的方案。首先確定施力面積，其大小應(yīng)小于受力組織的面積，以消化道組織中最薄的小腸為例，其腔道半徑r1最小7.5 mm，若施力面積為圓形且半徑為r2，則有：

2×r2<π×r1
r2<11.775 mm

(1)

計(jì)算可得，自動(dòng)壓榨裝置的施力半徑定為8 mm，面積為200 mm2，即壓力傳感器量程要滿足0～7 000 g的范圍。同時(shí)，為保證測(cè)量系統(tǒng)的精度以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出相對(duì)誤差不超過1%且最小分辨率達(dá)到0.5 g的設(shè)計(jì)需求。由此確定了以SP4M單點(diǎn)稱重傳感器(HBM公司)為核心的設(shè)計(jì)方案，其測(cè)量量程為0～7 000 g，C6級(jí)別精度即1.16 g，搭配相應(yīng)的調(diào)理電路，可滿足實(shí)驗(yàn)需求。

2.4 阻抗測(cè)量

阻抗測(cè)量是檢測(cè)組織內(nèi)部狀態(tài)信息的核心，經(jīng)檢索，在測(cè)量消化道組織的阻抗時(shí)使用5/50 kHz頻率信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，通過低頻和高頻兩個(gè)頻率點(diǎn)可以比較準(zhǔn)確的得到組織阻抗的構(gòu)成信息，在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，選取50～60 mm長(zhǎng)度的豬小腸作為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)無論是高頻還是低頻信號(hào)激勵(lì)，消化道組織的阻抗幅值都在2～4 kΩ范圍內(nèi)[21-22]。基于此，本研究設(shè)計(jì)中采用了基于Analog Device公司的 AD5933阻抗測(cè)量芯片的阻抗測(cè)量電路設(shè)計(jì)，其輸出激勵(lì)電壓頻率范圍為0～100 kHz，通過不同頻率的增益系數(shù)計(jì)算以及片上DSP的離散傅里葉(DFT)處理，附加電路阻抗測(cè)量范圍可達(dá)100 Ω～10 kΩ，可滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖2 電機(jī)控制電路圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

電機(jī)的控制電路的設(shè)計(jì)見圖3，系統(tǒng)選用MC1314作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，將單片機(jī)輸出的PWM波信號(hào)放大從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電機(jī)的反饋信號(hào)以差分形式輸出，經(jīng)過MC3486差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片和ADG3304電平轉(zhuǎn)換芯片組成的反饋信號(hào)處理電路，讓STM32單片機(jī)能識(shí)別電機(jī)的反饋，完成對(duì)電機(jī)的控制。

測(cè)量平臺(tái)包括壓力測(cè)量和阻抗測(cè)量，其電路設(shè)計(jì)見圖3(a)。SP4M的datasheet聲明，7 kg級(jí)別最小載荷可以精確到0.5 g，電路設(shè)計(jì)中，SP4M傳感器內(nèi)部采用六線壓力傳感器橋式補(bǔ)償電路，見圖3(b)。SP4M的驅(qū)動(dòng)電壓是5 V，靈敏度2 mV/V，當(dāng)測(cè)量7 kg的重量時(shí)，輸出電壓為10 mV，測(cè)量0.5 g的重量時(shí)，輸出電壓為10/14 000 mV。理想情況下，10 mV應(yīng)被放大到5 V，即ADC的分辨率應(yīng)該高于14 bit才不損失傳感器的精度。因此，本研究設(shè)計(jì)了基于AD7190(Analog Device 公司)的后級(jí)調(diào)理電路，AD7190內(nèi)置24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，并配備可編程增益模塊，設(shè)計(jì)采用獨(dú)立的雙電源分別為該芯片的模擬部分和數(shù)字部分供電，電壓均為5 V，同時(shí)在傳感器的信號(hào)的輸入端接入RC濾波器，并根據(jù)需求將0.1 μf電容并聯(lián)在信號(hào)輸入端，加上芯片內(nèi)部的數(shù)字濾波器，可有效抑制50、60 Hz噪聲,讓壓力傳感器輸出的小信號(hào)能得到很好地放大調(diào)理，使電路分辨率達(dá)到0.5 g，最大測(cè)量相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，根據(jù)此方案，系統(tǒng)可以零延遲地捕捉到細(xì)微的壓力變化，并及時(shí)反饋給主控模塊，讓系統(tǒng)做出反饋指令，滿足所需要求。

基于AD5933設(shè)計(jì)的阻抗檢測(cè)電路見圖3(a)，芯片由兩個(gè)獨(dú)立且做好退藕的3.3 V電源供電，以減少干擾，其信號(hào)輸入端連接在測(cè)量平臺(tái)上的兩根金電極上，可直接放置待測(cè)組織，芯片輸出激勵(lì)電壓即可對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行阻抗測(cè)量。

圖3(a).測(cè)量平臺(tái)電路圖;(b).橋式補(bǔ)償電路

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

主控模塊的程序是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心，軟件的程序流程框圖見圖4。系統(tǒng)初始化后，用戶可在人機(jī)界面選擇預(yù)設(shè)定的恒壓強(qiáng)或恒厚度壓榨模式，輸入目標(biāo)壓強(qiáng)或厚度參數(shù)后確認(rèn)指令，電機(jī)開始工作且系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)壓榨模式，壓榨開始后，系統(tǒng)收到電機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)反饋的信息，通過PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，使系統(tǒng)可以迅速達(dá)到所需目標(biāo)值，并保持超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差均小于5%，且波動(dòng)率小于1%。當(dāng)壓力值趨于穩(wěn)定并達(dá)到目標(biāo)，開始讀取阻抗數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取完成后會(huì)顯示到人機(jī)顯示屏上并且上傳給電腦端進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)保存完成后，系統(tǒng)停止壓榨，結(jié)束流程。

圖4 程序框圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 壓力測(cè)量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)壓力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行擬合校準(zhǔn)，從0～200 g之間選取8個(gè)不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，放置于測(cè)量平臺(tái)上，每個(gè)重量的砝碼讀數(shù)三次，讀取轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)值，對(duì)數(shù)據(jù)記錄并處理后，進(jìn)行傳感器讀數(shù)和實(shí)際壓力值的曲線擬合并計(jì)算出其函數(shù)關(guān)系式，見圖5。

圖5 壓力擬合曲線

將擬合參數(shù)寫入主控單片機(jī)程序中，再次用不同重量的砝碼進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，每個(gè)重量測(cè)量三次，將系統(tǒng)所得壓力值與砝碼值進(jìn)行誤差分析，結(jié)果見表1。

表1 壓力數(shù)據(jù)分析

觀察發(fā)現(xiàn)，壓力測(cè)量的誤差均在1%以內(nèi)，最小分辨率達(dá)到0.5 g，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 阻抗測(cè)量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確性，考慮到壓榨實(shí)驗(yàn)的需求，擬在0～100 kHz選取9 kHz和90 kHz兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，使用該模塊測(cè)量電阻、電容、電阻并聯(lián)電容三種電路結(jié)構(gòu)的阻抗信息來驗(yàn)證模塊的性能。根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]，消化道組織的阻抗幅值一般在2～4 kΩ之間變化，因此，本研究所選電阻和電容的阻抗幅值均在該范圍。使用多頻阻抗分析儀(HIOKI IM3570)測(cè)定對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電阻、電容、電阻并聯(lián)電容的幅值與相位信息，為對(duì)照值，再使用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量對(duì)應(yīng)數(shù)值，與多頻阻抗分析儀對(duì)照值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證阻抗測(cè)量的精度。測(cè)量數(shù)據(jù)見表2，每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量十次，結(jié)果采用均值表達(dá)。

表2 9 kHz & 90 kHz阻抗測(cè)量

觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)完成0～100 KHz內(nèi)的所取頻率點(diǎn)的阻抗測(cè)量的誤差率在5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 恒壓強(qiáng)壓榨實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)生物組織的恒壓強(qiáng)壓榨實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電機(jī)系統(tǒng)的控制、主控PID算法的控制精度以及裝置進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)的能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于壓榨強(qiáng)度對(duì)小腸壓榨質(zhì)量的分析進(jìn)行[20]，實(shí)驗(yàn)材料選取新鮮豬小腸，隨機(jī)分成4組，每組取10個(gè)樣本，放置于盤中，用生理鹽水浸濕的紗布覆蓋，見圖6，以8 g/mm2為基礎(chǔ)，其他三組目標(biāo)壓強(qiáng)分別設(shè)置為12、16和24 g/mm2。為減少不同樣本帶來的誤差，以2 g/mm2為初始?jí)簭?qiáng)，此時(shí)系統(tǒng)記錄的阻抗和壓力信息為0 s時(shí)的值，整個(gè)壓榨分為兩個(gè)階段，階段Ⅰ由2 g/mm2快速壓到目標(biāo)壓強(qiáng)；階段Ⅱ通過系統(tǒng)的PID算法進(jìn)行持續(xù)的恒壓強(qiáng)模式，并在90 s內(nèi)間隔4 s讀取22數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)施加的壓強(qiáng)信息，以及在低頻(9 kHz)和高頻(90 kHz)時(shí)受壓組織的阻抗信息。

圖6 恒壓強(qiáng)壓榨實(shí)驗(yàn)圖

PID算法控制的恒壓強(qiáng)結(jié)果記錄，見圖7。

圖7 壓榨過程中壓強(qiáng)變化圖

對(duì)階段Ⅱ恒壓強(qiáng)壓榨模式中記錄的壓強(qiáng)記錄結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分組后通過計(jì)算數(shù)據(jù)的平均數(shù)、相對(duì)誤差、極差和波動(dòng)率分析PID算法控制設(shè)備進(jìn)行恒壓強(qiáng)壓榨的控制精度，結(jié)果見表3。

由圖7、表3可知，系統(tǒng)通過PID算法實(shí)現(xiàn)了恒壓強(qiáng)壓榨的功能。恒壓強(qiáng)階段，實(shí)際壓強(qiáng)和目標(biāo)壓強(qiáng)相對(duì)誤差很小并保持在1%以內(nèi)，證明了系統(tǒng)控制精準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)誤差很小，同時(shí)測(cè)量壓強(qiáng)的波動(dòng)率也在1%以內(nèi)，說明了系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)壓強(qiáng)后壓強(qiáng)值波動(dòng)較小，保持了優(yōu)秀的穩(wěn)定性，由此可以驗(yàn)證系統(tǒng)PID算法的精準(zhǔn)度和對(duì)電機(jī)的控制能力。

表3 恒壓強(qiáng)階段壓強(qiáng)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)在壓榨過程中記錄的阻抗信息見圖8，包括9 kHz及90 kHz時(shí)豬小腸的阻抗幅值和相位角信息，由圖8(a)、8(c)可知，測(cè)量平臺(tái)兩晶電極間的小腸組織隨著壓榨的進(jìn)行不斷排出，所測(cè)阻抗幅值呈上升趨勢(shì)，符合預(yù)想結(jié)果，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定并記錄完整。綜上所示，通過對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的控制和PID算法的調(diào)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓榨模式控制的同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)秀的精準(zhǔn)度，并能根據(jù)要求在目標(biāo)時(shí)間點(diǎn)讀取所需的壓強(qiáng)以及阻抗信息，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 (a).9 kHz阻抗幅值信息圖；(b).9 kHz相位角測(cè)量信息圖；

5 結(jié)論

本研究研制的壓榨模式及參數(shù)可控、受壓組織內(nèi)部信息可檢測(cè)的用于消化道組織壓榨實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)壓榨裝置，通過一系列的驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了該裝置的測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求，可以用于相關(guān)的消化道組織壓榨實(shí)驗(yàn)。