龔澤寧，付 莊，付澤宇，謝榮理，張 俊，費(fèi) 健

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院，上海 200025)

0 引言

目前針對心血管疾病主要有血管介入手術(shù)和藥物治療等治療手段[1]，其中血管介入手術(shù)通過導(dǎo)絲導(dǎo)管直接對病灶處進(jìn)行診斷和治療，具有較好的治療效果，同時產(chǎn)生創(chuàng)口小，患者恢復(fù)快[2-3]。通過將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到血管介入手術(shù)中，能夠使醫(yī)生在遠(yuǎn)離手術(shù)室的控制臺實(shí)現(xiàn)對手術(shù)器具的遠(yuǎn)程操作，從而避免醫(yī)生受到X射線輻射的傷害[4]。同時血管介入機(jī)器人也能夠采集手術(shù)過程中導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具的狀態(tài)信息，并向醫(yī)生進(jìn)行反饋，從而提高血管介入手術(shù)的成功率和安全性[5]。

近年來，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)與公司已經(jīng)取得了很多研究成果，也開發(fā)了一些商業(yè)化產(chǎn)品[6-7]。盡管血管介入機(jī)器人技術(shù)獲得了高速發(fā)展，但是現(xiàn)有的機(jī)器人在力覺檢測功能的實(shí)現(xiàn)上仍然存在一些問題。例如:力覺模塊尺寸較大，其安裝時的電路模塊等結(jié)構(gòu)會限制機(jī)器人的工作行程[8-9]；力覺模塊能夠檢測的力覺信息大多只是導(dǎo)絲導(dǎo)管等所受到的軸向阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩中的一種，反饋的信息有一定的局限性[10]；力覺模塊大多使用了特制的力覺檢測單元對導(dǎo)絲導(dǎo)管等的受力情況進(jìn)行感知，這使得力覺模塊的成本高昂且適用性較低[11-12]。

本文根據(jù)血管介入手術(shù)的操作要求，針對導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具的受力特性，設(shè)計了一種力覺標(biāo)定模塊，能夠同時檢測導(dǎo)絲導(dǎo)管等所受到的軸向阻力和周向扭矩，體積較小，成本較低，具有很好的適用性。

1 力覺標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

在介入手術(shù)過程中，醫(yī)生需要操控特制的導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具的運(yùn)動，使之從遠(yuǎn)離病灶處的穿刺點(diǎn)沿著血管通道移動到患者的病灶處進(jìn)行相應(yīng)的治療。對醫(yī)生的操控動作進(jìn)行分析可知，導(dǎo)絲導(dǎo)管等的運(yùn)動可以分為軸向的平動和周向的轉(zhuǎn)動2個部分。進(jìn)一步對導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具在血管通道內(nèi)部的受力情況進(jìn)行分析可知，血管介入手術(shù)中的力覺信息主要包括軸向的阻力和周向的扭矩2個部分。因此，力覺標(biāo)定模塊需要具備檢測和分析導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具所受的軸向和周向2個維度上的力覺信息的功能。

1.1 力覺標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)布置

力覺標(biāo)定模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括軸向運(yùn)動控制單元、周向運(yùn)動控制單元以及管線張緊單元3個部分。軸向運(yùn)動控制單元由蝸輪、蝸桿、摩擦輪、齒輪軸和軸承等部件組成，其工作原理為通過蝸輪和蝸桿傳遞外部動力，帶動齒輪軸1和齒輪軸2進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動與齒輪軸1同軸的摩擦輪，實(shí)現(xiàn)對被摩擦輪所夾緊的導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具在軸向上的運(yùn)動控制。周向運(yùn)動控制單元由齒輪軸、殼體以及軸承等部件組成，其工作原理為通過齒輪軸3傳遞外部動力，帶動整個殼體進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對被摩擦輪所夾緊的導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具在周向上的運(yùn)動控制。管線張緊單元由控制手柄、轉(zhuǎn)軸、摩擦輪、支架和軸承等部件組成，其工作原理為通過操作處于殼體外部的控制手柄，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具與摩擦輪之間夾緊程度的控制。

圖1 力覺標(biāo)定模塊整體結(jié)構(gòu)

1.2 軸向阻力標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸向阻力是血管介入手術(shù)中力覺信息的重要組成部分，血流的流動以及導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具與血管內(nèi)壁的接觸都會產(chǎn)生一定的軸向阻力。本文中軸向阻力將直接作用于摩擦輪，如圖2所示。

圖2 軸向阻力示意圖

軸向阻力標(biāo)定模塊主要包括壓力傳感器、彈簧、傳感器壓板等部件以及軸向運(yùn)動控制單元，其工作原理為：當(dāng)導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具受到軸向阻力時，摩擦輪會帶動齒輪軸1和齒輪軸2進(jìn)行轉(zhuǎn)動，此時齒輪軸2上的蝸輪也會隨之帶動蝸桿進(jìn)行運(yùn)動，從而改變傳感器壓板對彈簧的壓力，即改變壓力傳感器所受的壓力大小。通過檢測壓力傳感器的電阻變化，就能夠間接地計算得到軸向阻力的數(shù)值大小，從而實(shí)現(xiàn)對軸向阻力的力覺信息標(biāo)定。

1.3 周向扭矩標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

與軸向阻力相同，周向扭矩也是血管介入手術(shù)中力覺信息的重要組成部分，導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具與血管內(nèi)壁的接觸會產(chǎn)生一定的周向扭矩。本文中周向扭矩同樣將直接作用于摩擦輪，如圖3所示。

圖3 周向扭矩示意圖

周向扭矩標(biāo)定模塊主要包括壓力傳感器、彈簧等部件以及管線張緊單元，其工作原理為：當(dāng)導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具受到周向扭矩時，摩擦輪會直接對彈簧施加壓力，從而改變傳感器壓片對壓力傳感器的壓力大小。由于導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具受到的周向扭矩有2個方向，因此,周向扭矩標(biāo)定模塊中摩擦輪的上下兩側(cè)都安裝了相應(yīng)的壓力傳感器和傳感器壓片等部件。根據(jù)檢測到的壓力傳感器的電阻變化，可以通過計算和分析得到周向扭矩的數(shù)值大小和實(shí)際方向，從而實(shí)現(xiàn)對周向扭矩的力覺信息標(biāo)定。

2 力覺信息檢測電路設(shè)計

力覺標(biāo)定模塊的力覺信息檢測電路主要可以分為檢測模塊和信號處理模塊2個部分。其中，檢測模塊包括壓力傳感器和電滑環(huán)等部件，主要功能是將軸向阻力和周向扭矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電路信號。而信號處理模塊包括A/D采集電路和信號轉(zhuǎn)換電路等部分，主要功能是處理檢測模塊獲取的電路信號，并與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。力覺信息檢測電路的整體框圖如圖4所示。

圖4 力覺信息檢測電路框圖

2.1 檢測模塊設(shè)計

檢測模塊通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具所受的軸向阻力和周向扭矩的測量。本文中使用的壓力傳感器為柔性薄膜壓力傳感器，其特性為傳感器的輸出電阻會隨著傳感器敏感區(qū)所受壓力的增大而減小。因此，通過測量壓力傳感器輸出電阻的變化就能夠計算得到相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)。

當(dāng)力覺標(biāo)定模塊進(jìn)行周向運(yùn)動時，與壓力傳感器連接的信號線也會隨之進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而在旋轉(zhuǎn)過程中，信號線可能會出現(xiàn)纏繞和損傷等問題，從而影響整個檢測電路的穩(wěn)定性。由于上述問題是周向運(yùn)動所導(dǎo)致的，因此,可以通過電滑環(huán)解決。本文所采用的電滑環(huán)中定子和轉(zhuǎn)子分別引出信號線與周向運(yùn)動時的固定結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所引出的信號線連接，從而使周向運(yùn)動時信號線不會發(fā)生纏繞和損傷等情況。

2.2 信號處理模塊設(shè)計

從檢測模塊獲取的電路信號需要經(jīng)過信號處理模塊的采集和處理才能被上位機(jī)識別。信號處理模塊中的A/D采集電路采用數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)。該數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊是專用于上述壓力傳感器的一種多通道壓力轉(zhuǎn)換模塊，能夠采集薄膜壓力傳感器產(chǎn)生的模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該模塊輸出的數(shù)據(jù)是UART類型，需要經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路才能夠與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。其中，信號轉(zhuǎn)換電路采用CH340G芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能夠?qū)ART類型的信號轉(zhuǎn)換成USB類型。將檢測模塊、信號處理模塊以及上位機(jī)通過相應(yīng)的信號線進(jìn)行連接，并在上位機(jī)的串口工具軟件中進(jìn)行波特率等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置后，就能夠讀取到壓力傳感器所產(chǎn)生的相應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)有多個壓力傳感器同時檢測力覺信號時，數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊可以使用不同的通道處理不同壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并在每次發(fā)送的1幀數(shù)據(jù)中相應(yīng)的字節(jié)地址處進(jìn)行顯示。從整體分析可知，力覺信息檢測電路具有小尺寸和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

3 力覺標(biāo)定模塊實(shí)驗

為了確定檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際壓力的對應(yīng)關(guān)系，需要對力覺標(biāo)定模塊進(jìn)行實(shí)驗。由于檢測的力覺信息包括軸向阻力和周向扭矩2個部分，因此，需要根據(jù)這2種類型的力覺信息的相應(yīng)特點(diǎn)采用不同的實(shí)驗方案。

3.1 實(shí)驗平臺設(shè)計

在標(biāo)定實(shí)驗中，需要模擬真實(shí)場景中導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具所受到的軸向阻力和周向扭矩。在實(shí)際的工作過程中，力覺標(biāo)定模塊將被安裝在1個固定外殼中，整體的實(shí)物裝置如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗平臺的功能，還需要設(shè)計相應(yīng)的施加軸向阻力和周向扭矩的裝置。

圖5 力覺標(biāo)定模塊實(shí)物裝置

根據(jù)軸向阻力的特點(diǎn)，本文設(shè)計了軸向阻力標(biāo)定平臺。該實(shí)驗平臺使用砝碼施加一定大小的拉力，同時使用定滑輪模塊改變拉力的方向以作用于導(dǎo)絲導(dǎo)管，從而模擬軸向阻力F。軸向阻力標(biāo)定平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軸向阻力標(biāo)定平臺結(jié)構(gòu)

根據(jù)周向扭矩的特點(diǎn)，本文也設(shè)計了周向扭矩標(biāo)定平臺。該實(shí)驗平臺通過夾緊軸上的螺釘夾緊導(dǎo)絲導(dǎo)管，并使用砝碼帶動不同尺寸的轉(zhuǎn)盤以產(chǎn)生一定大小的扭矩作用于導(dǎo)絲導(dǎo)管，從而模擬周向扭矩M。周向扭矩標(biāo)定平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 周向扭矩標(biāo)定平臺結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗數(shù)據(jù)處理與分析

基于設(shè)計搭建的實(shí)驗平臺，當(dāng)力覺標(biāo)定模塊中的導(dǎo)絲導(dǎo)管受到模擬的軸向阻力F或周向扭矩M時，檢測電路能夠采集到相應(yīng)的力覺信息，同時上位機(jī)能夠使用相應(yīng)的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理。檢測電路通過串口發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)是AD值，其與實(shí)際電壓值之間的轉(zhuǎn)換公式為

(1)

U為實(shí)際電壓值；d為實(shí)際AD值；dmax為芯片的最大AD值；Us為dmax對應(yīng)的參考電壓值。在實(shí)際的實(shí)驗過程中，由于存在機(jī)械摩擦、電路噪聲以及外界干擾等因素，上位機(jī)讀取得到的電路信號會產(chǎn)生不穩(wěn)定的波動現(xiàn)象，因此，需要進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理以減弱噪聲干擾的影響。本文中選擇使用卡爾曼濾波對讀取的電路信號進(jìn)行處理。作為一種線性最優(yōu)狀態(tài)估計方法，卡爾曼濾波具有高效、實(shí)時以及抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也在目標(biāo)跟蹤和圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[13-14]?？柭鼮V波器的狀態(tài)方程與觀測方程為：

xk=Axk-1+Buk-1+wk

(2)

zk=Hxk+vk

(3)

xk為k時刻的狀態(tài)向量；zk為k時刻的觀測向量；A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B為輸入控制矩陣；H為觀測矩陣；uk為k時刻的系統(tǒng)控制向量；wk為k時刻的系統(tǒng)噪聲向量；vk為k時刻的觀測噪聲向量。假設(shè)wk和vk是均值為0的高斯白噪聲，且協(xié)方差矩陣分別為Q和R。對系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)進(jìn)行一定的等效和簡化后，可以得到相應(yīng)的狀態(tài)方程與觀測方程。卡爾曼濾波主要分為預(yù)測和更新2個步驟。預(yù)測步驟是基于上一時刻的狀態(tài)估計當(dāng)前時刻的狀態(tài)，相應(yīng)的計算公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

卡爾曼濾波能有效地減弱噪聲干擾對電路信號的影響，負(fù)載為0時的濾波效果如圖8所示。

圖8 卡爾曼濾波效果

根據(jù)圖8分析可知，卡爾曼濾波很好地抑制了原始信號中的噪聲信息，使濾波后的信號變得相對平穩(wěn)，這有效地提高了標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在標(biāo)定實(shí)驗中，本文使用逐級加載和逐級卸載的方式控制負(fù)載，同時對軸向阻力和周向扭矩各進(jìn)行3次實(shí)驗標(biāo)定，利用獲取的負(fù)載和電壓數(shù)據(jù)可以擬合出相應(yīng)的標(biāo)定曲線，分別如圖9和圖10所示。

圖9 軸向阻力標(biāo)定曲線

根據(jù)圖9和圖10分析可知，力覺標(biāo)定模塊能夠很好地根據(jù)讀取得到的電壓信號獲取軸向阻力和周向扭矩的力覺信息，但是該模塊也存在一定的不足之處。第一，標(biāo)定曲線是通過有限數(shù)量的標(biāo)定點(diǎn)得到的，當(dāng)讀取到的力覺信息不在標(biāo)定點(diǎn)上時，需要通過差分方法計算對應(yīng)的結(jié)果，從而影響力覺檢測的準(zhǔn)確性。這一問題可以通過增加標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行改進(jìn)。第二，讀取得到的電壓信號在整個標(biāo)定實(shí)驗中的變化相對較小，這同樣可能會對力覺檢測的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。這一問題可以通過在檢測電路中增加信號放大模塊的方法進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)血管介入手術(shù)的特點(diǎn)，通過分析手術(shù)過程中導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具的受力情況，設(shè)計了一種能夠檢測軸向阻力和周向扭矩的力覺標(biāo)定模塊。根據(jù)實(shí)驗結(jié)果，該力覺標(biāo)定模塊能夠很好地檢測血管介入手術(shù)中的力覺信息，同時該模塊具有尺寸小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。