智能材料模擬肌體組織柔順性特征研究

戴金橋, 俞阿龍, 王愛民, 徐寶國(guó)

(1.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300;2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

智能材料模擬肌體組織柔順性特征研究

戴金橋1, 俞阿龍1, 王愛民2, 徐寶國(guó)2

(1.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300;2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)訓(xùn)練中現(xiàn)存的柔順性觸覺再現(xiàn)設(shè)備大多是機(jī)械接觸,模擬肌體組織柔順性特征時(shí)容易產(chǎn)生失真的問題,開展了液體智能材料模擬肌體組織的柔順性特征研究．簡(jiǎn)單介紹了液體智能材料的流變學(xué)特性,進(jìn)行了體現(xiàn)其柔順性特征的壓力釋放實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用Kelvin模型建立了其壓力釋放模型并進(jìn)行了驗(yàn)證. 利用不同磁場(chǎng)作用下液體智能材料模擬不同肌體組織柔順性實(shí)驗(yàn),建立了肌體組織壓力釋放模型并與相應(yīng)磁場(chǎng)作用下智能材料模型進(jìn)行了比較. 結(jié)果表明液體智能材料在較大程度上能夠模擬肌體組織的柔順性特征．

肌體組織柔順性模擬; 微創(chuàng)手術(shù)訓(xùn)練; Kelvin模型; 壓力釋放; 液體智能材料

0 引言

微創(chuàng)手術(shù)因具有創(chuàng)傷小、出血少、痛苦少、恢復(fù)快、療效好、疤痕不明顯、住院時(shí)間短、治療費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,近年來也得到了迅猛的發(fā)展．但因?yàn)槭中g(shù)過程特別是內(nèi)臟手術(shù)中所用的手術(shù)器具長(zhǎng)度較長(zhǎng),醫(yī)生很容易失去對(duì)肌體組織的力觸覺,觸覺的減弱使醫(yī)生失去觸診能力,特別對(duì)組織的柔順性的感覺,因此醫(yī)生需要長(zhǎng)期和大量的手術(shù)訓(xùn)練才能積累足夠的臨床經(jīng)驗(yàn). 研究表明,一名醫(yī)生要想使微創(chuàng)手術(shù)達(dá)到熟練的程度需要至少750次的手術(shù)過程訓(xùn)練[1]．

隨著機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、生物工程學(xué)和數(shù)學(xué)建模技術(shù)的高速發(fā)展,基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)為醫(yī)護(hù)人員的手術(shù)訓(xùn)練提供了機(jī)會(huì).虛擬手術(shù)訓(xùn)練過程中,醫(yī)生通過力觸覺設(shè)備對(duì)虛擬的器官進(jìn)行手術(shù),感覺好像他們處在真實(shí)的環(huán)境當(dāng)中對(duì)真實(shí)的器官操作一樣,虛擬手術(shù)中獲得的經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用于實(shí)際手術(shù)中,通過虛擬手術(shù)訓(xùn)練的醫(yī)生在做解剖手術(shù)時(shí)其速度更快,失誤更少并且動(dòng)作更簡(jiǎn)潔性得分更高[2]．

在虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中,力觸覺交互設(shè)備能否再現(xiàn)肌體組織的柔順性顯得至關(guān)重要,目前對(duì)柔順力觸覺技術(shù)的研究較少,主要有以下幾種:基于彈性梁柔性觸覺再現(xiàn)[3]，電磁驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)備[4]和基于氣動(dòng)人工肌肉的觸覺裝置[5]等．也有利用已商業(yè)化的力觸覺交互設(shè)備如Sensable公司的Phantom[6]，Immersion公司的CyberForce[7]，F(xiàn)orce Dimension公司的Delta[8]，Omega[9]手控器．國(guó)內(nèi)的上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等相繼開展了虛擬手術(shù)力觸覺交互設(shè)備的研究[10-14]．

目前存在的力觸覺交互設(shè)備基本上是機(jī)械接觸,在模擬肌體組織的柔順性和黏性特征時(shí)容易產(chǎn)生失真,為此,本文對(duì)磁流變液的柔順性特征進(jìn)行研究,建立磁流變液在磁場(chǎng)作用下的柔順性模型,與實(shí)際的肌體組織柔順性特征進(jìn)行比較,驗(yàn)證磁流變液模擬肌體組織柔順性的可行性．

磁流變液是一種液體智能材料,在外加磁場(chǎng)作用下,其流變學(xué)特性將發(fā)生劇烈變化,屈服應(yīng)力也隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大不斷增大,撤離磁場(chǎng)時(shí)能夠同樣快速地恢復(fù)到液體狀態(tài)[1]．磁流變液早已商品化,但其應(yīng)用僅局限于閥、離合器、制動(dòng)器和阻尼器等設(shè)備．如果磁流變液隨著磁場(chǎng)變化后的黏彈性能夠模擬肌體組織柔順性,在微創(chuàng)外科手術(shù)的器具手柄中集成磁流變液,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微創(chuàng)外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練,因此磁流變液可應(yīng)用于肌體組織柔順性觸覺交互裝置的研制．

1 磁流變液

如圖1所示,磁流變液是一種智能材料,在外加磁場(chǎng)作用下流變學(xué)特性發(fā)生劇烈的變化,是由微米級(jí)的可磁極化的粒子分散于合成油中形成的,沒有外加磁場(chǎng)時(shí),表現(xiàn)為牛頓流體的特性,當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí),形成精確可控的屈服應(yīng)力,為了更好的描述其功能機(jī)制,我們假設(shè)在兩個(gè)磁極之間有一個(gè)縫隙,兩磁極之間無磁場(chǎng)時(shí),磁流變液可以自由通過,但施加磁場(chǎng)時(shí),縫隙中的粒子被磁化并沿著磁場(chǎng)方向排列形成粒子鏈,這個(gè)鏈可阻礙液體的流動(dòng),增大或減小磁場(chǎng)強(qiáng)度可以改變粒子間的作用強(qiáng)度,從而可以連續(xù)控制流變學(xué)特性．暴露于磁場(chǎng)中,磁流變液在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w,磁流變液的流變學(xué)特征變化程度與施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈一定的函數(shù)關(guān)系,該可控液體的行為經(jīng)常由賓漢塑料模型來表征:

圖1 磁流變液的流變學(xué)特性

(1)

式中,τσ為屈服應(yīng)力,μ為粘度,dv/dy為液體剪切率．

2 柔順性模型的建立和參數(shù)識(shí)別

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了在磁流變液樣品上施加磁場(chǎng),我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)電磁體,設(shè)計(jì)過程中主要考慮減小磁路中材料的磁阻、引導(dǎo)磁力線全部穿過磁流變液;使磁場(chǎng)能量盡量集中在磁流變液中,減少磁路中其它部位的磁泄漏．為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),把磁流變液放置在一塊電磁體的空氣間隙中,電磁體上串聯(lián)繞著2 400圈直徑為0.8mm的銅線,允許通過的最大電流為1.26A,能夠產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度來滿足實(shí)驗(yàn)要求．

2.2 模型建立

一般情況下可用兩種現(xiàn)象來描述磁流變液柔順性特征,即壓力釋放和蠕變,前者是對(duì)磁流變液樣本突然施加一個(gè)變形并保持該變形為常量,記錄其隨時(shí)間減小的力．后者是對(duì)樣本在一段時(shí)間內(nèi)保持力大小不變,記錄樣本的變形．本文只關(guān)注壓力釋放現(xiàn)象,因?yàn)閴毫︶尫努F(xiàn)象容易建立合適柔順性模型．

利用建立的實(shí)驗(yàn)裝置將磁流變液樣本置于不斷增大的磁場(chǎng)中,對(duì)磁流變液樣本施加給定增幅的形變,獲得相應(yīng)壓力釋放曲線．實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多次以確保該現(xiàn)象的可重復(fù)性,施加的變形增幅為2.5mm,磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大直到磁流變液的磁飽和．

實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)未施加磁場(chǎng)時(shí),力為幾千分之一牛頓,當(dāng)施加磁場(chǎng)強(qiáng)度大于0.25T時(shí)磁流變液樣本達(dá)到飽和狀態(tài),基本上沒有明顯的壓力釋放現(xiàn)象,力為7～8牛頓．因此我們把磁場(chǎng)強(qiáng)度限制于0～0.3T,在該范圍內(nèi)磁流變液的壓力釋放現(xiàn)象是顯著的．為了便于操作,我們將線圈中的電流增量設(shè)定為0.05A,相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度增量為dB=0.031 T,當(dāng)B=0.124 T時(shí)磁流變液樣本壓力釋放曲線如圖2所示．

圖2所示的壓力釋放曲線從開始的峰值、隨著時(shí)間的釋放到最后的穩(wěn)定值都與Kelvin模型相吻合,因此可用Kelvin模型建立磁流變液的柔順性模型．鑒于高階Kelvin模型的復(fù)雜性,這里取2階Kelvin模型,如圖3所示,其微分方程為:

圖2 B=0.124 T時(shí)磁流變液壓力釋放曲線 圖3 2階Kelvin模型

(2)

式中,F(t)為Kelvin模型的輸入力,ε(t)是模型的輸出變形,系數(shù)a1、a2、b0、b1、b2分別為:

式中的K1、K2和Kr分別是模型的3個(gè)彈性系數(shù),η1和η2分別是模型的2個(gè)黏度系數(shù)如圖3所示,微分方程經(jīng)拉普拉斯變換后得:

Σ(s)=K(s)E(s)

(3)

式中Σ(s)和E(s)分別是F和ε的拉氏變換,其中K(s)為:

(4)

K(s)可理解為壓力/變形的傳遞函數(shù),并且可以表達(dá)成具有2個(gè)零點(diǎn)和2個(gè)極點(diǎn)的有理式:

(5)

式中:

模型的3個(gè)彈性系數(shù)和2個(gè)粘度系數(shù),可對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析獲得．

設(shè)施加的變形是階躍函數(shù),則

根據(jù)式(3)有

(6)

將K(s)代入并展開得

(7)

殘差c1和c2由模型參數(shù)決定,并且其和為1．將式(7)進(jìn)行拉普拉斯反變換,得力在時(shí)域表達(dá)式

(8)

式中:

圖4 磁流變液壓力釋放模型與實(shí)驗(yàn)曲線

F0=(Kr+K1+K2)ε0,F∞=Krε0,

式(8)也可以表達(dá)成適合于數(shù)值擬合的形式:

(9)

式中:

所以,力是依賴于時(shí)間和5個(gè)模型參數(shù)的非線性函數(shù),圖4中分別為將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線和利用Kelvin模型推導(dǎo)的理論曲線,從圖中可以看出,理論模型可以較為精確地模擬磁流變液的柔順性特性．

3 實(shí)驗(yàn)研究

表1 磁流變液模擬肌體組織時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度

從上述分析結(jié)果可以看出,磁流變液在磁場(chǎng)作用下具有柔順性特征,但磁流變液能否用于生物組織的柔順性特性模擬還需進(jìn)一步驗(yàn)證,為此我們準(zhǔn)備3個(gè)豬的肌體組織,分別為大腦、脾、肝,每個(gè)樣本體積切成與磁流變液體積相同,以消除人為干擾的影響,測(cè)試者用雙手分別觸摸肌體組織和磁流變液樣本,通過調(diào)節(jié)施加于磁流變液樣本上的磁場(chǎng)強(qiáng)度直到參試者認(rèn)為兩者的柔順非常相似,這時(shí)記錄磁場(chǎng)強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次,以取磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值,確保該磁場(chǎng)強(qiáng)度施加于磁流變液樣本上時(shí)與相應(yīng)的肌體組織柔順性達(dá)到最大的相似,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示．

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)的有效性,我們運(yùn)用上文所述的建立磁流變液柔順性模型方法,對(duì)肌體組織樣本進(jìn)行了壓力釋放實(shí)驗(yàn),確定該壓力釋放實(shí)驗(yàn)可以由二階Kelvin模型來描述,其參數(shù)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合估算得到,并通過該方法得到了和3種不同肌體組織相對(duì)應(yīng)磁流變液的模型,分別計(jì)算出不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁流變液模型參數(shù),估計(jì)理論的壓力釋放曲線．比較由肌體組織推導(dǎo)出來的模型和磁流變液樣本模型的理論壓力釋放曲線如圖5所示．從圖5中可以看出,肝臟、脾和大腦肌體組織柔順性和相應(yīng)磁場(chǎng)作用下磁流變液柔順性吻合得較好．在圖5的每幅圖中,較高的曲線是由肌體組織的壓力釋放,較低點(diǎn)的由磁流變液的壓力釋放曲線,起始值非常相近,最終值稍有不同,并且釋放時(shí)間有些不同,事實(shí)上,肌體組織的釋放時(shí)間要比磁流變液的長(zhǎng),但兩者的行為還是相當(dāng)相似的．

圖5 肌體組織樣本與相應(yīng)的磁流變液壓力釋放曲線

4 結(jié)論

磁流變液是一種極具應(yīng)用潛力的新型材料,在磁場(chǎng)作用下屈服應(yīng)力能夠發(fā)生劇烈變化. 研究表明,這種變化可在很大程度上能夠模擬生物肌體組織的柔順性特征,如果將磁流變液集成于微創(chuàng)外科手術(shù)工具的末端,可用于對(duì)醫(yī)生的微創(chuàng)外科手術(shù)訓(xùn)練,因此可以說本文的研究成果為外科手術(shù)訓(xùn)練力觸覺交互技術(shù)的研究提供了較好的參考價(jià)值．

由于實(shí)驗(yàn)所用樣本為已經(jīng)死亡豬的內(nèi)臟器官,因死亡動(dòng)物的器官與活體組織在彈性、黏滯性等特性存在著一定差別,磁流變液能否模擬活體組織的柔順性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證,因此本課題的下一步工作是開展磁流變液模擬活體動(dòng)物組織的模擬理論和實(shí)驗(yàn)研究．

[1] Vickers A J, Savage C J, Hruza M, et al. The Surgical Learning Curve for Laparoscopic Radical Prostatectomy: A Retrospective Cohort Study[J].The Lancet Oncology, 2009, 10(5): 475-480.

[2] Reznick R K, MacRae H. Teaching surgical skills, changes in the wind[J]. The New England Journal of Medicine, 2006,355(25):2664-2669.

[3] 宋愛國(guó),Dan Morris,J Edward Colgate,等. 遙操作和虛擬操作的實(shí)時(shí)柔性觸覺再現(xiàn)裝置研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(2):141-144.

[4] Yuan K, Zhu H B. A new kind of force-reflecting device and its control[R]. Lausanne: Proceedings of the IEEE Conference on Intelligent Robots and System, 2002.

[5] Sun Z S, Bao G, Yang Q J, et al. Design of a Novel Force Feedback Dataglove Based on Pneumatic Artificial Musc-les[R]. Luoyang China: Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2006.

[6] Shun L, Banerjee P P, Edward D P. A High Performance Graphic and Haptic Curvilinear Capsulorrhexis Simulation System[R]. Minnesota USA: 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Minneapolis, 2009.

[7] Andrea F A, Giovanni A, Vincenzo L, et al. A Pervasive Visual-Haptic Framework for Virtual Delivery Training[J]. IEEE Transactions On Information Technology In Biomedicine, 2010,14(2):326-334.

[8] Tholey G, Desai J P. A General Purpose 7 DOF Haptic Interface[R]. Washington: First Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, 2005.

[9] Ning Y, Guo X J, Li X R, et al. The implementation of haptic interaction in virtual surgery[R]. Wuhan: International Conference on Electrical and Control Engineering, 2010:2351-2354.

[10] 宋亞沖,賴蕓,楊揚(yáng),等. 五維力反饋虛擬手術(shù)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)神經(jīng)再生研究, 2009,13(26):5087-5090.

[11] Zhao C, Luo X M, Ma F T, et al. Transparency design of a new haptic interface[R]. Yichang: International Conference on Electrical and Control Engineering, 2011:6193-6197.

[12] Wang M N, Chi X, Wang H J. Design and Research of Simulated Surgical Instruments for Medical Training System[R]. Harbin: International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, 2011:2175-2178.

[13] Li C B, Wang D X, Zhang Y R. et al. A haptic device for virtual reality dental surgery simulation[R]. Beijing: International Conference on Virtual Reality and Visualization, 2011:179-184.

[14] Li Y, Yan Z Y, Wang H M, et al. Design and Optimization of a Haptic Manipulator Using Series-Parallel Mechani-sm[R]. Chengdu: Proceedings of IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2012:2140-2145.

[責(zé)任編輯：蔣海龍]

Research on Smart Material Simulating Tissues Compliance Characteristic

DAI Jin-qiao1, YU A-long1, WANG Ai-min2, XU Bao-guo2

(1.School of Physical and Electronic and Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)(2.School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China)

Research on smart fluid material simulating tissues compliance characteristic is carried out to overcome infidelity in simulating tissues compliance characteristic by the existing compliance haptic devices because of the mechanical contact. The rheological property of smart fluid materials is shortly introduced. An experiment is done on the stress relaxation which shows tissues compliance characteristic of smart fluid material. The stress relaxation model is set up on the base of the Kelvin model according to the experiment results and the validity is verified. The compliance of different tissues is simulated by smart fluid material applied by different magnetic field. The stress relaxation models of the tissues and the corresponding smart fluid materials are set up and compared. The results indicate that tissues compliance characteristic can be simulated by the smart fluid material to a large extent.

tissues compliance simulating; minimally invasive surgery training; kelvin model; stress relaxation; smart materials

2014-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61104206); 江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2012740); 淮安市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(HASZ2013006)

戴金橋(1973-),男,江蘇漣水人,講師,博士,研究方向?yàn)榱τ|覺交互技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與智能系統(tǒng)． E-mail: djq@hytc.edu.cn

TP242.6

A

1671-6876(2014)04-0302-05