虛擬儀器下的生物摩擦力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 巖，李于洪，張 賓，賀同見，宋 偉

(成都市特種設(shè)備檢驗(yàn)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，人們對醫(yī)療水平的要求越來越高。在手術(shù)操作過程中，由于器械臂長、硬、直、可操作性差的缺點(diǎn)，手術(shù)器械容易對病變組織或者周圍健康組織造成損傷，使病人受到不必要的傷害。因此，外科醫(yī)生所面臨的巨大挑戰(zhàn)，是他們只能根據(jù)自身視覺信息來判斷器械是否對組織特性造成影響。這給患者帶來巨大的安全隱患[1]。對此，設(shè)計(jì)一套不同運(yùn)動狀態(tài)下的力采集系統(tǒng)，組建數(shù)據(jù)庫來完善機(jī)器人的力反饋系統(tǒng)，提高手術(shù)水平的精準(zhǔn)度，是智能化醫(yī)療器械發(fā)展的必然趨勢。

2012年，由于一名外科醫(yī)生的過失，致使一名女性患者死于子宮切除術(shù)。據(jù)英國《每日郵報(bào)》報(bào)道：目前廣泛使用的“達(dá)文西“手術(shù)機(jī)器人，它在執(zhí)行手術(shù)操作過程中打了一個躺在手術(shù)臺的病人[2]，給患者造成意外損傷。以上案例說明力觸覺反饋系統(tǒng)對智能化手術(shù)機(jī)器人的重要性。為了模擬手術(shù)操作的運(yùn)動過程，虛擬儀器下的生物摩擦力測試裝置應(yīng)能夠以不同的速度和角度進(jìn)行模擬手術(shù)操作試驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測接觸力的變化，并組建可靠數(shù)據(jù)庫。

1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、絲杠模組、三角卡盤、測試端頭和試驗(yàn)臺組成。根據(jù)手術(shù)操作實(shí)際情況，結(jié)合低速、輕載、微量進(jìn)給的特點(diǎn)，該機(jī)構(gòu)采用絲杠模組實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。該傳動方式具有精度高、傳動效率高、同步性好、可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)，符合試驗(yàn)要求。伺服電機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的動力通過絲杠進(jìn)行傳動，并配合絲杠滑塊上面的伺服電機(jī)Ⅱ傳遞給裝有光纖傳感器的測試端頭，實(shí)現(xiàn)測試端頭的直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

在試驗(yàn)裝置模擬手術(shù)操作過程中，需要使測量端頭感知器械與組織接觸的力。因此，根據(jù)上述的裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及試驗(yàn)要求，在力傳感器中，選擇微光纖壓力傳感器作為敏感元件。它的靈敏度達(dá)到±0.04 rad/MPa,測量范圍在0～60 MPa,符合要求。

微光纖傳感器的安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微光纖傳感器的安裝結(jié)構(gòu)圖

測量端頭在以一定的速度進(jìn)入腸道的過程中，測試端頭石英管以及傳感器包覆層均會產(chǎn)生變形，使微光纖壓力傳感器膜片發(fā)生偏移。偏移量ΔS與壓力ΔP之間的關(guān)系為[3]：

(1)

式中：S、h、R1、R2分別為空氣腔的腔長、膜片的厚度、光纖的半徑、膜片的半徑；μ為泊松半徑；E為楊氏模量。

在式(1)中，S、h、R1、R2均已知，從而可以得出偏移量ΔS與壓力ΔP之間的數(shù)值關(guān)系。然而，膜片的偏移會引起腔長發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖內(nèi)入射光和反射光的光程差，引起相位發(fā)生變化。相位變化量Δα和膜片的偏移量ΔS也具有一定的關(guān)系，關(guān)系式為：

(2)

把式(1)代入式(2)，簡化后得到相位差Δα與壓力變化ΔP之間的關(guān)系為：

(3)

式中：λ、ΔS、S、μ、R1、R2、h分別為Si720的平均波長、壓力膜片的中心偏移量、空氣腔的腔長、泊松半徑、光纖的半徑、膜片的半徑、膜片的厚度；E為楊氏模量；ΔP為壓力變化；Δα為F-P腔相位變化量。

因此，式(3)即為測試裝置的測量模型公式。根據(jù)Si720的平均波長和式(3)，即可計(jì)算出測試端頭與生物腸道之間接觸力的大小。

2 硬件設(shè)計(jì)

測量裝置系統(tǒng)的硬件主要由計(jì)算機(jī)、西門子可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、運(yùn)動模組、光纖傳感器、采集系統(tǒng)、松下伺服電機(jī)及驅(qū)動器、24 V直流電源、組裝箱體和清潔裝置組成。

試驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 西門子PLC

西門子PLC采用的是S7-200 SMART 系列 ST20。它將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路組合到一個結(jié)構(gòu)緊湊的外殼中，形成功能強(qiáng)大的Micro PLC。ST20擁有2個脈沖輸出、12個數(shù)字輸入和8個數(shù)字輸出，滿足2個電機(jī)的控制要求，可通過OPC協(xié)議方便地和上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 微光纖傳感器

微光纖傳感器通過外界的作用力，引起壓力膜片的偏移并改變腔長，從而導(dǎo)致腔內(nèi)光信號的傳輸路徑發(fā)生改變；根據(jù)光譜的移動解調(diào)出腔長的變化，得到相位變化量；再通過壓力校準(zhǔn)儀，轉(zhuǎn)化成壓力的大小[3]。微光纖壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、精度高、體積小、耐高溫和耐腐蝕的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、食品安全等領(lǐng)域[4]。

2.3 解調(diào)儀

微光纖壓力傳感器收到的光譜信號變化，要通過Si720解調(diào)儀解調(diào)才能轉(zhuǎn)化為實(shí)際需要的參數(shù)量。一般通過強(qiáng)度解調(diào)和相位解調(diào)這兩種方法進(jìn)行解調(diào)。強(qiáng)度解調(diào)就是對輸出光信號的光強(qiáng)進(jìn)行解調(diào)，該方法精度較低、范圍較小。相位解調(diào)就是通過對輸出信號的相位進(jìn)行求解來實(shí)現(xiàn)測量。其輸入光必須為寬帶光源，通過腔長的變化得到輸出信號相位的變化。這種方法測量精度高，所以本文采用相位解調(diào)[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測試端頭以不同的直線速度和不同旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行運(yùn)動。測試裝置運(yùn)動的監(jiān)控分析系統(tǒng)，采用組態(tài)王與西門子PLC混合編程的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)王軟件可以實(shí)時收集運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)和通過PLC遠(yuǎn)程控制運(yùn)動過程，生成Excel表格供分析數(shù)據(jù)使用[6];PLC完成伺服電機(jī)的脈沖發(fā)送。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由PLC控制程序、數(shù)據(jù)采集處理程序和人機(jī)界面程序組成。

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集都是實(shí)時讀取信號處理電路的輸出信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析，并實(shí)時顯示采集卡上傳的數(shù)據(jù)。

3.1 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的控制及采集的監(jiān)測，集計(jì)算機(jī)、模塊化硬件和圖形化的編程軟件于一體，搭建滿足手術(shù)模擬需求的按鈕。在計(jì)算機(jī)終端裝有基于組態(tài)王開發(fā)的人機(jī)界面。操作人員只需在界面上輸入相關(guān)的參數(shù)(速度、位移)，就能夠讓設(shè)備按需運(yùn)轉(zhuǎn)。

具體的搭建過程如下。

首先，新建工程進(jìn)入當(dāng)前工程開發(fā)環(huán)境，定義I/O設(shè)備，單機(jī)“COM1”后，進(jìn)行串口設(shè)置，將波特率設(shè)置為“9 600”，奇偶檢驗(yàn)設(shè)為“偶檢驗(yàn)”，數(shù)據(jù)位設(shè)置為“8”，停止位設(shè)置為“1”，點(diǎn)擊確定。

然后，進(jìn)行工程組態(tài)窗口設(shè)計(jì)，繪制按鈕，并根據(jù)系統(tǒng)工程設(shè)定的需要新建各個數(shù)據(jù)變量。

最后，進(jìn)行動畫連接，寫入位移、速度中間變量的腳本程序，試運(yùn)行。

通過人機(jī)界面，可以對被控量進(jìn)行設(shè)定，對過程值實(shí)時進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而在線分析各控制參數(shù)在控制過程中的作用。

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

裝置系統(tǒng)使用的編程軟件是STEP 7-Micro WIN SMART。根據(jù)試驗(yàn)要求，PLC必須與組態(tài)王通信才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

定義組態(tài)王軟件中的變量參數(shù)，使其能夠讀寫PLC的輸入輸出地址，從而接收外部信號、控制PLC的輸出[7]。對兩臺伺服電機(jī)進(jìn)行控制，具體的控制為：絲杠開始使能啟動，在絲杠速度設(shè)定中輸入“1”，絲杠以1 cm/s的速度直線運(yùn)動；絲杠位移量設(shè)定值為“10”,當(dāng)絲杠行走10 s時，絲杠停止運(yùn)動；絲杠運(yùn)行過程中，也可以通過絲杠停止指令使絲杠強(qiáng)行停止；絲杠結(jié)束使能關(guān)閉,絲杠速度最大值設(shè)定為2.5 cm/s。當(dāng)絲杠走完有效行程時，報(bào)警指令開啟，保護(hù)設(shè)備受損。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的控制方式和絲杠相同，速度最大值設(shè)定為90 (°)/s。

控制程序流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖

4 試驗(yàn)研究

以課題組所設(shè)計(jì)的器械與生物腸道接觸力的測試裝置為基礎(chǔ)，根據(jù)上述的力信號采集硬件和軟件系統(tǒng)，組裝了測試裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)。測試端頭以1 cm/s的直線速度和30 (°)/s的旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)行2 s進(jìn)入兔子腸道,并以相同的運(yùn)動狀態(tài)在腸道中運(yùn)行5 s 。肛門具有自動收縮的特性，所以測試端頭剛進(jìn)入腸道時，曲線急速上升，達(dá)到頂點(diǎn)處，測試端頭的光纖傳感器變形最大，器械對腸道的作用力最大。端頭進(jìn)入腸道以后，以相同的運(yùn)動狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)動。此時，傳感器主要受到腸道內(nèi)部分泌的液體以及腸道自身的蠕動力的作用[8]，受力迅速減小并趨于平緩，相位差迅速減小也趨于平緩。

整個運(yùn)動的過程中，最大相位差時沒有對腸道造成損傷，則記錄此時的相位差，并保存至數(shù)據(jù)庫。在全程的試驗(yàn)過程中，由于設(shè)備精度和試驗(yàn)條件的限制，所測量的數(shù)據(jù)相對于理論數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一些偏差，但仍然具有一定的參考價(jià)值。試驗(yàn)表明：該裝置操作簡便、功能完善、精度可靠，可作為力反饋系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫收集的試驗(yàn)平臺，為相關(guān)技術(shù)的深層次研究提供了一個有效的分析監(jiān)控平臺。

5 結(jié)束語

本文研究了西門子PLC與組態(tài)王軟件協(xié)同配合的設(shè)計(jì)方案[9]，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了手術(shù)器械與生物腸道之間的力信號采集監(jiān)控。

將微光纖傳感器、PLC控制器和組態(tài)王的虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于器械末端的信號采集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的智能化和一體化。試驗(yàn)裝置采集到的相位信號，通過砝碼校準(zhǔn)也反映了力的信息[10]。將采集到的測試端頭在不同運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)入腸道內(nèi)的相位變化信息，儲存到數(shù)據(jù)庫，為今后智能手術(shù)機(jī)器人力反饋系統(tǒng)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。