基于STM32的脊柱手術(shù)鉆孔輔助裝置控制系統(tǒng)*

李翔昱，湯 卿，徐邦杰，姚 進(jìn)

(四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)作為脊柱手術(shù)中穩(wěn)定性重建的重要手段，其基本原理是將骨釘經(jīng)由椎弓根植入椎體中，并利用骨釘及支撐桿對(duì)脊柱進(jìn)行固定和支撐。由于脊椎周圍遍布重要的神經(jīng)、血管及臟器，植入骨釘前的釘?shù)罍?zhǔn)備過(guò)程具有高風(fēng)險(xiǎn)。釘?shù)赖姆较蛏杂衅罨虼┏鲎刁w都可能造成造成病人相應(yīng)的功能失調(diào)乃至永久的殘疾[1-2]。

醫(yī)生術(shù)前能夠根據(jù)醫(yī)學(xué)成像準(zhǔn)確地確定鉆孔的位置和深度。術(shù)中，脊柱手術(shù)主要依靠醫(yī)師手持電鉆進(jìn)行鉆孔。醫(yī)生在鉆孔時(shí)首先要依據(jù)影像目測(cè)鉆孔的位置和方向，然后手持電鉆定位后一邊鉆孔一邊觀察鉆孔的情況。在這個(gè)過(guò)程中很難保證正確的電鉆鉆孔位置和方向，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的手術(shù)操作所帶來(lái)的疲勞也增加了誤操作的可能性[3-4]。

目前，脊柱骨折最好的治療手段是進(jìn)行椎弓根內(nèi)固定術(shù)，椎弓根釘是否能夠準(zhǔn)確植入是脊柱手術(shù)成功與否的關(guān)鍵。文獻(xiàn)報(bào)道：術(shù)后CT查實(shí)，傳統(tǒng)脊柱手術(shù)椎弓根穿破率高達(dá)21%～31%，對(duì)脊椎、神經(jīng)根、大血管等造成嚴(yán)重威脅[5-7]。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文將研發(fā)一款脊柱手術(shù)鉆孔輔助裝置，就控制系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)方案，并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的試制和初步實(shí)驗(yàn)[8-11]。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

1.1 裝置整體功能

在脊柱鉆孔手術(shù)時(shí)，為了達(dá)到鉆臂運(yùn)動(dòng)比較靈活的目的，鉆臂末端應(yīng)滿足在三維空間具有6個(gè)自由度?？紤]到鉆孔手術(shù)的危險(xiǎn)性，筆者給出了更加符合人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，即整個(gè)裝置滿足重力自平衡、鉆臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼可調(diào)節(jié)，鉆臂可以鎖緊，鎖緊時(shí)具有足夠的剛度等設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，電鉆在鉆孔時(shí)要能夠自動(dòng)進(jìn)給并且進(jìn)給量可調(diào)，同時(shí)需要實(shí)時(shí)顯示鉆孔過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。

目前筆者已完成6自由度、具有重力自平衡功能的鉆孔輔助裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 脊柱鉆孔輔助裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置整體的重力自平衡通過(guò)配重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，鉆臂關(guān)節(jié)J1為移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)J2-J6為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，末端通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直線模組構(gòu)成的進(jìn)給關(guān)節(jié)J7和電鉆聯(lián)接。在各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)有磁粉離合器，作為實(shí)現(xiàn)阻尼控制的核心部件，可以通過(guò)控制其制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)手術(shù)鉆孔定位時(shí)的拖動(dòng)、微調(diào)和鎖緊狀態(tài)的切換，并且保持鉆臂具有一定的剛度和穩(wěn)定性。在各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處還設(shè)置有光學(xué)編碼器，用以檢測(cè)各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并計(jì)算末端電鉆的實(shí)時(shí)位姿。筆者在轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)J6末端設(shè)置有手術(shù)電鉆，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直線模組和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)J6末端連接，從而實(shí)現(xiàn)直線鉆孔進(jìn)給。

1.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電流/電壓輸出控制功能，編碼器信號(hào)讀取功能，以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制功能。據(jù)此設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 總體控制方案

主控芯片選擇STM32F767，阻尼控制方案為通過(guò)定時(shí)器TIM8和TIM9產(chǎn)生5路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為大小可控的電壓輸出，經(jīng)過(guò)功率放大后輸入到磁粉離合器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的變阻尼控制以及鎖緊。直線進(jìn)給系統(tǒng)方案為通過(guò)TIM10產(chǎn)生一路PWM輸出給定頻率和個(gè)數(shù)的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)直線模組的進(jìn)給量，同時(shí)利用兩個(gè)IO口控制步進(jìn)電機(jī)是否使能及正反轉(zhuǎn)。位置信號(hào)檢測(cè)方案為通過(guò)采用定時(shí)器TIM1-TIM5的編碼器接口模式，進(jìn)行編碼器脈沖信號(hào)的讀取和計(jì)數(shù)。

鉆孔時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示通過(guò)LCD屏幕以及力/力矩傳感器實(shí)現(xiàn)，鉆孔時(shí)的各項(xiàng)操作通過(guò)LCD觸控屏幕的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)

2.1 阻尼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)磁粉離合器的工作原理[12]，其具有如下特性：勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系，傳遞的轉(zhuǎn)矩不受滑差影響的特性。因此，為了達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，需要控制輸出電流的大小。

由于STM32F767的DAC輸出只有兩路，本文采用PWM+RC濾波的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DAC輸出。實(shí)際電路中典型的PWM波形可以用分段函數(shù)表示為：

(1)

式中：T—單片機(jī)中計(jì)數(shù)脈沖的基本周期；n—PWM波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；N—PWM波一個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；VH/VL—PWM的高低電平值；k—諧波次數(shù)。

將式(1)展開成傅里葉級(jí)數(shù)，可得：

(2)

式中：n/N(VH-VL)+VL—直流分量；

式(2)中的直流分量與n成線性關(guān)系，并隨著n從0到N，直流分量在VL到VL+VH之間變化。因此，本文只需設(shè)計(jì)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)，濾除高頻分量，就可以得到從PMW波到電壓輸出DAC的轉(zhuǎn)換。式(2)中的第2項(xiàng)的幅度和相角與n有關(guān)，頻率為1/(NT)，其實(shí)就是PWM的輸出頻率，該頻率是設(shè)計(jì)低通濾波器的依據(jù)。如果能把1次諧波很好過(guò)濾掉，則可以消除絕大部分的高次諧波。

據(jù)此，可以得出PWMDAC的分辨率公式：

p=log2N

(3)

如果假設(shè)n的最小變化為1，當(dāng)N=256的時(shí)候，分辨率就是8位。在該假設(shè)條件下，設(shè)計(jì)要求1次諧波對(duì)輸出電壓的影響不要超過(guò)1個(gè)位的精度，也就是3.3/256=0.012 89 V。假設(shè)VH為3.3 V，VL為0 V，那么一次諧波的最大值是2*3.3/π=2.1 V，因此，該二階RC濾波電路的設(shè)計(jì)需要提供至少-20lg(2.1/0.012 89)=-44 dB的衰減。

由于本系統(tǒng)的定時(shí)器頻率為108 MHz，考慮8位分辨率的情況下，PWM頻率為108M/256=421.875 kHz。二階RC濾波的要求截止頻率為33.62 kHz，根據(jù)下式，可以計(jì)算出二階RC濾波器的所需的電容電阻值：

(4)

據(jù)此，可以通過(guò)改變PWM占空比的方式調(diào)節(jié)單片機(jī)IO接口的輸出電壓大小，再通過(guò)磁粉將輸入電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流值，用于控制磁粉離合器。具體的電壓計(jì)算公式為：

Vout=δ(VH-VL)+VL

(5)

式中：δ—PWM的占空比。

2.2 直線進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文擬采用兩個(gè)5 V開關(guān)量控制步進(jìn)電機(jī)，其輸出分別用于使能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，另外還需要一路脈沖發(fā)送用于控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)量。

本文通過(guò)定時(shí)器的PWM功能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。具體通過(guò)發(fā)送對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給量。進(jìn)給量計(jì)算公式如下：

s=Nθγ(mm)

(6)

式中：s—進(jìn)給量；N—發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)；θ—步距角；γ—導(dǎo)程。

具體實(shí)現(xiàn)方式為使用PWM輸出加定時(shí)器中斷模式，每發(fā)送一個(gè)脈沖均觸發(fā)一次定時(shí)器中斷；其次在中斷服務(wù)函數(shù)中維護(hù)一個(gè)全局變量，記錄已經(jīng)發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定個(gè)數(shù)時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器中斷和PWM輸出。

本文設(shè)計(jì)的LCD屏幕界面如圖3所示。

圖3 LCD觸控屏幕界面

該交互界面中，第一行為阻尼模式切換按鈕，包括拖動(dòng)、微調(diào)和鎖緊模式，分別對(duì)應(yīng)為Drag、Inch和Lock按鈕。第二行的數(shù)字調(diào)節(jié)按鈕通過(guò)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給量(mm)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔深度的設(shè)置。第三行第一個(gè)復(fù)選框用來(lái)確認(rèn)鉆孔的深度，未勾選時(shí)第四行的開始按鈕無(wú)效。第二個(gè)復(fù)選框用來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向。第四行的兩個(gè)按鈕用來(lái)控制末端直線模組的啟動(dòng)和停止，對(duì)應(yīng)于圖中的Start和Stop按鈕。

2.3 手術(shù)操作流程

使用該裝置完成脊柱手術(shù)鉆孔流程，如圖4所示。

圖4 脊柱鉆孔輔助裝置操作流程圖

具體的鉆孔操作流程如下所述：

(1)打開電源開關(guān)，磁粉離合器初始化為鎖緊狀態(tài)；(2)輕按LCD屏幕上的Drag將輔助鉆臂工作模式切換到拖動(dòng)模式，這時(shí)醫(yī)生可以用較小的牽引力將骨鉆拖動(dòng)到打孔位置；(3)輕按LCD屏幕上的Inch按鈕，調(diào)整鉆孔位置和角度；(4)輕按LCD屏幕上的Lock按鈕進(jìn)入鎖緊狀態(tài)；(5)輸入鉆孔進(jìn)給量和進(jìn)給速度，勾選確認(rèn)復(fù)選框DepthConfirm，然后輕按Start按鈕開始自動(dòng)進(jìn)給操作；(6)觀察顯示屏上顯示的鉆孔數(shù)據(jù)；(7)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，按下Stop按鈕或急停按鈕。如需退出骨鉆，勾選進(jìn)給裝置的反向運(yùn)動(dòng)復(fù)選框ReverseDirection，輸入退出量；(8)鉆孔完成預(yù)先設(shè)定的進(jìn)給量后，由醫(yī)生決定骨鉆退出或者繼續(xù)進(jìn)給。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)20 N左右的拖動(dòng)力的需求，本文通過(guò)DOE的方法分別確定了拖動(dòng)和微調(diào)狀態(tài)下所需的關(guān)節(jié)摩擦力矩，并通過(guò)3個(gè)按鈕分別實(shí)現(xiàn)。為了確保鉆孔時(shí)的安全，按下鎖緊后鎖緊力矩最大。

試驗(yàn)過(guò)程包括：?jiǎn)?dòng)設(shè)備、拖動(dòng)鉆臂、微調(diào)鉆頭位姿、設(shè)置鉆孔深度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在最大工作力矩下可以滿足完全鎖緊的需求。

最終完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的性能參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)椎弓根內(nèi)固定術(shù)實(shí)施鉆孔操作過(guò)程中的難點(diǎn)，為已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的鉆孔輔助裝置機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆臂拖動(dòng)狀態(tài)、微調(diào)狀態(tài)和鎖緊狀態(tài)的快速切換控制；實(shí)現(xiàn)了鉆孔狀態(tài)的輔助顯示，為醫(yī)生在鉆孔時(shí)對(duì)手術(shù)狀況的判斷提供了幫助。

該系統(tǒng)同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了鉆孔自動(dòng)進(jìn)給控制，解決了脊柱手術(shù)由于鉆孔時(shí)，可能存在的勞動(dòng)強(qiáng)度和生理顫振給手術(shù)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。