血管介入操作力覺(jué)標(biāo)定模塊設(shè)計(jì)

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(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)導(dǎo)絲導(dǎo)管直接對(duì)病灶處進(jìn)行診斷和治療，具有較好的治療效果，同時(shí)產(chǎn)生創(chuàng)口小，患者恢復(fù)快[2-3]。通過(guò)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(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)血管介入機(jī)器人也能夠采集手術(shù)過(guò)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(lái)，國(guó)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(kāi)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(jué)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)上仍然存在一些問(wèn)題。例如:力覺(jué)模塊尺寸較大，其安裝時(shí)的電路模塊等結(jié)構(gòu)會(huì)限制機(jī)器人的工作行程[8-9]；力覺(jué)模塊能夠檢測(cè)的力覺(jué)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(jué)模塊大多使用了特制的力覺(jué)檢測(cè)單元對(duì)導(dǎo)絲導(dǎo)管等的受力情況進(jìn)行感知，這使得力覺(jué)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(duì)導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具的受力特性，設(shè)計(jì)了一種力覺(jué)標(biāo)定模塊，能夠同時(shí)檢測(cè)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(jué)標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在介入手術(shù)過(guò)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(dòng)，使之從遠(yuǎn)離病灶處的穿刺點(diǎn)沿著血管通道移動(dòng)到患者的病灶處進(jìn)行相應(yīng)的治療。對(duì)醫(yī)生的操控動(dòng)作進(jìn)行分析可知，導(dǎo)絲導(dǎo)管等的運(yùn)動(dòng)可以分為軸向的平動(dòng)和周向的轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)部分。進(jìn)一步對(duì)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(jué)信息主要包括軸向的阻力和周向的扭矩2個(gè)部分。因此，力覺(jué)標(biāo)定模塊需要具備檢測(cè)和分析導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具所受的軸向和周向2個(gè)維度上的力覺(jué)信息的功能。

1.1 力覺(jué)標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)布置

力覺(jué)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(dòng)控制單元、周向運(yùn)動(dòng)控制單元以及管線張緊單元3個(gè)部分。軸向運(yùn)動(dòng)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(guò)蝸輪和蝸桿傳遞外部動(dòng)力，帶動(dòng)齒輪軸1和齒輪軸2進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)與齒輪軸1同軸的摩擦輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)控制。周向運(yùn)動(dòng)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(guò)齒輪軸3傳遞外部動(dòng)力，帶動(dòng)整個(gè)殼體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(guò)操作處于殼體外部的控制手柄，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jué)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(jì)

軸向阻力是血管介入手術(shù)中力覺(jué)信息的重要組成部分，血流的流動(dòng)以及導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具與血管內(nèi)壁的接觸都會(huì)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(dòng)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(shí)，摩擦輪會(huì)帶動(dòng)齒輪軸1和齒輪軸2進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)齒輪軸2上的蝸輪也會(huì)隨之帶動(dòng)蝸桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而改變傳感器壓板對(duì)彈簧的壓力，即改變壓力傳感器所受的壓力大小。通過(guò)檢測(cè)壓力傳感器的電阻變化，就能夠間接地計(jì)算得到軸向阻力的數(shù)值大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向阻力的力覺(jué)信息標(biāo)定。

1.3 周向扭矩標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與軸向阻力相同，周向扭矩也是血管介入手術(shù)中力覺(jué)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(huì)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(shí)，摩擦輪會(huì)直接對(duì)彈簧施加壓力，從而改變傳感器壓片對(duì)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(gè)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(cè)到的壓力傳感器的電阻變化，可以通過(guò)計(jì)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(duì)周向扭矩的力覺(jué)信息標(biāo)定。

2 力覺(jué)信息檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

力覺(jué)標(biāo)定模塊的力覺(jué)信息檢測(cè)電路主要可以分為檢測(cè)模塊和信號(hào)處理模塊2個(gè)部分。其中，檢測(cè)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(hào)。而信號(hào)處理模塊包括A/D采集電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等部分，主要功能是處理檢測(cè)模塊獲取的電路信號(hào)，并與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。力覺(jué)信息檢測(cè)電路的整體框圖如圖4所示。

圖4 力覺(jué)信息檢測(cè)電路框圖

2.1 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)絲導(dǎo)管等器具所受的軸向阻力和周向扭矩的測(cè)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(huì)隨著傳感器敏感區(qū)所受壓力的增大而減小。因此，通過(guò)測(cè)量壓力傳感器輸出電阻的變化就能夠計(jì)算得到相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)。

當(dāng)力覺(jué)標(biāo)定模塊進(jìn)行周向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與壓力傳感器連接的信號(hào)線也會(huì)隨之進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，信號(hào)線可能會(huì)出現(xiàn)纏繞和損傷等問(wèn)題，從而影響整個(gè)檢測(cè)電路的穩(wěn)定性。由于上述問(wèn)題是周向運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的，因此,可以通過(guò)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(hào)線與周向運(yùn)動(dòng)時(shí)的固定結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所引出的信號(hào)線連接，從而使周向運(yùn)動(dòng)時(shí)信號(hào)線不會(huì)發(fā)生纏繞和損傷等情況。

2.2 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

從檢測(cè)模塊獲取的電路信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊的采集和處理才能被上位機(jī)識(shí)別。信號(hào)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(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該模塊輸出的數(shù)據(jù)是UART類型，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路才能夠與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。其中，信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成USB類型。將檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊以及上位機(jī)通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)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(gè)壓力傳感器同時(shí)檢測(cè)力覺(jué)信號(hào)時(shí)，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(jué)信息檢測(cè)電路具有小尺寸和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

3 力覺(jué)標(biāo)定模塊實(shí)驗(yàn)

為了確定檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要對(duì)力覺(jué)標(biāo)定模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于檢測(cè)的力覺(jué)信息包括軸向阻力和周向扭矩2個(gè)部分，因此，需要根據(jù)這2種類型的力覺(jué)信息的相應(yīng)特點(diǎn)采用不同的實(shí)驗(yàn)方案。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，需要模擬真實(shí)場(chǎng)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(guò)程中，力覺(jué)標(biāo)定模塊將被安裝在1個(gè)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(yàn)平臺(tái)的功能，還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的施加軸向阻力和周向扭矩的裝置。

圖5 力覺(jué)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(jì)了軸向阻力標(biāo)定平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用砝碼施加一定大小的拉力，同時(shí)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(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軸向阻力標(biāo)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)

根據(jù)周向扭矩的特點(diǎn)，本文也設(shè)計(jì)了周向扭矩標(biāo)定平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)夾緊軸上的螺釘夾緊導(dǎo)絲導(dǎo)管，并使用砝碼帶動(dòng)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(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 周向扭矩標(biāo)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

基于設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，當(dāng)力覺(jué)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(shí)，檢測(cè)電路能夠采集到相應(yīng)的力覺(jué)信息，同時(shí)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(cè)電路通過(guò)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(duì)應(yīng)的參考電壓值。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(hào)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的波動(dòng)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(duì)讀取的電路信號(hào)進(jìn)行處理。作為一種線性最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)方法，卡爾曼濾波具有高效、實(shí)時(shí)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]。卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程與觀測(cè)方程為：

xk=Axk-1+Buk-1+wk

(2)

zk=Hxk+vk

(3)

xk為k時(shí)刻的狀態(tài)向量；zk為k時(shí)刻的觀測(cè)向量；A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B為輸入控制矩陣；H為觀測(cè)矩陣；uk為k時(shí)刻的系統(tǒng)控制向量；wk為k時(shí)刻的系統(tǒng)噪聲向量；vk為k時(shí)刻的觀測(cè)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(duì)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(jiǎn)化后，可以得到相應(yīng)的狀態(tài)方程與觀測(cè)方程?？柭鼮V波主要分為預(yù)測(cè)和更新2個(gè)步驟。預(yù)測(cè)步驟是基于上一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)，相應(yīng)的計(jì)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(duì)電路信號(hào)的影響，負(fù)載為0時(shí)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(hào)中的噪聲信息，使濾波后的信號(hào)變得相對(duì)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(yàn)中，本文使用逐級(jí)加載和逐級(jí)卸載的方式控制負(fù)載，同時(shí)對(duì)軸向阻力和周向扭矩各進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)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(jué)標(biāo)定模塊能夠很好地根據(jù)讀取得到的電壓信號(hào)獲取軸向阻力和周向扭矩的力覺(jué)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(guò)有限數(shù)量的標(biāo)定點(diǎn)得到的，當(dāng)讀取到的力覺(jué)信息不在標(biāo)定點(diǎn)上時(shí)，需要通過(guò)差分方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的結(jié)果，從而影響力覺(jué)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。這一問(wèn)題可以通過(guò)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(hào)在整個(gè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的變化相對(duì)較小，這同樣可能會(huì)對(duì)力覺(jué)檢測(cè)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。這一問(wèn)題可以通過(guò)在檢測(cè)電路中增加信號(hào)放大模塊的方法進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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