反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)的研究

楊濤，李笑，關(guān)婷，黃惠敬，盧誠(chéng)君

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣東廣州 510010)

反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)的研究

楊濤1，李笑1，關(guān)婷2，黃惠敬1，盧誠(chéng)君1

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣東廣州 510010)

根據(jù)診斷學(xué)中腹部觸診教學(xué)的要求，設(shè)計(jì)了一種新型的反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)，研制了模擬裝置的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)及控制算法，實(shí)驗(yàn)研究了模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)的控制特性和機(jī)械特性。結(jié)果表明:該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部壓力及其硬度的控制，可模擬受訓(xùn)者進(jìn)行腹部觸診時(shí)的感覺。該研究將為設(shè)計(jì)新型的具有反應(yīng)式的臨床教學(xué)裝置提供依據(jù)和參考。

氣動(dòng)系統(tǒng);腹部觸診;模擬裝置;氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

腹部觸診是一種通過按壓腹部病變及正常區(qū)域，根據(jù)病人疼痛反應(yīng)判斷腹部疾病的方法［1］，是醫(yī)科學(xué)生必須掌握的重要基本技能，只有通過反復(fù)訓(xùn)練才能夠熟練掌握。傳統(tǒng)的腹部觸診技能訓(xùn)練只能在病人身上進(jìn)行。由于適合教學(xué)的典型患者數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)需求，即使有典型病人，很多醫(yī)科學(xué)生在病人身上練習(xí)腹部觸診，必然會(huì)增加病人的痛苦，甚至使病情加重，病人難以接受［2－5］。

目前大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的高等院校都已經(jīng)在系統(tǒng)地規(guī)劃和建設(shè)醫(yī)學(xué)模擬培訓(xùn)場(chǎng)所。在這種形勢(shì)的影響下，醫(yī)學(xué)教學(xué)模擬裝置的研究逐漸發(fā)展起來。國(guó)內(nèi)外臨床應(yīng)用的模擬裝置絕大多數(shù)屬于靜態(tài)模擬裝置，即不能提示受訓(xùn)者對(duì)腹部觸診的觸覺和力覺［6－7］。少數(shù)類型模擬裝置屬于動(dòng)態(tài)模擬裝置，其內(nèi)部主要利用以電機(jī)為動(dòng)力的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)病人的病癥反應(yīng)。該類型的模擬裝置在實(shí)際使用時(shí)雖有力覺反應(yīng)，但是由于內(nèi)部機(jī)械系統(tǒng)剛度等的影響，腹部觸覺極度失真，展現(xiàn)出來的癥狀反應(yīng)與真實(shí)情況相差較大，難以獲得高質(zhì)量的體驗(yàn)性教學(xué)效果［8］。

為解決這一難題，模擬受訓(xùn)練者在觸診過程中對(duì)病人腹壁緊張度、壓痛和反跳痛的感覺，設(shè)計(jì)了一種反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)［9］，對(duì)系統(tǒng)的控制特性和機(jī)械特性進(jìn)行了研究。

1 反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 氣動(dòng)系統(tǒng)組成原理

如圖1所示，反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置的氣動(dòng)系統(tǒng)由觸覺傳感器1、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器2、壓力傳感器3、控制器4、比例減壓閥5、三聯(lián)件6以及氣源7組成。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器為采用彈性硅橡膠和簾線通過黏結(jié)制成的多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的囊體。數(shù)個(gè)觸覺傳感器分布在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器上表面，用來檢測(cè)手指按壓位置及作用力大小。外腹壁模擬人體外腹部組織形態(tài)及彈性，覆蓋在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器及其上的傳感器上?？刂破饔脕聿杉?、處理和顯示測(cè)量信號(hào)，分析、計(jì)算和輸出控制信號(hào)。壓力傳感器與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器相連，用來檢測(cè)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部氣體壓力。比例減壓閥出口接于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，用來調(diào)節(jié)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)氣體壓力。氣源通過三聯(lián)件向比例減壓閥提供高于其出口壓力的恒壓氣體。

圖1 反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)組成原理

當(dāng)手指按壓外腹壁時(shí)，觸覺和壓力傳感器分別將手指按壓位置、作用力及氣體壓力信號(hào)反饋給控制器，控制器經(jīng)過控制運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)給比例減壓閥，比例減壓閥調(diào)節(jié)其出口壓力，使氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器變硬，模擬病人腹肌收縮的疼痛體征，提供受訓(xùn)者對(duì)腹部觸診的感覺。

1.2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是所設(shè)計(jì)的腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，通過控制氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部氣體壓力改變其軟硬，從而模擬病人腹肌收縮的疼痛體征。該驅(qū)動(dòng)器采用彈性硅橡膠和簾線通過黏結(jié)制成多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

建立氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型并加以簡(jiǎn)化，得到氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)氣體壓力p與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器上表面橫向中線的微小位移s的關(guān)系為:

式中:E為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的彈性模量;h為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器囊壁的平均厚度;b為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的寬度。

根據(jù)邵氏硬度的測(cè)量原理可知，當(dāng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器彈性模量及尺寸大小等確定后，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的軟硬變化在數(shù)學(xué)模型中由s體現(xiàn)出來，s越大驅(qū)動(dòng)器硬度越大［10］。

由式 (1)可知，在給定壓力p下，對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器硬度變化影響最大的因素是材料的彈性模量E。而一旦驅(qū)動(dòng)器制作完成，E就固定不變。所以必須設(shè)計(jì)制作滿足材料彈性模量要求的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

由計(jì)算簾線－橡膠復(fù)合材料彈性模量大小的偏軸性能的Gough-Tangorra公式［11］可知，制作氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的復(fù)合材料彈性模量計(jì)算公式為:

式中:Gr、Er、ur分別為橡膠的剪切彈性模量、彈性模量、泊松比;φc、Ec、θ、d、l分別為簾線的體積分?jǐn)?shù)、彈性模量、簾線角、簾線直徑、簾線間距。

根據(jù)式 (2)，設(shè)計(jì)簾線角、簾線間距等參數(shù)，即可制作出彈性模量滿足裝置要求的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

1.3 控制器設(shè)計(jì)

如圖3所示，該裝置的控制系統(tǒng)采用前饋－PID反饋復(fù)合控制。其特點(diǎn)在于前饋控制使系統(tǒng)響應(yīng)迅速，PID控制能對(duì)被控量進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)［12］。

觸覺傳感器將檢測(cè)到的手指壓力p轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)ui，經(jīng)過醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)算法的運(yùn)算得到氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的給定壓力r(t)，作為前饋－PID反饋控制器的輸入值。g(t)為壓力傳感器對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)氣體壓力的測(cè)量值。前饋控制器的輸出量為:

式中:K為前饋系數(shù)。

PID反饋控制器的輸出量為:

式中:KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間系數(shù)，TD為微分時(shí)間系數(shù)。

則前饋－PID反饋控制器輸出的控制量為:

比例減壓閥根據(jù)控制量u(t)調(diào)節(jié)其出口壓力，并改變氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的硬度，從而模擬病人腹肌收縮的疼痛體征。

2 實(shí)驗(yàn)研究

作者對(duì)所設(shè)計(jì)的反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)的控制特性和機(jī)械特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。

圖4為在隨機(jī)給定壓力信號(hào)下，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)時(shí)壓力跟隨曲線。通過調(diào)節(jié)控制器前饋系數(shù)K和PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部壓力的精確控制。由于不同病情的患者及受訓(xùn)者觸診訓(xùn)練時(shí)按壓位置和壓力不同，受訓(xùn)者體驗(yàn)到的觸覺和力覺感受各不相同。精確控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部壓力，能實(shí)現(xiàn)腹肌硬度變化的微小差異的模擬。

圖4 實(shí)時(shí)壓力信號(hào)跟隨實(shí)驗(yàn)曲線

圖5為將給定隨機(jī)壓力信號(hào)延時(shí)500 ms后，驅(qū)動(dòng)器對(duì)延時(shí)給定信號(hào)的壓力跟隨曲線。在實(shí)際腹部觸診中，腹部肌肉的硬度變化是在操作者手指按壓患者腹部病變區(qū)域一段時(shí)間后產(chǎn)生的。因此在控制算法中加入延時(shí)，可以使癥狀反應(yīng)更加逼真。

圖5 延時(shí)壓力信號(hào)跟隨實(shí)驗(yàn)曲線

由于所設(shè)計(jì)的模擬裝置以氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的壓力－硬度特性提示觸覺和力覺，因此必須對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械特性進(jìn)行研究。以下分別通過實(shí)驗(yàn)、ANSYS仿真以及理論計(jì)算，研究了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壓與硬度變化關(guān)系。

圖6為驅(qū)動(dòng)器在不同壓力p下，上表面橫向中線微小位移s的變化曲線。從圖中看出，三條曲線的變化趨勢(shì)一致，且s值比較接近。用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部壓力來反映其硬度的變化是可行的。

圖6 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壓與硬度關(guān)系曲線

為了能準(zhǔn)確提示受訓(xùn)者對(duì)腹膜炎、闌尾炎、膽囊炎等病癥的觸覺和力覺，需根據(jù)人體對(duì)觸診痛覺和腹部肌肉變化的規(guī)律，設(shè)計(jì)合理有效的醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)算法。

3 結(jié)論

根據(jù)受訓(xùn)者對(duì)腹部觸診技能掌握的要求，設(shè)計(jì)了一種新型的反應(yīng)式腹部觸診模擬裝置氣動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了氣動(dòng)、傳感器和智能控制等技術(shù)于一體，使受訓(xùn)者能夠真實(shí)體驗(yàn)腹部觸診中的觸覺和力覺感受，可為設(shè)計(jì)新型的教學(xué)用觸診模型提供參考。

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Research on Pneumatic System of Reactive Abdom inal Palpation Simulator

YANG Tao1，LIXiao1，GUAN Ting2，HUANG Huijing1，LU Chengjun1
(1.School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China;2.Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command，Guangzhou Guangdong 510010，China)

According to the teaching requirements of abdominal palpation in diagnostics，a new type of pneumatic system of reactive abdominal palpation simulator was designed，the pneumatic actuator of the simulator was developed and the system control structure aswell as the control algorithm were designed.The control characteristics and mechanical properties of the pneumatic system of the simulator were investigated in experiments.The results show that this system can implement control the internal pressure and hardness of the pneumatic actuator，and simulate the feeling when trainees do abdominal palpation.This research can provide the basis and reference for designing a new type and reactive clinical teaching device.

Pneumatic system;Abdominal palpation;Simulator;Pneumatic actuator

TH138

A

1001－3881(2014)10－095－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.029

2013－03－28

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目 (2006B12901008);廣東省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 (1184510008)

楊濤 (1987—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)電液氣一體化技術(shù)的研究。E－mail:yangtao870908@126.com。