基于LabVIEW的力覺檢測系統(tǒng)*

楊重駿， 黃金力，薛 麗， 朱璧合， 謝 瑜

(1.廈門大學 公共衛(wèi)生學院，福建 廈門 361102；2.廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361005)

0 引 言

虛擬手術(shù)機器人是一個新興的、涉及多種學科的領(lǐng)域，包括機器人技術(shù)、生物組織建模、電機控制等，是當前國際上生物醫(yī)療器械領(lǐng)域的前沿課題[1～5]。應(yīng)用力覺反饋技術(shù)，醫(yī)務(wù)人員可以在搭建的虛擬手術(shù)操作平臺上感受到如真實手術(shù)一樣的觸感，使手術(shù)訓練更加準確和真實，進而迅速提高手術(shù)技能[6～8]。為了實現(xiàn)對手術(shù)操作的精確力反饋，需要對生物組織進行力學特性建模，精確穿刺模型可以幫助醫(yī)生制定穿刺操作方案，設(shè)計機器人輔助手術(shù)控制單元，還可以為模擬手術(shù)訓練設(shè)備奠定良好的基礎(chǔ)[9～14]。

本文以穿刺操作為研究內(nèi)容進行穿刺力建模，獲得穿刺力與針的位移之間的關(guān)系，建立生物組織的力學模型，并研究了力與有關(guān)影響因素的關(guān)系。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，選用德國PI公司設(shè)計制造的直流電機(ML403.4DG-PWM)線性位移平臺，由計算機通過單通道直流電機控制器C-863進行控制，并通過LabVIEW電機控制程序?qū)﹄姍C實現(xiàn)速度、位移的控制。電阻式應(yīng)變傳感器固定于電機上、安裝于針尾處，可以實時采集力信號，通過數(shù)據(jù)采集卡(NI ELVIS)模塊化平臺將其轉(zhuǎn)換為電壓信號并儲存，最后通過由計算機程序輸出。

圖1 穿刺力測量過程

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，搭建完成了力覺檢測系統(tǒng)，包括位移運動和力檢測2個部分。電機與固定傳感器的槽型結(jié)構(gòu)通過螺釘連接，保證了傳感器在實驗測量中的穩(wěn)定性。針固定在傳感器上，在電機的帶動下直線運動，模擬穿刺行為。直線運動的最小增量位移為0.2 μm，保證了穿刺過程中對位移控制的準確性和靈活性。隨著針在生物組織中前進，受到的反饋力會被力傳感器實時采集，并轉(zhuǎn)換為電壓信號傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，最終通過計算機完成存儲和輸出。軟件操作平臺包括電機運動控制和力信號采集2個部分。在參數(shù)設(shè)置程序完成后，2個模塊可以同時運行，即在針穿刺行為開始的瞬間即采集實時的穿刺力信號，消除了由運行開始時間的微小差別帶來的后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程的誤差。兩個模塊在分別編程后，用一個While循環(huán)，可以在程序運行過程中不斷處理各種事件，實現(xiàn)功能。

3 穿刺力測量與數(shù)據(jù)處理

對于豬肝穿刺力的測量，選用了點膠針頭和不銹鋼穿刺針進行實驗，并分別觀察了在2.5，2，1.5 mm/s 3種穿刺速度下的力曲線。在穿刺力實驗中，選用6#，8#，12#和14#不銹鋼穿刺針，穿刺速度為2.5 mm/s，穿刺過程如圖2所示。將傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為力數(shù)據(jù)，即得到力隨位移變化的信號，并以波形圖為輸出，由于原始的測量數(shù)據(jù)抖動很大，不便于進行深入分析討論，需要對原始測量信號進行平滑處理，再對處理過的數(shù)據(jù)進行分析和建模。

圖2 針穿刺力覺檢測系統(tǒng)與豬肝穿刺過程

由于采集的力信號受到很大的噪聲干擾，因此，除了采集穿刺力的數(shù)據(jù)，又另外對環(huán)境參數(shù)進行了檢測，即電機攜帶穿刺針做直線運動而不進行穿刺時采集信號。通過對原始信號和噪聲信號進行快速傅立葉變換(fast Fourier transform,FFT)，可以看出，噪聲信號分布較為廣泛，但相較于原始信號，干擾頻率主要為高頻分量。通過對信號的頻譜分析可知，需要濾除原始信號中的高頻分量，達到還原數(shù)據(jù)真實性和可靠性的目的。據(jù)此，設(shè)計了巴特沃斯低通濾波器，其特點是在通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線可以實現(xiàn)最大程度的平坦，而在阻帶的曲線則能夠逐漸下降為零。巴特沃斯濾波器的幅度平方函數(shù)可由式(1)表示

(1)

式中N為濾波器階數(shù)；ω為頻率；ωc為3 dB的截止頻率。階數(shù)N的大小主要影響通帶幅頻特性的平坦程度和過渡帶、阻帶的幅度下降速度。

4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

以圖3(a)中力的突降為標志，可以明顯看出,針刺破組織背膜的過程，實心點之后穿刺力發(fā)生了銳減，由2.24 N降至0.77 N。隨后，針刺入組織，受力不斷增大。圖3均為在2.5 mm/s的運動速度下的波形，差別在于點膠針的直徑不同，按照圖片的排列順序，從上至下點膠針的直徑依次減小，外徑分別為2.1，0.52，0.42 mm，對應(yīng)地可以看出：刺破豬肝時的力依次為2.24，0.89，0.75 N，其中橄欖色針頭與橘色針頭外徑相差1.6 mm，穿刺力相差1.35 N，而由于橘色針和紅色針的外徑只相差0.1 mm，因此，這兩種針頭穿刺力的比較并不十分明顯，僅相差0.14 N。除此之外，穿刺力—位移曲線趨勢大致相同。

圖3 濾波前后不同點膠針的穿刺力

針穿刺入組織后，其受到的摩擦力大小與穿刺針和組織間的相對速度有關(guān)，因此，對同一針頭在不同速度下的穿刺力進行測量和比較，可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的減小，針刺入后所受穿刺力減小，選取的速度由上至下依次為1，1.5，2.5 mm/s，針在組織中受力的峰值分別為1.7，1.9，3.7 N。波形如圖4。

圖4 在不同穿刺速度下14#穿刺針穿刺豬肝的力曲線

為了明確針穿刺力的變化趨勢和特點是否同樣適用于其他動物組織，另外對豬肉進行了同樣的實驗操作。從圖5(a)中可以看出，針穿刺豬肉的力變化過程與穿刺豬肝的過程大體類似，即在位移10 mm左右的位置發(fā)生一次力的突降，表示表面膜刺破，此后，穿刺力不斷攀升直至刺出組織后下降。而且穿刺力隨著針直徑的增加而增大。

圖5 不同型號穿刺針穿刺豬肉力曲線

雖然穿刺豬肉與穿刺豬肝的力—位移曲線從總體趨勢看大致接近，但對比兩種實驗材料在同樣直徑的穿刺針以相同穿刺速度的穿刺力—位移曲線可以發(fā)現(xiàn):針與豬肉間的相互作用力略小于豬肝，而且穿刺豬肉過程出現(xiàn)的力的突降點也少于豬肝。這是由于豬肉與豬肝的組織結(jié)構(gòu)不同造成的。

5 穿刺力模型的建立與分析

用8#穿刺針在穿刺速度為2.5 mm/s的條件下進行多組實驗，利用MATLAB的曲線擬合工具箱對處理后的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，分別利用二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合預(yù)穿刺時豬肝組織的力—位移曲線，整理實驗結(jié)果，如表1所示。

表1 8#穿刺針在穿刺速度為2.5 mm/s條件下穿刺力建模

其中，誤差平方和SSE計算的是擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對應(yīng)點的誤差的平方和，SSE越接近于0，說明模型的選擇和擬合越好，對數(shù)據(jù)的預(yù)測也越成功。均方根誤差(root mean square error,RMSE)與SSE效果一樣。確定系數(shù)R-square的正常取值范圍為[0，1]，越接近1，則說明該方程的變量對f(x)的解釋能力越強，即該模型對數(shù)據(jù)擬合越好。通過比較穿刺豬肝的二次函數(shù)和冪函數(shù)兩種模型發(fā)現(xiàn)，兩種擬合方法的準確度相差較小，均可以作為穿刺豬肝時彈性力的擬合模型。而在準確度相差較小的條件下，從控制的角度來講，二次函數(shù)更利于實現(xiàn)控制。

對于豬肉穿刺力建模時，由于選用不帶皮的豬肉，因此，其纖維組織直接裸露在外面而且較為細軟，穿刺過程中的變形較豬肝要小一些，故可認為是線彈性，利用一次方程進行建模。

由前述的數(shù)據(jù)分析可知，針的直徑對穿刺力的大小有直接的影響，擬合得到的模型為

f(x)=0.873 7x+0.408 8

(2)

SSE為0.001 373，RMSE為0.030 75，確定系數(shù)為0.999。穿刺力與直徑的線性變化關(guān)系，如圖6(a)所示。

圖6 穿刺力與直徑及速度關(guān)系

除了直徑對穿刺力的影響，對于破膜后的穿刺力來說，不同的速度對穿刺力的影響也比較明顯，這是由于生物組織內(nèi)部的粘彈性導致的，表現(xiàn)為穿刺速度對針軸的摩擦力產(chǎn)生影響?？梢缘玫酱┐塘﹄S速度變化的指數(shù)增長模型

f(x)=aebx

(3)

圖6(b)所示為穿刺力峰值隨速度變化的擬合模型，模型系數(shù)為a=0.090 64，b=0.560 4。擬合效果SSE為0.033 92，R-square為0.971 3，可見該模型可以比較準確地擬合穿刺力與速度的關(guān)系。鑒于所選電機的直線運動最大速度為2.5 mm/s，因此,對于更高速度下的穿刺力變化是否符合該指數(shù)模型還需要進一步地研究。

6 結(jié) 論

1)在穿刺的變形階段，穿刺力主要由彈性力組成，即由于組織發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生對針頭的阻力。在穿刺階段，穿刺力由摩擦力和剪切力構(gòu)成，摩擦力與速度相關(guān)。

2)對變形階段的彈性力建?？梢愿鶕?jù)組織形變的大小而選擇不同的模型，在較小形變時，彈性力可認為是穿刺位移的一次函數(shù)；當發(fā)生較大形變時，彈性力不再呈線性變化，與位移的關(guān)系可視為二次函數(shù)或是指數(shù)函數(shù)。

3)穿刺針的直徑對穿刺力有影響，表現(xiàn)為穿刺力隨直徑的增大而線性增大。

4)速度對穿刺力的影響表現(xiàn)在穿刺階段，穿刺力隨速度呈現(xiàn)指數(shù)型增長。

致謝:

感謝福建省傳感技術(shù)重點實驗室和廈門市傳感器技術(shù)重點實驗室經(jīng)費的支持。

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