遠(yuǎn)程控制超聲掃描的遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)

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(1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(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；3.上海市瑞金康復(fù)醫(yī)院，上海 200023；4.上海市寶山區(qū)大場醫(yī)院，上海 200436)

0 引言

超聲成像技術(shù)作為四大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，由于其價(jià)格便宜、操作簡便和成像安全等特點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用[1]，在臟器病變的診斷中提供了高價(jià)值的參考信息[2]。而且隨著高頻超聲技術(shù)的發(fā)展，超聲圖像的質(zhì)量正逐步逼近CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)和MRI(核磁共振成像)，愈發(fā)成為社會(huì)各界關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

然而，超聲掃描對操作員的技術(shù)依賴較高，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員才能得到價(jià)值較高的超聲掃描圖像[3]。在一些二、三線城市或者更為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，掌握這項(xiàng)技術(shù)的超聲掃描操作人員非常稀缺[4]。為了解決這個(gè)問題，或是患者前往大醫(yī)院就醫(yī)，亦或是醫(yī)師趕到當(dāng)?shù)爻霾罹驮\。不論使用哪種方式，都增大了醫(yī)療成本，給醫(yī)患雙方造成了許多不便[5]。如今，遠(yuǎn)程超聲掃描技術(shù)的概念與發(fā)展，使得醫(yī)患雙方可以在異地執(zhí)行超聲掃描，解放了掃描操作的地域限制，極大減少了潛在的醫(yī)療成本。

國內(nèi)外已開展了許多關(guān)于遠(yuǎn)程超聲掃描的研究與探索。Sengupta等[6]利用鼠標(biāo)鍵盤在遠(yuǎn)端控制七自由度機(jī)械臂來夾持超聲探頭對近端的患者執(zhí)行超聲掃描，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程超聲掃描在實(shí)時(shí)控制上的可能性；Seo等[7]改進(jìn)了近端超聲探頭的夾持裝置，使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得探頭可以在小范圍內(nèi)適應(yīng)皮膚的曲率；Adams等[8]利用操縱桿在遠(yuǎn)端控制超聲探頭在小范圍內(nèi)的位姿，而在近端輔以另一位醫(yī)師控制超聲探頭的大概位置和壓力大小，增強(qiáng)了遠(yuǎn)程超聲掃描的魯棒性。在國內(nèi)，華大智造[9]研制了一款遠(yuǎn)程超聲診斷系統(tǒng)，利用六自由度機(jī)械手夾持超聲探頭掃描，并反饋實(shí)時(shí)超聲圖像供醫(yī)師診斷；中國人民解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院[10]則利用5G通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了首例基于5G的遠(yuǎn)程超聲掃描演示。國內(nèi)外的研究從不同的角度驗(yàn)證了遠(yuǎn)程超聲掃描的可行性，并提出了有效的實(shí)施方案和改進(jìn)措施。不過，目前遠(yuǎn)程超聲掃描主要由遠(yuǎn)端傳輸控制信號，近端機(jī)械臂只能執(zhí)行復(fù)現(xiàn)和防護(hù)的功能；而且遠(yuǎn)端操作設(shè)備相對簡單，尚無將遠(yuǎn)端模擬超聲探頭上的壓力實(shí)時(shí)反饋到近端患者的皮膚上，降低了醫(yī)師操作的臨場感，給實(shí)際的掃描工作帶來了不便。

因此，本文研制了一種遠(yuǎn)端超聲探頭操縱系統(tǒng)，通過各種傳感器實(shí)時(shí)反饋模擬超聲探頭的位姿和壓力信息；在此基礎(chǔ)上，使用阻抗控制的方式將垂直于皮膚表面的壓力控制交由近端機(jī)械臂自主完成，其余5個(gè)自由度則由遠(yuǎn)端操作員控制，使得近端超聲探頭在復(fù)現(xiàn)遠(yuǎn)端操縱器位姿的同時(shí)，還能跟蹤模擬超聲探頭的壓力，以期為遠(yuǎn)程超聲掃描的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)包括模擬超聲探頭和模擬皮膚平臺(tái)2個(gè)部分。醫(yī)師手持模擬超聲探頭在模擬皮膚平臺(tái)上進(jìn)行掃描動(dòng)作，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集掃描過程中模擬超聲探頭的位姿以及與模擬皮膚平臺(tái)間的壓力，并傳輸給近端機(jī)械臂控制器來完成遠(yuǎn)程超聲掃描。

為了采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)采用了3種傳感器，分別是紅外線傳感器、陀螺儀和壓電傳感器，如圖1所示。其中，紅外線傳感器通過光線反射測距的原理，可以測量出指定平面內(nèi)遮擋物的二維坐標(biāo)xr和yr；陀螺儀隨著模擬超聲探頭一同旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)時(shí)獲取模擬探頭的姿態(tài)，使用軸角方式可以表示為3個(gè)變量rxr，ryr和rzr；壓電傳感器分布于模擬超聲探頭前端，可以在探頭處于不同姿態(tài)的情況下測得探頭和皮膚平臺(tái)間的壓力FNr。這六維數(shù)據(jù)通過3種傳感器實(shí)時(shí)采集到后，便可以作為控制參考值傳輸給近端機(jī)械臂的控制器。

圖1 遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)采用的傳感器

研制的遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括探頭外殼、陀螺儀、壓電傳感器、仿人皮膚、紅外線傳感器，以及壓板外殼。為了測量模擬超聲探頭的姿態(tài)，陀螺儀必須放置在探頭內(nèi)部才能隨其一同旋轉(zhuǎn)；而壓電傳感器用以測量表面間的擠壓力，需要相對均勻地分布在模擬探頭與模擬皮膚平臺(tái)接觸的表面上，如圖2a所示。為了獲取模擬探頭在模擬皮膚上的位置信息，將紅外線傳感器放置在仿人皮膚上并用壓板固定在一起，如圖2b所示。

圖2 遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

除了信號采集外，遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)還需要將采集到的信號發(fā)送給近端機(jī)械臂控制器來進(jìn)行實(shí)際超聲探頭的控制。數(shù)據(jù)在傳輸層使用了TCP/IP協(xié)議來對目標(biāo)主機(jī)進(jìn)行尋址和可靠通訊，在應(yīng)用層則需要自行設(shè)定通訊協(xié)議來完成整個(gè)通訊流程，如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程超聲掃描的通訊流程

該流程可以分為3個(gè)部分，分別為建立通訊、保持通訊和結(jié)束通訊。建立通訊階段：遠(yuǎn)端系統(tǒng)發(fā)送建立通訊信號給近端控制器，控制器收到信號后確認(rèn)通訊建立，并將RSA公鑰發(fā)送給遠(yuǎn)端系統(tǒng)；遠(yuǎn)端系統(tǒng)接收到確認(rèn)信號和RSA公鑰后，利用RSA公鑰加密AES密鑰，同時(shí)利用AES密鑰加密初始的位姿信息(xr0,yr0,rxr0,ryr0,rzr0)一并發(fā)送給近端控制器，近端控制器記錄相關(guān)密鑰和初始狀態(tài)后等待后續(xù)控制指令。保持通訊階段：遠(yuǎn)端系統(tǒng)以56 ms為通訊周期向近端控制器發(fā)送控制指令，近端控制器則以8 ms為控制周期對機(jī)械臂進(jìn)行控制；每當(dāng)近端控制器收到指令后便刷新實(shí)時(shí)控制指令下達(dá)給機(jī)械臂，否則保持前一次收到的控制指令狀態(tài)。結(jié)束通訊階段：遠(yuǎn)端控制器發(fā)送結(jié)束通訊信號給近端控制器，近端控制器接收到后立即停止雙端通訊；如果在保持通訊階段近端控制器持續(xù)1 000 ms未收到控制指令，則自動(dòng)停止雙端通訊。

2 阻抗控制器設(shè)計(jì)

為了使得近端真實(shí)超聲探頭和皮膚間的壓力FN能夠跟蹤上遠(yuǎn)端傳輸過來的參考值FNr，需要對FN進(jìn)行反饋閉環(huán)控制。

阻抗控制方法在機(jī)器人順應(yīng)性控制中有著廣泛的應(yīng)用。本文采用了阻抗控制的方法，來保證近端真實(shí)超聲探頭和皮膚間的壓力跟蹤效果。根據(jù)阻抗控制方法設(shè)計(jì)的控制器具有如下的一般形式：

(1)

M，B和K分別為控制器的慣性、阻尼和剛度矩陣；ΔX及其各階導(dǎo)數(shù)分別為受控變量位置、速度和加速度誤差；ΔF為受控力誤差。

由于超聲探頭在掃描過程中，基本與皮膚保持法向垂直，因此可以將探頭和皮膚間的壓力FN看成是一維力信號，受控變量則為探頭到皮膚間的距離l，那么式(1)可以被改寫為

(2)

在實(shí)際控制中，由于機(jī)械臂不反饋末端加速度信息，因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)忽略式(2)中的m。此外，令超聲探頭到皮膚距離的參考速度為0，可以簡化式(2)為式(3)，其中l(wèi)c為當(dāng)前控制周期下達(dá)的指令：

(3)

根據(jù)嘗試性實(shí)驗(yàn)可以定出較為合適的控制器參數(shù)k和b來達(dá)到力跟蹤的目的。進(jìn)一步，將控制指令lc與遠(yuǎn)端系統(tǒng)發(fā)送的位姿Tc相結(jié)合，并轉(zhuǎn)換為超聲探頭的位姿Pr作為機(jī)械臂控制系統(tǒng)的輸入，即可得到遠(yuǎn)程超聲探頭協(xié)作控制流程，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程超聲探頭協(xié)作控制流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)前幾節(jié)的描述，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對超聲探頭的遠(yuǎn)程控制進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)、近端控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸構(gòu)件3個(gè)部分，如圖5所示。其中，平臺(tái)構(gòu)件包括模擬超聲探頭、模擬皮膚平臺(tái)、遠(yuǎn)端控制主機(jī)、遠(yuǎn)端程序顯示器、現(xiàn)場及超聲圖像顯示器、串聯(lián)機(jī)械臂、六維力傳感器、近端控制主機(jī)及攝像頭、近端程序顯示器，以及實(shí)驗(yàn)用甲狀腺體模。

遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)、遠(yuǎn)端控制主機(jī)和遠(yuǎn)端控制程序3個(gè)部分，如圖5a所示。遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)如前所述包括模擬超聲探頭和模擬皮膚平臺(tái)；遠(yuǎn)端控制主機(jī)包括遠(yuǎn)端控制計(jì)算機(jī)及其輸入輸出設(shè)備。近端控制系統(tǒng)包括六自由度機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)，如圖5b所示。網(wǎng)絡(luò)傳輸構(gòu)件包括遠(yuǎn)端和近端的控制主機(jī)以及中間路由器，其數(shù)據(jù)傳輸如圖5c所示。

圖5 遠(yuǎn)程超聲掃描實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 遠(yuǎn)程人機(jī)協(xié)作控制

實(shí)驗(yàn)過程中，操作員操縱模擬超聲探頭進(jìn)行掃描，近端機(jī)械臂則夾持真實(shí)超聲探頭在甲狀腺體模上復(fù)現(xiàn)操作員的動(dòng)作，如圖6所示。

記錄探頭的實(shí)時(shí)位姿，同遠(yuǎn)端發(fā)送的指令進(jìn)行對比就可以得到遠(yuǎn)程控制的效果。掃描過程中，某段時(shí)間內(nèi)探頭位姿的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，模擬超聲探頭的位姿和真實(shí)探頭的位姿基本一致，但存在一定的誤差。誤差一方面來自于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，如圖7a中遠(yuǎn)端發(fā)送和近端接收時(shí)刻曲線所示；另一方面來自于控制延時(shí)，如圖7b至圖7f中發(fā)送指令和實(shí)際位姿間誤差所示。整體上，遠(yuǎn)程控制的位置誤差大致保持在±2.0 mm以內(nèi)，姿態(tài)誤差大致保持在±1.5°以內(nèi)，完全滿足遠(yuǎn)程控制的要求。

圖6 遠(yuǎn)程超聲掃描實(shí)驗(yàn)過程

圖7 遠(yuǎn)程控制超聲探頭位姿誤差

3.3 壓力跟蹤效果

此外，實(shí)驗(yàn)過程中還記錄了遠(yuǎn)端采集的模擬探頭壓力和真實(shí)探頭實(shí)時(shí)壓力來觀察壓力跟蹤的效果，如圖8所示。圖8中的模擬探頭的壓力曲線由人為施加所得，可以看出：當(dāng)所要跟蹤的壓力曲線呈現(xiàn)較為頻繁的變化時(shí)，真實(shí)探頭仍然能基本跟上其變化的趨勢，保證誤差大致在±0.5 N以內(nèi)，能夠滿足力曲線跟蹤的目的。

圖8 壓力跟蹤效果

4 結(jié)束語

本文研制了一種由模擬超聲探頭和模擬皮膚平臺(tái)構(gòu)成的遠(yuǎn)端超聲探頭操縱系統(tǒng)，通過3種傳感器實(shí)時(shí)采集模擬超聲探頭的位姿和壓力信息，并用來遠(yuǎn)程控制近端機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)際超聲掃描。操作員遠(yuǎn)程控制超聲探頭的5個(gè)自由度(3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和2個(gè)平行皮膚表面的平移自由度)，而由機(jī)械臂通過阻抗控制方式自主完成垂直于皮膚表面的平移自由度來實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的總體控制模式，增強(qiáng)了遠(yuǎn)端操作員的臨場感。實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)端操縱系統(tǒng)完全可以勝任遠(yuǎn)程控制超聲探頭的任務(wù)，而由機(jī)械臂自主控制探頭壓力則具有遠(yuǎn)高于人手的精度，不但利于超聲掃描成像，而且也更為安全。從遠(yuǎn)端操作員的角度來說，將遠(yuǎn)端模擬超聲探頭的手感遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇?，并?shí)時(shí)地施加到真實(shí)皮膚上，其臨場感得到大幅提升，還進(jìn)一步增強(qiáng)了遠(yuǎn)程超聲掃描的安全性。