蘇永剛 孫志彬 朱 罡 王 豫#*
1(北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科,北京 100035)2(北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 北京 100191)
基于體感交互的骨折復(fù)位機(jī)器人控制方法實(shí)驗(yàn)研究
蘇永剛1孫志彬2朱 罡2王 豫2#*
1(北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科,北京 100035)2(北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 北京 100191)
將基于體感交互的控制方法引入骨折復(fù)位機(jī)器人,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證該方法的控制精度以及學(xué)習(xí)曲線,從而評(píng)估該方法的控制效果和學(xué)習(xí)的難易程度。利用Kinect采集操作者的手勢(shì)以及手臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為控制參數(shù),經(jīng)計(jì)算機(jī)程序識(shí)別處理后生成機(jī)器人控制指令,從而控制機(jī)器人在模型骨上完成骨折復(fù)位操作。由6位操作者進(jìn)行共計(jì)60次復(fù)位實(shí)驗(yàn),得出復(fù)位精度和學(xué)習(xí)曲線數(shù)據(jù)。 6位操作者的復(fù)位平均距離誤差為(4.10±0.77)mm,角度誤差為3.25°±1.11°。通過(guò)學(xué)習(xí)曲線分析發(fā)現(xiàn),從第6次實(shí)驗(yàn)開始,操作所用時(shí)間顯著縮短。將基于體感交互用的控制方法用于骨折復(fù)位機(jī)器人控制,不僅能夠滿足復(fù)位精度要求,而且操作學(xué)習(xí)時(shí)間短。該方法可為手術(shù)機(jī)器人的人機(jī)交互提供一種新的有效方法。
手術(shù)機(jī)器人;體感交互;骨折復(fù)位;人機(jī)交互
隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快,因車禍等高能量損傷和老年骨質(zhì)疏松造成的骨創(chuàng)傷已經(jīng)日益成為嚴(yán)重影響人類生命和健康的突出問(wèn)題[1-2]。
骨折復(fù)位是將骨折后斷裂錯(cuò)位的骨骼恢復(fù)到正常解剖位置,是骨創(chuàng)傷手術(shù)治療的第一步,也是至關(guān)重要的一步,其效果會(huì)直接影響手術(shù)的效果及術(shù)后的恢復(fù)。目前,骨折復(fù)位存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的問(wèn)題,需要大量使用術(shù)中透視,而且復(fù)位效果并不令人滿意[3]。
機(jī)器人相比人類,具有操作精度高、穩(wěn)定性好、不受輻射傷害且不會(huì)疲勞等優(yōu)勢(shì),因此將它用于骨折復(fù)位已成為骨科手術(shù)機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。
德國(guó)的Westphal等在這一領(lǐng)域開展了深入的研究[3-4],他們使用一臺(tái)6自由度串聯(lián)機(jī)器人、配合6自由度的被動(dòng)臂進(jìn)行骨折復(fù)位,使用一個(gè)游戲操縱桿對(duì)機(jī)器人進(jìn)行本地遙操作控制。Füchtmeier等也同樣使用一臺(tái)串聯(lián)機(jī)器人,開發(fā)了叫做RepoRobo的復(fù)位機(jī)器人,完成了體外尸體骨實(shí)驗(yàn)[5]。日本的Warisawa等開發(fā)了一種通過(guò)牽拉足部進(jìn)行間接復(fù)位的機(jī)器人,并對(duì)該機(jī)器人的控制邏輯進(jìn)行了研究[6]。
近年來(lái),還有不少學(xué)者嘗試使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人進(jìn)行骨折復(fù)位,以實(shí)現(xiàn)較大的復(fù)位力和力矩輸出,以及較高的運(yùn)動(dòng)精度[7-9]。
但是,目前上述骨折復(fù)位機(jī)器人的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段,一般只能完成模型骨或尸體骨的實(shí)驗(yàn),難以在真正的手術(shù)室臨床環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用。究其原因,除了骨折復(fù)位這一操作本身的復(fù)雜性之外,骨折復(fù)位機(jī)器人在手術(shù)室環(huán)境中的交互控制也是一個(gè)重要的技術(shù)瓶頸。
目前,常用的骨折復(fù)位機(jī)器人控制方法分為兩類:一類是主從式控制,機(jī)器人完全處于醫(yī)生的控制之下,由醫(yī)生依賴經(jīng)驗(yàn)對(duì)復(fù)位運(yùn)動(dòng)量和路徑進(jìn)行控制;另一類是自動(dòng)控制,由醫(yī)生進(jìn)行復(fù)位規(guī)劃,之后機(jī)器人自主完成復(fù)位運(yùn)動(dòng)。
依據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn),本研究選擇臨床接受度更高的主從式控制方式,并嘗試將最新的體感交互技術(shù)引入骨折復(fù)位機(jī)器人控制,以期為骨折復(fù)位機(jī)器人在手術(shù)室環(huán)境中的交互控制提供一種新的方法。
體感交互是指用戶直接使用其肢體動(dòng)作與機(jī)器進(jìn)行的交互,一般需要手勢(shì)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)跟蹤、體勢(shì)識(shí)別、表情與語(yǔ)音識(shí)別等計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持[10]。體感交互的設(shè)備使用更加簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué),有效減少了用戶與計(jì)算機(jī)硬件間的約束,對(duì)降低用戶的認(rèn)知負(fù)荷[11]、提高用戶的參與度和情感體驗(yàn)具有積極作用;更重要的是,體感交互方式下用戶不必與機(jī)器直接接觸,更符合手術(shù)室對(duì)消毒滅菌的要求。
綜上所述,將體感交互用于骨折復(fù)位機(jī)器人控制,有助于提升系統(tǒng)的臨床適應(yīng)性,使臨床醫(yī)生更容易使用。本研究的目的在于驗(yàn)證基于體感交互的骨折復(fù)位機(jī)器人控制方法能否達(dá)到令人滿意的復(fù)位效果,并通過(guò)對(duì)其學(xué)習(xí)曲線進(jìn)行分析,從而對(duì)其易用性進(jìn)行評(píng)估。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)中使用的材料為人工合成股骨(以下簡(jiǎn)稱“模型骨”),如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備階段,首先在模型骨中段與其長(zhǎng)軸大致平行的方向標(biāo)記3條線段(如圖1中圓圈標(biāo)示),作為復(fù)位角度測(cè)量依據(jù),這3條線段在圓周上呈120°均勻分布。在實(shí)驗(yàn)中,使用光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)(NDI Polaris Spectra,定位精度為0.25 mm)來(lái)測(cè)量骨折復(fù)位的精度。因此,在模型骨的中段兩側(cè)距標(biāo)記線段中心8~10 cm的位置分別鉆一個(gè)直徑3 mm的通孔,這兩個(gè)孔的軸線近似平行,在這兩個(gè)孔上固定兩個(gè)定位用跟蹤器。接著,在模型骨遠(yuǎn)端打一個(gè)直徑4 mm的通孔,這個(gè)孔的軸線與之前兩個(gè)孔的軸線近似平行,用于將模型骨固定在機(jī)械臂末端。以上3個(gè)孔的軸線要求近似平行,原因是方便光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)定位用跟蹤器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,避免出現(xiàn)遮擋和脫離視野的情況。最后,將模型骨在標(biāo)記線的中間位置鋸開,一端固定在機(jī)械臂末端,另一端用臺(tái)鉗固定。
圖1 人工合成股骨及其處理方法Fig.1 Artificial femur and its treatment method
1.2 體感交互控制方法
如圖2所示,采用一臺(tái)Motoman MH5S六自由度機(jī)械臂來(lái)完成復(fù)位操作。該機(jī)械臂的性能指標(biāo)為:工作空間最大半徑706 mm,重復(fù)定位精度0.02 mm,末端最大負(fù)載5 kg。
圖2 骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)(A—六自由度機(jī)械臂;B—計(jì)算機(jī);C—體感采集設(shè)備;D—機(jī)械臂控制柜)Fig.2 Robot assisted fracture reduction system(A-6 degree of freedom robot arm; B-Computer; C-Kinect; D-Control cabinet of robot arm)
本研究使用一臺(tái)Microsoft Kincet 2作為體感采集設(shè)備,其功能是識(shí)別操作者的手勢(shì)并實(shí)時(shí)捕獲上肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)接收Kincet 2輸出的體感信號(hào),并經(jīng)體感交互控制程序處理后生成機(jī)械臂控制指令,發(fā)送到機(jī)械臂控制柜,進(jìn)而控制機(jī)械臂做出相應(yīng)的動(dòng)作。
為保證體感數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性,使用The Kinect for Windows Software Development Kit (SDK) V2.0中的BodyBasic模塊來(lái)讀取人體上肢的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),該模塊可識(shí)別手掌的狀態(tài)(張開或握拳),并且實(shí)時(shí)反饋手部中心點(diǎn)在Kinect相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),且數(shù)據(jù)更新速度可達(dá)30 Hz。
在實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)光學(xué)定位跟蹤器,預(yù)先標(biāo)定Kinect坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的變換關(guān)系,從而將Kinect反饋回的位置參數(shù)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。具體控制方法是:先將Kinect反饋的手掌狀態(tài)(張開或握拳)作為開關(guān)控制量,左手握拳代表開始復(fù)位操作,右手握拳代表平移,右手張開代表旋轉(zhuǎn);然后利用Kinect實(shí)時(shí)反饋右手中心的坐標(biāo)pi(xi,yi,zi),計(jì)算兩次坐標(biāo)的位置差值[(xi-xi-1),(yi-yi-1),(zi-zi-1)],再變換到機(jī)器人坐標(biāo)系下,得到機(jī)器人在各方向的平移或轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。在本研究中,之所以將平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)解耦控制,是為了更好地控制復(fù)位精度,同時(shí)也更加符合臨床操作習(xí)慣。
1.3 復(fù)位精度測(cè)定
在實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備的過(guò)程中,將模型骨鋸開,模型骨上做的3條標(biāo)記線分別與兩個(gè)斷面α和β形成3個(gè)交點(diǎn),即(A1,B1,C1)和(A2,B2,C2)(見(jiàn)圖3)。兩塊模型骨上都安裝光學(xué)定位跟蹤器。在實(shí)驗(yàn)開始前,在光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)上標(biāo)定出每塊骨骼上3個(gè)交點(diǎn)相對(duì)于其定位跟蹤器的位置關(guān)系。因此,只要通過(guò)光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)得到兩塊模型骨上定位跟蹤器的坐標(biāo),則上述6個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)也就確定了。
圖3 模型骨斷面Fig.3 The section of artificial femur
理想的復(fù)位后,每個(gè)骨折面上的3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)該與另一個(gè)骨折面上的對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)重合,即A1與A2重合,B1與B2重合,C1與C2重合。所以,定義這3組對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間距離的平均值作為復(fù)位的距離誤差d,即d=(|A1A2|+|B1B2|+|C1C2|)/3。
兩個(gè)斷面α和β的夾角作為本次復(fù)位的角度誤差θ,即θ=〈α,β〉。
1.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟
本實(shí)驗(yàn)有6位被試參與,包括3名男性和3名女性,年齡為22~26歲,各項(xiàng)身體狀況正常,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前均沒(méi)有接觸過(guò)體感交互設(shè)備和本實(shí)驗(yàn)所用控制程序,并且事先對(duì)實(shí)驗(yàn)中的復(fù)位操作方法完全不了解,受試者均簽署知情同意書。
每位被試進(jìn)行10次復(fù)位操作,共計(jì)進(jìn)行了60次骨折復(fù)位操作,主要包括6個(gè)步驟。
步驟1:?jiǎn)?dòng)計(jì)算機(jī)和機(jī)械臂,打開體感交互機(jī)器人控制程序。
步驟2:由主試人員向被試講解骨折復(fù)位操作方法和復(fù)位要求,然后被試體驗(yàn)復(fù)位操作過(guò)程,10 min后結(jié)束。
步驟3:讓機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)定好的初始位姿,使兩塊模型骨分離。初始位姿時(shí)兩塊骨骼的位移與夾角為:dx=40 mm,dy=50 mm,dz=80 mm;θx=10°,θy=30°,θz=15°。
步驟4:?jiǎn)?dòng)控制程序,被試開始復(fù)位操作,同時(shí)開始計(jì)時(shí)。
步驟5:當(dāng)被試完成復(fù)位操作后,記錄操作時(shí)間,斷開機(jī)械臂伺服,被試休息5 min。
步驟6:由光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)導(dǎo)出復(fù)位后模型骨上兩個(gè)定位用跟蹤器的坐標(biāo),并記錄下來(lái)。
將步驟3~6重復(fù)10次。
在每一次操作實(shí)驗(yàn)前,機(jī)械臂都回到相同的初始位姿,以確保每次操作實(shí)驗(yàn)的工作量都相同;同時(shí)也保證在復(fù)位過(guò)程中調(diào)整所有方向的位置和角度。
1.5 數(shù)據(jù)處理方法
對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的復(fù)位距離誤差和角度誤差數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計(jì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,以獲得對(duì)該交互控制方法下復(fù)位精度的評(píng)價(jià)。
為了分析復(fù)位時(shí)間的變化規(guī)律,將操作次數(shù)作為分組依據(jù),將每次復(fù)位操作看作一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)組(包含6個(gè)被試的數(shù)據(jù)),以第1次操作數(shù)據(jù)作為對(duì)照組,第2~10次操作數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先利用F檢驗(yàn)進(jìn)行方差齊性判定,然后依據(jù)判定結(jié)果分別采用等方差t檢驗(yàn)和異方差t檢驗(yàn),評(píng)價(jià)隨著操作次數(shù)的增加、復(fù)位時(shí)間是否有顯著性的降低。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),所有操作者均能有效地利用實(shí)驗(yàn)中的體感交互控制方式控制機(jī)械臂完成骨折復(fù)位操作。如圖4所示,操作者利用手勢(shì)控制機(jī)器人完成骨折復(fù)位操作。在這個(gè)過(guò)程中,被試靠肉眼直接觀察復(fù)位的效果。實(shí)驗(yàn)中的一組復(fù)位前后情況如圖5所示,復(fù)位前兩段折骨處于固定的初始位姿,復(fù)位后基本實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位。
圖4 被試進(jìn)行復(fù)位操作Fig.4 Operator performs fracture reduction
圖5 實(shí)驗(yàn)中復(fù)位情況。(a)復(fù)位前;(b)復(fù)位后Fig.5 Reduction status in experiments. (a) Before reduction; (b) After reduction
分別計(jì)算6位被試各10次復(fù)位操作的平均距離誤差和平均角度誤差,如表1所示。6位被試的復(fù)位操作平均距離誤差為(4.10±0.77)mm,復(fù)位操作的平均角度誤差為3.25°±1.11°,誤差偏大,但從臨床角度考慮仍在可接受范圍內(nèi)。
表1 復(fù)位誤差Tab.1 Errors of fracture reduction
對(duì)6位被試每次復(fù)位所用的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并制作如圖6所示的學(xué)習(xí)曲線??梢钥闯觯瑤缀鯇?duì)于每位被試來(lái)說(shuō),隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加,復(fù)位時(shí)間有顯著下降。
圖6 基于體感交互的骨折復(fù)位機(jī)器人控制方法學(xué)習(xí)曲線Fig.6 Learning curve of somatosensory interaction based control method for fracture reduction robot
對(duì)復(fù)位時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。從F檢驗(yàn)結(jié)果可知,除第8和第10組結(jié)果P<0.05,不滿足等方差假設(shè)以外,其他組與對(duì)照組相比均滿足等方差假設(shè)。從t檢驗(yàn)結(jié)果可以看出,從第6次操作開始,t檢驗(yàn)結(jié)果P<0.05,操作時(shí)間顯著性縮短。說(shuō)明操作者通過(guò)前5次操作后,就能較好地掌握這一控制方法。
表2 復(fù)位時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab. 2 Reduction time analysis
通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),使用基于體感交互的骨折復(fù)位機(jī)器人控制方法,操作者均能夠有效完成骨折復(fù)位操作,復(fù)位精度可以滿足臨床要求,并且操作者可以在短時(shí)間內(nèi)掌握該控制方法。
采用基于體感交互的骨折復(fù)位機(jī)器人控制方法,操作者不需要同機(jī)器人直接接觸,既符合手術(shù)室臨床環(huán)境對(duì)消毒滅菌的要求,又減少了交叉感染的風(fēng)險(xiǎn);由于體感交互具有很強(qiáng)的直觀性,因此易于學(xué)習(xí)。另外,引入體感交互控制后,醫(yī)生可以遠(yuǎn)離手術(shù)床,通過(guò)觀看透視圖像進(jìn)行遙控復(fù)位操作,可以顯著降低醫(yī)生所受的輻射傷害。
關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),也存在一些不足之處。首先,操作者是通過(guò)肉眼直觀地觀察復(fù)位的整個(gè)過(guò)程,與臨床上通過(guò)X射線透視來(lái)觀察有些不同,實(shí)驗(yàn)時(shí)操作者距離模型骨較遠(yuǎn),也難以判斷復(fù)位距離特別是角度,這也是導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的復(fù)位誤差較大的直接原因。在未來(lái)的工作中,可以使用光電定位跟蹤器來(lái)實(shí)時(shí)獲取骨骼的位置,并結(jié)合術(shù)前CT與術(shù)中X光的配準(zhǔn),建立三維模型來(lái)用于引導(dǎo)醫(yī)生完成更精確的骨折復(fù)位操作。其次,本實(shí)驗(yàn)中的骨折模型較為簡(jiǎn)單,與實(shí)際臨床上的骨折情形有一定差距,這主要是為了簡(jiǎn)化復(fù)位精度的測(cè)量而設(shè)計(jì)的。最后,為了統(tǒng)一每次復(fù)位操作的難度和工作量,以便于統(tǒng)計(jì)操作時(shí)間,每人每次操作都是從相同的初始狀態(tài)開始,這也有利于操作者通過(guò)幾次練習(xí)后縮短操作時(shí)間。但從總體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看,基于體感交互的控制方法易于學(xué)習(xí)掌握的結(jié)論還是可以成立的。
基于體感交互的控制方法具有直觀、易學(xué)、符合手術(shù)室臨床環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),可以為骨折復(fù)位機(jī)器人以及其他的手術(shù)機(jī)器人提供一種新穎有效的人機(jī)交互控制方法。
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Experiments Research of Somatosensory Interaction Based Control Method
for Fracture Reduction Robot
Su Yonggang1Sun Zhibin2Zhu Gang2Wang Yu2#*
1(DepartmentofOrthopedicTrauma,BeijingJiShuiTanHospital,Beijing100035,China)
2(SchoolofBiologicalScienceandMedicalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)
surgical robot; somatosensory interaction; fracture reduction; human-computer interaction
10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 03.018
2015-10-17, 錄用日期:2016-04-11
國(guó)家自然科學(xué)基金(61201313);北京市科技計(jì)劃(Z141100000514003)
R318
D
0258-8021(2016) 03-0380-05
# 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)
*通信作者(Corresponding author), E-mail:wangyu@buaa.edu.cn