【作 者】譚文君 ，申存毅，羅 禹 ，朱皓陽 ，馬 濤 ，董鼎輝 ，史愛華 ，薛 召 ， 吳榮謙 ，呂毅

1 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽外科，西安市，710061

2 西安交通大學(xué)先進(jìn)外科技術(shù)與工程研究所，西安市，710061

3 精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程研究中心，西安市，710061

4 陜西省再生醫(yī)學(xué)與外科工程研究中心，西安市，710061

0 引言

在臨床工作中，發(fā)現(xiàn)人工氣道內(nèi)吸痰操作對(duì)于挽救危重患者生命有著重要的意義。人工氣道是指將導(dǎo)管經(jīng)過鼻腔、口腔插入到鼻咽、口咽及氣道內(nèi)，或插入至氣管切開所建立的氣道通道內(nèi)。常用于有氣道梗阻，呼吸困難，低氧血癥，需要保證通氣，或呼吸道內(nèi)分泌物過多且難以自主清除分泌物等情況的患者。人工氣道為生理氣道和空氣或其他氣源之間建立了有效連接，從而有效改善患者通氣功能，糾正缺氧狀況，是挽救危重患者的重要手段之一[1]。但在人工氣道建立的同時(shí)，一定程度上破壞了機(jī)體正常的解剖結(jié)構(gòu)與呼吸道自身非特異性防御屏障功能。使得上呼吸道失去了對(duì)吸入空氣加濕加熱，以及對(duì)灰塵和微生物過濾功能。從而導(dǎo)致氣道內(nèi)分泌物粘稠，呼吸道纖毛運(yùn)動(dòng)能力下降，分泌物排出減慢等情況，易導(dǎo)致細(xì)菌繁殖引起的肺部感染及痰液形成增多[2]。

氣道凈化技術(shù)及人工氣道內(nèi)吸引是對(duì)因人工氣道影響及咳嗽能力降低而不能有效排出氣道內(nèi)痰液、血液、誤吸的胃內(nèi)容物及其他異物進(jìn)行清除與凈化的手段[3-4]。氣道分泌與吸引操作是挽救危重患者性命的重要手段，也是醫(yī)護(hù)工作者必須掌握的常規(guī)基礎(chǔ)操作之一。但對(duì)于分泌物多的患者，護(hù)理人員的吸痰操作頻繁，占用了大量工作時(shí)間，因此國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)也曾研發(fā)過吸痰裝置，2013年日本ULVAC機(jī)工株式會(huì)社研制了一種由吸痰管路及吸痰機(jī)構(gòu)成的人工呼吸吸痰系統(tǒng)，其吸痰方式與機(jī)械輔助的吸氣/呼氣機(jī)類似，但操作過程較為繁雜[5]。國內(nèi)山東大學(xué)齊魯醫(yī)院在2013年申請(qǐng)了一份名為自動(dòng)吸痰型人工氣道及其構(gòu)成的吸痰系統(tǒng)（CN103330981A）專利，其設(shè)計(jì)方案中吸痰管路設(shè)置于人工氣道下部，固定開口于人工氣道前段位置，僅能吸引人工氣道開口處的痰液，僅有痰液聚集至人工氣道前段的時(shí)候才有一定的吸痰效果，無法實(shí)現(xiàn)吸痰操作的完整替代[6]。

面對(duì)現(xiàn)今醫(yī)療機(jī)器人研發(fā)的趨勢(shì)，以及臨床日常工作中實(shí)際面臨的問題，本課題組十余年持續(xù)關(guān)注并研究醫(yī)療臨床問題，采用醫(yī)科與工科學(xué)科交叉共同研發(fā)醫(yī)療機(jī)器人解決臨床問題，具有一定的研發(fā)基礎(chǔ)。且吸痰操作動(dòng)作相對(duì)簡(jiǎn)單便于機(jī)械模仿，前端有人工氣道的保護(hù)，采用機(jī)器人實(shí)施吸痰操作，使得吸痰管的送入及吸引動(dòng)作相對(duì)簡(jiǎn)單。作為醫(yī)療類機(jī)器人整體研究方向的一部分，本研究主要針對(duì)現(xiàn)有護(hù)理機(jī)器人研發(fā)的較少以及當(dāng)前護(hù)理機(jī)器人研究中缺乏醫(yī)學(xué)支持的現(xiàn)狀，完成吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)及實(shí)施，其臨床應(yīng)用將提高當(dāng)前的醫(yī)療護(hù)理水平，造福廣大醫(yī)生和患者。

1 設(shè)計(jì)思路

吸痰機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念來源于臨床需求，產(chǎn)品研發(fā)也終將回歸臨床需求。本課題首先通過獲取實(shí)際操作環(huán)境下的相關(guān)必要參數(shù)，從結(jié)構(gòu)以及功能方面，將運(yùn)用場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理特點(diǎn)提取出來；將吸痰動(dòng)作分析、提取、歸納為送管階段、回退保護(hù)階段和退管吸痰階段。在此基礎(chǔ)上，對(duì)吸痰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行初步設(shè)計(jì)及實(shí)施，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元需要能仿真模擬人類手臂中拇指與食指的指間關(guān)節(jié)與掌指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)。吸痰機(jī)器人的程序編寫能夠操作吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元按順序完成吸痰管的夾取、推送、回退保護(hù)及旋轉(zhuǎn)退管動(dòng)作。將人類手臂關(guān)節(jié)、骨骼結(jié)構(gòu)抽象為機(jī)械結(jié)構(gòu)原件，以達(dá)到仿真模擬人工吸痰操作的目的。并通過高級(jí)吸痰練習(xí)模型所搭建的仿真模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元機(jī)械臂方案實(shí)施可行性驗(yàn)證。

2 基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采取仿真模擬的思路，對(duì)人類手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，包括：①機(jī)械手與加持器的機(jī)械結(jié)構(gòu)（圖1），用于模仿掌指關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)吸痰管的夾持動(dòng)作。②機(jī)械臂（圖2），用于模擬人類手臂動(dòng)作實(shí)現(xiàn)吸痰管的推送動(dòng)作。由此，采用機(jī)械臂的方式展開機(jī)器人完成吸痰動(dòng)作的實(shí)物設(shè)計(jì)。

圖1 機(jī)械手方案設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawings for manipulator

圖2 吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元機(jī)械臂方案設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design of robotic arm for suction robot locomotion unit

2.1 吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)

采取如圖2中所示的6自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案，機(jī)械手臂在外形上類似人類手臂，采用舵機(jī)、舵盤與支架來模擬關(guān)節(jié)活動(dòng)。機(jī)械手夾持器及控制機(jī)械手的6號(hào)舵機(jī)，簡(jiǎn)化了手部結(jié)構(gòu)，模擬掌指關(guān)節(jié)及大拇指與食指來實(shí)現(xiàn)吸痰管的夾取動(dòng)作。機(jī)械手尾部的5號(hào)舵機(jī)可360°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的外旋動(dòng)作模擬吸痰管的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。1號(hào)舵機(jī)控制云臺(tái)及整個(gè)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肘部內(nèi)旋與外旋動(dòng)作。其余舵機(jī)及支架可模擬手臂的內(nèi)收與外展。6自由度的機(jī)械臂，活動(dòng)范圍廣，控制簡(jiǎn)單、活動(dòng)靈活，適用于對(duì)于吸痰動(dòng)作的嘗試。在機(jī)械臂類型的設(shè)計(jì)和選擇上，采用現(xiàn)有開源機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，方便易得無需耗費(fèi)更多精力在創(chuàng)新設(shè)計(jì)新型機(jī)械臂的工作上。

2.2 吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元樣機(jī)結(jié)構(gòu)

完成品如圖3所示，機(jī)械手夾持器及控制機(jī)械手的舵機(jī)，模擬掌指關(guān)節(jié)及大拇指與食指來實(shí)現(xiàn)吸痰管的夾取動(dòng)作。機(jī)械手尾部的舵機(jī)可360°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的外旋動(dòng)作模擬吸痰管的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。1號(hào)舵機(jī)控制云臺(tái)及整個(gè)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肘部內(nèi)旋與外旋動(dòng)作。其余舵機(jī)及支架可模擬手臂的內(nèi)收與外展。6自由度機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)吸痰所需所有動(dòng)作的預(yù)期目的。

圖3 吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元樣機(jī)Fig.3 Motion unit prototype of sputum suction robot

根據(jù)吸痰操作力度需求選擇了金屬齒輪舵機(jī)TR213，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°，可滿足吸痰機(jī)器人需要轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度180°的需求。轉(zhuǎn)動(dòng)速度可達(dá)0.12 s/60°，推力達(dá)到5 N，滿足吸痰操作5 cm/s的速度及1 N以上的力量需求。且其實(shí)現(xiàn)0.5°角度控制，步進(jìn)角度小，控制精準(zhǔn)。吸痰機(jī)器人的程序編寫應(yīng)當(dāng)能夠操作吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元按順序完成吸痰管的夾取、推送、回退保護(hù)及旋轉(zhuǎn)退管動(dòng)作。

3 仿真模擬人實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用圖4所示的高級(jí)吸痰練習(xí)模型模擬人來搭建吸痰機(jī)器人模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用舵機(jī)控制板所控制的6自由度機(jī)械手臂遙控機(jī)器人來搭建吸痰機(jī)器人機(jī)械手方案樣機(jī)，進(jìn)行吸痰模擬，明確后續(xù)改進(jìn)方向。吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元機(jī)械手方案可以完成吸痰動(dòng)作的送入，但因吸痰管及人工氣道的位置及相對(duì)位置并不固定，需要不斷調(diào)節(jié)機(jī)械手位置；機(jī)械手難以找尋到下一次的夾取位置，導(dǎo)致吸痰管送管效果不佳。針對(duì)該問題，課題組改進(jìn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)高度相同，位置平行的兩個(gè)支架，用于固定氣管插管及人工氣道，來保障人工氣道及吸痰管的相對(duì)位置固定（圖5）。確保在完成推送吸痰管、松開吸痰管的一個(gè)循環(huán)后，回退到上一次夾取吸痰管的位置，再次夾取吸痰管時(shí)能夠成功夾中吸痰管。從而在固定和人工氣道與吸痰管的相對(duì)位置后，減少了吸痰動(dòng)作的變化性，統(tǒng)一簡(jiǎn)化吸痰動(dòng)作的方向角度，可有效完成吸痰動(dòng)作。在固定吸痰動(dòng)作運(yùn)動(dòng)的空間絕對(duì)位置后，除去用于模仿掌指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)的三個(gè)舵機(jī)之外，其余舵機(jī)不再需要用于調(diào)節(jié)機(jī)械臂高度及相對(duì)位置，可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)上予以簡(jiǎn)化。

圖4 吸痰機(jī)器人機(jī)械手方案模擬實(shí)驗(yàn)Fig.4 Simulation experiment of the suction robot manipulator

圖5 吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元機(jī)械臂支架改進(jìn)Fig.5 Improvement of the bracket of the robotic arm of the suction robot

圖6 吸痰機(jī)器人機(jī)械手吸痰有效性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Fig.6 The verification experiment of effectiveness for sucking robot manipulator

4 吸痰效果評(píng)價(jià)

為了確定吸痰的有效性，應(yīng)用改進(jìn)的吸痰機(jī)器人機(jī)械手進(jìn)行吸痰模擬實(shí)驗(yàn)如上圖6所示，以雞蛋清模擬痰液，為了便于觀察，在雞蛋清中加入紅色墨水。用15 mL注射器每次抽取10 mL的雞蛋清，注射入仿真模擬人的氣道中，將吸痰管與固定于吸痰機(jī)器人機(jī)械手上的負(fù)壓吸引器的吸引管連接進(jìn)行吸痰。在20次模擬實(shí)驗(yàn)中，15次實(shí)驗(yàn)均可成功吸出模擬痰液約6～9mL，平均可抽出7.5 mL，僅5次未成功吸出痰液。分析原因，首先是由于模擬痰液容易風(fēng)干致黏稠，附著于模擬人氣道壁不易吸出，其次是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致進(jìn)管失敗，為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)下一步改進(jìn)提供思路。仿真模擬人實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明吸痰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)有效吸痰。

5 結(jié)語

在外科手術(shù)圍手術(shù)期內(nèi)，人工氣道內(nèi)的吸痰操作是維持危重癥患者呼吸道通暢，減少呼吸道感染和挽救患者生命的重要手段。但吸痰操作頻繁、工作量大，由護(hù)士人工完成難以保證質(zhì)量，集合多方面高新技術(shù)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成為了新的研究熱點(diǎn)，因此臨床工作中急需針對(duì)吸痰操作的智能仿真模擬機(jī)器人。智能吸痰機(jī)器人設(shè)計(jì)能夠代替專業(yè)護(hù)理人員對(duì)患者實(shí)施高質(zhì)量、高精準(zhǔn)度的吸痰操作，可使吸痰操作更加及時(shí)有效。同時(shí)吸痰機(jī)器人的設(shè)置減少了護(hù)士與護(hù)士之間在吸痰操作動(dòng)作技術(shù)學(xué)習(xí)上的差異，機(jī)器人靈活的控制程序與具有壓力反饋的機(jī)械臂可避免不當(dāng)操作對(duì)患者的損傷，杜絕操作伴隨的潛在感染等。本研究通過臨床實(shí)際運(yùn)用環(huán)境調(diào)查得出需要模仿的吸痰動(dòng)作及相應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、吸痰實(shí)施動(dòng)作的速度及力學(xué)參數(shù)、吸痰操作流程。采用仿生設(shè)計(jì)的方式完成了吸痰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)與實(shí)施。課題組將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)仿真模擬機(jī)器人的吸痰操作進(jìn)行改進(jìn)及完善，對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及活動(dòng)度進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其未來更好地運(yùn)用于臨床工作中，借助吸痰機(jī)器人的操作，可減少患者痛苦，同時(shí)減輕臨床護(hù)士的日常工作負(fù)擔(dān)，使護(hù)士有更多時(shí)間為患者提供其它服務(wù)。