王佩瑤，周宇，凌宇秀，葛文明，劉子悅，宋成利

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

在消化道重建手術(shù)中，需要將病變組織切除，再將組織重新連接以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的消化道。目前消化道重建方式主要有手工縫合和機(jī)械吻合。手工縫合利用人工合成縫線(xiàn)對(duì)組織進(jìn)行縫合，操作復(fù)雜且費(fèi)時(shí)。機(jī)械吻合利用吻合器將吻合釘打入組織實(shí)現(xiàn)吻合。機(jī)械吻合可縮短手術(shù)時(shí)間、簡(jiǎn)化操作、降低醫(yī)生的工作量，被廣泛應(yīng)用[1-3]。臨床實(shí)踐證明，機(jī)械吻合可明顯降低吻合口瘺等術(shù)后并發(fā)癥，但需要外科醫(yī)生對(duì)器械結(jié)構(gòu)、性能以及工作原理有一定的了解，并按照規(guī)范進(jìn)行手術(shù)操作[4]。目前臨床上尚未形成吻合過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化，外科醫(yī)生對(duì)吻合器械的特性及最佳使用方法的了解程度有差異[5]，學(xué)習(xí)能力和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的不同導(dǎo)致吻合過(guò)程很難保持一致[6]。因此，實(shí)現(xiàn)吻合器械的電動(dòng)化和自動(dòng)化，建立更加標(biāo)準(zhǔn)的吻合器使用規(guī)范，降低醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)對(duì)吻合質(zhì)量的影響十分必要。

Morita等[7]在利用直線(xiàn)型吻合器夾持豬小腸時(shí)，發(fā)現(xiàn)擊發(fā)動(dòng)作前的等候能達(dá)到更好的吻合效果。陳丹等[8]對(duì)72例患者進(jìn)行直腸癌切除吻合手術(shù)(Dixon術(shù))的臨床對(duì)比試驗(yàn)，得出通過(guò)“維持壓榨技術(shù)”可以減少直腸癌腸吻合術(shù)中的并發(fā)癥。Kimura等[9]認(rèn)為電動(dòng)技術(shù)的建立可使吻合釘成型率更高。Miller等[10]認(rèn)為電動(dòng)吻合器在臨床使用和結(jié)果方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。Matsuzawa等[11]認(rèn)為電動(dòng)吻合器的吻釘成型更穩(wěn)定。強(qiáng)生吻合器中FLEXTM系列吻合器具有電動(dòng)擊發(fā)的動(dòng)作，可確保吻合過(guò)程中壓力不變，更利于吻釘成型[12-13]。美敦力iDriveTM系列吻合器可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)壓榨與電動(dòng)擊發(fā)動(dòng)作，Akil等[14]認(rèn)為該系統(tǒng)可以縮短肺減容手術(shù)時(shí)間。

臨床上已初步證明吻合器電動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)更好的吻合效果，但電動(dòng)吻合器成本高，技術(shù)發(fā)展尚不完善，且基本上被國(guó)外公司所壟斷。經(jīng)檢索研究發(fā)現(xiàn)，吻合動(dòng)作分為壓榨和擊發(fā)，其中，壓榨在整個(gè)吻合過(guò)程中十分重要，壓榨強(qiáng)度、速度及時(shí)間是否合適，將直接影響吻合口質(zhì)量[7, 15-17]。因此，本研究聚焦于壓榨動(dòng)作的電控研究，研制電控模塊配合相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)壓榨動(dòng)作的精準(zhǔn)控制。

2 材料與方法

吻合器的原理和訂書(shū)機(jī)類(lèi)似，為組織提供交錯(cuò)排列的吻釘，以機(jī)械方式把待吻合的組織釘在一起[2]，本研究著重研究吻合過(guò)程中對(duì)壓榨動(dòng)作的電動(dòng)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖1。其中，電控模塊通過(guò)控制電機(jī)使機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，利用外部傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電動(dòng)壓榨裝置的設(shè)計(jì)

電動(dòng)壓榨裝置結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖2。由電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、連接管、短套筒、釘倉(cāng)支架、抵釘座和夾具組成。在壓榨過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)聯(lián)軸器傳遞到螺桿，把轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，推動(dòng)連接管前后移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)倒扣結(jié)構(gòu)推拉抵釘座張開(kāi)或閉合；前端執(zhí)行器的各個(gè)零部件運(yùn)動(dòng)始終保持在同一平面，因此，簡(jiǎn)化其運(yùn)動(dòng)過(guò)程為平面運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和臨床使用的機(jī)械吻合器使用相同的前端機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)具有一致性。前端機(jī)構(gòu)的原理是連接管的平動(dòng)通過(guò)倒扣結(jié)構(gòu)改變抵釘座與釘倉(cāng)支架之間的角度，從而完成開(kāi)閉的壓榨動(dòng)作。根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)理論[18]，電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在一定程度上可以反映吻合器中壓榨機(jī)構(gòu)的工作原理。因此，本研究的控制理論經(jīng)過(guò)調(diào)整可以移植到真實(shí)吻合器結(jié)構(gòu)中。

圖2 電動(dòng)壓榨裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 電控模塊的設(shè)計(jì)

電動(dòng)吻合器電控模塊，結(jié)構(gòu)框圖為圖1中虛線(xiàn)框內(nèi)部分，主要由主控MCU、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器反饋模塊、光電限位模塊、按鍵控制和液晶顯示模塊組成。主控MCU從按鍵模塊獲取輸入信息，產(chǎn)生互補(bǔ)PWM控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊輸出到直流伺服電機(jī)，再由編碼器反饋模塊接收電機(jī)的反饋信息；顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示吻合器的工作狀態(tài)以及交互信息等；光電限位模塊利用反射型的光電傳感器(EE-SY1200，Omron Electronics)實(shí)現(xiàn)對(duì)前端器械安全位置的控制。整個(gè)設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制理論示意圖，見(jiàn)圖3。

圖3 閉環(huán)控制理論示意圖

主控MCU利用編碼器模式檢測(cè)電機(jī)同軸編碼器所反饋的脈沖數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)與編碼器線(xiàn)數(shù)之商就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)主控板捕獲到的脈沖個(gè)數(shù)為Q，電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈反饋得到方波上升沿個(gè)數(shù)為N，電機(jī)轉(zhuǎn)角為α。則它們之間有如下的關(guān)系：

α=Q×360°/N

(1)

2.3 電機(jī)基礎(chǔ)性能的研究

2.3.1霍爾編碼器的應(yīng)用 本研究所用電機(jī)為直流伺服電機(jī)(JGA25-370B，深圳金順萊特公司)，配有同軸的AB雙相增量式磁性霍爾編碼器，電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 JGA25-370B電機(jī)參數(shù)表

直流伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器反饋信號(hào)方波上升沿的個(gè)數(shù)是編碼器分辨率與減速比的乘積；所選電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈反饋得到方波上升沿個(gè)數(shù)N應(yīng)該為520(13×40)個(gè)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)取平均值，測(cè)得N=516，該數(shù)值與電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及電機(jī)是否在有負(fù)載情況下工作沒(méi)有關(guān)系。

2.3.2電機(jī)機(jī)械特性的研究 搭建圖4所示的電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)試平臺(tái)，可測(cè)得電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩在不同占空比的PWM控制信號(hào)下的關(guān)系。該平臺(tái)由支架、定滑輪A和B、砝碼、電機(jī)和V型架組成?？刂齐姍C(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在砝碼勻速上升的過(guò)程中，忽略定滑輪與線(xiàn)之間的摩擦力，近似把砝碼上升克服的重力等于繩子的拉力。因此，定滑輪左邊繩子上的力矩M1等于定滑輪右邊繩子拉力的力矩M2，并且與電機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩T3近似相等。定滑輪的直徑D為31.77 mm，重力加速度g取9.8 m/s2，砝碼質(zhì)量為m，因此：

T3≈M2=M1=m·g·D/2

(2)

圖4 (a).電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)試平臺(tái)示意圖;(b).實(shí)物圖

2.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，見(jiàn)圖5。模擬電動(dòng)吻合器在消化道重建手術(shù)過(guò)程中的壓榨動(dòng)作。

圖5 電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

首先，利用霍爾編碼器計(jì)算出電機(jī)在空載情況下PWM占空比和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，利用測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)矩平臺(tái)得出在不同PWM占空比下，電機(jī)的機(jī)械性能。利用電控模塊對(duì)電機(jī)同軸編碼器的檢測(cè)信息，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，再利用電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)求出執(zhí)行器閉合角度θ和電機(jī)轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前端執(zhí)行器位置的精確控制。

3 結(jié)果與分析

3.1 電機(jī)機(jī)械特性結(jié)果

本研究通過(guò)改變PWM控制信號(hào)的脈沖寬度來(lái)改變電樞電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。圖6(a)為測(cè)得空載情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM控制信號(hào)占空比的關(guān)系圖，圖6(b)為轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩在不同占空比的PWM控制信號(hào)下的關(guān)系。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)PWM占空比低于30%時(shí)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓榨平臺(tái)機(jī)構(gòu)，故不考慮此情況。對(duì)圖6(a)的曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與PWM控制信號(hào)占空比D呈線(xiàn)性關(guān)系，關(guān)系式為：

n=0.974×D-4.986

(3)

圖6 電機(jī)機(jī)械特性圖 (a).電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM控制信號(hào)占空比的關(guān)系(空載情況); (b).電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系(負(fù)載情況)Fig.6 Motor mechanical characteristic diagram

由圖6(b)可知，不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線(xiàn)相互平行，說(shuō)明電機(jī)硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定[19]，且輸出轉(zhuǎn)矩變化范圍較大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大。臨床上使用吻合器時(shí)，醫(yī)生對(duì)速度的要求很高，故本研究不考慮低轉(zhuǎn)速情況。在轉(zhuǎn)速大于40 rpm的條件下，測(cè)得在不同占空比下電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差表，見(jiàn)表2。

表2 不同占空比下電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差表Table 2 Relative error of motor speed under different duty cycle

3.2 電動(dòng)壓榨動(dòng)作運(yùn)動(dòng)關(guān)系

利用電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以測(cè)出前端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)閉合角度和電機(jī)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前端執(zhí)行器角度的精確控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄。前端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的角度θ可利用PS測(cè)得，見(jiàn)圖7。電機(jī)轉(zhuǎn)角α可通過(guò)對(duì)編碼信號(hào)的檢測(cè)及處理獲得。每次從執(zhí)行器張角最大開(kāi)始，通過(guò)算法設(shè)置檢測(cè)一定數(shù)目的脈沖數(shù)使電機(jī)停止，直到執(zhí)行器閉合到最小角度。本研究的步進(jìn)值為200個(gè)脈沖，即Q0=200，由式(1)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)角度的步進(jìn)值α0=139.535°。重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)取平均值后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，得到擬合方程，且P<0.0001,R2=0.9913>0.99。壓榨運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖見(jiàn)圖8，實(shí)線(xiàn)為測(cè)量曲線(xiàn)，虛線(xiàn)為擬合曲線(xiàn)，擬合曲線(xiàn)公式為：

圖7 前端執(zhí)行器角度測(cè)量圖

圖8 壓榨動(dòng)作關(guān)系圖

θ=-0.02α+12.516

(4)

整理式(1)與式(4)，在電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈，反饋得到方波上升沿個(gè)數(shù)為N的條件下，可以得出執(zhí)行器閉合角度θ與主控板捕獲到的脈沖個(gè)數(shù)Q之間的關(guān)系為：

θ=-7.2×Q/N+12.516

(5)

4 討論

由圖6可知，通過(guò)改變PWM控制信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)直流電機(jī)電樞電壓，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。由表2可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大時(shí)，相對(duì)誤差為3.068%，表明可以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。將電機(jī)、電控模塊、電動(dòng)壓榨平臺(tái)組裝成電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)得出前端執(zhí)行器的閉合角度與電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系，見(jiàn)圖8。整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)還存在一定的遲滯現(xiàn)象，在系統(tǒng)啟動(dòng)初始電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前端執(zhí)行器并未閉合，且在電機(jī)啟動(dòng)初期，轉(zhuǎn)過(guò)第一個(gè)步進(jìn)時(shí)，執(zhí)行器閉合角度變化明顯小于中后期的角度變化，但在電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，執(zhí)行器閉合角度θ與電機(jī)轉(zhuǎn)角α呈線(xiàn)性關(guān)系。根據(jù)線(xiàn)性回歸分析的結(jié)果顯示R2>0.99,這表明θ和α之間成高度線(xiàn)性相關(guān)，可由式(4)近似算出當(dāng)前執(zhí)行器的角度值，其中α可由式(1)實(shí)時(shí)求得，這表明壓榨動(dòng)作中前端執(zhí)行器位置是精確可控的。

機(jī)械吻合器可以實(shí)現(xiàn)較為快速、有效的組織吻合，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)一次擊發(fā)的不可逆性以及醫(yī)生主觀經(jīng)驗(yàn)的差異，吻合口質(zhì)量無(wú)法保證，可能引起吻合口瘺等并發(fā)癥[4-6]。吻合器的電動(dòng)化和自動(dòng)化有望解決上述問(wèn)題[9-11, 14]。使用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，可以實(shí)現(xiàn)吻合器的電動(dòng)化；吻合器在執(zhí)行壓榨動(dòng)作時(shí)，可以檢測(cè)到執(zhí)行器的具體位置，實(shí)現(xiàn)吻合器的初步自動(dòng)化。

5 結(jié)論

本研究研制了一種適合電動(dòng)吻合器的電控系統(tǒng)，包括硬件、算法和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，配合電動(dòng)壓榨實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本解決了壓榨動(dòng)作的電動(dòng)化。在負(fù)載情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，相對(duì)誤差在8.447%以?xún)?nèi)；由式(2)對(duì)前端執(zhí)行器角度進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)壓榨動(dòng)作位置的精確控制。由于電動(dòng)壓榨裝置和實(shí)際的吻合器前端結(jié)構(gòu)完全一致，機(jī)械傳動(dòng)和電動(dòng)控制方式相同，因此，該電控系統(tǒng)可以被移植到實(shí)際吻合器結(jié)構(gòu)中，為電動(dòng)吻合器的研發(fā)提供參考。

目前本研究只探究了吻合器的壓榨動(dòng)作，后續(xù)可以利用電控模塊對(duì)切割動(dòng)作的控制進(jìn)行研究，使吻合器朝著全動(dòng)作電控化方向發(fā)展。本研究所選電機(jī)配套的編碼器分辨率略小，導(dǎo)致檢測(cè)精度不夠，后續(xù)可以選擇編碼器分辨率更大的直流減速電機(jī)，繼續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。待電動(dòng)吻合器樣機(jī)完成后，再利用該電控模塊，對(duì)吻合器樣機(jī)進(jìn)行控制研究，以期探究最佳的電動(dòng)組織吻合效果。此外，還需要進(jìn)一步優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)響應(yīng)快速、準(zhǔn)確，最終實(shí)現(xiàn)最佳的吻合效果。