反应式腹部触诊模拟装置气动系统的研究.pdf

2 0 1 4年 5月 第4 2卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAULI CS Ma v 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 2 9 反应式腹部触诊模拟装置气动系统的研究 杨涛 ，李笑 ，关婷 ，黄惠敬 ，卢诚君 1 ．广 东工业大学机电工程 学院，广东广州 5 1 0 0 0 6；2 ．广州军区广州总 医院，广东广州 5 1 0 0 1 0 摘要 根据诊断学中腹部触诊教学的要求 ，设计了一种新型的反应式腹部触诊模拟装置气动系统，研制了模拟装置的 气动驱动器，设计了系统控制结构及控制算法 ，实验研究了模拟装置气动系统的控制特性和机械特性。结果表明该系统 能实现对气动驱动器内部压力及其硬度的控制 ，可模拟受训者进行腹部触诊时的感觉。该研究将为设计新型的具有反应式 的临床教学装置提供依据和参考。 关键词气动系统；腹部触诊；模拟装置；气动驱动器 中图分类号T H1 3 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 0 9 5 3 Re s e a r c h o n Pne u ma t i c S y s t e m o f Re a c t i v e Ab do mi n a l Pa l pa t i o n S i mul a t o r Y A N G T a o ，L I X i a o ，G U A N T i n g ，H U A N G H u i j i n g ，L U C h e n u n 1 ． S c h o o l o f E l e c t r 0 m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Gu a n g z ho u Gu a n g d o n g 5 1 0 0 0 6， Ch i n a； 2 ． G u a n g z h o u G e n e r a l Ho s p i t a l o f G u a n g z h o u Mi l i t a r y C o m ma n d ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e t e a c h i n g r e q u i r e me n t s o f a b d o mi n a l p a l p a t i o n i n d i a g n o s t i c s ，a n e w t y p e o f p n e u ma t i c s y s t e m o f r e a c t i v e a b d o mi n a l p a l p a t i o n s i mu l a t o r wa s d e s i g n e d， t h e p n e u ma t i c a c t u a t o r o f t h e s i mu l a t o r w a s d e v e l o p e d a n d t h e s y s t e m c o n t r o l s t r u c t u r e a s w e l l a s t h e c o n t r o l a l g o rit h m w e r e d e s i g n e d ． T h e c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p n e u ma t i c s y s t e m o f t h e s i mu l a t o r we r e i n v e s t i g a t e d i n e x p e ri me n t s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m c a n i mp l e me n t c o n t r o l t h e i n t e r n al p r e s s u r e a n d h ard n e s s o f t h e p n e u ma t i c a c t u a t o r ， a n d s i mu l a t e t h e f e e l i n g wh e n t r a i n e e s d o a b d o mi n a l p a l p a t i o n ． T h i s r e s e a r c h c a n p r o v i d e t h e b a s i s a n d r e f e r e n c e f o r d e s i g n i n g a n e w t y p e a n d r e a c t i v e c l i n i c al t e a c h i n g d e v i c e ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c s y s t e m； Ab d o mi n al p a l p a t i o n；S i mu l a t o r ；P n e u ma t i c a c t u a t o r ． 腹部触诊是一种通过按压腹部病变及正常区域， 根据病人疼痛反应判断腹部疾病的方法⋯ ，是医科学 生必须掌握的重要基本技能 ，只有通过反复训练才能 够熟练掌握。传统的腹部触诊技能训练只能在病人身 上进行。由于适合教学的典型患者数量远远不能满足 教学需求，即使有典型病人，很多医科学生在病人身 上练习腹部触诊 ，必然会增加病人的痛苦，甚至使病 情加重 ，病人难以接受 。 目前大多数发达国家和地区的高等院校都已经在 系统地规划 和建设 医学模拟培训场所 。在这种形势 的 影响下 ，医学教学模 拟装置 的研究 逐渐发展起来 。国 内外临床应用的模拟装置绝大多数属于静态模拟装 置 ，即 不 能 提 示 受 训 者 对 腹 部 触 诊 的 触 觉 和 力 觉。 。 。 。少数类型模拟装置属于动态模拟装置 ，其 内 部主要利用 以电机为动力 的机械结构实现病人 的病症 反应。该类型的模拟装置在实际使用时虽有力觉反 应 ，但是由于内部机械系统刚度等的影响，腹部触觉 极度失真，展现出来 的症状反应与真实情况相差较 大，难以获得高质量的体验性教学效果 。 为解决这一难题 ，模拟受训练者在触诊过程 中对 病人腹壁紧张度、压痛和反跳痛的感觉 ，设计了一种 反应式腹部触诊模拟装置气动系统 ，对系统的控制 特性和机械特性进行 了研究 。 1 反应式腹部触诊模拟装置气动系统设计 1 ． 1 气动 系统组 成原 理 如图 1 所示，反应式腹部触诊模拟装置的气动系 统由触觉传感器 1 、气动驱动器2 、压力传感器3 、控 制器 4 、比例减压阀 5 、三联件 6以及气源 7组成。 气动驱动器为采用弹性硅橡胶和帘线通过黏结制成的 多层网状结构的囊体。数个触觉传感器分布在气动驱 动器上表面，用来检测手指按压位置及作用力大小。 外腹壁模拟人体外腹部组织形态及弹性，覆盖在气动 驱动器及其上的传感器上。控制器用来采集、处理和 显示测量信号，分析、计算和输出控制信号。压力传 感器与气动驱动器相连，用来检测气动驱动器内部气 体压力。比例减压阀出口接于气动驱动器，用来调节 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 8 基金项目广东省科技计划项 目 2 0 0 6 B 1 2 9 0 1 0 0 8 ；广东省大学生创新实验项 目 1 1 8 4 5 1 0 0 0 8 作者简介杨涛 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要从事机电液气一体化技术的研究。Em a i l y a n g t a o 8 7 0 9 0 8 1 2 6 ． c o rn。 9 6 机 床与液压 第 4 2卷 气动驱动器内气体压力。气源通过三联件向比例减压 阀提供高于其出口压力的恒压气体。 l 一 触 觉传 感 器2 一 气动 驱动 器卜压力 传 感器4 一 控 制器 5 一 比例减 压 阀6 ～ 三联 件7 一 气源 图 1 反应式腹部触诊 模拟装置气动系统组成原理 当手指按压外腹壁时，触觉和压力传感器分别将 手指按压位置、作用力及气体压力信号反馈给控制 器 ，控制器经过控制运算后 ，输出控制信号给比例减 压阀，比例减压阀调节其出口压力，使气动驱动器变 硬，模拟病人腹肌收缩的疼痛体征，提供受训者对腹 部触诊的感觉。 1 ． 2气动驱 动 器设计 ， 气动驱动器是所设计的腹部触诊模拟装置气动系 统的核心部件 ，通过控制气动驱动器内部气体压力改 变其软硬，从而模拟病人腹肌收缩的疼痛体征。该驱 动器采用弹性硅橡胶 和帘线通过 黏结制成 多层 网状结 构 ，如 图2所示 。 审 a 驱 动 器 示意 图 b 驱 动 器截 面 图 囱2 气动驱动器 建立气动驱动器的数学模型并加以简化 ，得到气 动驱动器内气体压力P与气动驱动器上表面横向中线 的微小位移 s 的关 系为 p／J 1 一 一 、 1 ， b s b 式 中E为气 动驱动器 的弹性模 量 ；h为气 动驱动 器 囊壁的平均厚度 ；b为气动驱动器的宽度。 根据邵氏硬度的测量原理可知，当气动驱动器弹 性模量及尺寸大小等确定后，气动驱动器的软硬变化 在数学模型中由 s 体现出来 ，s越大驱动器硬度越 大 。 由式 1 可知 ，在 给定压力 P下 ，对气 动驱 动 器硬度变化影响最大的因素是材料的弹性模量 E。而 一 旦 驱动器 制作完成 ，E就 固定不 变。所 以必 须设计 制作 满足材料弹性模量要求 的气动驱动器 。 由计算帘线 一橡胶复合材料弹性模量大小的偏轴 性能 的 G o u g h - T a n g o r r a 公式 可知 ，制作气动驱动器 的复合材料弹性模量计算公式为 G 1一 。 [ E 。 。 3 G 1 一 。 ] ■_ 二 _ ■一 E s in c o s E ‘ 咖 s in G 1 一 。 2 其中，G ，咖 。 式中G 、E 、u 分别为橡胶的剪切弹性模量 、弹性 模量、泊松 比； 。 、E 。 、 、d 、z 分别为帘线 的体积 分数 、弹性模量 、帘线角 、帘线 直径 、帘线间距 。 根据式 2 ，设计帘线角、帘线 间距等参数， 即可制作出弹性模量满足装置要求的气动驱动器。 1 ． 3控制 器设 计 如图3所示 ，该装置的控制系统采用前馈 一P I D 反馈复合控制。其特点在于前馈控制使系统响应迅 速 ，P I D控制能对被控量进行 反馈 调节 。 图 3 控制 系统 结构图 触觉传感器将检测到的手指压力 P转换为电压信 号 u ，经过医学经验算法的运算得到气动驱动器的给 定压力 r t ，作为前馈 一P I D反馈控制器的输入值。 g t 为压力传感器对气动驱动器内气体压力的测量 值 。前馈控制器 的输 出量 为 u t K r t 3 式 中 K为前馈 系数 。 P I D反馈控 制器 的输出量 为 e t r t 一 g t ] 4 式中 为比例系数， 为积分时间系数 ， 。 分时 间系数 。 5 为微 则前馈 一 P I D反馈控制器输 出的控制量为 u t “ t M t 6 比例减压 阀根据 控 制 量 u t 调节 其 出 口压 力 ， 第 1 0期 杨涛 等反应式腹部触诊模拟装置气动系统的研究 9 7 并改变气动驱动器的硬度 ，从而模拟病人腹肌收缩的 疼痛体征。 2实验研究 作者对所设计的反应式腹部触诊模拟装置气动系 统的控制特性和机械特性进行了大量实验研究 。 图4为在随机给定压力信号下 ，气动驱动器内部 实时压力跟随曲线。通过调节控制器前馈系数 K和 P I D参数 ，实现 了对驱动器 内部 压力 的精确 控制 。由 于不同病情的患者及受训者触诊训练时按压位置和压 力不同，受训者体验到的触觉和力觉感受各不相同。 精确控制驱动器内部压力，能实现腹肌硬度变化的微 小差异 的模拟 。 80 70 60 50 4 0 30 2 0 1 0 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 时 间， s 图4 实时压力信号跟随实验曲线 图5为将给定随机压力信号延时 5 0 0 m s 后 ，驱 动器对延时给定信号的压力跟随曲线。在实际腹部触 诊 中 ，腹部 肌肉的硬度变化是在操作者手指按压患者 腹部病变区域一段时间后产生的。因此在控制算法中 加入延时，可以使症状反应更加逼真。 80 70 6 0 5 0 喜4 0 3 o 2 0 10 0 ⋯--给 定压 力 - 延 时压 力 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 时间， s 图5 延时压力信号跟随实验曲线 由于所设计的模拟装置以气动驱动器的压力 一硬 度特性提示触觉和力觉，因此必须对气动系统中驱动 器的机械特性进行研究。以下分别通过实验、A N S Y S 仿真以及理论计算，研究了气动驱动器内压与硬度变 化关系 。 图6为驱动器在不同压力 P下，上表面横向中线 微小位移 s 的变化曲线。从图中看出，三条 曲线的变 化趋势一致，且 s 值比较接近。用气动驱动器内部压 力来反映其硬度的变化是可行的。 图6 驱动器内压与硬度关系曲线 为了能准 确提示 受训 者 对 腹膜 炎 、阑尾 炎 、胆 囊炎等病症的触觉和力觉 ，需根据人体对触诊痛觉 和腹部肌 肉变化 的规 律 ，设计 合 理有 效 的 医学 经验 算法。 3结论 根据受训者对腹部触诊技能掌握的要求 ，设计了 一 种新型的反应式腹部触诊模拟装置气动系统。该系 统融合了气动、传感器和智能控制等技术于一体，使 受训者能够真实体验腹部触诊 中的触觉和力觉感受， 可为设计新型的教学用触诊模型提供参考。 参考文献 【 1 】董福慧． 触诊诊断学[ M] ． 北京 北京科学技术出版社， 2 0 05 4 95 5． 【 2 】何晓峰， 张存泰， 刘文励． 电子标准化病人教学系统在诊断 学教学中的应用[ J ] ． 中国现代 医学杂志 ， 2 0 0 6 ， 1 6 1 1 5 8 1 6 0． 【 3 】余国龙， 杨天伦， 张冬梅． 检体诊断学教学中心肺听触诊和 腹部触诊计算机模拟人实施效果的评价[ J ] ． 中华医学教育 杂志， 2 0 0 8 ， 2 8 1 7 8 7 9 ． 【 4 】邹莉萍， 罗和生， 董卫国． 医学模拟技术在诊断学实验教学 与考试 中的应用[ c ] ／ ／ 第十二届全国高等 医学院校诊断学 教学研讨会， 北京， 2 0 0 9 1 7 61 7 7 ． 【 5 】温海青， 庞建会， 马春虎． 浅谈在临床技能集中培训教学中 应用电子模 型的体会 [ J ] ． 承德医学院学报， 2 0 0 5 ， 2 2 3 27 22 7 3． 【 6 】N I L E S T y l e r ， L I N D D S c o t t ， J O H N S E N K y l e ． M e d i c i n e M e e t s V i r t u a l R e a l i t y 1 8[ M] ． H o l l a n d I S O P r e s s ， 2 0 1 1 4 0 8 4 1 4 ． 【 7 l H A M Z A L U P F e l ix G， B O G D A - 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