摘要：超声扫描是医学影像中的轻量级选手——无辐射、低成本、便携且能实时成像，常被用于软组织诊断。但传统手持超声扫描有个大问题：操作者的技术水平和经验直接影响成像质量，特别是超声探头与皮肤之间的接触力控制至关重要。

超声扫描是医学影像中的轻量级选手——无辐射、低成本、便携且能实时成像，常被用于软组织诊断。但传统手持超声扫描有个大问题：操作者的技术水平和经验直接影响成像质量，特别是超声探头与皮肤之间的接触力控制至关重要。

接触力太小，声耦合不足，看不清组织；接触力太大，又会改变组织形状，可能导致误诊；而接触力不稳定则会让图像持续变化。即使是经验丰富的医生，也很难在整个扫描过程中精确维持一个恒定的接触力。

针对这一问题，澳门大学的研究团队提出了一种创新解决方案——基于混合主动-被动力控制的超声扫描机器人系统。他们在《Cyborg and Bionic Systems》期刊发表的最新研究表明，该系统不仅能在变化的表面上维持恒定接触力，还能适应呼吸等生理活动引起的震动干扰，使超声图像保持高度稳定性和重复性。

▍混合主动-被动力控制：取二者之长

传统的力控制系统主要有两种方式：主动力控制和被动力控制。前者通过传感器反馈调整执行器位置来控制力大小，后者则依靠特殊设计的弹簧或柔性机构来提供恒定力。

主动力控制方法虽然灵活，但由于需要反馈控制，在面对患者突然震动时可能存在超调问题，带来安全隐患。被动力控制虽然反应快、简单且没有超调问题，但其特异性高，难以适应不同患者的需求。

澳门大学团队的创新之处在于将这两种方法结合起来，开发了一种混合主动-被动力控制末端执行器（HFCE）。该系统由被动恒力机构和主动力控制系统组成：

被动恒力机构：通过正刚度机构和负刚度机构的并联设计，创造出零刚度的恒力区域，在变形范围内提供恒定接触力。

主动力控制系统：通过倾角传感器、应变片和定位装置，调节恒力的大小并补偿重力影响。

这种混合方法继承了主动力控制在长程、低频位移变化中的优异稳定性，同时保留了被动力控制在短程、高频位移变化中的出色响应能力，实现了在广泛动态范围内的稳健力控制。

研究者利用有限元分析进行了参数优化，并通过3D打印技术使用ABS弹性材料制造了被动恒力机构。实验表明，该机构的恒力调节范围为12.33N至21.29N，但这并不能完全覆盖超声成像中1.2N至20N的常用力范围。研究者建议，未来可通过制造6种不同厚度的被动恒力机构来覆盖完整的所需力范围。

▍抗干扰能力超强，呼吸震动不在话下

研究团队对HFCE进行了全面测试，重点考察了其在不同振动条件下维持恒定接触力的能力。结果令人印象深刻。

在0.5Hz的振动频率下（接近人类呼吸频率），HFCE能够在峰峰值高达12.8mm的振幅下维持接触力稳定。考虑到正常呼吸状态下腹部运动幅度通常在2-5mm之间，这意味着该系统完全能够应对因呼吸引起的表面变化。

更令人惊讶的是系统对突发震动的抵抗能力。在复合振动条件下（0.3Hz的低频振动加上15Hz的高频噪声），当高频噪声的峰峰值小于0.7mm时，接触力保持高度稳定。实验证明，系统能承受的最大平均振动速度约为21mm/s。

为了直观展示这种抗干扰能力对超声成像的影响，研究者对内含三个通道的硅胶模型进行了测试。结果显示，在振动干扰下，使用HFCE获取的超声图像远比手动操作稳定。具体来说，当使用该机器人系统时，图像中特征点的平均速度仅为0.53-0.56mm/s，远低于手动操作时的波动值。

值得注意的是，研究团队通过对超声图像中通道中心位置的实时追踪，清晰地展示了不同强度噪声对图像稳定性的影响。随着噪声幅度的增加，通道中心的平均速度也随之增加，表明图像稳定性降低。然而，即使在相对较大的噪声干扰下，系统仍能保持令人满意的图像质量。

▍易操作高重复性，医生可专注于诊断

为了验证系统的易用性和重复性，研究团队将HFCE集成到协作机器人臂上，并可选配合触觉界面，使操作者的手部动作能够映射到机器人臂上，从而降低学习成本。一旦机器人到达目标表面，操作者只需按下末端执行器控制器，HFCE就能自动维持期望的接触力，保持超声图像稳定。

研究团队邀请了一名无经验的操作者进行了两组测试：一组是对放置在震动器上的硅胶样本进行扫描，并与手动操作进行比较；另一组是对志愿者前臂和上臂进行三次重复性测试。结果表明，即使是初学者，使用该机器人系统获取的超声图像也远比手动操作稳定。

更为重要的是，系统展示了出色的重复性。研究者让无经验操作者对同一目标区域进行三次扫描，每次扫描之间探头都会离开表面，意味着每两次扫描的路径都不相同。通过模板匹配和峰值信噪比（PSNR）分析，发现三次扫描获得的特征图像间的PSNR值约为31-33dB，表明图像质量的失真在可接受范围内。

这些结果证明，该机器人系统不仅降低了操作者的学习成本，还能显著提高超声扫描的重复性，使医生能够更专注于诊断而非操作技巧。

从技术角度看，该研究的创新性在于成功将主动和被动力控制方法的优势结合起来，克服了各自的局限性。被动恒力机构通过其恒力区域缓冲力变化，补偿主动控制系统有限的控制带宽；而主动控制系统则调整恒力大小并补偿重力影响，克服了被动力控制高特异性的缺点。

该系统不仅在超声扫描领域有应用前景，也为其他需要力控制的任务提供了参考，如零件抛光和物理康复。研究团队表示，未来将进一步开发具有不同力范围的HFCE，以适应各种组织或器官的扫描需求，并整合半自动规划功能，进一步减轻医生的负担。

随着医疗机器人技术的不断发展，像这样的辅助系统将在提高医疗效率、减轻医护人员负担方面发挥越来越重要的作用。这项研究为实现更精确、更可靠的超声扫描提供了一种有前景的解决方案，也为医疗机器人的发展提供了新的思路。

来源：机器人大讲堂一点号