用於微創手術的觸覺傳感器（二）

微創手術已成為醫學領域最重要的進展之一。在這種方法中，外科醫生通過患者皮膚上的一個小切口，將專門設計的器械插入體腔、腹部、靜脈或動脈，並對器官進行手術。由於間接接觸器官，外科醫生失去了他們的自然觸覺感知，這是微創手術主要的局限。觸覺感知的損失削弱了外科醫生區分組織和操作的能力，因此，研究人員提出了不同的觸覺傳感器。在過去的十年中，針對微創手術MIS/機器人輔助微創手術RMIS應用開發並研究了許多觸覺傳感器。雖然它們大多是研究原型，但也有一些被商業化了。在選擇傳感原理時，必須認真考慮應用因素。研究人員必須首先定義傳感器的應用需求，然後才能采用傳感原理並在此基礎上開發傳感器。MIS 和RMIS觸覺傳感器最常用的傳感原理是基於電氣的傳感器[6]，[11]。這些觸覺傳感器進一步分為壓阻型、壓電型和電容型傳感器。

1、壓阻觸覺傳感器

在早期的研究中，Tanimoto等人提出了一種用於血管內神經外科的微壓阻式傳感器，來測量直徑為1.65毫米的導管與血管之間的相互作用力。這是世界上首次在犬類動物模型中評估了他們的觸覺傳感器。該傳感器由矽膜片上的一套壓電應變儀組成。如果施加壓力，矽膜片會發生偏轉，應變儀的電阻也會發生變化。他們對健康循環中血壓引起的力的範圍進行驗證，即60-130毫米汞柱。他們的傳感器能夠以超過2千赫茲的頻率測量，並成功地捕捉到血壓的波動。

類似地，Dargahi和Najarian[1]在一個定製設計的內窺鏡手術鉗的背麵安裝了兩個微型應變傳感器。圖1(a)所示為兩種不同類型的抓取器及其相關的電子反饋係統。施加在手術鉗上的力的大小顯示在發光二極管(LED)顯示屏上(圖1(b))。他們的力傳感器在0.5到10N的範圍內以0.5 N的精度線性工作。該傳感器靈敏度高，測量範圍廣，適用於內窺鏡手術。由於內窺鏡手術鉗要在存在液體的人體中安全地工作，他們用矽橡膠包裹並密封了觸覺傳感器。

King等人[2]在達芬奇係統的手術工具上集成了FlexiForceTM壓阻力傳感器，並將抓取力傳遞給外科醫生。他們的研究表明，在機器人手術過程中，力反饋可以顯著降低抓取力，從而提高手術安全性。

雖然壓阻式觸覺傳感器具有測量的高動態範圍、高空間分辨率、簡單的製造工藝和耐久性，但其主要限製是遲滯[3]。除非進行補償，否則遲滯會降低觸覺傳感器的靈敏度和可重複性，從而降低係統的可靠性[3]。將壓敏電阻嵌入到靈活的自恢複結構中是一個選擇[4]。然而，由於這種結構的粘彈性，可能會發生次級遲滯。另一種可能是通過適當的非線性校準[5]來補償遲滯。

2、壓電式觸覺傳感器

在過去的十年裏，已經基於壓電原理提出了許多觸覺傳感器。例如，Elkund等[6]開發了一種用於測量外科導管尖端組織硬度的壓電觸覺傳感器。他們的傳感器在矽和人類前列腺模型中都進行了測試。它原本是用來診斷前列腺癌的。在此基礎上，Sokhanvar等[7]提出了基於壓電傳感器在微創內鏡器械中的應用。他們利用微機電係統(MEMS)技術製造了一種用於MIS抓握器的微型觸覺傳感器。為了得到一個靈敏的線性係統，他們用PVDF薄膜作為傳感器來測量被抓取物體的力、力位置和柔軟度。要估計物體的相對柔軟度，至少需要兩個獨立的傳感器來量化施加在物體上的力及其總偏轉。圖2(a)給出了在[7]中提出的傳感器結構的橫截麵。此外，圖2(b)和(c)分別顯示了在抓取過程中施加的力作用下的單個傳感器單元，以及傳感器在抓握器上的示意圖。當物體被抓住時，中間的PVDF薄膜會變形並改變傳感器的電壓。電壓是相對於物體的柔軟度進行校準的。同時，支座1上的PVDF會顯示出抓握組織時的抓握力，支座2用來確定點載荷的位置。為了驗證傳感器的性能，他們首先選取了4個具有已知硬度計的材料樣品，計算了其壓縮楊氏模量，楊氏模量在50 - 280kPa之間，硬度為6MPa。事實上，每種材料都是人體組織的代表。由於他們的傳感器在材料區分和接觸點檢測方麵的良好結果，他們假設在陣列結構中使用傳感器。然而，由於壓電傳感元件內部電壓的固有衰減，他們的傳感器不能滿足靜態負載條件的用例要求，例如在持續抓取組織的情況下。

在類似的研究中，Chuang等人製作了一種微型壓電觸覺傳感器，用於在內窺鏡手術中檢測粘膜下腫瘤。傳感器由PVDF傳感膜製成，硬銅球和聚二甲基矽氧烷(PDMS)軟外包裝組成，如圖3(a)所示。由於這兩種材料的硬度不同，在外力作用下會產生不同的變形。因此，當傳感器接觸到物體時，兩個元件下的壓電薄膜會產生不同的電壓。這兩個電壓輸出的比值被用來校準測試對象的彈性。該傳感器可以集成在內窺鏡上，從健康組織中識別隱藏的腫瘤。他們的研究結果表明，將傳感內窺鏡作為一種診斷設備，用於更快、更精確的治療是可行的。圖3(b)所示為配備該觸覺傳感器的內窺鏡。他們提出了基於串聯彈簧模型和壓電元件輸出電壓變化的分析模型。為了驗證傳感器的性能，他們將5個不同的已知彈性模量的彈性體分別注射到豬胃黏膜下層正常組織中。圖3(c)顯示豬胃粘膜下層有一個人工腫瘤。該傳感器能夠估算出樣品在1.01 ~ 3.51 MPa之間的彈性模量。他們的結果驗證了他們的假設，與理論預測高度吻合。

在[8]中傳感器采用了增材製造技術，一種精確而低成本的製造工藝。一個壓電缸被用作力傳感器，連接到細針。他們對壓電元件受機械力作用產生的電流進行了實時記錄。壓電傳感器內嵌針的原理圖及其實驗圖如圖4(a)所示。為了校準他們的感應針，他們在一係列已知硬度的生物材料上進行了測試。此外，他們還對一係列提取的豬腎進行了體外實驗，將插入樣本時的力數據記錄下來，以表征組織剛度，如圖4(b)所示。為了評估傳感器的性能，對不同的惡性甲狀腺腫瘤患者的甲狀腺樣本進行了檢測，並將其與正常的甲狀腺組織進行對比。結果顯示，正常組織的硬度為0.06±0.02 mN/mm，而惡性組織的硬度從0.02±0.00到0.41±0.03 mN/mm不等。

壓電式觸覺傳感器具有較高的靈敏度和準確性。此外，PVDF薄膜傳感器具有較強的線性度和較高的響應頻率。然而，壓電傳感器不能檢測靜態負載，這是它們在外科應用中的主要限製。而且，壓電傳感器是熱敏感的，這意味著他們的特征方程會隨溫度的變化而變化。在外科手術中，傳感器暴露在不同的溫度下，即從18- 20°C(手術室溫度)到37°C(核心體溫)。因此，熱敏性也阻礙了其在MIS和RMIS中的應用。

3、電容式觸覺傳感器

最近，Kim等人提出了一種新型感應手術鉗，兩個鉗口有兩個緊湊的小型電容式傳感器。在外科手術過程中，鉗子會由於俯仰、偏航和滑動而承受三個方向的三個操縱力。旋轉扭矩和抓握力分別通過滾動和抓握運動施加到鉗子上[9]。除此之外，其他表麵還被外科醫生用來觸診組織以移動或檢查組織狀況。為此，兩個三軸力傳感器設計安裝在鉗子的兩個鉗口，為外科醫生提供所有的力和扭矩信息。每個力傳感器由三個垂直平行的電容單元、一個可移動可傳遞力的接地板和一個三角形的基板組成。圖5(a)為每個三自由度傳感器在負載下的結構示意圖。所述感應鉗的三維設計和所述加工工藝製造的原型分別如圖5(b)和圖5(c)所示。利用精確的移動平台和一個預先校準的ATI-nano17力傳感器，他們將他們的六自由度傳感器校準為六自由度外力和抓握器上的扭矩。

電容式觸覺傳感器通常是高度敏感和精確的。通常，這種傳感器的力範圍為0-20 N，電容小於1pF。此外，與MEMS技術相對容易集成、設計有更薄的介電層、具有較高的分辨率和溫度獨立性是其顯著優勢。這些優點使電容式觸覺傳感器成為外科觸覺傳感器的良好選擇[10]。另一方麵，遲滯和串擾影響了可重複性，限製了電容式傳感器在高精度應用中的使用。此外，電磁對神經或心髒活動的幹擾也限製了電容式傳感器在心髒和腦外科手術的使用。

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