用于微創(chuàng)手術(shù)的觸覺(jué)傳感器（二）

微創(chuàng)手術(shù)已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的進(jìn)展之一。在這種方法中，外科醫(yī)生通過(guò)患者皮膚上的一個(gè)小切口，將專門(mén)設(shè)計(jì)的器械插入體腔、腹部、靜脈或動(dòng)脈，并對(duì)器官進(jìn)行手術(shù)。由于間接接觸器官，外科醫(yī)生失去了他們的自然觸覺(jué)感知，這是微創(chuàng)手術(shù)主要的局限。觸覺(jué)感知的損失削弱了外科醫(yī)生區(qū)分組織和操作的能力，因此，研究人員提出了不同的觸覺(jué)傳感器。在過(guò)去的十年中，針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)MIS/機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)RMIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)并研究了許多觸覺(jué)傳感器。雖然它們大多是研究原型，但也有一些被商業(yè)化了。在選擇傳感原理時(shí)，必須認(rèn)真考慮應(yīng)用因素。研究人員必須首先定義傳感器的應(yīng)用需求，然后才能采用傳感原理并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)傳感器。MIS 和RMIS觸覺(jué)傳感器最常用的傳感原理是基于電氣的傳感器[6]，[11]。這些觸覺(jué)傳感器進(jìn)一步分為壓阻型、壓電型和電容型傳感器。

1、壓阻觸覺(jué)傳感器

在早期的研究中，Tanimoto等人提出了一種用于血管內(nèi)神經(jīng)外科的微壓阻式傳感器，來(lái)測(cè)量直徑為1.65毫米的導(dǎo)管與血管之間的相互作用力。這是世界上首次在犬類動(dòng)物模型中評(píng)估了他們的觸覺(jué)傳感器。該傳感器由硅膜片上的一套壓電應(yīng)變儀組成。如果施加壓力，硅膜片會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，應(yīng)變儀的電阻也會(huì)發(fā)生變化。他們對(duì)健康循環(huán)中血壓引起的力的范圍進(jìn)行驗(yàn)證，即60-130毫米汞柱。他們的傳感器能夠以超過(guò)2千赫茲的頻率測(cè)量，并成功地捕捉到血壓的波動(dòng)。

類似地，Dargahi和Najarian[1]在一個(gè)定制設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡手術(shù)鉗的背面安裝了兩個(gè)微型應(yīng)變傳感器。圖1(a)所示為兩種不同類型的抓取器及其相關(guān)的電子反饋系統(tǒng)。施加在手術(shù)鉗上的力的大小顯示在發(fā)光二極管(LED)顯示屏上(圖1(b))。他們的力傳感器在0.5到10N的范圍內(nèi)以0.5 N的精度線性工作。該傳感器靈敏度高，測(cè)量范圍廣，適用于內(nèi)窺鏡手術(shù)。由于內(nèi)窺鏡手術(shù)鉗要在存在液體的人體中安全地工作，他們用硅橡膠包裹并密封了觸覺(jué)傳感器。

King等人[2]在達(dá)芬奇系統(tǒng)的手術(shù)工具上集成了FlexiForceTM壓阻力傳感器，并將抓取力傳遞給外科醫(yī)生。他們的研究表明，在機(jī)器人手術(shù)過(guò)程中，力反饋可以顯著降低抓取力，從而提高手術(shù)安全性。

雖然壓阻式觸覺(jué)傳感器具有測(cè)量的高動(dòng)態(tài)范圍、高空間分辨率、簡(jiǎn)單的制造工藝和耐久性，但其主要限制是遲滯[3]。除非進(jìn)行補(bǔ)償，否則遲滯會(huì)降低觸覺(jué)傳感器的靈敏度和可重復(fù)性，從而降低系統(tǒng)的可靠性[3]。將壓敏電阻嵌入到靈活的自恢復(fù)結(jié)構(gòu)中是一個(gè)選擇[4]。然而，由于這種結(jié)構(gòu)的粘彈性，可能會(huì)發(fā)生次級(jí)遲滯。另一種可能是通過(guò)適當(dāng)?shù)姆蔷�性校準(zhǔn)[5]來(lái)補(bǔ)償遲滯。

2、壓電式觸覺(jué)傳感器

在過(guò)去的十年里，已經(jīng)基于壓電原理提出了許多觸覺(jué)傳感器。例如，Elkund等[6]開(kāi)發(fā)了一種用于測(cè)量外科導(dǎo)管尖端組織硬度的壓電觸覺(jué)傳感器。他們的傳感器在硅和人類前列腺模型中都進(jìn)行了測(cè)試。它原本是用來(lái)診斷前列腺癌的。在此基礎(chǔ)上，Sokhanvar等[7]提出了基于壓電傳感器在微創(chuàng)內(nèi)鏡器械中的應(yīng)用。他們利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造了一種用于MIS抓握器的微型觸覺(jué)傳感器。為了得到一個(gè)靈敏的線性系統(tǒng)，他們用PVDF薄膜作為傳感器來(lái)測(cè)量被抓取物體的力、力位置和柔軟度。要估計(jì)物體的相對(duì)柔軟度，至少需要兩個(gè)獨(dú)立的傳感器來(lái)量化施加在物體上的力及其總偏轉(zhuǎn)。圖2(a)給出了在[7]中提出的傳感器結(jié)構(gòu)的橫截面。此外，圖2(b)和(c)分別顯示了在抓取過(guò)程中施加的力作用下的單個(gè)傳感器單元，以及傳感器在抓握器上的示意圖。當(dāng)物體被抓住時(shí)，中間的PVDF薄膜會(huì)變形并改變傳感器的電壓。電壓是相對(duì)于物體的柔軟度進(jìn)行校準(zhǔn)的。同時(shí)，支座1上的PVDF會(huì)顯示出抓握組織時(shí)的抓握力，支座2用來(lái)確定點(diǎn)載荷的位置。為了驗(yàn)證傳感器的性能，他們首先選取了4個(gè)具有已知硬度計(jì)的材料樣品，計(jì)算了其壓縮楊氏模量，楊氏模量在50 - 280kPa之間，硬度為6MPa。事實(shí)上，每種材料都是人體組織的代表。由于他們的傳感器在材料區(qū)分和接觸點(diǎn)檢測(cè)方面的良好結(jié)果，他們假設(shè)在陣列結(jié)構(gòu)中使用傳感器。然而，由于壓電傳感元件內(nèi)部電壓的固有衰減，他們的傳感器不能滿足靜態(tài)負(fù)載條件的用例要求，例如在持續(xù)抓取組織的情況下。

在類似的研究中，Chuang等人制作了一種微型壓電觸覺(jué)傳感器，用于在內(nèi)窺鏡手術(shù)中檢測(cè)粘膜下腫瘤。傳感器由PVDF傳感膜制成，硬銅球和聚二甲基硅氧烷(PDMS)軟外包裝組成，如圖3(a)所示。由于這兩種材料的硬度不同，在外力作用下會(huì)產(chǎn)生不同的變形。因此，當(dāng)傳感器接觸到物體時(shí)，兩個(gè)元件下的壓電薄膜會(huì)產(chǎn)生不同的電壓。這兩個(gè)電壓輸出的比值被用來(lái)校準(zhǔn)測(cè)試對(duì)象的彈性。該傳感器可以集成在內(nèi)窺鏡上，從健康組織中識(shí)別隱藏的腫瘤。他們的研究結(jié)果表明，將傳感內(nèi)窺鏡作為一種診斷設(shè)備，用于更快、更精確的治療是可行的。圖3(b)所示為配備該觸覺(jué)傳感器的內(nèi)窺鏡。他們提出了基于串聯(lián)彈簧模型和壓電元件輸出電壓變化的分析模型。為了驗(yàn)證傳感器的性能，他們將5個(gè)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(gè)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(jié)果驗(yàn)證了他們的假設(shè)，與理論預(yù)測(cè)高度吻合。

在[8]中傳感器采用了增材制造技術(shù)，一種精確而低成本的制造工藝。一個(gè)壓電缸被用作力傳感器，連接到細(xì)針。他們對(duì)壓電元件受機(jī)械力作用產(chǎn)生的電流進(jìn)行了實(shí)時(shí)記錄。壓電傳感器內(nèi)嵌針的原理圖及其實(shí)驗(yàn)圖如圖4(a)所示。為了校準(zhǔn)他們的感應(yīng)針，他們?cè)谝幌盗幸阎�硬度的生物材料上進(jìn)行了測(cè)試。此外，他們還對(duì)一系列提取的豬腎進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)，將插入樣本時(shí)的力數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，以表征組織剛度，如圖4(b)所示。為了評(píng)估傳感器的性能，對(duì)不同的惡性甲狀腺腫瘤患者的甲狀腺樣本進(jìn)行了檢測(cè)，并將其與正常的甲狀腺組織進(jìn)行對(duì)比。結(jié)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(jué)傳感器具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性。此外，PVDF薄膜傳感器具有較強(qiáng)的線性度和較高的響應(yīng)頻率。然而，壓電傳感器不能檢測(cè)靜態(tài)負(fù)載，這是它們?cè)谕饪茟?yīng)用中的主要限制。而且，壓電傳感器是熱敏感的，這意味著他們的特征方程會(huì)隨溫度的變化而變化。在外科手術(shù)中，傳感器暴露在不同的溫度下，即從18- 20°C(手術(shù)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(yīng)用。

3、電容式觸覺(jué)傳感器

最近，Kim等人提出了一種新型感應(yīng)手術(shù)鉗，兩個(gè)鉗口有兩個(gè)緊湊的小型電容式傳感器。在外科手術(shù)過(guò)程中，鉗子會(huì)由于俯仰、偏航和滑動(dòng)而承受三個(gè)方向的三個(gè)操縱力。旋轉(zhuǎn)扭矩和抓握力分別通過(guò)滾動(dòng)和抓握運(yùn)動(dòng)施加到鉗子上[9]。除此之外，其他表面還被外科醫(yī)生用來(lái)觸診組織以移動(dòng)或檢查組織狀況。為此，兩個(gè)三軸力傳感器設(shè)計(jì)安裝在鉗子的兩個(gè)鉗口，為外科醫(yī)生提供所有的力和扭矩信息。每個(gè)力傳感器由三個(gè)垂直平行的電容單元、一個(gè)可移動(dòng)可傳遞力的接地板和一個(gè)三角形的基板組成。圖5(a)為每個(gè)三自由度傳感器在負(fù)載下的結(jié)構(gòu)示意圖。所述感應(yīng)鉗的三維設(shè)計(jì)和所述加工工藝制造的原型分別如圖5(b)和圖5(c)所示。利用精確的移動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)預(yù)先校準(zhǔn)的ATI-nano17力傳感器，他們將他們的六自由度傳感器校準(zhǔn)為六自由度外力和抓握器上的扭矩。

電容式觸覺(jué)傳感器通常是高度敏感和精確的。通常，這種傳感器的力范圍為0-20 N，電容小于1pF。此外，與MEMS技術(shù)相對(duì)容易集成、設(shè)計(jì)有更薄的介電層、具有較高的分辨率和溫度獨(dú)立性是其顯著優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)使電容式觸覺(jué)傳感器成為外科觸覺(jué)傳感器的良好選擇[10]。另一方面，遲滯和串?dāng)_影響了可重復(fù)性，限制了電容式傳感器在高精度應(yīng)用中的使用。此外，電磁對(duì)神經(jīng)或心臟活動(dòng)的干擾也限制了電容式傳感器在心臟和腦外科手術(shù)的使用。