用于微創(chuàng)手術(shù)的觸覺傳感器

微創(chuàng)手術(shù)（MIS）因其諸多優(yōu)點(diǎn)而成為傳統(tǒng)開放手術(shù)的首選手術(shù)方式。MIS允許外科醫(yī)生使用特殊設(shè)計(jì)的低輪廓外科器械或可彎曲的導(dǎo)管，通過小的皮膚切口進(jìn)行[1]。因此，MIS可以減少麻醉時(shí)間、切口大小、術(shù)中出血量、術(shù)后感染、創(chuàng)傷和住院時(shí)間[2]。隨著MIS中機(jī)器人的出現(xiàn)，手術(shù)器械操作的準(zhǔn)確性和靈活性得到了顯著提高[2]。此外，機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)（RMIS）可以減輕外科醫(yī)生的身體疲勞，并降低電離輻射暴露[3]。盡管人工MIS和機(jī)器人MIS （RMIS）具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但對于外科醫(yī)生來說，仍然存在一些局限性。例如，由于非接觸解剖，外科醫(yī)生的手眼協(xié)調(diào)性、視野和工具的工作空間都受到了影響。最重要的是，外科醫(yī)生失去了自然觸覺，導(dǎo)致觸覺感知受限或沒有觸覺[4]。觸覺反饋包括動(dòng)覺(力)和皮膚(觸覺)反饋，沒有這些反饋可能會對手術(shù)的效率產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致療效欠佳[5]。為了解決這一問題，研究人員提出并開發(fā)了不同的觸覺傳感器，與外科器械結(jié)合，并為外科醫(yī)生提供觸覺信息。

眾所周知，力量反饋有助于外科醫(yī)生使用適當(dāng)?shù)牧Χ葋肀苊饨M織損傷，而組織損傷通常是由于觸覺反饋的喪失和無意的過大器械力的副產(chǎn)物[5]。例如，達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)(Intuitive Surgical Inc.,Sunnyvale, CA)是迄今為止第一個(gè)手術(shù)機(jī)器人，也是商業(yè)上最成功的手術(shù)機(jī)器人之一，但它不提供力或觸覺反饋。據(jù)報(bào)道，在達(dá)芬奇機(jī)器人操作的手術(shù)中，抓握力將通過力反饋顯著降低[2]。利用傳感器測量觸覺信號可以通過增加外科醫(yī)生的處境意識來提高手術(shù)效率[2]，特別是對于高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)來說，如心臟和大腦手術(shù)[6]。這種觸覺傳感器應(yīng)滿足特定的物理和功能要求。比如，像手術(shù)鉗和鑷子這樣的手術(shù)器械都有很小的下頜。因此，傳感器應(yīng)小型化，以適合理想的位置。此外，傳感器應(yīng)能在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下工作，特別是運(yùn)動(dòng)器官，如心臟[7]。

同樣，外科醫(yī)生可能需要通過持續(xù)施加靜態(tài)力來維持組織。這個(gè)靜態(tài)力在維持期間必須是恒定的。同時(shí)，為了避免組織撕裂，力不能超過一個(gè)特定的范圍。然而，由于組織的粘彈性，工具-組織相互作用力可能會隨著時(shí)間的推移而減小(也稱為應(yīng)力松弛現(xiàn)象)，導(dǎo)致組織滑移[8]。另一個(gè)例子是在磁共振成像(MRI)下進(jìn)行手術(shù)，這種外科手術(shù)要求傳感器具有磁共振兼容性。此外，在一些手術(shù)，如心血管微創(chuàng)手術(shù)中，傳感器必須是電被動(dòng)的，避免干擾的心臟的電活動(dòng)[6]。

應(yīng)用于MIS的觸覺傳感器主要是基于電學(xué)或光學(xué)原理開發(fā)的。圖1顯示了基于傳感原理的MIS觸覺傳感器的種類。

圖1 觸覺傳感器分類

基于電子的觸覺傳感器是目前最常用的MIS傳感方式[6]。電子傳感器可以進(jìn)一步分類為壓電式、壓阻式和電容式傳感器。雖然電子傳感器滿足了上面提到的大多數(shù)要求，但它既不與MRI兼容，也不是無源的。此外，壓電式傳感器不能測量靜態(tài)力。高滯后和缺乏可重復(fù)性是這類傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)。另一方面，基于光纖的傳感器具有生物相容性、輕便性和耐腐蝕性。而且光學(xué)傳感器是無源的，可在MRI環(huán)境下工作[9]。這導(dǎo)致光學(xué)傳感器最近廣泛應(yīng)用于MIS和RMIS[6]。

光學(xué)傳感器的工作主要基于三個(gè)原理:光強(qiáng)度調(diào)制(LIM)，相位調(diào)制(PM) 和波長調(diào)制(WM)[6]。相比之下，基于LIM的傳感器具有價(jià)格低廉、對熱不敏感、設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而基于PM和基于WM的傳感器則需要一個(gè)相對昂貴的測量系統(tǒng)來計(jì)算力和位移等物理參數(shù)。基于LIM的傳感器的缺點(diǎn)是，小型化仍然是限制其可擴(kuò)展性的關(guān)鍵問題。這一限制在很大程度上影響了分辨率和測量范圍[10]，[11]。

在MIS應(yīng)用中，觸覺傳感器的設(shè)計(jì)要求(又稱約束條件)與傳感器的物理和功能特性有關(guān)。物理特性主要取決于傳感器的形狀和大小，而功能約束則與傳感器在生物環(huán)境中的兼容性、相互作用和性能有關(guān)。作為物理約束的一個(gè)例子，MIS觸覺傳感器應(yīng)該是小尺寸和圓柱形的，可在導(dǎo)管的管身或尖端集成。作為功能要求，傳感器應(yīng)該能夠測量0-5N范圍內(nèi)的接觸力，分辨率為0.01N [12]。此外，傳感器應(yīng)相當(dāng)敏感、線性、低滯后。

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