設計和制造用于機器人手術平臺的觸覺傳感器

設計和制造用于機器人手術平臺的觸覺傳感器

關鍵詞：力傳感器，觸覺傳感器

力測量傳感技術能夠增強醫師和外科醫生的醫療設備的感覺。然而，適當地模仿外科醫生在對患者進行手術時將經歷的觸覺反饋變得越來越困難。使這些手術設備系統完整的解決方案在于向操作員提供物理的，觸覺的反饋，從而恢復其觸摸感。

微創手術（MIS）是一項現代技術，可讓外科醫生通過小切口（通常為5至15毫米）進行手術。盡管與舊的外科手術技術相比，它具有許多優勢，但MIS可能更難以執行。一些固有的缺點是：

由于筆直的腹腔鏡器械和腹壁小切口所引起的固定，運動受限

由于二維成像，視力受損

使用長器械會擴大外科醫生的震顫的影響

施加給外科醫生的人體工程學設計不佳，以及

觸覺反饋的損失，其會因器械上的摩擦力和腹壁的反作用力而失真。

微創機器人手術（MIRS）提供的解決方案可以最大程度地減少或消除與傳統腹腔鏡手術相關的許多陷阱。MIRS平臺等當前可用的MIRS平臺，例如2000年獲得美國食品和藥物管理局批準的達芬奇手術系統，是外科手術治療的歷史性里程碑。利用腹腔鏡手術優勢的能力，同時增加外科醫生的靈活性和可視化能力，并消除長時間手術的人體工程學不適感，使MIRS無疑是患者，外科醫生和醫院必不可少的技術。

然而，盡管當前市售的MIRS帶來了所有改進，但是觸覺反饋仍然是機器人輔助外科醫生報告的主要限制。由于介入醫師不再直接操作儀器，因此消除了自然的觸覺反饋。觸覺是動覺（肌肉，組織和關節的形狀和形狀）以及觸覺（皮膚質地和精細細節）知覺的結合，并且是許多物理變量（例如力，分布壓力，溫度和振動）的結合。感測手術末端執行器上的相互作用力的直接好處是（a）改善了有機組織的特性和操作；（b）評估了解剖結構；（c）減少了縫合線的斷裂；以及（d）總體上增加了輔助機器人的感覺手術。

在MIRS培訓中，觸覺反饋在縮短年輕外科醫生的學習曲線方面也起著基本作用。準確的實時直接力測量的第三大好處是，從這些傳感器收集的數據可用于為MIS訓練中使用的手術模擬器生成準確的組織和器官模型。

技術和經濟挑戰
除了增加觸覺測量的固有復雜性外，工程師和神經科學家還面臨著重要的問題，這些問題需要在傳感器設計和制造階段之前進行考慮。顯著影響測量一致性的傳感元件的位置給MIRS設計人員帶來了一個難題：他們是否應該將傳感器放置在靠近驅動端部執行器的驅動機構（即間接力傳感）的腹部壁外或患者體內？嵌入在末端執行器上（又名直接力感測）的儀器尖端。

這兩種方法的優缺點與測量精度，尺寸限制以及滅菌和生物相容性要求有關。表1比較了這兩種力的測量方法。

在MIRS應用中，非常細微的器械與組織之間的相互作用力需要向外科醫生提供精確的反饋，因此測量精度是必要的，這使得腹腔內直接感測是理想的選擇。

但是，這種新穎的方法不僅帶來表1中描述的設計和制造挑戰，而且還要求更高的可重用性。模塊化設計的市售MIRS系統可使腹腔鏡器械重復使用約12至20次。在末端執行器附近增加感測元件總是會增加儀器的成本，并且在設計階段需要進一步考慮以提高傳感器的可重用性。適當的電子組件，應變測量方法和電氣連接必須承受額外的可高壓滅菌循環，并能承受高PH洗滌。滿足這些特殊設計要求總是會增加每個傳感器的單位成本。然而，

高精度的超小型負載傳感元件的氣密性對腹腔內直接力的測量同樣具有挑戰性。密封電子元件的常規方法是采用保形涂層，該涂層被廣泛用于潛水設備中。盡管此解決方案在低壓水浸環境中為消費類電子產品提供了保護，但涂層保護并不足夠氣密，因此不適用于高可靠性的醫療，可重復使用和可消毒的解決方案。

在極端的工藝控制下，保形涂層已被證明是微不足道的，并提供了20至30個以上的高壓滅菌循環。高壓滅菌器的滅菌過程使用高壓和高溫飽和蒸汽呈現出更苛刻的物理化學環境。與氦氣泄漏檢測技術類似，飽和蒸汽顆粒的尺寸比水顆粒小得多，并且能夠隨著時間的推移滲透并降解涂層，從而導致設備無法預測的故障。

另一種實現氣密性的常規方法是在集管接口上焊接到傳感器。再次，由于其尺寸限制，焊接在小型傳感器中面臨障礙。總而言之，一種新穎而強大的方法是采用定制配方，Ct匹配，化學中性，高溫熔融隔離器技術的單片傳感器，該技術用于通過密封的有源傳感元件的壁饋送電導體。熔融隔離器技術已在數百到數千個高壓滅菌器循環中顯示出可靠性。

其他設計考慮因素

如前所述，小型化，生物相容性，高壓滅菌性和高可重復使用性是外科手術環境賦予觸覺傳感器的一些獨特特征。另外，設計人員還必須滿足任何高性能測力裝置固有的要求。

外部負載（或串擾）補償可為離軸負載提供最佳抵抗力，以確保最長的使用壽命并最大程度地減少讀取誤差。力和扭矩傳感器經過專門設計，可捕獲沿笛卡爾軸（通常為X，Y和Z）的力。從這三個正交軸中，一到六個測量通道可得出三個力通道（Fx，Fy和Fz）和三個扭矩或力矩通道（ Mx，My和Mz）。從理論上講，沿其中一個軸施加的負載不應在其他任何通道中產生測量值，但并非總是如此。對于大多數力傳感器而言，這種不希望的跨通道干擾將在1％到5％之間，并且考慮到一個通道可以捕獲來自其他五個通道的外部負載，總串擾可能高達5％到25％。

在機器人外科手術中，傳感器的設計必須能夠抵消外部或串擾負荷，其中包括末端執行器器械與套管針之間的摩擦，腹壁的反作用力以及沿器械軸線的質量引力。在某些情況下，小型化傳感器的空間非常有限，必須使用替代方法（如電子或算法補償）來補償側向載荷。

直接在線力傳感器的校準也施加了限制。校準夾具通過SR按鈕進行了優化，可將負載精確地引導通過零件的傳感器。如果校準組件未配備此類裝置，則最終校準可能會受到平行負載路徑的影響。

熱效應也是應變測量中的主要挑戰。溫度變化會導致材料膨脹，應變系數系數變化以及對測量結果產生其他不良影響。因此，即使在劇烈的環境溫度波動下，溫度補償對于確保精度和長期穩定性也至關重要。抵消溫度對讀數的影響的措施是（a）使用與傳感元件材料的熱膨脹系數兼容的高質量，定制和自補償應變計；

在某些特殊情況下，使用定制的應變計并減少焊接連接，有助于減少焊接點對溫度的影響。通常，具有四個單獨應變計的常規力傳感器最多具有16個焊點，而定制應變元件可以將其減少到少于六個。這種設計考慮因素提高了可靠性，因為大大降低了焊接接頭的故障幾率。

在設計階段，還必須考慮到滿足高可靠性和大批量可制造性的傳感器，并考慮到指定用于大批量生產的設備所需的設備和過程。自動化的大批量生產工藝可能與用于生產小批量生產的臺式或原型設備略有不同。可伸縮性必須始終專注于減少制造過程中的故障點以及現場可能發生的故障點。

用于醫療應用的測試與測量設備的能力有關，該設備可以承受大量循環，而不是承受劇烈的結構應力。特別是對于醫療傳感器，過載和疲勞測試必須與插入的過程中的滅菌測試結合進行，該插入過程具有多個疲勞和滅菌測試周期。能夠承受數百個過載循環并保持密封性的能力，可轉變為無故障，高可靠性的傳感器，其MTBF更低，總擁有成本更具競爭力。

產品開發挑戰

盡管必須了解觸覺耐高溫高壓傳感器固有的設計挑戰，但是傳感器制造商必須配備一支才華橫溢的多學科工程團隊，內部制造能力，充分開發的質量流程和產品/項目管理能力來應對挑戰。復雜，資源有限且節奏快的新產品開發環境。

多學科方法將使傳感器元件滿足非線性，滯后，可重復性和串擾方面的規范，以及提供模擬和數字輸出，高采樣率和帶寬，高無噪聲分辨率的電子儀器和低功耗，這對于可靠的交鑰匙觸覺測量解決方案都是必不可少的。

通過對所有制造過程（加工，層壓，布線，校準）的戰略控制，制造商可以設計具有可制造性（DFM）思想的傳感器來設計傳感器。這種對制造的戰略控制歸結為有條不紊地選擇物料清單，定義測試計劃，遵守標準和協議，并最終根據經濟限制制定制造階段的策略。