设计和制造用于机器人手术平台的触觉传感器

设计和制造用于机器人手术平台的触觉传感器

关键词：力传感器，触觉传感器

力测量传感技术能够增强医师和外科医生的医疗设备的感觉。然而，适当地模仿外科医生在对患者进行手术时将经历的触觉反馈变得越来越困难。使这些手术设备系统完整的解决方案在于向操作员提供物理的，触觉的反馈，从而恢复其触摸感。

微创手术（MIS）是一项现代技术，可让外科医生通过小切口（通常为5至15毫米）进行手术。尽管与旧的外科手术技术相比，它具有许多优势，但MIS可能更难以执行。一些固有的缺点是：

由于笔直的腹腔镜器械和腹壁小切口所引起的固定，运动受限

由于二维成像，视力受损

使用长器械会扩大外科医生的震颤的影响

施加给外科医生的人体工程学设计不佳，以及

触觉反馈的损失，其会因器械上的摩擦力和腹壁的反作用力而失真。

微创机器人手术（MIRS）提供的解决方案可以最大程度地减少或消除与传统腹腔镜手术相关的许多陷阱。MIRS平台等当前可用的MIRS平台，例如2000年获得美国食品和药物管理局批准的达芬奇手术系统，是外科手术治疗的历史性里程碑。利用腹腔镜手术优势的能力，同时增加外科医生的灵活性和可视化能力，并消除长时间手术的人体工程学不适感，使MIRS无疑是患者，外科医生和医院必不可少的技术。

然而，尽管当前市售的MIRS带来了所有改进，但是触觉反馈仍然是机器人辅助外科医生报告的主要限制。由于介入医师不再直接操作仪器，因此消除了自然的触觉反馈。触觉是动觉（肌肉，组织和关节的形状和形状）以及触觉（皮肤质地和精细细节）知觉的结合，并且是许多物理变量（例如力，分布压力，温度和振动）的结合。感测手术末端执行器上的相互作用力的直接好处是（a）改善了有机组织的特性和操作；（b）评估了解剖结构；（c）减少了缝合线的断裂；以及（d）总体上增加了辅助机器人的感觉手术。

在MIRS培训中，触觉反馈在缩短年轻外科医生的学习曲线方面也起着基本作用。准确的实时直接力测量的第三大好处是，从这些传感器收集的数据可用于为MIS训练中使用的手术模拟器生成准确的组织和器官模型。

技术和经济挑战
除了增加触觉测量的固有复杂性外，工程师和神经科学家还面临着重要的问题，这些问题需要在传感器设计和制造阶段之前进行考虑。显着影响测量一致性的传感元件的位置给MIRS设计人员带来了一个难题：他们是否应该将传感器放置在靠近驱动端部执行器的驱动机构（即间接力传感）的腹部壁外或患者体内？嵌入在末端执行器上（又名直接力感测）的仪器尖端。

这两种方法的优缺点与测量精度，尺寸限制以及灭菌和生物相容性要求有关。表1比较了这两种力的测量方法。

在MIRS应用中，非常细微的器械与组织之间的相互作用力需要向外科医生提供精确的反馈，因此测量精度是必要的，这使得腹腔内直接感测是理想的选择。

但是，这种新颖的方法不仅带来表1中描述的设计和制造挑战，而且还要求更高的可重用性。模块化设计的市售MIRS系统可使腹腔镜器械重复使用约12至20次。在末端执行器附近增加感测元件总是会增加仪器的成本，并且在设计阶段需要进一步考虑以提高传感器的可重用性。适当的电子组件，应变测量方法和电气连接必须承受额外的可高压灭菌循环，并能承受高PH洗涤。满足这些特殊设计要求总是会增加每个传感器的单位成本。然而，

高精度的超小型负载传感元件的气密性对腹腔内直接力的测量同样具有挑战性。密封电子元件的常规方法是采用保形涂层，该涂层被广泛用于潜水设备中。尽管此解决方案在低压水浸环境中为消费类电子产品提供了保护，但涂层保护并不足够气密，因此不适用于高可靠性的医疗，可重复使用和可消毒的解决方案。

在极端的工艺控制下，保形涂层已被证明是微不足道的，并提供了20至30个以上的高压灭菌循环。高压灭菌器的灭菌过程使用高压和高温饱和蒸汽呈现出更苛刻的物理化学环境。与氦气泄漏检测技术类似，饱和蒸汽颗粒的尺寸比水颗粒小得多，并且能够随着时间的推移渗透并降解涂层，从而导致设备无法预测的故障。

另一种实现气密性的常规方法是在集管接口上焊接到传感器。再次，由于其尺寸限制，焊接在小型传感器中面临障碍。总而言之，一种新颖而强大的方法是采用定制配方，Ct匹配，化学中性，高温熔融隔离器技术的单片传感器，该技术用于通过密封的有源传感元件的壁馈送电导体。熔融隔离器技术已在数百到数千个高压灭菌器循环中显示出可靠性。

其他设计考虑因素

如前所述，小型化，生物相容性，高压灭菌性和高可重复使用性是外科手术环境赋予触觉传感器的一些独特特征。另外，设计人员还必须满足任何高性能测力装置固有的要求。

外部负载（或串扰）补偿可为离轴负载提供最佳抵抗力，以确保最长的使用寿命并最大程度地减少读取误差。力和扭矩传感器经过专门设计，可捕获沿笛卡尔轴（通常为X，Y和Z）的力。从这三个正交轴中，一到六个测量通道可得出三个力通道（Fx，Fy和Fz）和三个扭矩或力矩通道（ Mx，My和Mz）。从理论上讲，沿其中一个轴施加的负载不应在其他任何通道中产生测量值，但并非总是如此。对于大多数力传感器而言，这种不希望的跨通道干扰将在1％到5％之间，并且考虑到一个通道可以捕获来自其他五个通道的外部负载，总串扰可能高达5％到25％。

在机器人外科手术中，传感器的设计必须能够抵消外部或串扰负荷，其中包括末端执行器器械与套管针之间的摩擦，腹壁的反作用力以及沿器械轴线的质量引力。在某些情况下，小型化传感器的空间非常有限，必须使用替代方法（如电子或算法补偿）来补偿侧向载荷。

直接在线力传感器的校准也施加了限制。校准夹具通过SR按钮进行了优化，可将负载精确地引导通过零件的传感器。如果校准组件未配备此类装置，则最终校准可能会受到平行负载路径的影响。

热效应也是应变测量中的主要挑战。温度变化会导致材料膨胀，应变系数系数变化以及对测量结果产生其他不良影响。因此，即使在剧烈的环境温度波动下，温度补偿对于确保精度和长期稳定性也至关重要。抵消温度对读数的影响的措施是（a）使用与传感元件材料的热膨胀系数兼容的高质量，定制和自补偿应变计；

在某些特殊情况下，使用定制的应变计并减少焊接连接，有助于减少焊接点对温度的影响。通常，具有四个单独应变计的常规力传感器最多具有16个焊点，而定制应变元件可以将其减少到少于六个。这种设计考虑因素提高了可靠性，因为大大降低了焊接接头的故障几率。

在设计阶段，还必须考虑到满足高可靠性和大批量可制造性的传感器，并考虑到指定用于大批量生产的设备所需的设备和过程。自动化的大批量生产工艺可能与用于生产小批量生产的台式或原型设备略有不同。可伸缩性必须始终专注于减少制造过程中的故障点以及现场可能发生的故障点。

用于医疗应用的测试与测量设备的能力有关，该设备可以承受大量循环，而不是承受剧烈的结构应力。特别是对于医疗传感器，过载和疲劳测试必须与插入的过程中的灭菌测试结合进行，该插入过程具有多个疲劳和灭菌测试周期。能够承受数百个过载循环并保持密封性的能力，可转变为无故障，高可靠性的传感器，其MTBF更低，总拥有成本更具竞争力。

产品开发挑战

尽管必须了解触觉耐高温高压传感器固有的设计挑战，但是传感器制造商必须配备一支才华横溢的多学科工程团队，内部制造能力，充分开发的质量流程和产品/项目管理能力来应对挑战。复杂，资源有限且节奏快的新产品开发环境。

多学科方法将使传感器元件满足非线性，滞后，可重复性和串扰方面的规范，以及提供模拟和数字输出，高采样率和带宽，高无噪声分辨率的电子仪器和低功耗，这对于可靠的交钥匙触觉测量解决方案都是必不可少的。

通过对所有制造过程（加工，层压，布线，校准）的战略控制，制造商可以设计具有可制造性（DFM）思想的传感器来设计传感器。这种对制造的战略控制归结为有条不紊地选择物料清单，定义测试计划，遵守标准和协议，并最终根据经济限制制定制造阶段的策略。