CN104764552A - 一种用于手术操作力感知的力敏传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于手术操作力感知的力敏传感器，包括：敏感元件，由挠性梁、上垂直梁、下垂直梁、上基座和下基座组成，在挠性梁上设置有4N(N＝1,2,3,……)个半导体应变计，4N个半导体应变计组成N组惠斯通全桥电路，上垂直梁和下垂直梁起力传递和支撑作用；接触探头，上表面固定于敏感元件的下基座。本发明具有灵敏度高、成本低、体积小的优点，能够集成到多种外科手术器械操作端上，实现多维手术操作力感知(包括轴向力、侧向力和扭转力等)的功能，可以广泛应用于手术实时力反馈、机器人辅助手术、手术仿真和训练、康复训练等领域。

Description

一种用于手术操作力感知的力敏传感器

技术领域

本发明涉及力感知系统及手术设备技术领域，具体是涉及基于空间挠性构件的高灵敏度探针形式的一种用于手术操作过程中力检测的多维力敏传感器。

背景技术

随着医疗水平的逐渐提高，人们对外科手术的精准性和安全性问题越来越重视，这与手术过程中所用到的技术、设备甚至术者的水平等因素具有很大的关系，传统的医疗手段已经不能满足人们对治疗效果高精度、高效率、高智能化的需求。现在市场上的大多数手术器械都缺少力感知与力反馈系统，体内手术操作力的范围在～0.5N-10N之间，分辨率0.1N；临床操作时主要凭医生的经验把握，仅靠手自身的触觉反馈来感受手术操作力，而人的“感觉”是具有有限的阈值且难以精准量化的；即使是近来的研究热点，以Da Vinci(达芬奇)和ZEUS(宙斯)为代表的手术机器人也没有成熟的力感知、力反馈装置。

由于缺乏触觉反馈，手术操作者在临床环境下完成的手术具有很大的随机性。在手术器械压迫、刺入或切割皮肤等软组织的过程中，力反馈主要包括三种：(1)器械和软组织或血管之间相对运动产生的轴向力(摩擦力)，这种力受组织接触深度的影响；(2)器械和软组织或血管壁之间的反作用力(组织表面的正压力)，这种力与操作的角度有关；(3)沿器械轴向和组织间的扭转力(摩擦力)，这种力往往出现在有旋转进程的操作中。而在手术操作过程中，力感知和力反馈的缺乏可能导致组织损伤、手术出血、缝合断裂等并发症。

因此，将力感知概念引入临床手术中，通过对手术器械和软组织等之间相互作用力的检测与输出，使术者在手术操作中感知到反馈力的大小，对提高手术质量和规范性、灵活性，改善手术效果具有很大的现实意义。

目前，医院所使用的医疗设备中具有力感知功能的产品主要有以下3种：

(1)内窥镜：该产品的力感知装置可以检测与组织的接触压力，但是不能检测摩擦力和扭转力，且传感装置应用范围局限于本产品；

(2)虚拟手术装置：该类产品用于代替临床手术训练医生的手术操作，但是它们的力反馈装置是采用体外模拟单向力的形式，与临床实际操作情况差异较大，灵敏度较低；

(3)辅助手术机器人：该类产品能够保证手术的精准定位和长时间稳定性，但是其力感知装置十分简单，基于平面的弹性金属片来检测机器人操作端和组织间的正压力，只能检测一维夹持力。

显然已有医疗设备的力感知系统已经无法满足当今医疗技术的发展对手术过程高精度、高效率、高智能化的需求。

因此，设计研制一种基于空间挠性构件的多维力敏传感器，实现对轴向力、侧向力和扭转力等手术操作力的实时感知功能，解决当前医疗设备中的力感知装置仅能检测一维夹持力、应用范围窄、灵敏度不够高的问题，对于提高手术精度和安全性、降低手术风险、规范手术操作，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同时具有高灵敏度、低成本、微型化等诸项优点，并能集成到多种外科手术器械上的新型多维力敏传感器。

为了实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于手术操作力感知的力敏传感器，包括：敏感元件和接触探头；

所述的敏感元件包括互相平行的上基座、挠性梁和下基座，在所述的上基座和挠性梁之间连接有上垂直梁，在所述的挠性梁和下基座之间连接有下垂直梁，在挠性梁上设置有4N个半导体应变计组成N组惠斯通全桥电路；

所述的接触探头的上表面固定于敏感元件的下基座，内壁与手术器械接触并相对固定，用于将外界加载力传递到敏感元件的挠性梁上，使挠性梁弯曲形变，进而半导体应变计检测应力变化并通过惠斯通全桥电路输出与加载力成正比的电压信号。

还包括固定在所述的上基座上的限位装置，用于提供夹持操作部分，保证接触探头的垂直度，减小传感器的系统误差和干扰误差，实际操作过程中不与被测对象接触。

敏感元件采用铝合金或尼龙制造。

所述的敏感元件的空间结构为：上垂直梁和下垂直梁均垂直于挠性梁，上垂直梁包括对称分布的第一垂直梁和第二垂直梁，下垂直梁包括对称分布的第三垂直梁和第四垂直梁，第一垂直梁、第二垂直梁分别与第三垂直梁、第四垂直梁在空间上两两相间，相邻垂直梁间夹角90度。

所述的半导体应变计的分布方式为：每4个半导体应变计为一组，同组半导体应变计同时布置在挠性梁1上表面或下表面；每组1号半导体应变计与4号半导体应变计分别布置在上垂直梁或下垂直梁两侧，2号半导体应变计与3号半导体应变计分别布置在对应的上垂直梁或下垂直梁两侧。

所述的1号半导体应变计、2号半导体应变计分别与4号半导体应变计、3号半导体应变计对称分布。

所述的N组惠斯通全桥电路的连接方式为：一组惠斯通全桥电路包括4个半导体应变计；每组1号半导体应变计与2号半导体应变计串联，3号半导体应变计与4号半导体应变计串联，上述两条串联电路组成一个并联电路；每组惠斯通全桥电路之间的连接方式为并联。

所述的半导体应变计采用U形结构。

所述的下基座的内壁与接触探头的外壁通过键结构或螺钉固接，用于限制敏感元件与接触探头的相对滑动。

所述的接触探头为阶梯式圆柱或圆锥筒结构，内壁形状与尺寸根据所需集成的手术器械设计定制，并能够多次拆装，用于保证接触探头7固定于手术器械操作端上，还用于使接触探头适用于不同形状、不同尺寸的手术器械操作端。

所述的上基座的上表面的与限位装置的下表面通过键结构或螺钉固接，用于限制敏感元件与限位装置的相对滑动，限位装置的内壁不与手术器械操作端接触，用于减小传感器的系统误差和干扰误差。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)采用基于压阻效应的空间挠性构件作为关键结构，挠性梁相比传统传感器的悬臂梁结构尺寸更小、形变更大，具有分辨率高和灵敏度高的优点；

(2)敏感元件采用铝合金或尼龙材料加工，在减小其质量的基础上提高了刚度，测量范围满足手术操作的力范围(～0.5N-10N)，稳定性高；

(3)两对垂直梁空间分布上相互垂直，挠性梁在手术器械与组织作用力下发生应变，能够检测手术操作中轴向力、侧向力和扭转力等多个维度的作用力；

(4)采用对称的挠性梁应变构成惠斯通全桥电路作为输出，具有温度不敏感的特点；

(5)结构简单、易于加工、灵敏度高、体积小成本较低，具有更大的通用性和适用性，能够集成到多种外科手术器械上，可以广泛应用于手术实时力反馈、机器人辅助手术、手术仿真和训练、康复训练等应用领域，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明中传感敏感元件示意图。

图2是本发明用于手术操作力感知的力敏传感器的结构示意图。

图3是本发明中半导体应变片在挠性梁上的分布示意图，其中图3(1)是敏感元件左视图，图3(2)是敏感元件右视图。

图4是4N个半导体应变片的N组输出惠斯通电桥示意图。

图中：挠性梁1、上垂直梁2、下垂直梁3、第一垂直梁2-1、第二垂直梁2-2、第三垂直梁3-1、第四垂直梁3-2、上基座4、下基座5、半导体应变片6、接触探头7、限位装置8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

参照附图1，一种用于手术操作力感知的力敏传感器，其传感敏感元件结构包括挠性梁1、上垂直梁2、下垂直梁3、上基座4和下基座5组成，为了保证敏感元件的刚度同时减轻质量，敏感元件最好采用铝合金加工而成，当然采用强度较高的塑料(如尼龙材料)也能满足要求。两对上垂直梁2和下垂直梁3均垂直于挠性梁1，每根垂直梁宽度均为1mm，两端圆弧的外径9mm、内径7mm，高3mm，上垂直梁2和下垂直梁3起力传递和支撑作用；挠性梁1外径9mm、内径7mm，厚度经优化后确定为700μm；为了测量轴向力、侧向力和扭转力三个维度的力，所布置的半导体应变计的个数可以选择为12个；本实施例中在挠性梁1上布置12个U形结构半导体应变计6组成了3组惠斯通全桥电路，外界力信号传递到挠性梁1上弯曲产生形变，进而半导体应变计6检测应力变化并通过惠斯通全桥电路输出与加载力成正比的电压信号；上基座4为高2mm的圆环体，其外径9mm、内径6mm，上基座4的上表面存在两对相互垂直的凸键，与限位装置8的下表面通过键结构或螺钉固接，用于限制敏感元件与限位装置8的相对滑动，同时限位装置8的内壁不与手术器械操作端接触；下基座5为高2mm的圆环体，其外径9mm、内径5mm，下基座5的内壁存在一个凹槽，与接触探头7的外壁通过键结构或螺钉固接，用于限制敏感元件与接触探头7的相对滑动，保证传感器的精度。

图2是所述的用于手术操作力感知的力敏传感器的封装结构，包括敏感元件、接触探头7和限位装置8三部分。接触探头7为阶梯式圆锥筒结构，两阶总长7mm，第一阶为长2mm、外径5mm的圆柱，第二阶为长5mm外径从9mm逐渐过渡到5mm的圆锥筒，接触探头7内壁形状与尺寸可以根据所需集成的手术器械设计更换，能够保证接触探头7固定于手术器械操作端上，并且适用于不同形状、不同尺寸的手术器械操作端即可；接触探头7一端固定在敏感元件的下基座5，另一端与被测对象接触或与手术器械固定，用于将手术器械与组织的相互作用力传递到敏感元件的挠性梁1上。限位装置8为长5mm、外径9mm、内径6mm的圆柱筒结构，用于术者的夹持操作；限位装置8通过下表面的凹槽与敏感元件的上基座4保持固定，保证接触探头的垂直度，减小传感器的系统误差和干扰误差，实际操作过程中不与被测对象接触。

图3是本发明中半导体应变片在挠性梁上的分布图，如图所示，所述的12个半导体应变计6被布置在挠性梁1应变最大的位置，紧靠上垂直梁2与下垂直梁3的外侧。半导体应变计6采用U形结构，可以采用溅射技术和蚀刻法加工。3组(a,b,c组)半导体应变计6的分布方式为：半导体应变计a1与半导体应变计a4分别布置在第三垂直梁3-1的两侧、挠性梁1上表面，半导体应变计a2与半导体应变计a3分别布置在第四垂直梁3-2的两侧、挠性梁1上表面；半导体应变计b1与半导体应变计b4分别布置在第三垂直梁3-1的两侧、挠性梁1下表面，半导体应变计b2与半导体应变计b3分别布置在第四垂直梁3-2的两侧、挠性梁1下表面；半导体应变计c1与半导体应变计c4分别布置在第一垂直梁2-1的两侧、挠性梁1上表面，半导体应变计c2与半导体应变计c3分别布置在第二垂直梁2-2的两侧、挠性梁1上表面；其中半导体应变计a1、半导体应变计a2和半导体应变计a4、半导体应变计a3对称分布，测量x方向上的力；半导体应变计b1、半导体应变计b2和半导体应变计b4、半导体应变计b3对称分布，测量绕z轴的扭转力；半导体应变计c1、半导体应变计c2和半导体应变计c4、半导体应变计c3对称分布，测量y方向上的力。

图4是U形半导体应变片的输出惠斯通电桥示意图，所述的3组惠斯通全桥电路的连接方式为：半导体应变计a1、半导体应变计a2串联后的电路与半导体应变计a3、半导体应变计a4串联后的电路并联，半导体应变计b1、半导体应变计b2串联后的电路与半导体应变计b3、半导体应变计b4串联后的电路并联，半导体应变计c1、半导体应变计c2串联后的电路与半导体应变计c3、半导体应变计c4串联后的电路并联，上述所有惠斯通全桥电路组成一个并联电路。

本发明所述力敏传感器的工作原理是：接触探头7与手术器械操作端相对固定，限位装置8由术者手持或者由手术机器人夹持，限位装置8内壁孔用于保证手术器械的垂直度，外界作用力通过接触探头7传递到传感敏感元件的挠性梁1上，并使挠性梁1产生弯曲形变，进而通过挠性梁1表面的半导体应变计6如图3所示的对称分布方式检测应变，并通过如图4所示的惠斯通全桥电路输出与加载力成正比的电压信号，将外部作用力解耦为X、Y、Z方向的电信号输出，极大程度上避免了交叉干扰。

经实验表明，相比传统力敏传感器，本发明在拥有高灵敏度、微型化、低成本等诸项优点的同时，具有更大的通用性和适用性，能够集成到多种外科手术器械上，实现对轴向力、侧向力和扭转力等多维手术操作力的实时感知功能，对于提高手术精度和安全性、降低手术风险、规范手术操作，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，包括：敏感元件和接触探头(7)；

所述的敏感元件包括互相平行的上基座(4)、挠性梁(1)和下基座(5)，在所述的上基座(4)和挠性梁(1)之间连接有上垂直梁(2)，在所述的挠性梁(1)和下基座(5)之间连接有下垂直梁(3)，在挠性梁(1)上设置有4N个半导体应变计(6)组成N组惠斯通全桥电路；

所述的接触探头(7)的上表面固定于敏感元件的下基座(5)。

2.根据权利要求1所述的用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，还包括固定在所述的上基座(4)上的限位装置(8)。

3.根据权利要求1或2所述的用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，所述的上垂直梁(2)和下垂直梁(3)均垂直于所述的挠性梁(1)，上垂直梁(2)包括对称分布的第一垂直梁(2-1)和第二垂直梁(2-2)，下垂直梁(3)包括对称分布的第三垂直梁(3-1)和第四垂直梁(3-2)，第一垂直梁(2-1)、第二垂直梁(2-2)和第三垂直梁(3-1)、第四垂直梁(3-2)在空间上两两相间，相邻垂直梁间夹角90度。

4.根据权利要求1或2所述的用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，半导体应变计(6)的分布方式为：每4个半导体应变计(6)为一组，同组半导体应变计(6)同时布置在挠性梁(1)的上表面或下表面；每组1号半导体应变计与4号半导体应变计分别布置在上垂直梁(2)或下垂直梁(3)两侧，2号半导体应变计与3号半导体应变计分别布置在对应的上垂直梁(2)或下垂直梁(3)两侧；

N组惠斯通全桥电路的连接方式为：一组惠斯通全桥电路包括4个半导体应变计(6)；每组1号半导体应变计与2号半导体应变计串联，3号半导体应变计与4号半导体应变计串联；每组惠斯通全桥电路之间的连接方式为并联。

5.根据权利要求1或2所述的用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，下基座(5)的内壁与接触探头(7)的外壁通过键结构或螺钉固接，用于限制敏感元件与接触探头(7)的相对滑动。

6.根据权利要求1或2所述的用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，接触探头(7)的内壁形状与尺寸根据所需集成的手术器械设计，用于保证接触探头(7)固定于手术器械操作端上，使接触探头(7)适用于不同形状、不同尺寸的手术器械操作端。

7.根据权利要求2所述的用于手术操作力感知的力敏传感器，其特征在于，限位装置(8)的内壁不与手术器械接触，上基座(4)的上表面的与限位装置(8)的下表面通过键结构或螺钉固接，用于限制敏感元件与限位装置(8)的相对滑动，减小传感器的系统误差和干扰误差。