微创手术(MIS)是一种允许外科医生通过小切口(通常为5-15毫米)进行手术的现代技术。虽然它有许多优势，比老的外科技术，MIS可以更困难的执行。一些固有的缺点是:
- 由于腹腔镜直视器械和腹壁小切口的固定而导致的活动受限
- 由于二维成像，视力受损
- 使用长器械会放大外科医生震颤的影响
- 强加给外科医生的糟糕的人体工程学
- 失去触觉反馈，因器械上的摩擦力和腹壁的反作用力而变形。
微创机器人手术（MIRS）提供了减少或消除与传统腹腔镜手术相关的许多缺陷的解决方案。目前可用的MIRS平台，如2000年美国食品和药物管理局批准的达芬奇手术系统，是外科治疗的历史里程碑。利用腹腔镜手术的优势，同时增强外科医生的灵活性和可视性，消除长期手术的人体工程学不适感，这使得MIR无疑是患者、外科医生和医院的一项重要技术。
然而，尽管目前商用的MIR带来了所有的改进，触觉反馈仍然是机器人辅助外科医生报告的一个主要限制。由于干预者不再直接操纵仪器，自然的触觉反馈被消除。触觉是动觉（肌肉、组织和关节的形式和形状）和触觉（皮肤纹理和精细细节）感知的结合，是许多物理变量的组合，如力、分布压力、温度和振动。在手术末端执行器处感应相互作用力的直接好处是：（a）改善了有机组织的特征和操作，（b）解剖结构的评估，（c）减少了缝线断裂，（d）总体上增加了辅助机器人手术的感觉。
触觉反馈在缩短年轻外科医生在MIRS训练中的学习曲线方面也起着重要作用。精确实时直接测力的第三个好处是，从这些传感器收集的数据可用于为MIS培训中使用的手术模拟器生成精确的组织和器官模型。
技术和经济挑战
除了触觉测量的固有复杂性之外，工程师和神经科学家还面临着传感器设计和制造阶段之前需要考虑的重要问题。传感元件的位置会显著影响测量的一致性，这给MIRS设计人员带来了一个难题：他们应该将传感器放置在驱动末端执行器的驱动机构（也称为间接力传感）附近的腹壁外部，还是放置在患者体内的仪器尖端，嵌入末端执行器上（也称为直接力感应）。
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比较了这两种测力方法。
在MIRS应用中，非常精密的仪器-组织相互作用力需要向外科医生提供精确的反馈，测量精度是必不可少的，这使得腹腔内直接传感成为理想的选择。
然而，这种新方法不仅带来了表1中描述的设计和制造挑战，而且还要求更高的可重用性。商用MIRS系统采用模块化设计，可使腹腔镜器械重复使用约12至20次。在末端执行器附近添加传感元件必然会增加仪器的成本，需要在设计阶段进一步考虑，以提高传感器的可重用性。适当的电子元件、应变测量方法和电气连接必须能够承受额外的高压灭菌循环，并且能够经受高PH清洗。满足这些特殊设计要求必然会增加每个传感器的单一成本。然而，延长寿命和周期数会降低每个周期的成本，并为直接测量方法带来财务负担能力。
高精度亚微型负载传感元件的密封性对腹腔内直接测力同样具有挑战性。密封电子元件的传统方法是采用保形涂层，该涂层广泛用于潜水设备。由于该解决方案在低压水浸环境中为消费类电子产品提供保护，因此涂层保护不够密闭，不适用于高可靠性医疗、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边缘的，并提供20至30个热压罐循环。高压釜灭菌过程使用高压和高温饱和蒸汽提供了一个更严酷的物理化学环境。与氦泄漏检测技术类似，饱和蒸汽颗粒的大小比水颗粒小得多，随着时间的推移，可以穿透和降解涂层，导致设备以难以预测的方式失效。
实现密封性的另一种传统方法是将头部接口焊接到传感器上。同样，由于尺寸限制，焊接在微型传感器中面临障碍。总而言之，一种新颖而可靠的方法是采用定制配方、Ct匹配、化学中性、高温熔断隔离技术的单片传感器，用于将电导体穿过密封主动传感元件的墙壁。熔融隔离技术在数百到数千个高压灭菌器循环中显示出了可靠性。
其他设计考虑
如上所述，小型化、生物相容性、高压灭菌性和高重用性是外科环境施加给触觉传感器的一些独特特性。此外，设计师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，提供对离轴负载的最佳电阻，以确保最大的工作寿命和最大限度地减少读取误差。力和扭矩传感器设计用于沿笛卡尔坐标轴（通常为X、Y和Z）捕获力。从这三个正交轴，一到六个测量通道导出三个力通道（Fx、Fy和Fz）和三个扭矩或力矩通道（Mx、My和Mz）。理论上，沿其中一个轴施加的载荷不应在任何其他通道中产生测量值，但情况并非总是如此。对于大多数力传感器，这种不希望的交叉信道干扰将在1%到5%之间，并且考虑到一个信道可以捕获来自其他五个信道的外部负载，总串扰可能高达5%到25%。
在机器人手术中，传感器的设计必须能够消除多余的或交互的负载，这些负载包括末端执行器和套管针之间的摩擦、腹壁的反作用和质量沿仪器轴的重力作用。在某些情况下，小型化传感器的空间非常有限，必须使用电子或算法补偿等替代方法来补偿侧负载。
校准直列式力传感器也会施加限制。校准夹具通过SR按钮进行优化，以通过零件的传感器精确引导负载。如果校准组件未配备此类装置，则平行负载路径可能会影响最终校准。
热效应也是应变测量中的一个主要挑战。温度变化会引起材料膨胀、计量系数变化等对测量结果的不良影响。因此，温度补偿是至关重要的，以确保精度和长期稳定，即使暴露在严重的环境温度振荡。消除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、定制和自补偿应变片;(b)使用安装在两个负载方向(张力和压缩)的半或全惠斯通电桥电路配置，以纠正温度漂移;(c)完全内部零平衡和输出范围的温度补偿，而无需外部调节电路。
在某些特殊情况下，使用减少焊点连接的定制应变计有助于减少焊点的温度影响。通常，带有四个单独应变计的常规力传感器有16个以上的焊点，而定制应变元件可以将其减少到6个以下。这种设计考虑提高了可靠性，因为焊点作为故障的机会大大减少。
在设计阶段，还必须考虑这样的传感器，以满足高可靠性，以及高容量的可制造性，考虑到设备和工艺，将需要一个设备被指定用于大批量制造。自动化、高产量工艺可能与用于生产低产量的台式或原型设备略有或显著不同。可扩展性必须将重点放在减少制造过程中的故障点以及现场可能出现的故障点上。
医疗应用的测试更多地与测量设备的能力有关，该测量设备能够承受大量的循环，而不是抵抗剧烈的结构应力。特别是对医用传感器来说，过载和疲劳试验必须与灭菌试验同时进行，这是一个有几个周期的疲劳和灭菌试验的夹层过程。在保持密封性的同时经受数百次过载循环的能力转化为无故障、高可靠性的传感器，具有更低的MTBF和更有竞争力的总拥有成本。
产品开发的挑战
虽然理解触觉蒸压传感器固有的设计挑战是势在必行的，但传感器制造商必须配备有一个有才华的多学科工程团队，内部制造能力，充分开发的质量过程和产品/项目管理能力，以处理复杂的，资源有限，且快节奏的新产品开发环境。
一种多学科的方法将使传感器元件满足在非线性、迟滞、重复性和串扰方面的规范，以及电子仪器，提供模拟和数字输出，高采样率和带宽，高无噪声分辨率和低功耗，这两者对于可靠的交钥匙式触觉测量解决方案同样是必要的。
对所有制造过程(机加工、层压、布线、校准)的战略控制，允许制造商以可制造性(DFM)的思路设计传感器。这种制造的战略控制可以归结为有条不紊地选择材料清单，定义测试计划，遵守标准和协议，并最终基于经济约束制定制造阶段的战略。
福泰克先进传感器技术公司。
www.futek.com
了下:传感器提示，机器人技术•机器人抓手•末端执行器
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