手術(shù)機(jī)器人夾持力檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

崔瀟以 徐波 張捷 孫麗萍 杜慧江*

（1 上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海，201318；2 中國(guó)醫(yī)藥教育協(xié)會(huì)，北京，100071；3 上海健康醫(yī)學(xué)院附屬周浦醫(yī)院，上海；201318）

0 引言

力反饋是指采用傳感器檢測(cè)壓力、振動(dòng)等力學(xué)數(shù)據(jù)，然后將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)反饋給控制機(jī)構(gòu)，以對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。力反饋的前提是能夠檢測(cè)到力的大小。目前，在醫(yī)療機(jī)器人手術(shù)過(guò)程中，醫(yī)生只能依靠視覺信息做出判斷,在缺少反饋的情況下操作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些偏差。例如，打結(jié)時(shí)拉力偏大導(dǎo)致人體組織損傷，或者縫合時(shí)拉力不夠?qū)е驴p合過(guò)松等問(wèn)題[1-4]。在手術(shù)機(jī)器人的器械前端如夾鉗上應(yīng)用力檢測(cè)技術(shù)，可以在手術(shù)中使醫(yī)生感覺到不同人體組織的不同特性，進(jìn)而可以辨別出人體組織種類，使醫(yī)生在做手術(shù)時(shí)感覺不是在操作機(jī)器，而是在用自己的雙手做手術(shù)[5]。因此，手術(shù)機(jī)器人力傳感器的研究有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

本文對(duì)全球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)（Web of Science）、愛思唯爾學(xué)術(shù)文獻(xiàn)平臺(tái)（Science Direct）等國(guó)外著名數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)手術(shù)機(jī)器人夾持力檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行檢索，闡述現(xiàn)有的6 種實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人夾持動(dòng)作檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)情況。

1 研究現(xiàn)狀

2017 年，中國(guó)澳門大學(xué)YANG 等開發(fā)了一個(gè)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯微操作的新型微機(jī)電系統(tǒng)微型夾鉗，如圖1 所示。該夾鉗的尺寸為5.5 mm×6.0 mm，其左右兩側(cè)分別具有驅(qū)動(dòng)夾鉗開合和進(jìn)行力檢測(cè)的能力。其中，左邊的驅(qū)動(dòng)部分選用靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器，連接4 個(gè)簧片驅(qū)動(dòng)左臂進(jìn)行抓取；右側(cè)集成了電容傳感器進(jìn)行力檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)夾鉗引起的傳感器位移導(dǎo)致的電容變化，計(jì)算得出壓力數(shù)值。得益于傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夾鉗通過(guò)一個(gè)傳感器就可以檢測(cè)到兩個(gè)相互垂直方向上的力的大小。該力傳感器的分辨率為0.58μN(yùn)，可以檢測(cè)的力范圍是0～98.27μN(yùn)。在兩個(gè)互相垂直的方向上，檢測(cè)靈敏度相差了6 倍，未來(lái)可針對(duì)這一特性進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到兩個(gè)方向的檢測(cè)靈敏度相對(duì)接近。在針對(duì)生物醫(yī)學(xué)樣本的抓取力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，該微型夾鉗夾持力檢測(cè)功能表現(xiàn)良好，后續(xù)有望應(yīng)用于顯微外科手術(shù)設(shè)備中[7]。

圖1 微型夾鉗夾持力傳感測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置

2018 年,韓國(guó)成均館大學(xué)KIM 等提出可用于微創(chuàng)手術(shù)的電容傳感式手術(shù)夾鉗，如圖2 所示。該手術(shù)夾鉗安裝在機(jī)械臂前端，整體尺寸長(zhǎng)×寬×高為20 mm×4.6 mm×1.5 mm，包含兩片鉗口。力傳感器由一個(gè)L 形狀的PCB 電路板和電容傳感單元組成，位于夾鉗下顎處貼近鉗口的近端區(qū)域。在夾鉗的鉗口和 PCB 電路板上的檢測(cè)單元之間有兩個(gè)長(zhǎng)度為0.1mm 的間隙。當(dāng)夾鉗的鉗口受力時(shí)，間隙的變化會(huì)引起電容值的改變，進(jìn)而可以進(jìn)行受到的力的大小檢測(cè)。夾鉗外殼由鋁合金制成，保護(hù)夾具不受電磁干擾，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電性。夾鉗前端10mm 區(qū)域內(nèi)帶有微型齒狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該夾鉗可檢測(cè)的力范圍是0.51～4.2 N，在X、Y、Z 軸3 個(gè)方向上的檢測(cè)分辨率分別是3.8 mN、1.8 mN、2.0 mN。該款?yuàn)A鉗未來(lái)有望應(yīng)用于機(jī)器人手術(shù)中，可以在機(jī)器人手術(shù)期間實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬空間的現(xiàn)實(shí)感和逼真感，更加安全快速地執(zhí)行手術(shù)任務(wù)[8]。

圖2 電容傳感式手術(shù)夾鉗

2018 年，東京醫(yī)科齒科大學(xué)TAKIZAWA 等設(shè)計(jì)了使用氣動(dòng)通道驅(qū)動(dòng)的軟質(zhì)夾鉗，如圖3 所示。該氣動(dòng)軟質(zhì)夾鉗整體由硅樹脂制成，其后部通過(guò)活塞連接一個(gè)充滿空氣的腔室，給由硅樹脂制成的腔室內(nèi)充氣，可以驅(qū)動(dòng)前方的軟質(zhì)夾鉗執(zhí)行夾持動(dòng)作。該軟質(zhì)夾鉗內(nèi)部裝有應(yīng)變計(jì)，可測(cè)量鉗口的位移。通過(guò)測(cè)量應(yīng)變計(jì)位移和腔室內(nèi)部壓力來(lái)估算夾持力的大小。利用內(nèi)置應(yīng)變器測(cè)量腔室的膨脹長(zhǎng)度，當(dāng)空氣流入管道時(shí)，氣缸內(nèi)的活塞受到來(lái)自軟致動(dòng)器的擠壓而膨脹,腔室中的活塞被擠壓，推動(dòng)夾鉗打開；當(dāng)通過(guò)管道抽氣時(shí)，活塞拉回，夾鉗閉合。夾鉗鉗子的開合角度可通過(guò)改變壓力來(lái)調(diào)整。該夾鉗的尺寸為34mm×9mm×9mm，夾持力檢測(cè)范圍為0.1～0.25N[9]。

圖3 使用氣動(dòng)通道驅(qū)動(dòng)的軟質(zhì)夾鉗

2018 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于凌濤等設(shè)計(jì)了一種前端含有彈性敏感元件的手術(shù)夾鉗，傳感器集成在夾鉗前端，可檢測(cè)3 個(gè)軸向力，如圖4 所示。該設(shè)計(jì)在不銹鋼制的夾鉗后方，固定了互相垂直的兩個(gè)E 形彈性敏感元件，即應(yīng)變力檢測(cè)傳感器，可以敏銳地檢測(cè)到由薄片制成的E形彈性敏感元件的變形程度。經(jīng)過(guò)解耦算法，將兩個(gè)垂直方向上的力計(jì)算得到三維軸向上的力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，該夾鉗抓握力的檢測(cè)范圍為0～2.5N，3 個(gè)軸向的力的檢測(cè)分辨率分別為11mN、1.1mN、66mN。該夾鉗外形尺寸為36.15mm×11.2mm×7mm，未來(lái)可優(yōu)化三維傳感力的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，嘗試在手術(shù)機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[10]。

圖4 前端含有彈性敏感元件的手術(shù)夾鉗

2019 年，合肥工業(yè)大學(xué)王正雨等設(shè)計(jì)出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算夾持力的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了可以對(duì)單個(gè)軸向的力進(jìn)行測(cè)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感器。使用該傳感器的手術(shù)夾鉗原理如圖5 所示。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力較高，能夠進(jìn)行并行計(jì)算，同時(shí)可以將任何函數(shù)擬合到任意的精度。該方法采用了粒子群優(yōu)化—反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Particle Swarm Optimization Back Propagation Neural Network，PSO-BPNN），它是一種有監(jiān)督的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可廣泛用于非線性和非凸函數(shù)的逼近。該夾鉗由線纜驅(qū)動(dòng)，不需要傳感器的參與就可以直接估測(cè)力值。根據(jù)電機(jī)和位移、速度變化和線纜張力的變化程度，使用儀器檢測(cè)鉗子的夾持力或碰撞力，獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷學(xué)習(xí)，通過(guò)每次最優(yōu)迭代的實(shí)驗(yàn)過(guò)程優(yōu)化模型，能夠較好地解決在訓(xùn)練學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生振蕩、慢收斂和局部極值的誤差問(wèn)題，良好地估測(cè)驅(qū)動(dòng)線纜的張力大小，從而得出夾鉗力的大小。通過(guò)4892 次的訓(xùn)練和544 次的測(cè)試可得出：夾鉗的夾緊力最小檢測(cè)幅度110 mN，平均誤差在-0.0722～0.2525N，有效力的檢測(cè)范圍在0-2N[11]。

圖5 手術(shù)夾鉗原理圖

2021 年，天津大學(xué)孫凱等設(shè)計(jì)了一種能夠測(cè)量夾持力的內(nèi)嵌光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的夾鉗，如圖6 所示。該傳感器位于夾鉗前端，長(zhǎng)度為20mm，寬度為6.25mm，厚度為5mm，采用八角形橋型剛性鏈接的結(jié)構(gòu)形成彎曲鉸鏈。該夾鉗由主軸、內(nèi)部鋼軸和遠(yuǎn)端傳感抓鉗裝置組成，夾持器整體直徑為12mm，長(zhǎng)度為210mm，可檢測(cè)力的范圍是0～10N。夾持器內(nèi)嵌的光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)傳感器對(duì)夾持力的檢測(cè)分辨率為17.8mN。當(dāng)夾鉗夾持組織時(shí)，內(nèi)嵌的光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)椴煌较蚝统潭鹊呐で鹚叫巫?，水平形變引起光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)軸形變，從而可以計(jì)算得到夾鉗的夾持力。在動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該手動(dòng)夾持器的平均誤差為0.1247N，標(biāo)準(zhǔn)差值為0.0883N。在進(jìn)行不同硬度的試驗(yàn)測(cè)試中，該傳感器對(duì)于不同硬度的材料，有良好的區(qū)分能力[12]。

圖6 內(nèi)嵌光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的夾鉗結(jié)構(gòu)

2 研究分析

本文闡述了6 種夾持力檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)情況，具體如表1 所示。

表1 6 種夾鉗力檢測(cè)技術(shù)情況

YANG 等提出的新型微機(jī)電系統(tǒng)微型夾鉗，含有一體式的夾鉗傳感器，其尺寸小、檢測(cè)分辨率高、力檢測(cè)范圍較小，側(cè)重于顯微生物學(xué)方向的應(yīng)用場(chǎng)景。

TAKIZAWA 等提出的軟質(zhì)夾鉗適用于一些如神經(jīng)修復(fù)術(shù)等特殊的手術(shù)場(chǎng)景，但是其在小范圍內(nèi)使用線性模型估算夾持力的精度和范圍都有限，需要后續(xù)提升性能。

KIM 等提出的電容傳感式手術(shù)夾鉗，通過(guò)電容式傳感器測(cè)量電極板間距離變化，將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電容變化，計(jì)算出力的大小。該方法成熟、精度高，可以解析三軸方向的力，分辨率也是6 種技術(shù)中最高的。但是，對(duì)于應(yīng)用于病人體內(nèi)時(shí)傳感器的封裝是否能保證靜電屏蔽和手術(shù)機(jī)器人本身的抗電磁干擾，以及器械消毒過(guò)程面臨的高溫或者化學(xué)腐蝕等問(wèn)題，如果能考慮周全并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，會(huì)有較好的應(yīng)用前景。

于凌濤等提出前端含有彈性敏感元件的手術(shù)夾鉗，將彈性敏感元件集成在夾鉗的前端，靈敏度高，可以檢測(cè)3 個(gè)軸向的力，但是兩個(gè)互相垂直的彈性敏感元件作為應(yīng)變梁，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠應(yīng)用于實(shí)際手術(shù)尚有待驗(yàn)證?；ハ啻怪鼻?guī)в虚_孔的應(yīng)變梁需要進(jìn)行封裝，否則容易在手術(shù)過(guò)程中被污染，可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

王正雨等提出的PSO-BPNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器，將驅(qū)動(dòng)線纜上的拉力數(shù)值經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)后，可以給出夾鉗夾持力的估計(jì)值，該方法可以很好地兼容廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)夾鉗，不需要安裝傳感器，也沒(méi)有屏蔽和電磁干擾等問(wèn)題。力估算的精度是其有待解決的主要問(wèn)題，需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并且訓(xùn)練環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境之間的差異會(huì)造成誤差增大。

孫凱等提出的內(nèi)嵌光纖布拉格光柵原理傳感器結(jié)構(gòu)的夾鉗，基于光信號(hào)的力傳感器，通過(guò)敏感光纖的相互作用，解算出力的大小，測(cè)量精度雖然較電容式傳感器低，但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)范圍廣，沒(méi)有電子元件，因此無(wú)需考慮絕緣、電磁干擾以及化學(xué)消毒過(guò)程的腐蝕性等問(wèn)題。筆者認(rèn)為其是最具有發(fā)展和應(yīng)用前景的醫(yī)療機(jī)器人夾鉗力檢測(cè)技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

在本文闡述的6 種力檢測(cè)技術(shù)中，有傳感器的直接檢測(cè)技術(shù)和無(wú)傳感器的間接檢測(cè)技術(shù)，各自有其優(yōu)勢(shì)和不足。隨著技術(shù)的發(fā)展，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法彌補(bǔ)光纖布拉格光柵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的檢測(cè)方法，可能將會(huì)得到大力發(fā)展。