微創(chuàng)環(huán)境下用于觸摸診斷的三維微型力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微創(chuàng)環(huán)境下用于觸摸診斷的三維微型力傳感器，屬于微型力傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)是外科手術(shù)中一種重要的手術(shù)方法。微創(chuàng)手術(shù)因其創(chuàng)傷小、減輕患者手術(shù)疼痛、縮短患者住院時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)在越來(lái)越多的傳統(tǒng)手術(shù)中獲得了革命性的成功，包括膽囊切除術(shù)、前列腺切除術(shù)、闌尾切除術(shù)、子宮切除術(shù)、腎切除術(shù)、冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)等。
[0003]然而，微創(chuàng)手術(shù)由于不能直接接近操作區(qū)域，使得在感知和運(yùn)動(dòng)方面存在著固有的缺陷:(1)觀察:助手手抖產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成腹腔鏡的不穩(wěn)定，容易給醫(yī)生造成視覺(jué)中斷或暈動(dòng)癥，使醫(yī)生的手眼協(xié)調(diào)變得很笨拙，還會(huì)迷失方向感；(2)操作:由于手術(shù)器械繞插入點(diǎn)的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而限制了器械的自由度，妨礙了醫(yī)生手腕轉(zhuǎn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的靈活性；(3)接觸:醫(yī)生不直接接近操作區(qū)域，失去直接接觸帶來(lái)的觸覺(jué)感知，同樣的，手術(shù)器械與患者組織之間的力覺(jué)信息也會(huì)受到限制或產(chǎn)生扭曲。這些都對(duì)醫(yī)生通過(guò)開(kāi)展組織觸摸手術(shù)的方式來(lái)鑒別組織屬性和組織異變帶來(lái)了困難，組織屬性包括例如組織的剛度和彈性模量。
[0004]近年來(lái)，微型傳感技術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研宄為醫(yī)生提供了力覺(jué)和觸覺(jué)反饋以及更好的靈活性，并增強(qiáng)了醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)的能力。為了更有效地執(zhí)行手術(shù)，醫(yī)生需要鑒別組織的屬性并感知組織的變化。進(jìn)行外科手術(shù)時(shí)，埋在組織表面下的腫瘤、神經(jīng)、血管和器官等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)不易被內(nèi)窺鏡或其它設(shè)備發(fā)現(xiàn)，只有通過(guò)接觸才可以。磁共振圖像和超聲波圖像不能發(fā)現(xiàn)直徑小于Icm的小塊腫瘤并不能對(duì)其進(jìn)行精確定位，因?yàn)檫@兩項(xiàng)技術(shù)都是實(shí)時(shí)地對(duì)圖像進(jìn)行處理，對(duì)比度和分辨率很差，要對(duì)腫瘤進(jìn)行定位比較困難。由于視覺(jué)手段不易完成這項(xiàng)操作，而微創(chuàng)手術(shù)器械沒(méi)有力檢測(cè)功能，造成微創(chuàng)手術(shù)在鑒別組織屬性時(shí)沒(méi)有可靠依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是為了解決傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中，無(wú)法準(zhǔn)確鑒別手術(shù)部位組織屬性，影響手術(shù)的執(zhí)行力的問(wèn)題，提供了一種微創(chuàng)環(huán)境下用于觸摸診斷的三維微型力傳感器。
[0006]本發(fā)明所述微創(chuàng)環(huán)境下用于觸摸診斷的三維微型力傳感器，它包括器械軸、微型傳感器、末端滾動(dòng)裝置和檢測(cè)電路，
[0007]微型傳感器由三腳架彈性體、三對(duì)應(yīng)變計(jì)和套殼組成，末端滾動(dòng)裝置由套筒和球形滾子組成，
[0008]三腳架彈性體由彈性體上連接段、上支撐環(huán)、三根上豎梁、三根橫梁、三根下豎梁、下支撐環(huán)和彈性體下連接段組成，
[0009]上支撐環(huán)同軸固定于彈性體上連接段外圓環(huán)的底端，下支撐環(huán)同軸固定于彈性體下連接段外圓環(huán)的頂端，三根上豎梁沿圓周方向均勻布置在支撐環(huán)下表面上，三根下豎梁沿圓周方向均勻布置在下支撐環(huán)上表面上，并且每根上豎梁位于相鄰兩根下豎梁中間，每一根上豎梁的自由端沿逆時(shí)針?lè)较蚺c相鄰的一根下豎梁的自由端通過(guò)一根橫梁連接，橫梁的方位為水平，橫梁呈六十度的圓弧狀；套殼呈圓筒形，扣接在上支撐環(huán)與下支撐環(huán)之間，使三根上豎梁、三根橫梁和三根下豎梁形成的三腳架處于其空腔內(nèi)；
[0010]每根上豎梁沿圓周方向的兩個(gè)側(cè)面上設(shè)置一對(duì)應(yīng)變計(jì)；
[0011]彈性體上連接段與器械軸過(guò)盈套接固定，彈性體下連接段與套筒過(guò)盈套接固定，球形滾子通過(guò)銷軸連接于套筒下端的內(nèi)側(cè)壁上；
[0012]檢測(cè)電路通過(guò)雙絞線連接應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的電壓信號(hào)輸出端連接檢測(cè)電路的電壓信號(hào)輸入端。
[0013]所述檢測(cè)電路包括惠斯通電橋、調(diào)理放大電路、三路模擬復(fù)用器、電壓跟隨器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)，
[0014]應(yīng)變計(jì)的電壓信號(hào)輸出端連接惠斯通電橋的信號(hào)輸入端，惠斯通電橋的信號(hào)輸出端連接調(diào)理放大電路的信號(hào)輸入端，調(diào)理放大電路的信號(hào)輸出端連接三路模擬復(fù)用器的信號(hào)輸入端，三路模擬復(fù)用器的信號(hào)輸出端連接電壓跟隨器的信號(hào)輸入端，電壓跟隨器的信號(hào)輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的信號(hào)輸入端；
[0015]單片機(jī)的選通信號(hào)輸出端連接三路模擬復(fù)用器的選通信號(hào)輸入端，單片機(jī)的讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連接單片機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端；單片機(jī)通過(guò)RS232與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0016]套殼由兩片半圓筒扣接而成，套殼與下支撐環(huán)之間具有間隙。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):力覺(jué)作為一種感知手段可以容易地獲得位置、尺寸等必要信息。本發(fā)明作為一種力感知手術(shù)器械，可以直接在患者體內(nèi)測(cè)出患病組織的機(jī)械屬性，為醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)和病理學(xué)檢測(cè)帶來(lái)了方便。從觸摸診斷的任務(wù)需求來(lái)看，本發(fā)明具有三維力檢測(cè)功能，檢測(cè)范圍能夠達(dá)到軸向3.0N和徑向1.5N，精度軸向0.15N和徑向0.015N，本發(fā)明的制作外徑尺寸不大于10_，尺寸緊湊、防護(hù)性好，生物兼容性強(qiáng)，易于與手術(shù)器械拆裝，適用于微創(chuàng)環(huán)境下的觸摸診斷。
[0018]本發(fā)明的檢測(cè)方式是電阻檢測(cè)，由應(yīng)變計(jì)的電阻變化反映出彈性體受力時(shí)的應(yīng)變。微型傳感器可檢測(cè)三維力，三腳架彈性體上設(shè)計(jì)了 3組正交梁，每組正交梁由I根橫梁和2根豎梁組成，每組梁之間的間隔為120度。豎梁彎曲剛度較小，橫梁彎曲剛度較大。當(dāng)微型傳感器末端獲取圓形滾子傳遞的徑向力時(shí)，三組豎梁產(chǎn)生不同程度的彎曲；末端有軸向力作用時(shí)，三根橫梁強(qiáng)迫豎梁發(fā)生相同程度的彎曲。粘貼在上豎梁上的應(yīng)變計(jì)會(huì)將彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為自身電阻的變化。應(yīng)變計(jì)接入惠斯通電橋之后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路的放大、濾波、采樣之后，電阻的變化將轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化。微型傳感器通過(guò)加載標(biāo)定之后，可以將外作用力成功檢測(cè)出來(lái)，精度高，并且生物兼容性強(qiáng)，具有很好的臨床前景。
[0019]本發(fā)明可與單自由度手術(shù)器械可靠集成，測(cè)量范圍大。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明所述微創(chuàng)環(huán)境下用于觸摸診斷的三維微型力傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是微型傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是三腳架彈性體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是末端滾動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是檢測(cè)電路的原理框圖；
[0025]圖6是調(diào)理放大電路的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1至圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述微創(chuàng)環(huán)境下用于觸摸診斷的三維微型力傳感器，它包括器械軸1、微型傳感器2、末端滾動(dòng)裝置3和檢測(cè)電路4，
[0027]微型傳感器2由三腳架彈性體2-1、三對(duì)應(yīng)變計(jì)2-2和套殼2_3組成，末端滾動(dòng)裝置3由套筒3-1和球形滾子3-2組成，
[0028]三腳架彈性體2-1由彈性體上連接段2-11、上支撐環(huán)2-12、三根上豎梁2-13、三根橫梁2-14、三根下豎梁2-15、下支撐環(huán)2-16和彈性體下連接段2_17組成，
[0029]上支撐環(huán)2-12同軸固定于彈性體上連接段2-11外圓環(huán)的底端，下支撐環(huán)2_16同軸固定于彈性體下連接段2-17外圓環(huán)的頂端，三根上豎梁2-13沿圓周方向均勻布置在支撐環(huán)2-12下表面上，三根下豎梁2-15沿圓周方向均勻布置在下支撐環(huán)2-16上表面上，并且每根上豎梁2-13位于相鄰兩根下豎梁2-15中間，每一根上豎梁2-13的自由端沿逆時(shí)針?lè)较蚺c相鄰的一根下豎梁2-15的自由端通過(guò)一根橫梁2-14連接，橫梁2-14的方位為水平，橫梁2-14呈六十度的圓弧狀；套殼2-3呈圓筒形，扣接在上支撐環(huán)2-12與下支撐環(huán)2-16之間，使三根上豎梁2-13、三根橫梁2-14和三根下豎梁2_15形成的三腳架處于其空腔內(nèi)；