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、縮短患者住院時間等優(yōu)點(diǎn)在越來越多的傳統(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)動方面存在著固有的缺陷:(1)觀察:助手手抖產(chǎn)生的振動會造成腹腔鏡的不穩(wěn)定，容易給醫(yī)生造成視覺中斷或暈動癥，使醫(yī)生的手眼協(xié)調(diào)變得很笨拙，還會迷失方向感；(2)操作:由于手術(shù)器械繞插入點(diǎn)的樞軸轉(zhuǎn)動，從而限制了器械的自由度，妨礙了醫(yī)生手腕轉(zhuǎn)動和運(yùn)動的靈活性；(3)接觸:醫(yī)生不直接接近操作區(qū)域，失去直接接觸帶來的觸覺感知，同樣的，手術(shù)器械與患者組織之間的力覺信息也會受到限制或產(chǎn)生扭曲。這些都對醫(yī)生通過開展組織觸摸手術(shù)的方式來鑒別組織屬性和組織異變帶來了困難，組織屬性包括例如組織的剛度和彈性模量。
[0004]近年來，微型傳感技術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研宄為醫(yī)生提供了力覺和觸覺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，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其進(jìn)行精確定位，因?yàn)檫@兩項(xiàng)技術(shù)都是實(shí)時地對圖像進(jìn)行處理，對比度和分辨率很差，要對腫瘤進(jìn)行定位比較困難。由于視覺手段不易完成這項(xiàng)操作，而微創(chuàng)手術(shù)器械沒有力檢測功能，造成微創(chuàng)手術(shù)在鑒別組織屬性時沒有可靠依據(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、末端滾動裝置和檢測電路，
[0007]微型傳感器由三腳架彈性體、三對應(yīng)變計(jì)和套殼組成，末端滾動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針方向與相鄰的一根下豎梁的自由端通過一根橫梁連接，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側(cè)面上設(shè)置一對應(yīng)變計(jì)；
[0011]彈性體上連接段與器械軸過盈套接固定，彈性體下連接段與套筒過盈套接固定，球形滾子通過銷軸連接于套筒下端的內(nèi)側(cè)壁上；
[0012]檢測電路通過雙絞線連接應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的電壓信號輸出端連接檢測電路的電壓信號輸入端。
[0013]所述檢測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)的電壓信號輸出端連接惠斯通電橋的信號輸入端，惠斯通電橋的信號輸出端連接調(diào)理放大電路的信號輸入端，調(diào)理放大電路的信號輸出端連接三路模擬復(fù)用器的信號輸入端，三路模擬復(fù)用器的信號輸出端連接電壓跟隨器的信號輸入端，電壓跟隨器的信號輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的信號輸入端；
[0015]單片機(jī)的選通信號輸出端連接三路模擬復(fù)用器的選通信號輸入端，單片機(jī)的讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)信號輸出端連接單片機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸入端；單片機(jī)通過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)檢測帶來了方便。從觸摸診斷的任務(wù)需求來看，本發(fā)明具有三維力檢測功能，檢測范圍能夠達(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)明的檢測方式是電阻檢測，由應(yīng)變計(jì)的電阻變化反映出彈性體受力時的應(yīng)變。微型傳感器可檢測三維力，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，三組豎梁產(chǎn)生不同程度的彎曲；末端有軸向力作用時，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)過檢測電路的放大、濾波、采樣之后，電阻的變化將轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化。微型傳感器通過加載標(biāo)定之后，可以將外作用力成功檢測出來，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，測量范圍大。
【附圖說明】
[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是末端滾動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是檢測電路的原理框圖；
[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、末端滾動裝置3和檢測電路4，
[0027]微型傳感器2由三腳架彈性體2-1、三對應(yīng)變計(jì)2-2和套殼2_3組成，末端滾動裝置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的自由端沿逆時針方向與相鄰的一根下豎梁2-15的自由端通過一根橫梁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)；