本文作者为Feng Ju（鞠锋）、Xiaodong Luo（罗晓东）和Liping Ding（丁立平），均来自南京航空航天大学机电学院。该研究于2024年3月28日在线发表，并刊登在《IEEE Sensors Journal》第24卷第10期（2024年5月15日出版）。这是一项关于机器人辅助微创手术（Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery, RAMIS）中多功能手术钳的原创研究，属于医疗机器人及触觉传感交叉领域。
学术背景
与传统开放手术相比，机器人辅助微创手术具有切口小、出血少、恢复快等显著优势，已在神经外科、心血管外科、视网膜手术、骨科及肿瘤检测等领域得到广泛应用。然而，现有主流手术机器人（如达芬奇机器人）通常仅具备图像反馈功能，缺乏术中触觉感知能力。外科医生只能通过远程摄像头传输的图像来操控手术器械，无法通过触觉数据识别组织特性与组织病变，也无法及时反馈手术器械与组织之间的交互状态。在手术过程中，对器械施加不足或过大的力可能导致手术失败或器官损伤。因此，触觉感知能力是解决上述难点的关键之一。已有研究中的触觉传感器主要分为光学类和电学类，光学类如光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器虽灵敏度高，但仅适用于单点触觉检测；电学类中电容式和电阻式应用最为广泛，但现有方案或只能进行单点夹持力检测，或整体尺寸过大无法应用于微创手术。基于此，本文设计了一种集成触觉传感器阵列（tactile sensor array）的多功能机器人辅助手术钳，可同时用作触诊探针和夹持钳。
详细工作流程
本研究的工作流程主要包括传感器阵列设计与制造、力钳整体设计、有限元仿真、传感器性能测试、肿瘤检测模拟实验、夹持状态检测实验、生物组织实验等环节。
首先，在力钳整体设计方面，研究团队设计了一种多功能微创手术钳。该钳在闭合状态下整体直径小于12毫米，可通过小切口进入患者体内。钳的上、下夹持面各集成一个包含32个传感单元的触觉传感器阵列。该力钳具有三种工作状态：完全闭合状态，上下钳口夹持面完全贴合，整体尺寸最小，便于通过小切口进入人体；夹持状态，作为普通手术钳用于组织抓取和器械操作；完全打开状态，上下夹持面完全平行且重合，连杆部分被锁定以防止在肿瘤检测时发生扭转，从而增强机构的稳定性。这一设计使得同一器械既可作为夹持钳使用，也可在打开状态下作为阵列化触诊探针使用。
其次，在传感原理方面，传感器阵列基于电容式极距变化原理（capacitive sensing with pole pitch variation）。传感器的测量电容C与载荷F之间的关系可通过电容公式和材料变形公式推导得出。当介电层材料和极板相对面积不变时，测量电容与载荷的对应关系直接取决于介电层的初始厚度。因此，介电层初始厚度是影响电容测量范围和测量精度的重要因素。
第三，在传感器阵列设计方面，每个传感器阵列由4×8共32个传感单元组成，每个单元面积为1平方毫米。传感器阵列采用四层结构：底层为PCB基板，上面蚀刻有32个传感单元的小电极及相应的信号传输电路；第二层为介电层，采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）材料，因其具有优良的机械弹性及良好的粘附性；第三层为公共电极，使用20微米厚的纯铜材料，并直接连接到底层PCB的接地层以隔离外部电磁干扰；最上层为20微米厚的弹性聚乙烯保护层，以防止公共电极发生机械变形和腐蚀，同时具有良好的生物相容性。
第四，在传感器阵列制造方面，先在平面载玻片上涂覆脱模剂，将按10:1比例均匀混合的PDMS滴涂并均匀涂覆，然后在100°C真空干燥箱中固化1小时获得均匀厚度的PDMS层。随后利用PDMS与聚乙烯薄膜之间的粘附性，依次将聚乙烯薄膜、纯铜层和PDMS直接层压组装，最后切割成对应形状并与PCB整体装配。
第五，在信号传输与采集电路方面，由于钳体内集成32个传感单元，若采用传统方法需要布置32根引线，将严重影响钳的最小设计尺寸。为此，研究团队在PCB层背面设计了四个通道复用模块（channel multiplexing modules），每个模块内的八通道模拟多路复用器（CD4051BPWR, TI Inc.）相当于一组八个模拟开关，可同时管理同一行八个传感电极的选择。测量时，通过主MCU向复用器发送地址，采集四个公共端在不同地址下的电容值，即可获得32个传感单元的电容变化。信号采集框架中，电容模拟信号经通道复用模块后进入信号采样模块，主控制芯片为FDC2214，最大采样频率为10 kHz，转换后的数字信号通过I2C通信传输至主MCU，再通过UART或WiFi发送到主机PC进行信号处理与可视化。
第六，在有限元仿真方面，由于每个传感单元结构相同，仅对单个传感单元进行仿真。当载荷施加于传感单元时，PDMS层发生相应变形。仿真结果表明，载荷越大，PDMS应变越大，测得的电容值越小，与理论分析一致。在参数优化中，比较了10微米、20微米和50微米三种介电层厚度。10微米传感器灵敏度最高，但其在4 MPa载荷时内部应力突变，即达到弹性极限；20微米传感器的测量范围为0–6 MPa。综合考虑灵敏度与测量范围，选择20微米作为介电层厚度参数。
第七，在传感器性能测试实验中，搭建了评估测试平台，使用高精度应力计作为参考载荷，通过单轴驱动电机和0.5毫米直径绝缘尖端向传感器单元中心施加载荷。最大载荷设定为3 MPa，每次增加0.5 MPa，并用多项式拟合实验数据。为评估重复性，在传感器上重复施加2 MPa载荷，输出差异低于10e−3 pF，证明传感器具有良好的重复性。
第八，在肿瘤检测模拟实验中，制备了含不同形状硬块的模拟样品，模拟组织尺寸为50×50×20毫米，正常组织用硅胶模拟。将力钳完全展开后，利用滑台对模拟样品施加均匀载荷并保持一段时间后卸载。由于硅胶中硬块的存在，部分传感单元出现明显的电容信号突变。实验制备了含圆形和矩形硬块的两种样品，截取加载状态下的电容信号，获得电容成像图。结果表明，多功能力钳能够通过传感器阵列中各单元电容变化的差异判断硬块的位置和基本形状。
第九，在夹持模拟实验中，测试了缝合针位于力钳夹持面不同位置时的电容变化情况。由于夹持面为平面而缝合针为曲面，夹持时针仅与部分传感器阵列接触，因此只有接触区域的传感单元显示出显著的电容变化。
第十，在生物组织实验中，分为肿瘤检测实验和缝合手术实验。肿瘤检测实验中，将直径分别为10毫米和5毫米的黑色橡胶半球嵌入两块猪肝皮下2毫米和5毫米区域以模拟病变组织中的肿瘤。实验将力钳展开为平面检测状态，施加均匀载荷使传感器阵列表面与生物组织完全接触，将肿块附近区域分为A、B、C三部分分别检测，合并所有传感数据获得电容成像结果。为进一步提高触觉图像分辨率并排除异常数据干扰，对传感器阵列数据进行了归一化处理，并使用局部加权回归（locally weighted regression）拟合数据。结果表明，当肿瘤位于皮下浅层（2毫米）时，力钳能准确区分不同大小肿瘤的位置和尺寸；当肿瘤位于深层（5毫米）时，10毫米的较大病灶仍可被检测到，但5毫米的小病灶因硬度差异小无法被区分。缝合手术实验中，将微创手术中的缝合操作归纳为夹持、缝合和松弛三个阶段。由于传感器阵列与缝合针仅部分接触，仅少数传感单元的电容信号发生变化，故选择信号变化最大的传感单元进行分析。该单元电容信号在进入不同缝合阶段时发生突变，研究使用哈尔函数（Haar function）作为小波基函数对时域信号进行一维离散小波分析（1-D discrete wavelet analysis）。当小波系数超过设定阈值50时，判定缝合手术阶段进入下一阶段。通过分析小波系数，可确定术中缝合阶段，从而更精确地控制缝合操作。
主要结果
传感器性能测试表明，传感单元在0–3 MPa测量范围内具有0.1 MPa的测量精度，且重复性良好。有限元仿真验证了电容随载荷增大而减小的理论关系，并确定了20微米介电层厚度为最优参数。肿瘤检测模拟实验的电容成像图清晰显示了不同形状硬块的位置和基本形状。生物组织实验进一步验证了该力钳在真实组织环境下对浅层肿瘤的良好检测能力，以及深层大尺寸肿瘤的检测能力。缝合手术实验通过小波变换成功识别了夹持、缝合和松弛三个阶段的信号特征。这些结果表明，该多功能力钳在触觉感知功能上具有良好的可行性和实用性。
结论与意义
本文提出了一种集成触觉传感器阵列的多功能手术钳，通过三种不同功能状态（闭合状态、夹持状态和打开状态）分别实现进入体内、组织夹持和阵列触诊的功能。传感器阵列包含32个面积为1平方毫米的传感单元，测量精度为0.1 MPa。基础性能测试和生物组织实验验证了该器械在组织触诊和夹持状态检测中的实用性。该研究的科学价值在于将阵列化电容式触觉传感器集成到微创手术钳的狭小空间内，并通过通道复用技术解决了多引线带来的尺寸问题；应用价值在于为机器人辅助微创手术提供了一种兼具触诊和组织夹持功能的一体化器械方案，有望减少因缺乏触觉反馈导致的手术风险。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面：第一，通过单一器械实现触诊探针和夹持钳的双重功能，提高了微创手术器械的集成度和功能密度；第二，采用通道复用模块有效减少了32个传感单元的引线数量，解决了微创手术器械尺寸受限的问题；第三，通过生物组织实验和缝合操作阶段的小波分析，验证了该器械在真实手术场景中的潜在应用价值。
其他有价值的内容
作者在文中指出，未来工作将进一步改进传感器阵列以测量多方向触觉力，并实现触觉反馈功能，将感知到的触觉力分布显示给操作者的手部，以提升手术过程的性能。这一展望为该领域的后续研究提供了明确方向。