IEEE MEMS2025|内窥镜手术用管道触觉传感器

逍遥设计自动化

引言

) P, P0 ~& n, X! d3 @8 ?内窥镜手术已经成为现代医疗程序中的重要技术，但存在一个显著限制 - 外科医生主要依靠视觉信息进行操作，缺乏触觉反馈。一项创新的医疗技术研发正在通过专门设计的触觉传感器解决这个挑战[1]。
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图1：展示了通过内窥镜接近肿瘤的管道触觉传感器（左）和包含金属线柔性电缆的器件封装结构（右）。该图说明了传感器在内窥镜手术中的实际应用。
传感器设计

% e2 {; k4 l, e& @7 B这款传感器的核心创新在于其紧凑的设计，可以装入直径3.2毫米的内窥镜管道，同时能够测量接触压力和硬度。这种微型化设计让外科医生在内窥镜手术过程中能够"感知"组织特性。
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! W" J( Q8 u) e( ~- @5 F( l( L图2：管道触觉传感器的详细构造图，展示了单晶硅结构中的双层触头和力传感器，整体宽度仅为3000微米。

该传感器的设计包含多个精密配合的元件。两个触头由14至20微米宽的硅弹簧支撑，配备了压阻线路。这些通过离子注入形成的线路能够精确检测触头移动。虽然触头可以检测垂直和水平方向的移动，但当前实现主要关注垂直信号，用于测量内窥镜手术中的表面硬度。

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图3：目标硬度检测原理图，说明了具有不同突出量的多个触头如何协同工作来测量表面特性。
3 F: ^# Z9 I: z7 S; B1 s工作原理

/ x" ^) h7 V2 r4 o: M" `硬度检测的工作原理基于一个精密的数学模型。传感器使用两个不同突出高度（100微米和150微米）的触头来计算目标表面的表观弹性常数。这种双触头方法通过比较两个触头的相对响应实现更准确的测量。

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# \; @5 M' m% |/ d/ U+ C图4：制造完成的传感器芯片实物照片，展示了两个不同突出距离的触头和两侧力传感器在单个硅芯片上的集成。
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1 \9 M7 D( `" i/ R传感器的实际制造展现了卓越的工程精度。器件使用50微米厚的SOI有源层制造，每个触头都经过精心设计。框架两侧集成的力传感器可以补偿倾斜，显著提高了测量精度。

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" {1 {  j  A1 [5 S' v" I8 \% ?2 U图5：使用三种不同硬度样品进行触感和力的采集实验的装置图，展示了传感器通过点击运动的实际应用。

3 a1 i' v; p' I通过使用不同硬度的样品进行全面测试，验证了传感器的有效性。测试使用了三个不同的样品 - "Pump Up"（硬）、"Baby Hands"（中等）和"Perfect Skin"（软）。测试程序采用点击动作来模拟实际手术条件。

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图6：展示不同样品类型的力和触感测量同步采集的图表，证明了传感器区分不同硬度水平的能力。
实验结果
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, y- a8 I8 ?, N3 c实验结果显示了在区分不同表面硬度方面的出色准确性。传感器成功检测到样品之间的不同硬度水平，测量值与制造商指定的数值非常接近。双力传感器在补偿测量过程中的倾斜方面表现出特殊价值，提高了整体测量可靠性。
总结
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这项技术进步的意义超越了技术层面。对于进行内窥镜手术的外科医生来说，这款传感器能够恢复通过内窥镜操作时失去的触觉反馈。同时测量接触压力和表面硬度的能力提供了宝贵信息，有助于识别异常组织或确认手术器械的正确操作。

/ K+ s% x9 i( v, p- Q4 j/ ?* b  x该技术的未来发展将专注于进一步微型化和开发更适合临床使用的复杂封装结构。目前的结果表明传感器性能已经满足预期用途，随着封装结构的适当开发，临床试验可能是发展的下一步。
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这种创新传感器在内窥镜手术领域展现了重要进展，通过在手术过程中向外科医生提供关键的触觉信息，有助于改善手术效果。随着技术的成熟应用，外科医生将能够在复杂手术过程中同时获得视觉和触觉信息。
( b) W' v8 `; H4 ^6 [! J, _3 P参考文献
7 M1 C$ |4 r2 ^) W" A
[1] K. Yoshimoto, T. Matsui, K. Terao, H. Kobara and H. Takao, "The First Tool-Channel Tactile Sensor for Simultaneous Acquisition of Tactile and Force Sensations in Micro and Narrow Space Under Endoscopic Surgery," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 19-23 January 2025, pp. 1-3.
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