中國研發(fā)出米粒大小傳感器，讓手術(shù)機器人能實時“觸摸”

這款傳感器利用光學(xué)傳感和AI驅(qū)動分析，能夠檢測軟組織下隱藏的類腫瘤結(jié)構(gòu)。

中國研究人員開發(fā)出一種米粒大小的光學(xué)傳感器，能夠為手術(shù)機器人和醫(yī)療工具賦予觸覺。該裝置利用光而非電子元件，測量各個方向上的力、壓力和扭轉(zhuǎn)。

傳感器尺寸僅為1.7毫米。研究人員稱，它能幫助機器人在精細手術(shù)中檢測到危險接觸并立即做出響應(yīng)。團隊還展示，該設(shè)備可識別軟材料下方的隱藏結(jié)構(gòu)，包括嵌入組織模型中的類腫瘤物體。

該研究來自上海交通大學(xué)的研究人員。

光取代電子元件

當前機器人手術(shù)系統(tǒng)主要依賴影像，但難以感知狹小手術(shù)空間中的物理交互，而現(xiàn)有力傳感器對許多微型工具來說仍然過大。

中國上海交通大學(xué)研究團隊負責人楊建龍表示：“盡管現(xiàn)代成像系統(tǒng)能夠清晰顯示組織結(jié)構(gòu)，卻無法提供力或扭矩等物理交互信息，而現(xiàn)有的力傳感器往往過于龐大或復(fù)雜，難以集成到微型工具中?！?/p>

“通過讓機器測量接觸力、壓力、剪切和扭轉(zhuǎn)，我們的技術(shù)可以使機器人在狹小且敏感的環(huán)境中及早發(fā)現(xiàn)不安全接觸，并實時調(diào)整動作。”

研究團隊圍繞一根光纖設(shè)計傳感器，頂端裝有軟彈性體。當尖端接觸物體時會產(chǎn)生輕微變形，這一微小運動改變了光在傳感器內(nèi)部的散射方式。

然后，一束相干光纖將光圖案傳輸至相機。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動方法分析捕捉到的圖像，計算出各個方向的力和扭矩。

研究人員表示，這種設(shè)置避免了傳統(tǒng)微型傳感器中復(fù)雜的布線問題。

楊建龍說：“我們的傳感器與傳統(tǒng)微型力傳感器工作原理不同，例如光纖布拉格光柵系統(tǒng)依賴多個傳感元件和精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)來分離不同的力分量?！?/p>

“我們不是在逐個測量力，而是在單一步驟中感知整體的接觸狀態(tài)。我們相信，這種轉(zhuǎn)變能讓人們更輕松地構(gòu)建既能‘看見’又能‘感知’的緊湊型工具?！?/p>

探測隱藏結(jié)構(gòu)

團隊在已知力和扭轉(zhuǎn)運動的受控加載條件下測試了該裝置。傳感器提供了可重復(fù)的測量結(jié)果，且遲滯低，意味著在加載和卸載循環(huán)中讀數(shù)保持一致。

研究人員還在明膠模型中測試了該裝置，模型中嵌有模仿隱藏在組織下的腫瘤的硬質(zhì)球體。傳感器成功檢測并定位了這些嵌入結(jié)構(gòu)。

團隊認為，該技術(shù)能夠改善微創(chuàng)手術(shù)中的觸覺引導(dǎo)。使用機器人系統(tǒng)的外科醫(yī)生常在狹窄通道中操作，意外接觸可能損傷脆弱的組織。

楊建龍表示：“用于微創(chuàng)手術(shù)的機器人系統(tǒng)在極其狹小的空間中運行，例如眼內(nèi)或狹窄的手術(shù)通道。通過使工具和機器人更安全、更精準，這一技術(shù)可以讓精細的醫(yī)療操作更加可控，降低意外損傷的風險?！?/p>

邁向?qū)嶋H應(yīng)用

研究人員現(xiàn)計劃提高制造一致性，并在商業(yè)化推廣前降低校準要求。他們還打算將傳感器集成到醫(yī)療和工業(yè)機器人系統(tǒng)中，在實際操作條件下進行長期測試。

團隊稱，后續(xù)工作將側(cè)重于將該技術(shù)封裝成緊湊系統(tǒng)，以便臨床醫(yī)生和工程師能夠在實際環(huán)境中輕松部署。

該研究發(fā)表于《Optica》期刊。

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