微创环境下用于触摸诊断的三维微型力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微创环境下用于触摸诊断的三维微型力传感器，属于微型力传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]微创是外科手术中一种重要的手术方法。微创手术因其创伤小、减轻患者手术疼痛、缩短患者住院时间等优点在越来越多的传统手术中获得了革命性的成功，包括胆囊切除术、前列腺切除术、阑尾切除术、子宫切除术、肾切除术、冠状动脉旁路移植术等。
[0003]然而，微创手术由于不能直接接近操作区域，使得在感知和运动方面存在着固有的缺陷:(1)观察:助手手抖产生的振动会造成腹腔镜的不稳定，容易给医生造成视觉中断或晕动症，使医生的手眼协调变得很笨拙，还会迷失方向感；(2)操作:由于手术器械绕插入点的枢轴转动，从而限制了器械的自由度，妨碍了医生手腕转动和运动的灵活性；(3)接触:医生不直接接近操作区域，失去直接接触带来的触觉感知，同样的，手术器械与患者组织之间的力觉信息也会受到限制或产生扭曲。这些都对医生通过开展组织触摸手术的方式来鉴别组织属性和组织异变带来了困难，组织属性包括例如组织的刚度和弹性模量。
[0004]近年来，微型传感技术和微创手术机器人的研宄为医生提供了力觉和触觉反馈以及更好的灵活性，并增强了医生执行手术的能力。为了更有效地执行手术，医生需要鉴别组织的属性并感知组织的变化。进行外科手术时，埋在组织表面下的肿瘤、神经、血管和器官等硬质结构不易被内窥镜或其它设备发现，只有通过接触才可以。磁共振图像和超声波图像不能发现直径小于Icm的小块肿瘤并不能对其进行精确定位，因为这两项技术都是实时地对图像进行处理，对比度和分辨率很差，要对肿瘤进行定位比较困难。由于视觉手段不易完成这项操作，而微创手术器械没有力检测功能，造成微创手术在鉴别组织属性时没有可靠依据。
【发明内容】
[0005]本发明目的是为了解决传统微创手术中，无法准确鉴别手术部位组织属性，影响手术的执行力的问题，提供了一种微创环境下用于触摸诊断的三维微型力传感器。
[0006]本发明所述微创环境下用于触摸诊断的三维微型力传感器，它包括器械轴、微型传感器、末端滚动装置和检测电路，
[0007]微型传感器由三脚架弹性体、三对应变计和套壳组成，末端滚动装置由套筒和球形滚子组成，
[0008]三脚架弹性体由弹性体上连接段、上支撑环、三根上竖梁、三根横梁、三根下竖梁、下支撑环和弹性体下连接段组成，
[0009]上支撑环同轴固定于弹性体上连接段外圆环的底端，下支撑环同轴固定于弹性体下连接段外圆环的顶端，三根上竖梁沿圆周方向均匀布置在支撑环下表面上，三根下竖梁沿圆周方向均匀布置在下支撑环上表面上，并且每根上竖梁位于相邻两根下竖梁中间，每一根上竖梁的自由端沿逆时针方向与相邻的一根下竖梁的自由端通过一根横梁连接，横梁的方位为水平，横梁呈六十度的圆弧状；套壳呈圆筒形，扣接在上支撑环与下支撑环之间，使三根上竖梁、三根横梁和三根下竖梁形成的三脚架处于其空腔内；
[0010]每根上竖梁沿圆周方向的两个侧面上设置一对应变计；
[0011]弹性体上连接段与器械轴过盈套接固定，弹性体下连接段与套筒过盈套接固定，球形滚子通过销轴连接于套筒下端的内侧壁上；
[0012]检测电路通过双绞线连接应变计，应变计的电压信号输出端连接检测电路的电压信号输入端。
[0013]所述检测电路包括惠斯通电桥、调理放大电路、三路模拟复用器、电压跟随器、模数转换芯片和单片机，
[0014]应变计的电压信号输出端连接惠斯通电桥的信号输入端，惠斯通电桥的信号输出端连接调理放大电路的信号输入端，调理放大电路的信号输出端连接三路模拟复用器的信号输入端，三路模拟复用器的信号输出端连接电压跟随器的信号输入端，电压跟随器的信号输出端连接模数转换芯片的信号输入端；
[0015]单片机的选通信号输出端连接三路模拟复用器的选通信号输入端，单片机的读取转换数据信号输出端连接模数转换芯片的转换数据信号输入端，模数转换芯片的数据信号输出端连接单片机的数据信号输入端；单片机通过RS232与上位机进行数据传输。
[0016]套壳由两片半圆筒扣接而成，套壳与下支撑环之间具有间隙。
[0017]本发明的优点:力觉作为一种感知手段可以容易地获得位置、尺寸等必要信息。本发明作为一种力感知手术器械，可以直接在患者体内测出患病组织的机械属性，为医生进行外科手术和病理学检测带来了方便。从触摸诊断的任务需求来看，本发明具有三维力检测功能，检测范围能够达到轴向3.0N和径向1.5N，精度轴向0.15N和径向0.015N，本发明的制作外径尺寸不大于10_，尺寸紧凑、防护性好，生物兼容性强，易于与手术器械拆装，适用于微创环境下的触摸诊断。
[0018]本发明的检测方式是电阻检测，由应变计的电阻变化反映出弹性体受力时的应变。微型传感器可检测三维力，三脚架弹性体上设计了 3组正交梁，每组正交梁由I根横梁和2根竖梁组成，每组梁之间的间隔为120度。竖梁弯曲刚度较小，横梁弯曲刚度较大。当微型传感器末端获取圆形滚子传递的径向力时，三组竖梁产生不同程度的弯曲；末端有轴向力作用时，三根横梁强迫竖梁发生相同程度的弯曲。粘贴在上竖梁上的应变计会将弯曲产生的应变转换为自身电阻的变化。应变计接入惠斯通电桥之后，经过检测电路的放大、滤波、采样之后，电阻的变化将转换为输出电压的变化。微型传感器通过加载标定之后，可以将外作用力成功检测出来，精度高，并且生物兼容性强，具有很好的临床前景。
[0019]本发明可与单自由度手术器械可靠集成，测量范围大。
【附图说明】
[0020]图1是本发明所述微创环境下用于触摸诊断的三维微型力传感器的整体结构示意图；
[0021]图2是微型传感器的结构示意图；
[0022]图3是三脚架弹性体的结构示意图；
[0023]图4是末端滚动装置的结构示意图；
[0024]图5是检测电路的原理框图；
[0025]图6是调理放大电路的电路图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述微创环境下用于触摸诊断的三维微型力传感器，它包括器械轴1、微型传感器2、末端滚动装置3和检测电路4，
[0027]微型传感器2由三脚架弹性体2-1、三对应变计2-2和套壳2_3组成，末端滚动装置3由套筒3-1和球形滚子3-2组成，
[0028]三脚架弹性体2-1由弹性体上连接段2-11、上支撑环2-12、三根上竖梁2-13、三根横梁2-14、三根下竖梁2-15、下支撑环2-16和弹性体下连接段2_17组成，
[0029]上支撑环2-12同轴固定于弹性体上连接段2-11外圆环的底端，下支撑环2_16同轴固定于弹性体下连接段2-17外圆环的顶端，三根上竖梁2-13沿圆周方向均匀布置在支撑环2-12下表面上，三根下竖梁2-15沿圆周方向均匀布置在下支撑环2-16上表面上，并且每根上竖梁2-13位于相邻两根下竖梁2-15中间，每一根上竖梁2-13的自由端沿逆时针方向与相邻的一根下竖梁2-15的自由端通过一根横梁2-14连接，横梁2-14的方位为水平，横梁2-14呈六十度的圆弧状；套壳2-3呈圆筒形，扣接在上支撑环2-12与下支撑环2-16之间，使三根上竖梁2-13、三根横梁2-14和三根下竖梁2_15形成的三脚架处于其空腔内；