近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團(tuán)隊在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用——活體組織觸診的研究中實現(xiàn)了活體組織的精準(zhǔn)力信息反饋和腫塊信息的定位檢測功能。相關(guān)研究成果以Development of a Fiber Bragg Grating-based Force Sensor for Minimally Invasive Surgery ―Case Study of Ex-vivo Tissue Palpation為題，發(fā)表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。

　　隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，微創(chuàng)手術(shù)（MIS）逐漸成為現(xiàn)實。但是，傳統(tǒng)手術(shù)中發(fā)現(xiàn)的一些問題仍與MIS有關(guān)。例如，在進(jìn)行微創(chuàng)外科手術(shù)期間，醫(yī)護(hù)人員會暴露在手術(shù)室中發(fā)現(xiàn)的放射線和整形外科危害中。引入機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)的技術(shù)成為了比傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)更好的替代方案；然而，機(jī)器人輔助手術(shù)過程中伴隨著外科醫(yī)生的觸覺喪失。

　　外科醫(yī)生通過操作機(jī)器人來進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)期間醫(yī)生無法直接接觸人體組織并且分析人體器官，因此無法保證所進(jìn)行的手術(shù)的可靠性。在傳統(tǒng)手術(shù)過程中，醫(yī)生通過觸覺去感知器官的異常情況，進(jìn)而判斷器官中是否存在腫瘤和腫塊。但隨著醫(yī)療機(jī)器人的普及，這種可獲得的觸覺信息尚未有效集成到機(jī)器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)中，因此要求機(jī)器需要具有更高精確度和靈敏度的觸覺信息反饋。深圳先進(jìn)院科研人員在此基礎(chǔ)上提出一種用于微創(chuàng)手術(shù)組織觸診中的高靈敏度布拉格光柵光纖（FBG）傳感方案，與以往的電容式傳感方案不同，光纖傳感器與手術(shù)期間的磁共振(MR)系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兼容。

　　為此，研究設(shè)計了用于微創(chuàng)手術(shù)的一維遠(yuǎn)端力傳感器。其中，傳感器結(jié)構(gòu)中嵌有雙光柵元件可用于解耦傳感器在使用過程中受到的應(yīng)變和溫度交叉影響，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的力覺檢測。研究中，科研人員基于雙光柵元件結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，推導(dǎo)出相應(yīng)的柔性結(jié)構(gòu)理論模型。通過fmincon函數(shù)對柔性件進(jìn)行了基于物理模型的優(yōu)化設(shè)計，確定了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。

　　采用有限元法對柔性件的靜態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行分析，在理論基礎(chǔ)上驗證了該柔性件的可行性。為了進(jìn)一步提高傳感器性能，并基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，該網(wǎng)絡(luò)模型可精準(zhǔn)預(yù)測力與波長偏移量的關(guān)系。研究還進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實驗，驗證了雙光柵元件能夠有效的進(jìn)行溫度解耦方案。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)BG傳感器能夠在1N范圍內(nèi)感知力值，平均相對誤差小于滿量程的2%；溫度補(bǔ)償后的誤差0.8 mN?？蒲腥藛T進(jìn)一步對豬肝器官進(jìn)行組織觸診實驗，驗證所提傳感器設(shè)計在微創(chuàng)手術(shù)中的有效性和適用性。

　　研究實現(xiàn)了組織觸診中器官腫塊信息的精準(zhǔn)力反饋和定位檢測，并提出了新型的溫度解耦方案和傳感器標(biāo)定方法，為微創(chuàng)手術(shù)中手術(shù)機(jī)器人的觸覺信息檢測提供了有效技術(shù)路線，有望推動手術(shù)機(jī)器人在介入式醫(yī)療中的手術(shù)路徑導(dǎo)航和機(jī)器控制中的應(yīng)用。

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃等的資助。