近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微創中心研究員王磊團隊在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創手術的應用——活體組織觸診的研究中實現了活體組織的精準力信息反饋和腫塊信息的定位檢測功能。相關研究成果以Development of a Fiber Bragg Grating-based Force Sensor for Minimally Invasive Surgery ―Case Study of Ex-vivo Tissue Palpation為題，發表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。
隨著醫療技術的快速發展，微創手術（MIS）逐漸成為現實。但是，傳統手術中發現的一些問題仍與MIS有關。例如，在進行微創外科手術期間，醫護人員會暴露在手術室中發現的放射線和整形外科危害中。引入機器人輔助微創手術的技術成為了比傳統微創手術更好的替代方案；然而，機器人輔助手術過程中伴隨著外科醫生的觸覺喪失。外科醫生通過操作機器人來進行微創手術，手術期間醫生無法直接接觸人體組織并且分析人體器官，因此無法保證所進行的手術的可靠性。在傳統手術過程中，醫生通過觸覺去感知器官的異常情況，進而判斷器官中是否存在腫瘤和腫塊。但隨著醫療機器人的普及，這種可獲得的觸覺信息尚未有效集成到機器人輔助的微創手術中，因此要求機器需要具有更高精確度和靈敏度的觸覺信息反饋。深圳先進院科研人員在此基礎上提出一種用于微創手術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，光纖傳感器與手術期間的磁共振(MR)系統和成像系統兼容。
為此，研究設計了用于微創手術的一維遠端力傳感器。其中，傳感器結構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變和溫度交叉影響，實現更精準的力覺檢測。研究中，科研人員基于雙光柵元件結構設計出發，推導出相應的柔性結構理論模型。通過fmincon函數對柔性件進行了基于物理模型的優化設計，確定了結構的關鍵參數。采用有限元法對柔性件的靜態和動態特性進行分析，在理論基礎上驗證了該柔性件的可行性。為了進一步提高傳感器性能，并基于前饋神經網絡對數據進行標定，該網絡模型可精準預測力與波長偏移量的關系。研究還進行了溫度補償實驗，驗證了雙光柵元件能夠有效的進行溫度解耦方案。實驗結果表明，FBG傳感器能夠在1N范圍內感知力值，平均相對誤差小于滿量程的2%；溫度補償后的誤差0.8 mN。科研人員進一步對豬肝器官進行組織觸診實驗，驗證所提傳感器設計在微創手術中的有效性和適用性。
研究實現了組織觸診中器官腫塊信息的精準力反饋和定位檢測，并提出了新型的溫度解耦方案和傳感器標定方法，為微創手術中手術機器人的觸覺信息檢測提供了有效技術路線，有望推動手術機器人在介入式醫療中的手術路徑導航和機器控制中的應用。
研究工作得到國家自然科學基金、深圳市科技計劃等的資助。
圖1.FBG傳感器的三維圖
圖2.FBG傳感器用于組織觸診檢測實驗圖和數據1FBG傳感器用于組織觸診檢測實驗圖和數據
