眾所周(zhou)知，力(li)量(liang)反(fan)饋(kui)(kui)有助(zhu)于(yu)(yu)外科醫生使用適當的(de)(de)(de)力(li)度來避免組織(zhi)損(sun)傷，而組織(zhi)損(sun)傷通(tong)常是由于(yu)(yu)觸(chu)覺(jue)(jue)反(fan)饋(kui)(kui)的(de)(de)(de)喪失(shi)和(he)無意的(de)(de)(de)過大器(qi)(qi)(qi)械力(li)的(de)(de)(de)副產物(wu)[5]。例如(ru)，達芬奇手(shou)術(shu)系統(Intuitive Surgical Inc.,Sunnyvale, CA)是迄(qi)今為止第一個手(shou)術(shu)機器(qi)(qi)(qi)人，也是商業(ye)上最成功的(de)(de)(de)手(shou)術(shu)機器(qi)(qi)(qi)人之一，但它不提(ti)供(gong)力(li)或觸(chu)覺(jue)(jue)反(fan)饋(kui)(kui)。據報(bao)道(dao)，在達芬奇機器(qi)(qi)(qi)人操作的(de)(de)(de)手(shou)術(shu)中，抓握力(li)將通(tong)過力(li)反(fan)饋(kui)(kui)顯著降(jiang)低(di)[2]。利用傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)測量(liang)觸(chu)覺(jue)(jue)信號可以(yi)通(tong)過增加(jia)外科醫生的(de)(de)(de)處(chu)境意識(shi)來提(ti)高手(shou)術(shu)效(xiao)率[2]，特(te)別(bie)是對于(yu)(yu)高風險的(de)(de)(de)手(shou)術(shu)來說，如(ru)心(xin)臟(zang)和(he)大腦手(shou)術(shu)[6]。這種觸(chu)覺(jue)(jue)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)應(ying)(ying)滿足(zu)特(te)定的(de)(de)(de)物(wu)理(li)和(he)功能要求。比如(ru)，像手(shou)術(shu)鉗和(he)鑷子(zi)這樣的(de)(de)(de)手(shou)術(shu)器(qi)(qi)(qi)械都有很小的(de)(de)(de)下(xia)頜。因此(ci)，傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)應(ying)(ying)小型(xing)化，以(yi)適合理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)位置。此(ci)外，傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)應(ying)(ying)能在靜(jing)態(tai)和(he)動態(tai)條件下(xia)工作，特(te)別(bie)是運(yun)動器(qi)(qi)(qi)官，如(ru)心(xin)臟(zang)[7]。

同(tong)樣，外(wai)(wai)科醫生(sheng)可(ke)能(neng)需要通過(guo)持(chi)續施加靜(jing)態力來維(wei)持(chi)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。這個(ge)靜(jing)態力在(zai)維(wei)持(chi)期間必(bi)須(xu)是(shi)恒(heng)定的(de)。同(tong)時，為了避免組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)撕裂，力不能(neng)超過(guo)一個(ge)特定的(de)范圍(wei)。然而，由于組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)粘彈性，工具-組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)相互作用力可(ke)能(neng)會(hui)隨著(zhu)時間的(de)推移(yi)而減小(xiao)(也稱為應力松弛現象(xiang))，導致組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)滑移(yi)[8]。另一個(ge)例子是(shi)在(zai)磁共振成像(MRI)下進行手(shou)(shou)術(shu)，這種(zhong)外(wai)(wai)科手(shou)(shou)術(shu)要求傳感器具有(you)磁共振兼容性。此外(wai)(wai)，在(zai)一些手(shou)(shou)術(shu)，如心血管(guan)微創手(shou)(shou)術(shu)中，傳感器必(bi)須(xu)是(shi)電被動的(de)，避免干擾的(de)心臟(zang)的(de)電活(huo)動[6]。

應(ying)用(yong)于(yu)MIS的(de)觸覺(jue)傳(chuan)感器(qi)主要是基(ji)于(yu)電學或光學原理開發的(de)。圖1顯示了基(ji)于(yu)傳(chuan)感原理的(de)MIS觸覺(jue)傳(chuan)感器(qi)的(de)種類。

圖(tu)1 觸覺傳(chuan)感器分類

基(ji)于電(dian)(dian)子的(de)(de)觸覺(jue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)是目(mu)前最(zui)常(chang)用(yong)的(de)(de)MIS傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)方式(shi)(shi)[6]。電(dian)(dian)子傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)可以進(jin)一步(bu)分類為壓電(dian)(dian)式(shi)(shi)、壓阻式(shi)(shi)和(he)(he)電(dian)(dian)容式(shi)(shi)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)。雖(sui)然電(dian)(dian)子傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)滿足了上面(mian)提到的(de)(de)大多數要求，但它既不與MRI兼容，也不是無源的(de)(de)。此(ci)外，壓電(dian)(dian)式(shi)(shi)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)不能測量靜態力。高(gao)滯后和(he)(he)缺(que)乏可重復性(xing)是這(zhe)類傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)另一個缺(que)點。另一方面(mian)，基(ji)于光(guang)纖(xian)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)具有生物相容性(xing)、輕便性(xing)和(he)(he)耐腐蝕性(xing)。而且(qie)光(guang)學(xue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)是無源的(de)(de)，可在MRI環境下工作[9]。這(zhe)導致光(guang)學(xue)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)最(zui)近廣泛應用(yong)于MIS和(he)(he)RMIS[6]。

光(guang)學傳感器(qi)的(de)(de)工作主要基(ji)于(yu)三個(ge)原理(li):光(guang)強(qiang)度(du)調(diao)制(zhi)(zhi)(LIM)，相(xiang)位調(diao)制(zhi)(zhi)(PM) 和(he)波(bo)長調(diao)制(zhi)(zhi)(WM)[6]。相(xiang)比之下，基(ji)于(yu)LIM的(de)(de)傳感器(qi)具有價格低廉、對(dui)熱不敏感、設計簡(jian)單(dan)、易于(yu)實現等獨特優(you)點，而基(ji)于(yu)PM和(he)基(ji)于(yu)WM的(de)(de)傳感器(qi)則(ze)需要一(yi)個(ge)相(xiang)對(dui)昂貴的(de)(de)測量(liang)系統來計算(suan)力和(he)位移等物理(li)參數。基(ji)于(yu)LIM的(de)(de)傳感器(qi)的(de)(de)缺點是(shi)，小型(xing)化仍然是(shi)限(xian)制(zhi)(zhi)其可擴展性(xing)的(de)(de)關鍵問題。這一(yi)限(xian)制(zhi)(zhi)在很大程度(du)上影響了分辨(bian)率(lv)和(he)測量(liang)范圍[10]，[11]。

在MIS應(ying)用中(zhong)(zhong)，觸覺傳感(gan)(gan)器的(de)(de)設計要(yao)求(又稱約(yue)束(shu)(shu)條件)與(yu)傳感(gan)(gan)器的(de)(de)物(wu)理(li)和功(gong)(gong)能特性(xing)有(you)關。物(wu)理(li)特性(xing)主要(yao)取(qu)決于傳感(gan)(gan)器的(de)(de)形(xing)(xing)狀和大小(xiao)，而(er)功(gong)(gong)能約(yue)束(shu)(shu)則(ze)與(yu)傳感(gan)(gan)器在生物(wu)環(huan)境中(zhong)(zhong)的(de)(de)兼容(rong)性(xing)、相(xiang)互(hu)作用和性(xing)能有(you)關。作為物(wu)理(li)約(yue)束(shu)(shu)的(de)(de)一個(ge)例子，MIS觸覺傳感(gan)(gan)器應(ying)該是小(xiao)尺寸和圓柱(zhu)形(xing)(xing)的(de)(de)，可(ke)在導管的(de)(de)管身或尖端集成。作為功(gong)(gong)能要(yao)求，傳感(gan)(gan)器應(ying)該能夠(gou)測量0-5N范圍內的(de)(de)接(jie)觸力，分辨率為0.01N [12]。此外，傳感(gan)(gan)器應(ying)相(xiang)當(dang)敏感(gan)(gan)、線性(xing)、低滯后。