CN114305729A - 一种用于介入导管的触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种用于介入导管的触觉传感器。该触觉传感器整体为杆状结构，杆状结构前端为半球形，杆状结构为介入导管1，介入导管1外表面沿着水平轴向经过半球形贴有两段聚酰胺薄膜PA3、铜箔4、镀银PVDF压电薄膜5；采用细长形状的铜箔4作为采集信号的电极贴在镀银PVDF压电薄膜5表面上，并在镀银PVDF压电薄膜5上下两侧电极焊接处引出信号线2；本发明提出的一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜作为压电敏感材料，灵敏性高、压电能力高、结构简单，可以应用在微创手术介入导管上。
Description
技术领域
本发明属于生物医学医疗电子领域，涉及一种用于介入导管的触觉传感器。
背景技术
微创手术(MIS)作为一种全新的手术方式已经被越来越多的医生和患者接受。与传统的手术方式相比，微创手术具有创伤小、出血少、疼痛轻、恢复快、风险小、并发症少、手术效果好、手术后感染风险小、缩短病人康复周期等诸多优点。然而，在微创手术中，医生无法像传统外科手术一样通过手直接获得直观的触觉信息。因此，在微创手术中医生由于缺少触觉信息而使得手术增加了风险，可能导致患者体内健康组织遭到医疗机械的破坏，甚至会造成严重的医疗事故。因此，触觉反馈信息的匮乏已经成为限制微创手术发展的技术壁垒，所以研制能够安装在介入导管上的触觉传感器，以获取导管与人体组织、血管的相互接触力，已经成为微创手术器械需要解决的关键技术。
目前国内外学者已经研究出多种类型的触觉传感器，但多数都是用在工业机器人上，目前能够用在微创手术介入导管上的商业触觉传感器较少。如专利号CN 110068413 A所设计的基于球面的电容式柔性触觉传感器结构较为复杂，且只用于工业机器人。本发明提出的一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜作为压电敏感材料，灵敏性高、压电能力高、结构简单，可以很好的应用在微创手术介入导管上。
发明内容
为了克服微创手术介入导管触觉传感器技术匮乏的缺陷，本发明提出一种用于介入导管的触觉传感器，用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器。
为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现：
一种用于介入导管的触觉传感器，该触觉传感器整体为杆状结构，杆状结构前端为半球形，杆状结构为介入导管1，介入导管1外表面沿着水平轴向经过半球形贴有两段聚酰胺薄膜PA3、铜箔4、镀银PVDF压电薄膜5；采用细长形状的铜箔4作为采集信号的电极贴在镀银PVDF压电薄膜5表面上，并在镀银PVDF压电薄膜5上下两侧电极焊接处引出信号线2；传感器表面采用聚酰胺PA薄膜3作为保护层，防止与外界直接接触；最后由内而外按照镀银PVDF压电薄膜5、铜箔4及聚酰胺PA薄膜3顺序粘合，沿着铜箔4大小对PA 薄膜3进行裁剪。
进一步，所述的PVDF压电薄膜5采用聚偏氟乙烯材料制成，是一种新型高分子压电材料。
进一步，所述的铜箔4加工成凸点环状型，铜箔4厚度控制在200um，相邻凸点间距控制在400um。
进一步，所述的PVDF压电薄膜5厚度控制在480um。
进一步，所述的聚酰胺薄膜PA3作为保护层，用于防止与外界直接接触。
进一步，还包括和信号线2连接的信号处理单元，包括依次串联的前置信号采集等效电路、有源低通滤波电路、电压幅值放大电路、电压幅值抬升电路；
所述前置信号采集等效电路中，运算放大器A的输入正负端依次并联电容Cq、电阻Rq、电容Cc、电容Ci、电阻Ri；运算放大器A的负端和输出端之间依次并联电容Cf、电阻Rf；
所述有源低通滤波电路中，其运算放大器的输入正端依次连接前置信号采集等效电路输出端、电阻R2、电容C1一端、电阻R3、电容C2一端；所述电容C1另一端、电容C2另一端均接地；运算放大器的输入负端连接电阻R1,运算放大器的负端和输出端之间并接Rf；
所述电压幅值放大电路中，其运算放大器的输入正端连接有源低通滤波电路输出端，运算放大器的输入负端连接电阻R1,运算放大器的负端和输出端之间并接调节滑动变阻器 R2；
所述电压幅值抬升电路中，其运算放大器输入正端分两路，一路连接电压幅值放大电路输出端、电阻R3；另一路依次连接5V电压、电阻R4、滑动变阻器R5；运算放大器输入负端连接电阻R2，运算放大器的负端和输出端之间并接电阻R1。
进一步，选用10nF的电容Cf、100ΩM的电阻Rf并联构成直流负反馈回路，电路运算的开环增益A约为104-106，电容Cq、Cc、Ci和电阻Rq、Ri并联连接，电荷q长时间集聚在反馈电容Cf上，前置信号采集电路可稳定输出电压信号，有效实现电荷--电压信号转换，便于后续电路对信号直接处理。
作为本发明的优选，所述触觉传感器整体为杆状结构，前端为半球形，当增大PVDF压电薄膜受力拉伸形变时，会增强d31工作模式，从而提高传感器灵敏度。
作为本发明的优选，选用厚度200um的铜箔，选择与物体接触的一面作为上表面层，在该层上加工成特殊凸点环状型，在铜箔另一面也加工成凸点环状型，用于仿生手指皮肤表层乳突纹线，从而增大传感器与接触物质表面最大静摩擦力。
作为本发明的优选，截取与介入导管大小相同且带有电极的48um压电薄膜，采用细长形状的铜箔作为采集信号的电极贴在镀银PVDF的两侧表面上，并在镀银PVDF薄膜上下两侧电极焊接处引出信号线。
作为本发明的优选，所述的传感器表面封装塑料选用聚酰胺PA材料，所述聚酰胺PA 薄膜作为保护层，用于防止与外界直接接触。
该触觉传感器以镀银PDVF压电薄膜为敏感单元，当镀银PVDF压电薄膜受到外力作用产生机械形变时，其内部产生极化现象，同时输出电荷信号的大小，薄膜上、下相对表面产生个数相等、极性相反的电荷，形成电位差，称为正压电效应。传感器可看成一个以压电薄膜为介质的电容器。当外力改变时，压电薄膜电荷极性方向和大小也将发生改变，外力消失后，压电薄膜极性电荷亦消失，称为逆压电效应。若外力稳定不变或外力不稳定，则无法输出极化电荷信号，由此可知本发明适用于检测动态信号。
压电薄膜主要有d31和d33两种作用模式，在d33中电荷极化方向与薄膜受力形变方向一致，在d31模式中，电荷极化方向同薄膜受力形变方向垂直。外力大小相同时，拉伸状态下 d31模式相比按压状态下d33模式，薄膜形变更大，因此能产生更多的极化电荷。
压电方程是对压电材料介电性、回弹性及压电性的综合阐述，反映运用压电材料过程中力学与电学之间的关系。第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。方程为
式中d为压电常数，dT为d的转置，s为弹性柔顺常数，ε为介电常数，而εT和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时的弹性柔顺系数。式中第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，对于机械应力或应变的变化响应快速，便于测量各种迅速变化的接触力引起的形变。
2、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，声阻抗系数很低，其声阻抗系数约等于水和肌肉的声阻抗系数，它与人体的贴合性很好。
3、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，具有相当宽的频率响应范围，可测的信号频率范围宽，并且在其范围内响应平坦。
4、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，膜介电常数高，可在强电场作用下工作。
5、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，装配布置简便，结构简单，需要相关的***电路不多且便于信号的采集处理。
6、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，对湿度、温度和化学物质高度稳定，器械强度高、失真小。
7、本发明涉及一种用于测量微创手术介入导管前端和侧壁接触力的触觉传感器，有优良的耐化学品性、耐溶剂性、抗紫外性、耐辐射性和耐候性，同时它具有最高的抗张强度和抗压缩强度以及最出色的加工性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中PVDF压电薄膜的正压电效应。
图3是铜箔层微结构示意图。
图4是压电薄膜的d31模式(a)和d33模式(b)。
图5是拱形基底受力产生的应变示意图。
图6是前置信号采集等效电路图。
图7是有源低通滤波电路图。
图8是电压幅值放大电路图。
图9是电压幅值抬升电路图。
图中，1、介入导管；2、导线；3、聚酰胺薄膜PA；4、铜箔；5、镀银PVDF压电薄膜；6、铜箔上凸点；7、铜箔下凸点；8、极化电荷数；9、触觉传感器等效电容；10、传感器等效电阻；11、导线等效电容；12、放大器输入电阻；13、放大器输入电容；14、反馈电容； 15、反馈电阻；16、电路开环增益；17、输出电压；18、输入电压。
具体实施方式
图1、图2中，PVDF压电薄膜5为聚偏氟乙烯的简称，属于高分子压电材料。根据PVDF压电薄膜5的特性，极化后的薄膜在承受一定方向上的压力发生形变后，其极化面会产生一定量的电荷，通过铜箔导线2及相关电路引出电荷并转换成电信号，检测电信号的改变就能测出此时压电薄膜相关面所承受压力形变的具体信息。
参见图1，选用厚度200um的铜箔4，选择与物体接触的一面作为上表面层，在该层上加工成特殊凸点环状型，在铜箔另一面也加工成凸点环状型；其次，截取与介入导管大小相同且带有电极的48um压电薄膜5；采用细长形状的铜箔作为采集信号的电极贴在镀银PVDF的两侧表面上，并在镀银PVDF薄膜上下两侧电极焊接处引出信号线；传感器表面采用聚酰胺PA薄膜3作为保护层，防止与外界直接接触；最后按照镀银PVDF压电薄膜5、铜箔4及PA薄膜3顺序粘合，沿着铜箔大小对PA薄膜进行裁剪。
压电聚合物是一种能够把机械能转变成电能或者反过来将电能转变成机械能的一种功能高分子材料。参见图2，当PVDF压电薄膜5受到外力作用产生机械形变时，其内部产生极化现象，Z轴极化方向(3方向)薄膜上、下相对表面产生个数相等、极化相反的电荷，形成电位差，其中X轴拉伸方向(1方向)、Y轴拉伸方向(2方向)分别垂直于Z轴极化方向，当外力改变，压电薄膜电荷极化方向和大小亦将改变，外力消失后，压电薄膜极化电荷也消失，因此压电过程是一个动态效应。
参见图5，将PVDF压电薄膜5附于拱形面基底上，在垂直方向外力作用下，压电薄膜表面会产生垂直于外力，即切向方向的应变，加大压电薄膜d31模式如图5所示。拱形面基底较平面形基底可生成更多极化电荷，增大输出信号及灵敏度。
人类通过分布在皮肤不同深度的多种机械刺激感知外界环境物质。基于仿生学，该触觉传感器整体设计为杆状结构，前端为半球形，如图1所示。增大PVDF压电薄膜受力拉伸形变，增强d31工作模式如图4(a)，提高传感器灵敏度。参见图3，铜箔4具有良好的回弹性和导电性能，选取厚度为200um的铜箔作为凸点层，上、下凸点材质为铜箔，上凸点的点间距为400um，仿生手指皮肤表层乳突纹线，增大传感器与接触物质表面最大近摩擦力，其方向垂直压电薄膜极化方向，提高传感器灵敏度；下凸点仿生皮肤内部中间脊结构，同时增大传感器的有效面积，同样外力下会产生更多极化电荷。参见图1，PVDF压电薄膜 5附在下凸点铜箔层4表面，各压电薄膜下凸点敏感单元仿生人体皮肤中的迈纳斯小体，迈纳斯小体可快速响应3-40Hz低频动态范围窄的外界刺激。
参见图1，触觉传感器使用PVDF压电薄膜5作为感应端，将触觉信息转变为电荷，通过信号调理电路，采集相互接触时产生的电压信号。当物体接触到PVDF压电薄膜5或在其表面滑动时，传感器检测到的触觉、滑觉及热觉信号都是微弱低频信号，且薄膜面积一定产生的极化电荷量有限，为避免噪声干扰、防止初始信号失真过大，结合基于PVDF压电薄膜的触觉传感器前端采集的电荷信号特征，所采集到的信号需要通过信号调理电路进行信号的滤波去噪、电压放大、幅值抬升等处理。
PVDF压电薄膜5受力后产生的电荷极其微弱，等效于一个电荷发生器，为方便信号采集，如图6所示，前置信号采集电路应用电荷放大器原理，将电荷信号转换为正比的电压信号，实现与压电薄膜的阻抗匹配，使薄膜输入的高阻抗转换为输出的低阻抗，增强电路带负载能力，防止反射电压、电流生成，减少频率特性抖动，便于后续电路对信号处理。参见图6，反馈电容Cf与反馈电阻Rf并联构成直流负反馈回路，电路中各电容可看成并联连接，忽略噪声等因素影响，电路输出电压U0为：
U0＝-jwAq/{[1/Rq+1/Ri+(1+A)Rf]+jw[Cq+Cc+Ci+(1+A)Cf]} (2)
由于电路运算的开环增益A约为104-106，实际中可忽略电容Cq、Cc、Ci和电阻Rq、Ri。因而输出电压U0与传感器受力形变近似呈线性关系，电荷q长时间集聚在反馈电容Cf上，为避免集成运算放大饱和，设置反馈电阻Rf泄放电荷，选用10nF的电容Cf、100ΩM的电阻Rf，前置信号采集电路可稳定输出电压信号，有效实现电荷--电压信号转换，便于后续电路对信号直接处理。
当传感器产生的电荷信号经放大电路高增益地放大后，原始电荷信号已经转换成有较好抗噪声能力也方便后续传输、采集及处理的电压信号。参见图7，电路采用有源低通滤波设计，应用电源供电，可补偿谐波、滤波性能较“无源”受负载影响小；低通滤波截止频率可设置在40-50Hz，使得传感器采集到的低频信号通过，减弱工频等噪声影响滤波阶数选用二阶，有效提高滤波精度。使电容C1＝C2＝C，则该低通滤波电路截止频率f为:
f＝1/2πRC (3)
选取电阻R为36KΩ、电容C为100nF，通过上式可知该低通滤波电路截止频率为44.21Hz，满足传感器采集的信号频率特征要求，有效减少噪声，提高路抗干扰能力。
触觉传感器还包括滤波去噪。选取电阻R为36KΩ、电容C为100nF，输入电压Ui18为上级信号采集电路输出信号，低通滤波截止频率可为44.21Hz，满足传感器采集的信号频率特征要求，有效减少噪声，提高路抗干扰能力。
触觉传感器还包括电压放大。电路采用同相电压幅值放大电路，调节滑动变阻器R2，可实时控制电压幅值的改变。
触觉传感器还包括幅值抬升。电路采用了信号电压幅值抬升设计，按照实际需要调节滑动变阻器R5，实现电压信号幅值进行相应抬升。
前置信号采集电路应用了电荷放大电路，由于初始信号中存在一定噪声，输出转换为电压信号时也对噪声进行了幅值，放大容易使有用信号淹没在噪声中，因而前置电路不宜对初始信号幅值过于放大，信号需通滤波电路处理后，再对信号进行幅值放大，有效避免信号失真；参见图8，电路采用同相电压幅值放大电路。在图8中，输出电压Ui为上级滤波电路输出信号，本级输出信号U0为下一级电路输入信号，调节滑动变阻器R2，可实时控制电压幅值的改变。
触觉传感器受力变形，输出的极化电荷信号呈现正、负分布，单片机数模转换仅能识别正值模拟电压信号，需对电压幅值进行抬升，以便后续数据处理；参见图9，电路采用了信号电压幅值抬升设计，按照实际需要调节滑动变阻器R5，实际电压信号幅值进行相应抬升。模拟信号经调理电路处理后，由后续单片机进行识别处理。
Claims (7)
1.一种用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，该触觉传感器整体为杆状结构，杆状结构前端为半球形，杆状结构为介入导管1，介入导管1外表面沿着水平轴向经过半球形贴有两段聚酰胺薄膜PA3、铜箔4、镀银PVDF压电薄膜5；采用细长形状的铜箔4作为采集信号的电极贴在镀银PVDF压电薄膜5表面上，并在镀银PVDF压电薄膜5上下两侧电极焊接处引出信号线2；传感器表面采用聚酰胺PA薄膜3作为保护层，防止与外界直接接触；最后由内而外按照镀银PVDF压电薄膜5、铜箔4及聚酰胺PA薄膜3顺序粘合，沿着铜箔4大小对PA薄膜3进行裁剪。
2.根据权利要求1所述的用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，所述的PVDF压电薄膜5采用聚偏氟乙烯材料制成，是一种新型高分子压电材料。
3.根据权利要求1所述的用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，所述的铜箔4加工成凸点环状型，铜箔4厚度控制在200um，相邻凸点间距控制在400um。
4.根据权利要求1所述的用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，所述的PVDF压电薄膜5厚度控制在480um。
5.根据权利要求1所述的用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，所述的聚酰胺薄膜PA3作为保护层，用于防止与外界直接接触。
6.根据权利要求1所述的用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，还包括和信号线2连接的信号处理单元，包括依次串联的前置信号采集等效电路、有源低通滤波电路、电压幅值放大电路、电压幅值抬升电路；
所述前置信号采集等效电路中，运算放大器A的输入正负端依次并联电容Cq、电阻Rq、电容Cc、电容Ci、电阻Ri；运算放大器A的负端和输出端之间依次并联电容Cf、电阻Rf；
所述有源低通滤波电路中，其运算放大器的输入正端依次连接前置信号采集等效电路输出端、电阻R2、电容C1一端、电阻R3、电容C2一端；所述电容C1另一端、电容C2另一端均接地；运算放大器的输入负端连接电阻R1,运算放大器的负端和输出端之间并接Rf；
所述电压幅值放大电路中，其运算放大器的输入正端连接有源低通滤波电路输出端，运算放大器的输入负端连接电阻R1,运算放大器的负端和输出端之间并接调节滑动变阻器R2；
所述电压幅值抬升电路中，其运算放大器输入正端分两路，一路连接电压幅值放大电路输出端、电阻R3；另一路依次连接5V电压、电阻R4、滑动变阻器R5；运算放大器输入负端连接电阻R2，运算放大器的负端和输出端之间并接电阻R1。
7.根据权利要求6所述的用于介入导管的触觉传感器，其特征在于，选用10nF的电容Cf、100ΩM的电阻Rf并联构成直流负反馈回路，电路运算的开环增益A约为104-106，电容Cq、Cc、Ci和电阻Rq、Ri并联连接，电荷q长时间集聚在反馈电容Cf上，前置信号采集电路可稳定输出电压信号，有效实现电荷--电压信号转换，便于后续电路对信号直接处理。
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