前言

肺癌已成为全球数百万人健康的主要威胁。目前，支气管内介入是进行早期癌症诊断或治疗的优选选择。作为一种非侵入性光学技术，基于探针的共聚焦激光显微内镜(pCLE)进一步允许以亚细胞分辨率对生物组织进行实时体内组织学成像。在许多临床研究中，它已被应用于癌症的监测和诊断。将这种柔性光学探针插入支气管镜的仪器腔，可以对早期癌症分期进行大面积组织扫描。机器人辅助微创介入已经成为维持生活质量最重要的方法之一。由于共焦显微内镜只能看到由共焦深度决定的一薄层组织(通常距离探针小于100 ),因此探针和组织之间的轻微接触是保持扫描区域聚焦所必需的。目前，操作者需要手动控制远侧尖端并保持与组织的期望接触，这在临床环境中很难保持，尤其是在存在生理运动的情况下。迄今为止，还没有微型多轴力/扭矩传感器可用于感测成像探头的尖端接触。

研究内容

为了克服这一限制，上海交通大学的科学家提出了一种新的力/扭矩传感器，配有连续机械手和成像探头，用于一般临床应用。力觉在生物医学环境的高质量诊断中起着重要作用。开发了一种使用光强度的力传感器来感测三维力，分辨率为0.01牛顿。为了实现具有微型连续操作器的体内接触传感辅助共焦激光显微内镜，研究人员在此提出了一种力/扭矩传感器，该传感器使用锥形基底，成像探针容纳在中心内腔中，三根螺旋光纤配置在圆周表面上。该传感器已经成功地与连续操作器集成，以在组织扫描期间实现实时力和扭矩感测。

实验方法

具有总共六个FBG传感器的三根光纤螺旋排列并均匀分布在锥形基底的圆周表面上。在每根光纤上刻有两个不同波长的FBG传感器，从而检测到两个不同的波长变化，以指示FBG传感器这些位置的应变变化。来自不同光纤的三个FBG传感器位于s2处定义的C–C截面处，另外三个FBG传感器位于s3处定义的D-D截面处。为了在尖端实现所需的力和扭矩感测，至少需要六个传感器来获得六个测量值。关于侧向力和弯矩感测，FBG传感器可以配置在不同的位置，然后由尖端力产生的力矩差可以用于解耦。考虑到轴向力和扭转感测，FBG传感器被缠绕在锥形衬底上，在那里计算波长差用于测量解耦。FBG传感器的这种螺旋结构有助于提高对沿轴向方向的扭转的灵敏度。通过在s2定义的截面C-C处配置三个FBG传感器，并在s3定义的截面D-D处配置其他FBG传感器，可变截面有利于轴向力和扭矩的解耦。h2和h3是FBG传感器在这些横截面上的相应节距，它们影响轴向和横向载荷下的应变变化和灵敏度。

开发的力/扭矩传感器具有锥形基底和螺旋FBG传感器。

接触检测的框架。蓝色区域中的块显示了使用基于模型的方法的音高设计；而橙色区域中的块显示了基于机器学习的预测方法。

传感器模型。

传感器原型和实验装置。

结论

科学家利用螺旋FBG传感器和锥形基片研制了一种微型力/力矩传感器。它固定在连续操纵器的顶端，并在中心腔中容纳成像探头。带有中心腔和三根光纤的锥形基底用于检测应变变化。建立了考虑螺旋特性的模型。通过实验验证了其可行性。然后，使用与所提出的传感器集成的连续机械手成功地实施了体外研究，以提供相互作用力和扭矩来实现情境感知。固有的局限性包括庞大的成像探头及其有限的成像分辨率。以更少的成像像素和更小的扫描面积为代价，更小的探头是可能的。除了探针尺寸之外，由更柔软的材料制成的探针是优选的，因为当前探针的相对大的弯曲半径限制了其到达小的远端曲折内腔的范围。在未来，预计连续机器人辅助干预将自动执行真实的力和扭矩反馈，以避免过度或无效的接触。

https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112653。