可拉伸皮肤传感器用于医学模拟

用于医学模拟器中二维位置跟踪的柔性、可拉伸皮肤传感器

1 背景

我们推出了一种柔性智能皮肤传感器，可贴合人体模型、假肢或医疗设备的表面。该传感器能够在其整个表面上连续感知接触并定位接触位置。例如，这可使医用人体模型模拟器在检查过程中准确评估手指或工具的位置，如定位解剖标志或准确定位乳腺肿瘤。

现有技术还考虑了智能皮肤：嵌入力或位置传感器的柔性材料，可塑造成不同几何形状。一些智能皮肤尝试利用嵌入柔性介质中的刚性传感器阵列，典型方法采用压阻式传感器[1]或电容式力传感器[2]。罗杰斯等人在硅酮中应用了新颖的微加工技术（例如参考文献 [3]），用于实现可拉伸电路。但这些方法存在一个或多个缺点：大多数成本过高，不适用于医学培训应用；全部采用离散传感元件阵列，导致数据采集局限于有限位置，其间存在盲区；传感元件为刚性，会在模拟组织的材料特性中产生伪影。即使传感器尺寸不断缩小，其在二维平面上的感知仍局限于离散位置。我们采用一种新型碳纳米管（CNT）掺杂的聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体片，克服上述缺点，实现了一种类似于沃尔茨等人最初提出的低成本外科组织模拟工具的二维电位计[4]。我们通过多项式曲面拟合，记录了传感器电压与位置之间精确的映射关系。

2 方法

我们提出的智能皮肤传感器本体完全由可拉伸和柔性材料构成。该传感器 15× 15厘米²，由三层组成：一层银‐尼龙导电布（Med‐tex，斯塔特克斯生产公司，德国不来梅）；一层非导电穿孔分隔层（力量网面料，99%聚酯纤维和1%氨纶）；以及一层100μm厚的碳纳米管‐聚二甲基硅氧烷层，粘合在1.5mm的PDMS基底上（7‐SIGMA公司，明尼阿波利斯，明尼苏达州）（图1）。

电极由黄铜加工而成，并夹在底部的聚二甲基硅氧烷硅胶基板上（图2）。电极直径为19.0毫米，带有1.30毫米加工成的四分之一圆凹口。然后将单根导线焊接到每个节点上，并连接到定制电路。

(3)PDMS-CNT Layer (~50 um) KXXX XXC XX XX
(5) Brass Contact
(4) PDMS Substrate (1.5 mm thick)

具有部分碳纳米管条带的PDMS基底显示出拉伸性，(b) 穿孔层细节，(c) 黄铜节点夹，以及(d) 附着在碳纳米管‐PDMS垫上的黄铜夹接触节点)

电路（图3(a)）由一个四通道多路复用器（MAX‐394）连接到微控制器（ATmega328）组成，该微控制器被编程以特定序列快速改变每对相对节点的电压，使其交替为5伏特或接地：例如，上下节点高电平、左右节点低电平；左右节点高电平、右节点低电平，依此类推。通过在覆盖并固定于传感器上的坐标纸上穿刺网格交叉点，在1厘米网格的各个位置手动施加接触力（约15牛顿，作用于5毫米直径区域）（图3(b)）。每个网格点保持大约恒定的接触力约1秒。由于垫片边缘附近的碳纳米管均匀性较差，因此未采集边缘数据，以避免边界伪影。我们复制了[4]中关于电压输入排列的空间电压分布的仿真方法。MATLAB的CFtool被用于将多项式曲面拟合到数据中（MathWorks公司）。

电路，(b) 1厘米网格测试网格，以及(c) 传感器碳纳米管表面)

3 结果

位置上的原始电压等高线图（含插值曲面）与仿真结果显示出高度一致（见参考文献[4]），仅存在少量测量伪影（图4）。来自两种共轭构型（如下和上）的数据已对齐并取平均。对该平均值拟合了最低阶数的多项式曲面，其中三阶用于匹配奇函数行为，二阶用于匹配偶函数行为，R² = 0.9956（图5）。实际x-y位置与拟合多项式曲面映射之间的均方根误差（RMSE）为0.47毫米。

4 解释

我们展示了一种柔性智能皮肤的可行性，该皮肤能够以最少的电子元件实现二维位置接触跟踪，并在解析接触的二维位置时达到0.47毫米的均方根误差。传感器本体保持可拉伸性，且传感表面为连续的。

本研究存在几项局限性。尽管在记录数据前已多次拉伸皮肤，但并未评估拉伸的影响。我们的手动测试可能引入了误差。图4中的异常读数可能是由于坐标纸穿透不完全所致。需要更完善的自动化测试协议来解决这些问题。我们的方法仅能感知单个接触点。此外，PDMS-CNT材料为不透明黑色，这限制了其在医学模拟器中的应用，仅适用于皮下应用。尽管存在这些局限性，本研究仍证明了这种简单、可拉伸的皮肤传感器是可行的。良好的精度结果为进一步研究提供了动力。

未来的工作将采用更严格的测试，评估拉伸和接触力的影响。