腹腔镜器械抓握力测量与触觉反馈附加装置的设计与验证：一项促进精准外科手术的训练效果研究

《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》：Design and Validation of a Grasping Force Measuring Vibrotactile Feedback Add-On for Laparoscopic Instruments

本研究针对腹腔镜手术中因器械摩擦和传动间隙导致的抓握力反馈缺失问题，设计了一款名为ShaftFlex的抓握力测量与振动触觉反馈附加装置。通过将柔性元件与霍尔传感器结合，实时监测抓握力并分三级提供振动反馈。训练实验表明，使用该装置的参与者抓握力显著降低（p<0.05），且停用反馈后仍保持低抓握力习惯。该技术为腹腔镜技能训练提供了客观评估工具，并有望降低术中组织损伤风险。

　　

在微创外科领域，腹腔镜手术凭借其创伤小、恢复快的优势已成为主流术式。然而，由于器械传动过程中的摩擦力和机械间隙，外科医生难以通过手柄感知到精确的抓握力和组织硬度，这种触觉反馈的缺失使得医生在操作中往往施加过大的抓握力。研究表明，腹腔镜胆囊切除术中约25%的胆囊穿孔由抓握器创伤引起，而术后感染风险也随之增加。因此，如何恢复有效的力反馈，帮助医生精准控制抓握力度，成为提升手术安全性的关键挑战。

为解决这一问题，荷兰代尔夫特理工大学J.-W. Klok团队在《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》发表研究，设计了一款可附加于标准腹腔镜抓握器的力反馈装置ShaftFlex。该装置通过测量器械杆部的形变间接计算抓握力，并利用振动触觉信号提示力阈值，旨在通过训练帮助术者形成安全的力控制习惯。

关键技术方法

研究采用模块化设计理念，开发了基于柔性元件的力传感系统（ShaftFlex）。其核心为一名义上无变形的杆状结构，在受到抓握力时产生可控形变，通过霍尔传感器（OH49E）检测形变位移，再经Arduino控制器驱动振动电机提供三级反馈（0–3 N无反馈、3–4 N低强度、4–6 N高强度）。技术验证中，通过水压标定法建立抓握力与传感器输出的非线性关系（公式：F_g=a?e^bx+c?e^dx）。临床前验证招募18名无经验参与者，随机分为反馈组与无反馈组，在盒式训练器中进行硅胶圆环转移任务，评估抓握力、任务完成时间及失误次数。

研究结果

设计与技术验证

ShaftFlex附加装置直径44 mm，长度50 mm，重量98 g，不影响器械抓握与旋转功能。校准实验显示，柔性元件在抓握力超过6.4 N时发生塑性变形，因此有效测量范围限定为0–6 N。传感器输出与抓握力呈非线性关系，拟合公式参数为a=1.2723?10^?12, b=56.31, c=0.3956, d=5.149。

临床前验证

反馈组在所有训练试验及后测中平均抓握力均显著低于无反馈组（p<0.05）。值得注意的是，当后测中关闭反馈后，反馈组抓握力仍未反弹，表明参与者已形成低力操作习惯。两组在任务完成时间与失误次数上无显著差异，证明反馈未干扰操作效率。

专家问卷反馈

两位资深外科专家认为该装置适用于精细组织（如肠道、儿科组织）手术，并建议将连续振动改为脉冲式信号，以提升警示效果。

结论与讨论

ShaftFlex通过杆部力测量与振动反馈，有效降低了训练中的抓握力，且效果在反馈移除后仍能维持。其设计避免了在器械尖端集成传感器的复杂性，提升了临床可行性。未来需改进柔性元件以扩展力测量范围，并研究长期训练效果的持续性。该技术不仅为腹腔镜技能训练提供了量化指标，还有望应用于机器人辅助手术系统，推动精准外科的发展。