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与非AI
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摘要
患者安全和手术效果方面的技术进步，推动外科工具从基础器械演变为辅助外科医生的智能设备。将传感器、执行器或无噪声电源集成到下一代工具中颇具挑战，尤其是在空间受限的情况下，还需确保安全性和器械、耗材及关键部件的真实性。ADI公司不断探索和开发突破物理极限的技术，助力客户解决上述难题。本文探讨了部分相关技术及如何设计新一代优质外科工具。
引言
如今，医学认知不断深入，先进工具的普及使疾病治疗成功率达到前所未有的高度。外科手术每年挽救无数生命，智能外科工具在此过程中功不可没。
在现代医学中，手术通常是切除、修复和重建人体组织以治愈疾病的必要手段。多学科研究和技术催生了执行上述功能的精密外科工具，此类工具通常针对特定手术和适应症而设计。本文探讨了半导体技术的最新进展，半导体技术使外科工具更加安全、智能和小型化。
在手术中发挥传感器的作用
ADI公司生产多种传感器及传感器前端，以满足各类应用需求（见图1）。在手术室(OR)环境中，传感器可用于照明控制或手术工具定位等多种用途。手术工具利用传感器启动、监测和/或验证治疗过程。传感器还可用于手术机器人或遥操作器，以微调动作并执行安全协议。此外，传感器能够提供实时反馈，增强外科医生或机器的感知能力，例如提供人体组织健康状态信息。
图1：ADI公司的技术助力手术工具变得更加安全、智能和小型化
用于外科工具的传感器
在许多情况下，高精度温度传感器对外科工具至关重要。在提供治疗性加热或冷却的工具中，温度传感器可用于验证治疗效果。在其他情况下，温度传感器可用作监控设备故障的看门狗。在上述两种情况下，高准确度均对患者安全至关重要。ADI温度传感器和温度模拟前端(AFE)能够提供准确、精确的测量结果，从而改善患者治疗效果。
MAX30210及其1-Wire®同类产品MAX30207等集成传感器支持以±0.1°C准确度直接进行温度数字化。LTM2985允许设计人员连接几乎任何标准（B型、E型、J型、K型、N型、S型、R型、T型）或定制热电偶，并实现±0.1°C准确度和±0.001°C分辨率（图2）。此外，它具有5000V rms隔离电源、带50Hz/60Hz抑制功能的SPI接口，以及用于配置和系数存储的片内EEPROM。无论应用需要何种温度范围或分辨率，ADI均可提供相应解决方案。
图2：LTM2985功能框图
加速度计和陀螺仪相对易于集成到外科工具中，且具有多种用途。此类器件可用于无菌条件下的轻触/双击等用户输入操作，检测运输过程中的损坏以防止使用受损设备，追溯故障责任，进行手势识别，实现节能等。
凭借MEMS技术创新，ADI提供了ADXL362或尺寸更小的ADXL367等加速度计（见图3）。ADXL367具有0.25mg/LSB高分辨率和170μg/√Hz低噪声，工作电流仅为0.89μA。待机模式和运动激活模式功耗更低，分别为40nA和180nA。得益于2.2mm × 2.3mm微型封装，它能够安装在空间极度受限的设计中。
图3：ADXL362与ADXL367尺寸对比
在外科吻合器等需要绝对角度或旋转反馈的机械设备中，磁阻传感器是理想选择。ADA4571或ADA4571-2提供±0.1°角度准确度，可集成到支持极高精度旋转编码的系统中。得益于所采用的工作原理，它不受物理安装位置（气隙）影响，从而提供更高的设计灵活性（见图4）。
图4：ADA4571 AMR传感器系统
用于机器人和手术室自动化的传感器
“如果我们能在断电状态下保持感知能力会怎样？”这是工程师在开发ADI MagIC™突破性多圈传感技术时提出的问题。1 ADMT4000采用三个传感器元件，结合巨磁阻(GMR)和各向异性磁阻(AMR)技术，是首款在高达46圈范围内实现±0.25°准确度的同类产品。
图5：ADMT4000功能框图及机器人关节系统集成方案，展示了系统中的六个ADMT4000器件（每个关节配备一个）
在外科机器人和其他手术室自动化技术中，绝对编码对于精确运动控制至关重要。ADMT4000即使在断电状态下也能记录圈数和角度（见图5）。由此可在断电情况下跟踪旋转关节，适用于手术室间转运、存储和启动，甚至意外断电等场景。
惯性测量单元(IMU)在设计机器人运动学系统方面优势显著，可为旋转关节编码提供验证和冗余。凭借业界领先的iMEMS®工艺，ADI提供的IMU可可靠地检测和处理多个自由度，并具备完整的工厂校准、嵌入式补偿和传感器处理功能。IMU产品涵盖便于组装的微型ADIS16470 44球11mm × 15mm × 11mm BGA模块，到运行偏置稳定性达1°/hr、抗漂移能力极强的自动驾驶级ADIS16550。
在远程手术系统中，控制台处的外科医生与患者侧手术台车分离，通常无法获得施加于人体组织的力反馈。力、压力和扭矩测量可通过向外科医生控制器提供力反馈来弥补触觉缺失。在外科吻合等应用中，力可作为选择吻合参数的有效反馈。
图6：MAX40109功能框图
MAX40109是一款高集成度力/压力传感器AFE，可连接多种常见负载传感器，并提供模拟或数字输出选项（图6）。它集成了1-Wire和电力线通信(PLC)接口，并内置零压力偏置补偿，免除了制造校准过程中的电阻激光修调步骤。它内置校准存储器，采用三阶多项式进行温度补偿，并可选择直接从电阻桥测量温度。此款多功能IC提供可选晶圆级封装，尺寸仅为1.988mm × 1.988mm。
具备环境感知能力的机器人系统比缺乏环境感知的系统更灵活、更安全。ADTF3175是一款飞行时间(TOF)模块，在0.4m至4m全量程范围内提供±5mm深度准确度，非常适合手术室应用（见图7）。
图7：ADTF3175飞行时间模块与ADSD3100
面向外科医生的传感器
人体组织的被动电气特性随频率变化，可通过阻抗分析仪或电感电容电阻(LCR)表进行研究。阻抗分析仪通常是能够测量宽频率范围的LCR表。ADI生产芯片级和模块级阻抗分析仪。AD5940或MAX300xx系列等芯片级阻抗分析仪体积小巧，可放置在更靠近测量点的位置，避免长电缆连接易产生的寄生效应。AD-IMP2501-SL或ADMX2001等模块级阻抗分析仪尺寸较大但功能丰富，可测量更高频率，分别高达1.5MHz和10MHz。此类紧凑型模块可用于早期实验反馈、作为参考设计，或在某些情况下直接集成到设备中以加速原型开发。
阻抗检测需要与目标人体组织进行湿式或干式电接触，因此无需专用换能器即可轻松与现有外科工具集成。电气阻抗谱(EIS)可在手术过程中就外科工具接触的人体组织向外科医生提供术中反馈。此类反馈形式包括人体组织识别、疾病识别、病变边缘检测、外科工具定向或组织接近感应。
阻抗仅是一种示例检测方式。温度、人体组织形变或术中成像等其他检测方式均可为外科医生提供有价值的组织信息。
图8：AD7386功能框图
安全测量准确数据
传感器增多意味着需要测量、转换、处理和保护的数据量随之增加。ADI提供了实现完整信号链集成所需的技术。
更快完成高分辨率数据的数字化
现代外科系统依赖精准的传感器测量来闭合控制回路并向外科医生提供实时反馈。AD7771 8通道24位ADC支持多路传感器输入同步采样。凭借24位分辨率和低噪声性能，它能够检测到事关手术的传感器读数微小变化。
对于需要更高采样率的信号链，AD7386 4通道4MSPS ADC可提供实时控制回路（如高频阻抗测量或运动控制位置反馈）所需的速度（见图8）。它采用同步采样架构，确保多路传感器或位置输入同步，从而在操作工具或人体组织期间提供精确的空间数据。
保障患者安全的隔离转换器
几乎所有外科应用都需要隔离，以保护患者和系统集成传感器。ADuM7704隔离ADC（见图9）提供16位分辨率，数据速率高达21MHz，工作电压范围为4.5V至20V。设计人员可将ADC置于信号完整性最佳的传感器附近，同时安全地将数字数据传回控制器。5kV rms隔离额定值有助于在某些应用中省去昂贵或笨重的隔离元件。
ADuM6020隔离DC-DC转换器和数据隔离器将电源和信号隔离集成于单一封装中（见图9）。通过提供隔离电源（高达0.5W）和隔离数字通信通道，它实现了隔离功能，且无需传统隔离变压器和光耦的复杂设计。这在手持式外科仪器或其他对尺寸和重量有要求的系统中极具价值。
图9：ADuM7704和ADuM6020功能框图
图10：磁场定向电流控制器
实现精准移动
外科机器人需在多轴上进行精确、可重复的运动，以安全地在人体内部及周围操控器械。TMC9660 70V栅极驱动器采用磁场定向控制(FOC)，支持电机控制算法，为高难度手术提供精准运动（图10）。凭借高压能力，它可驱动大多数外科仪器所需的电机，同时FOC算法可在精细操作中提供扭矩控制。
对于阀门控制、工具驱动功能或紧急继电器，MAX22216和MAX222xx系列电磁阀驱动器提供集成电流控制和诊断功能。此类驱动器助力设计人员构建更智能的外科仪器，能够检测机械故障、验证驱动是否成功并向控制系统提供反馈。相比大多数传统分立方案，集成封装和安全元件可在更小空间内提供更先进的功能。MAX22216EVKIT使客户几乎无需设计时间即可开始开发，并为其评估MAX22216全部功能提供灵活性（图11）。
图11：MAX22216EVKIT。
在空间日益宝贵的微创手术机器人中，LT8418半桥氮化镓(GaN)驱动器支持更小、更高效的设计。GaN器件的开关速度和效率均优于传统MOSFET，可减少磁性元件和散热器用量。由此可直接实现更小、更轻的外科仪器，进入更狭窄的手术部位，同时维持外科机器人运动控制所需的功率。
实现高效紧凑的电源
随着外科设备日趋复杂，更多传感器被集成到更小的系统中，在有限空间内提供高效电源已成为首要任务。
LTM4644 μModule®稳压器将开关控制器、FET、电感和无源元件集成于单一封装中，革新了外科设备的电源设计。此款4输出低压稳压器可提供5.5V至0.6V的多路电源轨，满足所有传感器和处理需求，尺寸仅为9mm × 15mm × 5mm（见图12）。
图12：LTM4644封装及尺寸
节省的空间使设计人员能够缩小电路板面积并增加更多功能。凭借集成式设计，消除了许多影响传统开关稳压器的常见电磁干扰(EMI)问题，降低了敏感模拟信号受噪声和干扰的风险。此模块具有优良的热设计，散热高效，无需散热器即可耗散高达5.5W的热量。ADI μModule稳压器紧凑集成的特性使外科设备能够实现全新外形。
图13：嵌入式1-Wire传感器用于保护外科工具和设备
保护患者，保障业务
防止公司和客户遭受假冒器件及设备滥用也已成为当下的一大关注点。
假冒医疗设备对患者安全和医院运营构成风险。假冒或翻新外科工具可能在手术过程中意外失效，或无法满足性能规格。
DS28E系列安全认证器提供基于硬件的认证，助力医疗设备制造商保护其产品、品牌和患者（图13）。此类器件利用加密算法和安全密钥存储生成受保护的数字签名，以验证外科器械、一次性组件和耗材的真伪。DS28E器件通过1-Wire接口简化了实施，1-Wire接口支持通过长电缆或机械连接器进行通信。此类安全器件可用于跟踪外科器械的使用周期，以便在特定手术次数后进行校准或更换。DS28E36或DS28E84等抗辐射安全存储器件可保存校准数据、制造信息或设备特定参数，以实现特定的外科工具行为（图14）。从耗材、电池组到集成于大型设备中的工具，DS28E系列认证器均可有效保护精密外科设备。
图14：DS28E84功能框图
图15：ADI公司外科机器人技术套件
结语
将运动控制、隔离、紧凑型电源解决方案和硬件安全与更多传感器相集成，可助力设计人员创造出不仅更智能、更小型、更高效，而且更具防护性的产品。ADI公司的先进技术助力客户设计出能够改善患者预后的外科设备。本文介绍的技术重点展示了ADI公司产品组合中的部分优选方案，但在外科应用领域，ADI还能提供更多解决方案（见图15）。请访问我们的网站或联系当地专家，了解ADI如何助您应对下一个重大挑战。
参考文献
1 ADI MagIC+，ADI公司，2022年6月。
作者简介
Ben Ferrara任职于ADI公司医疗健康事业部，致力于将半导体技术应用于外科设备。Ben拥有美国东北大学电气工程学士学位，并在电子系统设计领域积累了15年经验。
Harsha Devaraj任职于ADI公司医疗健康事业部，致力于将半导体技术应用于外科设备。Harsha拥有达特茅斯学院工程科学博士学位，并在术中手术传感领域拥有5年以上工作经验。他热衷于转化临床研究，致力于改善患者预后。
