扭矩傳感器助力醫療器械實現精細操作與安全運行

來源：發布時間：2025-04-26

在醫療器械領域，從手術機器人精細操作到康復設備智能調控，從牙科診療器械的精細處理到醫療檢測設備的穩定運行，扭矩控制貫穿醫療設備運行的關鍵環節，直接影響診療效果、患者安全與設備性能。扭矩傳感器作為醫療器械動力系統的重要組件，與壓力傳感器協同配合，為醫療技術的精細化、智能化發展提供有力支撐。

一、扭矩控制：醫療器械性能的重要保障

在醫療設備運行中，扭矩控制對關鍵性能指標有著重要影響。例如，手術機器人的機械臂在進行微創手術時，關節扭矩波動超過 ±3%，會導致手術器械操作偏差，影響手術精度；康復訓練設備的驅動機構扭矩不均衡，會使患者訓練體驗不佳，甚至可能造成二次傷害。以往依靠傳統機械結構和經驗參數控制扭矩，穩定性*能達到 ±8% 左右，而如今借助扭矩傳感器構建的智能閉環系統，可將扭矩波動精細調控至 ±1% 以內，使手術機器人的操作精度從 ±0.5mm 提升到 ±0.2mm，康復設備的訓練適配性提高 30%。

壓力控制在醫療器械的液壓、氣動系統以及壓力監測場景中同樣不可或缺。牙科種植機的液壓系統壓力波動超過 ±10%，會導致種植體植入力度不穩定，影響種植成功率；呼吸機的氣道壓力不穩，會造成患者通氣異常，危及生命安全。壓力傳感器通過實時監測系統壓力，能將壓力波動控制在 ±2% 以內，使牙科種植機的操作穩定性提升 40%，呼吸機的壓力調節精度達到 ±0.5cmH?O，保障患者***安全。

扭矩與壓力控制在三個**場景中協同發揮作用：

手術操作：扭矩傳感器監測手術機器人機械臂的輸出扭矩，壓力傳感器反饋液壓驅動壓力，共同保障手術操作的精細性與穩定性；

康復***：扭矩傳感器實現康復設備的力矩反饋，壓力傳感器控制氣動元件壓力，確保康復訓練的安全與有效；

安全防護：扭矩傳感器檢測異常扭矩突變，壓力傳感器監測關鍵部位壓力，構建雙重安全保障機制，降低醫療風險。

二、扭矩傳感器與壓力傳感器：技術差異及協同應用

（一）技術原理與測量對象

扭矩傳感器：基于應變片、磁致伸縮或光纖布拉格光柵原理，通過彈性體形變感應旋轉軸的扭矩變化。以應變片式傳感器為例，在扭矩作用下，彈性體產生微形變，應變片電阻值改變，經惠斯通電橋轉換為電壓信號，精度可達 ±0.05% FS，適用于 0.1N?m 至 100N?m 的扭矩范圍。

壓力傳感器：基于壓阻效應或壓電效應，用于測量氣體或液體壓強。壓阻式傳感器在壓力作用下，硅膜片形變導致電阻變化，經信號調理輸出標準信號，精度為 ±0.2% FS，壓力測量范圍在 0.1MPa 至 10MPa。

（二）應用場景協同

扭矩傳感器是醫療器械旋轉動力的關鍵測量部件，直接決定操作的力矩均衡；壓力傳感器是流體動力的重要監測元件，保障系統壓力穩定。二者在手術機器人中緊密協同：扭矩傳感器監測機械臂關節扭矩以調整動作精度，壓力傳感器檢測液壓系統壓力以控制器械操作力度，共同實現 “扭矩 - 壓力” 的雙重精細控制，確保手術安全高效進行。

三、適配醫療器械的扭矩傳感器技術類型

1. 應變片式扭矩傳感器：醫療通用場景的實用選擇

基于電阻應變原理，采用鋁合金或鈦合金彈性體，表面粘貼高精度應變片，通過全橋電路實現扭矩信號轉換。其成本與性能平衡，響應速度快（0.1ms 級），適用于康復訓練設備、牙科綜合***機等中低負載醫療設備。在康復訓練器械的關節驅動系統中，該傳感器實時監測扭矩，通過控制系統動態調整電機轉速，使患者訓練時的阻力變化更加平滑，將設備的舒適度提升 25%。

2. 磁彈性式扭矩傳感器：復雜醫療環境的可靠選擇

利用鐵基合金的磁致伸縮效應，扭矩作用時內部磁路變化，通過感應線圈輸出信號。其具備抗振動、耐潮濕、防電磁干擾的特性，適用于醫療影像設備、手術室復雜環境下的醫療設備。在 CT 設備的旋轉機架驅動系統中，磁彈性式傳感器監測扭矩，配合防護設計，將異常扭矩的預警響應時間從 50ms 縮短至 15ms，保障設備穩定運行。

3. 光纖式扭矩傳感器：**醫療場景的高精度方案

基于光纖布拉格光柵技術，扭矩使光纖光柵產生軸向應變，反射光波長漂移，通過解調儀實現精細測量。其抗電磁干擾、體積小、精度高（±0.02% FS）的優勢，特別適用于手術機器人、心臟輔助裝置等**醫療設備。在心臟介入手術機器人中，分布式光纖傳感器以 1000Hz 采樣頻率監測器械操作扭矩，通過邊緣計算實時調整力度，將手術操作的精度提升至 ±0.1mm，降低手術風險。

四、典型醫療場景深度解析

1. 手術機器人的扭矩 - 力位協同控制

在腔鏡手術機器人的機械臂末端，扭矩傳感器與六維力傳感器協同工作，實時監測手術器械操作時的扭矩與力信號。當檢測到操作扭矩超過設定值（如 10N?m）時，系統自動停止操作并反饋調整角度，將手術操作的準確率從 90% 提升至 97%，同時避免因過扭矩損傷患者組織。

2. 康復設備的安全扭矩監測

在智能康復訓練機器人的關節處，扭矩傳感器實時監測異常力矩突變。當患者訓練過程中出現異常阻力，導致扭矩超過安全閾值（如 5N?m）時，系統在 30ms 內迅速觸發緊急制動，將設備意外傷害風險降低 50%，保障患者康復訓練安全。

3. 牙科診療設備的負載扭矩優化

在牙科種植機的種植體植入系統中，扭矩傳感器與壓力傳感器聯動控制。傳感器實時監測種植體植入扭矩，當檢測到扭矩不均時，系統自動調整液壓系統壓力分布，將種植體植入的成功率從 85% 提升至 93%，提高診療質量。

五、技術挑戰與創新方向

1. 高精度與微型化平衡

隨著醫療器械向小型化、微創化發展，需在微小空間內實現高精度扭矩測量。未來將聚焦：

芯片級集成技術：研發 MEMS 扭矩傳感器，將尺寸縮小至 3mm×3mm，同時維持 ±0.08% FS 的精度，適配微型手術器械、可穿戴醫療設備；

無軸式測量方案：采用非接觸式測量原理，消除傳統軸式傳感器安裝限制，提升醫療器械的裝配便利性與測量穩定性。