德州儀器作者:Christen Waite
手術鑽由觸發器控制，類似於電鑽上的控制或腳踏板。以往，大多數手術鑽使用機械扳機。不過，由於這些裝置採用接觸式操作，因此會隨著時間而磨損，導致速度控制的準確度降低。
設計人員現在正在尋求能兼顧準確速度控制測量的非接觸式機械觸發器替代方案。
圖 1 所示的手術鑽原理圖的輸入使用者介面子系統代表速度控制和其他使用者啟動功能的觸發器。在非接觸式觸發器設計中，霍爾效應感測器會測量觸發器的線性位移以協助控制鑽孔速度，而感應式感測器則會建立密封的觸控按鈕控件，在操作時給予是否正確握住鑽孔器的指示。
圖 1：手術鑽的高層原理圖
手術鑽變速觸發器中、線性位移的霍爾效應感測器
讓我們討論如何使用具有類比輸出的單軸 (一維) 線性霍爾效應感測器實現非接觸式變速觸發器。機械觸發器使用電位器將觸發器的位移位置轉換為輸出電壓，按照預設速度設定調整本身的速度，而按照按下觸發器的距離輸出變動的電壓可以實現更精確的速度控制。電位器需要接觸式操作，而且通常比採用非接觸式操作的電位器更容易磨損，尤其是在電位器暴露於振動或其他環境因素 (例如濕氣和碎屑) 時。相較於傳統的機械式扳機，這種方法可以減少磨損，相當適合扳機和踏板控制的鑽頭。
使用非接觸式觸發器設計的另一個效益是可以選擇使用低功率霍爾效應開關和負載開關，以便系統在未按下時保持低功率待機模式。如具備外部磁場保護的非接觸式霍爾效應變速觸發器參考設計所示，您也可以實施選用的磁場保護功能，以防外部磁場影響速度控制。圖 2 顯示此參考設計在 3D 列印機械外殼中的實作情況，藉以建立完整的非接觸式觸發系統。
圖 2：TI 對於具備外部磁場保護的非接觸式霍爾效應變速觸發器所用的 評估模組
對於非接觸式手術鑽觸發器所用的感應式感測器
除了可靠和準確的操作之外，強化型安全功能也是設計手術鑽時的考量因素。由於傳統的手術鑽由機械控制，因此意外踩下踏板或按下扳機可能會無意間啟動鑽頭。在觸發器或踏板周圍放置防護裝置有助於避免意外操作，不過無法提供電子保護。
感應式感測器可以透過實施能夠防止設備意外操作的安全功能來解決這種挑戰。圖 3 顯示在手柄兩側放置感測器線圈偵測使用者是否正確握住鑽頭的範例；若未正確握住，鑽頭不會啟動。這種方法對於以腳踏板和扳機操作的鑽頭都有效。
圖 3：拿握偵測的感測器線圈放置範例
另也可以使用感應式感測器做為鑽頭上的觸控按鈕來控制設定和功能，例如馬達的方向。TI 的 LDC3114 之類的感應式感測器採用整合式按鈕演算法，也可使用表示所測電感值的原始資料，藉以向裝置的操作提供彈性。這些原始資料可以區分一般的按下按鈕、按住按鈕或用力觸控動作，以便透過單一按鈕支援選擇裝置功能的多個動作，而非僅支援二進位輸出。例如，一般的按下按鈕可以操作鑽頭進入振盪模式，按住按鈕可以操作鑽頭進入慢動作模式。
不同於切口難以密封的機械按鈕，您可以將感應式感測器放置在可以氣密密封的平坦表面 (例如金屬板或塑膠板) 後側，在每次使用之間也較傳統機械按鈕更容易消毒。感應式感測觸控按鈕，的解決方案是藉由按壓的平面出現輕微偏轉的情況來確定按下按鈕的動作、不需要機械連接，為更可靠的解決方案。如感應觸控和磁性撥號非接觸式使用者介面參考設計所示，這種方法允許使用多達八個能夠帶手套操作的觸控按鈕，這種按鈕在醫療環境很常見，並不受碎屑或按鈕表面損壞等環境因素所影響。
結論
相較於傳統的接觸式設計，霍爾效應感測器和感應式感測器對於非接觸式觸發器和按鈕設計更可靠，因為這些感測器不太可能因為環境因素 (例如手術設備的消毒過程) 而隨著時間逐漸磨損和破裂。非接觸式扳機設計並非完全不需要機械元件，例如為扳機提供阻力感的彈簧，不過非接觸式扳機設計能夠盡可能減少頻繁磨損的潛在點。使用精密度和可靠性更高的感測器有助於醫師更有信心操作手術工具，完全不需要擔心準確度會隨著時間而降低。
