CN103153248A - 用于外科手术仪器的干涉型力传感器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施方式的一种外科手术工具系统包括外科手术工具以及光学耦接至外科手术工具的干涉测量系统。外科手术工具包括主体部段、传感器部段以及外科手术部段，至少一个传感器部段附连至主体部段或与主体部段一体，至少一个所述外科手术部段在传感器部段的与主体部段相对的端部处附连至传感器部段或与传感器部段一体。传感器部段包括限定参考距离的干涉型光学传感器，参考距离响应于施加至外科手术工具的外科手术部段的力或转矩中的至少一者而变化。

Description

用于外科手术仪器的干涉型力传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年7月20日提交的美国临时申请No.61/365,995的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本发明是在由卫生和公共事业部门(Department of Health andHuman Services,NIH)授予的、批准No.1R01EB007969-01的政府支持下完成的。美国政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明的当前所要求的实施方式的领域涉及外科手术仪器和包括外科手术仪器的系统，更具体地涉及具有集成的力传感器的系统和外科手术仪器。

背景技术

在现行实践中，在无手动的仪器的手术显微镜下进行视网膜外科手术。人的局限性包括不能清楚地观察外科手术目标、生理性的手部颤动和缺少工具到组织的相互作用的触觉反馈。此外，诸如缺少接近检测或者智能功能的工具局限性是增加外科手术危险性和降低完成外科手术目标的可能性的重要因素。当前的仪器不提供生理性的或者甚至基本的解释性的信息，例如，该仪器施加于视网膜组织上的力。常规的仪器不能克服的技术障碍部分地限制了外科手术的结果(成功和失败)。

在视网膜显微手术中通常遇到的工具到组织的相互作用的力一般远远低于人类的感知极限[1-4]。如果在视网膜上施加了太大的力，那么视网膜可能被损坏。通常，外科医生完全依靠组织变形的视觉评估来估计工具到组织的力接近不可接受的极限有多近。然而，这种技能不容易学到并且即使是非常熟练的外科医生也难以做出这种估计。在其它显微手术学科中，包括非视网膜眼科手术、神经外科、耳科手术[6-9]、微细血管手术等，也可以发现类似的挑战。即使是在实际的工具到组织的力可能大于显微外科手术中遇到的力的外科手术情况下，例如，内窥镜手术，由于摩擦、机械约束、操作限制等，也可能难以测量工具到组织的力，或者外科医生难以直接评估工具到组织的力。这些考虑已经引导许多研究人员考虑将力传感器结合至外科手术仪器中的方法。可以以多种方式使用这种力的信息来协助外科医生，包括以“感官替代”的方式（例如，[1，3，10-12]）使用，以多种触觉反馈的形式（例如，[10，15]）使用，或以结合至机器人装置的控制装置中（例如，[10，16]）的其它方式使用。

例如，在视网膜手术中（图1），外科手术工具穿过巩膜被插入眼睛内以在视网膜手术中执行对纤弱组织的操作。对施加于组织与工具尖端之间的力进行测量是极具挑战性的。力感应仪器应当能够以亚毫牛的分辨率测量三维空间中组织到工具的力。该传感器应当放置为尽可能靠近眼睛内的工具尖端以避免干扰巩膜到工具的力。因此该传感器必须被加工成必要的小尺寸，从而使它能够被结合至具有亚毫米直径的仪器内。其它要求包括生物适应性、可消毒性以及对电噪声的免疫性。

一种用于测量工具-组织的力的方法是将（通常，多自由度的）力传感器结合至外科手术工具的手柄内。该方法已经被应用于显微手术的力感应设备（例如，[4，9]）。然而，在诸如视网膜手术的工具到巩膜的相互作用的力可与工具到组织的相互作用的力一样大或大于工具到组织的相互作用的力的情况下，这种方法具有严重的缺点。因此，人们已经开始关注研发放置于外科手术工具的远端部分上、穿过巩膜的插入件的下方的显微手术力传感器[13，14]。对于腹腔镜检查工具，尽管一些类似的方法已经被采用（例如，[17-19]），但工具到套管针的力同样可以掩盖工具到组织的力，这对于工具轴直径可能为0.5至0.7mm或更小的显微视网膜手术来说，挑战尤其严重。约翰-霍布金斯大学（JohnsHopkins）[1]的一些早期工作在对解剖的猪的视网膜的“开放式”实验中使用安装在工具轴上的应变仪来测量使工具偏转的1自由度（DOF）的力，但这种工具对于穿过巩膜的插入件来说并不实用。其它方法包括将电传感器（诸如应变仪）结合至微小的显微手术仪器中。

对于外科手术应用（例如，[13，14，20-23]）来说，已经提出过若干种光纤力传感器，以及若干种其它用于手术力感应的光学方法（例如，[24，25]）。这些传感器使用多种物理原理，包括反射的或发送的光强度的修改、偏振的变化、光纤布拉格光栅（fiber-Bragg grating，FBG）感应等。FBG传感器通过产生折射率的调制（即，“光栅”）而沿光纤的长度构造[20]。拉伸光纤引起这种光栅的间距的变化，并且因此引起沿光纤向上反射回的光的波长的间距的变化。测量这种波长位移以确定光纤的光栅部分的应变量。除我们的工作[13，14]外，其它团队已经将FBG力传感器应用于其它种类的外科手术仪器。例如，穆勒（Mueller）等[22]已经报道了基于FBG传感器的6-DOF的FBG基础的力/转矩传感器，该FBG传感器将适于以在某种程度上与[9]相似的方式安装于工具手柄中或机器人外科手术仪器的近端处。

对于显微手术应用来说，基于光纤的传感器具有许多优点。光纤和传感器是廉价的。它们可通过多种普通的方式消毒。它们可以被制成生物相容的。它们可以被制成极小的。它们不受电噪声和磁场影响。它们不涉及电流。可以使用多种感应原理来测量微小位移和力。此外，虽然视网膜手术不考虑这点，但它们是核磁共振成像（MRI）兼容的。

在前面所述的工作[13，14]中，我们的JHU团队已经将FBG光纤结合至具有0.5至0.7mm的工具轴的显微手术仪器中以形成力分辨率为0.25mN数量级的1-DOF和2-DOF的力感应工具。我们的团队也已经研发出基于FBG的3-DOF的显微手术仪器。图2A中示出为3-DOF的力感应工具的一种概念。这里，通过FBG传感器测量侧向力；就像在我们的2-DOF的工具中那样，并通过手柄中的力传感器测量轴向力。这种方案的优点是简单。然而，一个最大的缺点在于，虽然消除了由侧向的巩膜-工具的相互作用引起的不定性（ambiguity），但没有消除由巩膜到工具的摩擦引起的轴向不定性。

这种考虑已经引导我们开发了在眼睛内进行所有感应的3-DOF的原型工具，如图2B所示。在这种设计中，沿轴的侧面的FBG传感器测量侧向力导致的工具轴的侧向偏转，和我们的2-DOF的工具的情况几乎一样。原则上，也可以测量工具轴的响应于轴向力的轴向延伸，但存在数个缺点。首先，该工具在轴向方向上非常坚硬，从而导致灵敏度低。其次，该工具的热力学膨胀也可能拉伸所有光纤。因此，使用3个FBG传感器计算两个侧向力时，实际计算出的侧向力有差异。对于轴向力来说，我们使用轴向穿过工具中间部分并附连于工具轴的微加工柔顺部段的远端的第四FBG光纤。

然而，基于FBG感应的显微手术传感器存在多种问题，我们的当前发明力图解决这些问题。这些问题中的一些问题包括：

●FBG光纤必须沿工具的侧面牢固地附连。这可能涉及困难的制造工艺，并且FBG与工具轴之间的胶粘物柔顺性、粘性响应、以及滞后性可能引起问题。“轴向”光纤也存在相似的（甚至更具有挑战性的）的制造和附连问题，这些光纤必须被预加载。

●FBG光纤具有相当大的刚度。这尤其影响了工具的轴向力敏感度，因为失去了工具轴的弯曲对侧部FBG光纤的拉伸方面带来的机械优势。

●如图2B所示，在工具轴内微加工出的用以形成柔顺部段的凹槽可能被材料堵塞，因此影响工具的校准并且如果再次使用工具的话也产生清洁/消毒的问题。

●获得良好的信噪特性需要FGB光栅相当长（在我们的显微外科手术工具上通常为约10mm）。这限制了工具的设计，并且如果外力施加于工具轴的包含光栅的部分或靠近于该光栅的部分上，也可能引起问题。

因此，仍然存在对用于显微手术应用的改进的外科手术工具和系统的需求。

发明内容

根据本发明的实施方式的外科手术工具系统包括外科手术工具，以及光学耦接至该外科手术工具的干涉测量系统。该外科手术工具包括主体部段、传感器部段以及外科手术部段，至少一个传感器部段附连至该主体部段或与该主体部段一体，至少一个外科手术部段在传感器部段的与主体部段相对的端部处附连至该传感器部段或该传感器部段一体。该传感器部段包括限定参考距离的干涉型光学传感器，该参考距离响应于施加至外科手术工具的外科手术部段的力或转矩中的至少一者而变化。

根据本发明的实施方式的外科手术工具包括主体部段、传感器部段以及外科手术部段，至少一个传感器部段附连至该主体部段或与该主体部段一体，至少一个外科手术部段在该传感器部段的与主体部段相对的端部处附连至该传感器部段或与该传感器部段一体。该传感器部段包括限定参考距离的干涉型光学传感器，该参考距离响应于施加至外科手术工具的外科手术部段的力或转矩中的至少一者而变化。

附图说明

通过对说明、附图以及示例的考虑，其他的目的以及优点将变得明显。

图1示出了显微外科手术工具以及视网膜手术[13，14]时可能发生的力以帮助解释本发明的一些概念；

图2A和图2B示出了基于FBG的3DOF的力感应工具的概念。图2A示出了来自工具轴上的FBG传感器和手柄中的轴向力传感器的侧向力。图2B示出了来自对工具轴的侧向偏转进行测量的FBG传感器的侧向力和来自对轴的微加工的柔顺部段的延伸进行测量的额外光纤的轴向力；

图3示出了本发明的一些实施方式中使用的内置式和外置式法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉测量仪[5]的概念；

图4是对应于图3的下部示意图的典型的外置式法布里-珀罗传感器[27]的详细视图；

图5是根据本发明的实施方式的外科手术工具和外科手术工具系统的示意性视图；

图6是根据本发明的另一实施方式的外科手术工具和外科手术工具系统的示意性视图；

图7A和图7B是根据本发明的另一实施方式的外科手术工具和外科手术工具系统的示意性视图；

图8A和图8B是根据本发明的另一实施方式的外科手术工具和外科手术工具系统的示意性视图；

图9A至图9C是根据本发明的实施方式的包括镍钛诺弯曲部分的示例的外科手术工具的示图；

图10示出了根据本发明的另一实施方式的光学感应光纤的替代性布置；

图11示出了根据本发明的实施方式的使用加工的镍钛诺管的示例的柔顺部段的一些概念；示出了在1mN轴向偏转下的偏转；

图12示出了根据本发明的实施方式的带有塑性柔顺部段的3-DOF的力感应工具的示例。

具体实施例

以下详细描述本发明的一些实施方式。在描述的实施方式中，为了清楚起见使用特定术语。然而，本发明并非旨在局限于所选择的特定术语。相关领域内的技术人员将认识到，在不偏离本发明的广义概念的情况下可以使用其他的等同部件并开发其他的方法。在本说明书中任何地方列举的所有参考好像每个参考单独地被合并一样通过参引方式被合并。

虽然FBG传感器相对容易使用并且已经被若干团体（包括我们的团体）用于外科手术力的测量，但他们确实具有一些显著的缺点，尤其是在但不限于显微外科手术环境中。

光纤布拉格光栅反射光的取决于不同折射率的周期模式的间隔的窄波段。（本文所使用的术语“光”具有广泛的含义，可以包括，例如，可见光、红外光以及紫外光。）已知多种其他调相型传感器或干涉型传感器的类型[5，20]。一种这种类型的传感器是法布里-珀罗干涉仪。调相型传感器的一般概念是该传感器使用两条光纤。光被分裂为两个臂状物内并注入每个臂状物内。一个臂状物作为参考物，而另一个臂状物可受到环境的扰动。当一个臂状物相对于参考光纤被扰动时，可以通过该干涉仪精确地测量诸如相移的干涉条纹的变化。法布里-珀罗干涉仪仅需要一条光纤。该光束被单独的反射器反射，之后干涉来源于光纤尖端[5，20]的参考物。该构型可以是内置的或是外置的，如图3所示。

图4示出了与图3中下部示意图相应的典型的外置构型的特写视图。在引导光纤与反射光纤之间存在空气间隙的情况下，形成了两个反射表面，即，位于引导光纤的端部处的第一反射表面以及位于反射光纤面处的第二反射表面。光束在第一表面处被部分地反射并被部分地发送至该空气间隙内。已发送的光束在第二表面处再次发生上述情况（第二反射表面可以部分反射或全部反射）。第二反射表面处的光束之后至少部分地被反射回来并再次进入引导光纤内。与第一次反射中的光相比，第二次反射行进了较长的距离（两倍空气间隙长度）[27]，[5]。

因此，本发明的一些实施方式利用干涉感应的形式而不是FBG感应的形式来测量显微外科手术仪器中微小的几何形状的改变，因为这种形式顺应工具到组织的力。术语“干涉型传感器”意在排除本质上为波长选择反射器的FBG装置，而非排除将两种光束混合以确定光学相位差的装置。

图5是根据本发明的实施方式的外科手术工具系统100的示意图。外科手术工具系统100包括外科手术工具102以及光学耦接至外科手术工具102的干涉测量系统104。外科手术工具102包括主体部段106、传感器部段108以及外科手术部段110，至少一个传感器部段108附连至主体部段106或与主体部段106一体，至少一个外科手术部段110在传感器部段108的与所述主体部段106相对的端部112处附连至传感器部段108或与传感器部段108一体。传感器部段108包括限定参考距离114的干涉型光学传感器，参考距离114响应于施加至外科手术工具102的外科手术部段108的力或转矩中的至少一者而改变。

干涉测量系统104包括布置为将光发送至干涉型光学传感器的光发送器116、布置为检测从该干涉型光学传感器返回的光从而提供输出信号的光接收器118、以及构造为与光接收器118通信以接收该输出信号的信号处理器120。光发送器116、光接收器118以及信号处理器120可以被包装在一起，或是分开的单个部件和/或分散的部件。该信号处理器可以是专用的、硬接线的装置和/或可编程的装置，例如但不限于电脑。信号处理器120构造为根据来自光接收器118的输出信号来确定干涉型光学传感器的参考距离114的变化，并且构造为确定所施加的力、所施加的转矩或局部温度变化中的至少一者。在一实施方式中，信号处理器120可以构造为根据来自光接收器118的输出信号来确定干涉型光学传感器108的参考距离114的变化，并利用该变化来确定考虑到局部温度变化的情况下组织124施加于外科手术部段110的工具尖端122上的力。

传感器部段108中的干涉型光学传感器是诸如图3的上部示意图中描述的内置式法布里-珀罗传感器。该干涉型光学传感器的参考距离114由固体材料的两个相对的表面限定。这两个相对表面中的每一个表面均是至少部分反射的表面。如果需要，反射表面126可以是全反射表面，而由于具有不同折射率的两种材料的交界面导致相对的反射表面是部分反射表面。固体材料传感器部段108是柔顺固体材料传感器，该柔顺固体材料能够响应于施加至外科手术部段110的变化的力而被压缩并被拉长以提供参考距离114的变化。

外科手术工具系统100还包括沿主体部段106的内部延伸至外科手术工具102的传感器部段108的光纤128。

在一些实施方式中，外科手术工具102可以是但不限于显微外科手术工具。在一些实施方式中，该显微外科手术工具可以是但不限于针、拾取器（pick）、手术刀、镊子、剪刀或套管针。

图6是根据本发明的实施方式的外科手术工具系统200的示意图。外科手术工具系统200包括外科手术工具202以及光学耦接至外科手术工具202的干涉测量系统204。外科手术工具202包括主体部段206、传感器部段208以及外科手术部段210，至少一个传感器部段208附连至主体部段206或与主体部段206一体，至少一个外科手术部段210在传感器部段208的与所述主体部段206相对的端部212处附连至传感器部段208或与传感器部段208一体。传感器部段208包括限定参考距离214的干涉型光学传感器，参考距离214响应于施加至外科手术工具202的外科手术部段208的力或转矩中的至少一者而变化。

干涉测量系统204包括布置为使光发送至干涉型光学传感器的光发送器216、布置为检测从该干涉型光学传感器返回的光从而提供输出信号的光接收器218、以及构造为与光接收器218通信以接收该输出信号的信号处理器220。光发送器216、光接收器218以及信号处理器220可以被包装在一起，或是单独的单件和/或分散的部件。该信号处理器可以是专用的、硬接线的装置和/或可编程的装置，例如但不限于电脑。信号处理器220构造为根据来自光接收器218的输出信号来确定干涉型光学传感器的参考距离214的变化，并且构造为确定所施加的力、所施加的转矩或局部温度变化中的至少一者。在一实施方式中，信号处理器220可以构造为根据来自光接收器218的输出信号来确定干涉型光学传感器208参考距离214的变化，并利用该变化来确定考虑到局部温度变化的情况下组织224施加于外科手术部段210的工具尖端222上的力。

传感器部段208中的干涉型光学传感器是诸如图3的下部示意图和图4中描述的外置式法布里-珀罗传感器。该干涉型光学传感器的参考距离214由间隙的两个相对的表面限定。这两个相对表面中的每一个表面均是至少部分反射的表面。如果需要，反射表面226可以是全反射表面，而由于具有不同折射率的两种材料的交界面导致相对的反射表面是部分反射的表面。传感器部段208可以包括柔顺材料或结构，该柔顺材料或结构可以响应于施加至外科手术部段210的变化的力而被压缩并被拉长以提供参考距离214的变化。例如，传感器部段208可以包括但不限于圆筒形弹性材料或微加工的圆筒形部段。

外科手术工具系统200还包括沿主体部段206的内部延伸至外科手术工具202的传感器部段208的光纤228。

在一些实施方式中，外科手术工具202可以是但不限于显微外科手术工具。在一些实施方式中，该显微外科手术工具可以是但不限于针、拾取器、手术刀、镊子、剪刀或套管针。

图7A示出了根据本发明的另一实施方式的外科手术工具系统300的示意图。外科手术工具系统300包括外科手术工具302以及光学耦接至外科手术工具302的干涉测量系统304。外科手术工具302包括主体部段306、传感器部段308以及外科手术部段310，至少一个传感器部段308附连至主体部段306或与主体部段306一体，至少一个外科手术部段310在传感器部段308的与所述主体部段306相对的端部312处附连至传感器部段308或与传感器部段308一体。传感器部段308包括限定相应的参考距离314的多个干涉型光学传感器，参考距离314响应于施加至外科手术工具302的外科手术部段308的力或转矩中的至少一者而变化。（注意，同样地，图7B对应于图7A中示出的剖切线。）在本示例中，沿圆周方向布置有四个法布里-珀罗干涉仪。然而，本发明的设想并不限于干涉仪的具体数量和布置。根据一些实施方式，可以存在一个、两个、三个或四个干涉仪，甚至更多。它们也可以布置为不同的图案，例如但不限于一个干涉仪位于中央，并且在周向上不布置干涉仪、布置一个、两个、三个或更多个干涉仪。然而，根据本发明的其他实施方式可以使用干涉仪的其它布置。

干涉测量系统304包括布置为将光发送至多个干涉型光学传感器的光发送器316、布置为检测从所述多个干涉型光学传感器返回的光从而提供输出信号的光接收器318、以及构造为与光接收器318通信以接收该输出信号的信号处理器320。光发送器316、光接收器318以及信号处理器320可以被包装在一起，或是单独的单件和/或分散的部件。该信号处理器可以是专用的、硬接线的装置和/或可编程的装置，例如但不限于电脑。信号处理器320构造为根据来自光接收器318的输出信号来确定多个干涉型光学传感器的参考距离314的变化，并且构造为确定所施加的力、所施加的转矩或局部温度变化中的至少一者。在一实施方式中，信号处理器320可以构造为根据来自光接收器318的输出信号来确定干涉型光学传感器的参考距离314的变化，并利用该变化来确定考虑到局部温度变化的情况下组织324施加于外科手术部段310的工具尖端322上的力。

传感器部段308中的干涉型光学传感器是诸如图3的上部示意图中描述的内置式法布里-珀罗传感器。然而，一个或更多个干涉型光学传感器可被构造为外置式法布里-珀罗传感器。这些传感器例如可被构造为与关于上述实施方式描述的内置式和外置式法布里-珀罗传感器相似。

外科手术工具系统300还包括沿着主体部段306的内部延伸至外科手术工具302的传感器部段308的多条光纤328。

在一些实施方式中，外科手术工具302可以是但不限于显微外科手术工具。在一些实施方式中，该显微外科手术工具可以是但不限于针、拾取器、手术刀、镊子、剪刀或套管针。

图8A是根据本发明的另一实施方式的外科手术工具系统400的示意图。外科手术工具系统400包括外科手术工具402以及光学耦接至外科手术工具402的干涉测量系统404。外科手术工具402包括主体部段406、传感器部段408以及外科手术部段410，至少一个传感器部段408附连至主体部段406或与主体部段406一体，至少一个外科手术部段410在传感器部段408的与所述主体部段406相对的端部412处附连至传感器部段408或与传感器部段408一体。传感器部段408包括限定相应的参考距离414的多个干涉型光学传感器，参考距离414响应于施加至外科手术工具402的外科手术部段408的力或转矩中的至少一者而变化。（注意，同样地，图8B对应于图8A中示出的剖切线。）在本示例中，沿圆周方向布置有四个法布里-珀罗干涉仪。然而，本发明的设想并不限于干涉仪的具体数量和布置。根据一些实施方式，可以存在一个、两个、三个或四个干涉仪，甚至更多。它们也可以布置为不同的图案，例如但不限于一个干涉仪位于中央，并且在周向上不布置干涉仪、布置一个、两个、三个或更多个干涉仪。然而，根据本发明的其他实施方式可以使用干涉仪的其它布置。

干涉测量系统404包括布置为将光发送至多个干涉型光学传感器的光发送器416、布置为检测从所述多个干涉型光学传感器返回的光从而提供输出信号的光接收器418、以及构造为与光接收器418通信以接收该输出信号的信号处理器420。光发送器416、光接收器418以及信号处理器420可以被包装在一起，或是单独的单件和/或分散的部件。该信号处理器可以是专用的、硬接线的装置和/或可编程的装置，例如但不限于电脑。信号处理器420构造为根据来自光接收器418的输出信号来确定多个干涉型光学传感器的参考距离414的变化，并且构造为确定所施加的力、所施加的转矩或局部温度变化中的至少一者。在一实施方式中，信号处理器420可以构造为根据来自光接收器418的输出信号来确定干涉型光学传感器的参考距离414的变化，并利用该变化来确定考虑到局部温度变化的情况下组织424施加于外科手术部段410的工具尖端422上的力。

传感器部段308中的干涉型光学传感器是诸如图3的上部示意图中描述的内置式法布里-珀罗传感器。然而，一个或更多个干涉型光学传感器可被构造为内置式法布里-珀罗传感器。这些传感器例如可被构造为与关于上述实施方式描述的内置式和外置式法布里-珀罗传感器相似。

外科手术工具系统400还包括沿着主体部段306的内部延伸至外科手术工具402的传感器部段408的多个光纤428。

在一些实施方式中，外科手术工具402可以是但不限于显微外科手术工具。在一些实施方式中，该显微外科手术工具可以是但不限于针、拾取器、手术刀、镊子、剪刀、或套管针。

根据本发明的多种实施方式的传感器部段可以包括柔顺部件，例如，该柔顺部件是包括弯曲部分的微加工管。在一些实施方式中，该微加工管可以由镍钛诺材料组成，但根据预期应用所需的刚度和其他操作特性也可以使用其他弹性材料代替。示例包括但不限于钢和钛。在一些实施方式中，该传感器部段还可以包括布置于微加工管的弯曲部分之间的间隙中的柔顺密封材料。该柔顺部段可以包括干涉型光学传感器的工作波长可透过的材料。根据本发明的一些实施方式的传感器部段还可以包括绕该柔顺部段附连以提供护罩的柔性膜状物。

现在，我们可以说明如图5和图6所示的简单的1-DOF轴向力感应工具的一些概念。在本示例中，小的柔顺部段放置于工具轴的远端部分上，并靠近于工具尖端的可以经受任意工具-组织的相互作用力的部分。为了简单起见，我们将假设该柔顺部段仅顺应沿平行于该工具轴线的方向施加于工具尖端的力。可以使用多种已知结构中的任意一种结构来提供柔顺部段。例如：

●弯曲结构可被蚀刻到或加工到显微外科手术工具轴的端部中。

●单独的柔顺材料（与工具轴的柔顺材料不同）可以被制成并附连至该工具轴的端部。这种材料的一个示例可以是聚合材料。

光纤向下通过该工具轴，从而使通过该光纤的光从与该工具的工具尖端部分（即，位于该柔顺部段的远端的部分）一起移动的反射表面反射并返回至该光纤中。在一些应用中，可能有必要使用本领域已知的标准手段在该光纤的远端上提供额外的参考反射表面。该柔顺部段被构造为使得光能够通过光纤至反射表面并再次返回。如果该柔顺部段具有通常的管的形式，可以容易地实现这点，从而在光纤与反射表面之间存在无障碍的路径。例如，图2B中的机加工的弯曲结构具有这种形式。可替代地，该柔顺结构可以由具有一致弹性性能的一些透明固体材料制成。如果这种材料的折射率与光纤的材料的折射率不同，那么需要将半反射镜添加到该光纤的端部。在又一种实施方式中，可能需要使用低刚度的透明柔顺材料填充诸如图2B中示出的弯曲式柔顺结构以排除污染。可替代地，可以使用适当的弹性护套覆盖该柔顺结构以实现防止污染的目的。

可以使用本领域已知的任意干涉测量方法[5，20]来测量反射表面响应于施加至该工具上的轴向力的力变化量Df_z的轴向位移变化量D_Z。在一个实施方式中，可以使用法布里-珀罗干涉测量仪[5，20，27]。在另一实施方式中，可以使用共用路径的光学相干层析成像（CPOCT）系统[28-30]。在这两种情况下，为了实现高敏感度，需要使用相敏测量装置。可以使用以下公式，从干涉图中提取法布里-珀罗干涉测量仪的相位：

因此给出了计算D_Z的另一种精确方法。

可以使用本领域中已知的任意的简便校准方法来确定使Δz和Δf_z相联系的柔量（compliance）C_z，从而可使用关系式Δf_z=C_zΔz而从具有高敏感度的测量值Δz中确定Δf_z。假设这个简单的模型，距离z=z₀+Δz对应于力f_z=f_z0+Δf_z=C_z×(z₀+Δz)。按照惯例，在通常使用中，通过测量对应于某“零”力f_z0=0的位移z₀使力传感器再次偏置，之后从z的测量值中减去z₀，即，我们采用公式Δz=z_meas-z₀以及f_z=C_zΔz。

这种基本设计可被扩展为提供多自由度的力和转矩的感应。考虑图7A和图8A中所示的工具设计。在这种情况下，柔顺工具部段放置于近端工具轴与工具的接触组织的远端部分之间。多个光纤沿近端工具轴通过并布置为使得光能够通过该光纤至与该工具的远端部分一起移动的反射表面，从而使光沿光纤向上被反射回该干涉测量系统内。图7A和图8A中示出了光纤的一种典型的布置。

为了方便起见，让 $\begin{array}{c}r\\ t\end{array}={[t_1,L,t_m]}^T$ 成为在该工具的远端部分上已知点处分解的力和转矩的矢量。让

成为反射表面与某假设的“零”转矩位置之间的测量位移的矢量，通常作为“再次偏置”步骤的结果进行测量。之后我们得到柔量关系式

和 $\begin{array}{c}r\\ t\end{array}=C_{\mathrm{mYd}}{D}_z^r,$ 其中，C=K⁺是K的适当伪逆。例如，假定工具尖端位于坐标[0,0,0]^T处，那么反射表面垂直于工具轴 $\left(\begin{array}{c}r\\ z\end{array}\right)$ 轴线，并且将四个光纤布置为使反射点位于:

$\begin{array}{c}r\\ x_A\end{array}=[0,r,h]$

$\begin{array}{c}r\\ x_B\end{array}=[0,-r,h]$

$\begin{array}{c}r\\ x_C\end{array}=[-r,0,h]$

$\begin{array}{c}r\\ x_D\end{array}=[r,0,h]$

假定我们假设仅笛卡尔力（非转矩）施加于工具尖端处。那么，我们可能得到微小位移的足够精确的第一近似值，在理想的情况下，

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{z}_A\\ \mathrm{\Δ}{z}_B\\ \mathrm{\Δ}{z}_C\\ \mathrm{\Δ}{z}_D\end{array}\right]\≈\left[\begin{array}{ccc}0& r{k}_y/h& k_z\\ 0& -r{k}_y/h& k_z\\ -r{k}_x/h& 0& k_z\\ r{k}_x/h& 0& k_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_x\\ f_y\\ f_z\end{array}\right]$

其中，k_x，k_y，k_z是有效弹簧常数。在适当的校准后，我们可以确定这些系数并计算出C。实际上，大多数校准方法将施加多种已知力 $\begin{array}{c}1\\ f^{\left(k\right)}\end{array}$ 并测量相应的位移矢量 $\begin{array}{c}1\\ z^{\left(k\right)}\end{array},$ 之后在数字上估计C。应当指出，上述公式仅意在说明。对矩阵K的要素没有特别的要求，除了要素是一致的并且伪逆C=K⁺是可计算的以外。不同的柔顺结构将产生不同的矩阵。

我们注意到，虽然这个示例假设光纤以及到反射器的光路被布置为平行于工具轴行进，但完全不需要这样。根据特定工具的设计要求，他们可能被布置为沿任意方向延伸并且相对于该工具具有任意位移。作为一般性的主张，该工具应当被设计为使得系统

和

可在数字上被良好地调节并且使所需力和转矩中的任一者产生相应的

的显著的测量值。

到目前为止，这种讨论忽略了手术仪器的热膨胀效应。通常，该工具的柔顺部段的温度变化ΔT可以引起Δz_j的测量值的变化，

${\mathrm{\Δ}}_Z^{\mathrm{\ρ}}={K_{\mathrm{comply}}}_{\mathrm{\τ}}^{\mathrm{\ρ}}+K_{\mathrm{temp}}\mathrm{\ΔT}$

其中，我们通常可以近似为

$K_{\mathrm{temp}}\≈\left[\begin{array}{ccccc}{k}_{\mathrm{temp},1}& & & & \\ & 0& & & \\ & & k_{\mathrm{temp},i}& & \\ & & & 0& \\ & & & & k_{\mathrm{temp},d}\end{array}\right]$

在许多情况下（例如，如果ΔT非常小或者如果在测量所需时间段上

温度效应可被忽略。可替代地，如果在该感应系统和柔顺结构设计中具有足够的冗余度以将由于温度变化导致的Δz的变化与由于待测量的力导致的变化分开，那么可以使用合适的校准步骤来估计K_comply和K_temp。

图9A至图9C更加详细地示出了与上述传感器相似的3-DOF的FP力传感器。在这种情况下，绕该工具轴设置有以120度的角度放置的三条光纤，因此提供了用于感应三个分力的最小构型。如果需要，可如图7A和图8A中所示那样容易地设置第四个光纤传感器，以便提供冗余度或温度补偿。或者，示出的绕该工具的侧面的三光纤的布置可增补有沿该工具的中央向下行进的第四光纤，如图10所示。可替代地，在存在温度补偿的情况下，可以使用这种三光纤构型来仅感应侧向力。

在这种情况下，柔顺部段由微加工的镍钛诺（镍钛合金）管构成。图11示出在1mN的轴向力下偏转的有限元模拟的几种概念。

图12示出了使用由具有一致弹性性能的透明塑料制成的圆筒代替金属弯曲部分的替代性解决方案。这种概念的优点包括：简单和成本低；更易清洁；强度和坚固性。

在其他实施方式中，不需要所有光纤都使用相同的感应方法。例如，在如图10所示的光纤的布置中，侧部光纤可以是附连于轴的侧面的FBG传感器，而中央光纤可以是在镜中看时位于工具轴与工具尖端之间的轴向柔顺部段的远端处的法布里-珀罗传感器。可以使用该FBG传感器来测量使轴弯曲的侧向力，可以使用该法布里-珀罗传感器测量压缩轴向柔顺部段的轴向力。

根据本发明的一些实施方式的外科手术工具和外科手术工具系统可被用于通过例如触觉、视觉和/或听觉反馈给外科医生提供反馈。

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在本说明书中示出和讨论的实施方式仅意图教导本领域的技术人员如何去制造并且使用本发明。在描述的本发明的实施方式中，为了清楚起见，使用了特定的术语。然而，本发明不意在局限于所选择的特定的术语。正如本领域技术人员根据上述教导将理解的，在不脱离本发明的情况下，可以修改或者改变上述的本发明的实施方式。因此要理解的是，可以在权利要求及其等同物的范围内，除了如具体地描述的那样之外，实施本发明。

Claims (30)

1.一种外科手术工具系统，包括：

外科手术工具；以及

干涉测量系统，所述干涉测量系统光学耦接至所述外科手术工具，

其中，所述外科手术工具包括：

主体部段；

传感器部段，至少一个所述传感器部段附连至所述主体部段或与所述主体部段一体；以及

外科手术部段，至少一个所述外科手术部段在所述传感器部段的与所述主体部段相对的端部处附连至所述传感器部段或与所述传感器部段一体，并且

所述传感器部段包括限定参考距离的干涉型光学传感器，所述参考距离响应施加于所述外科手术工具的所述外科手术部段的力或转矩中的至少一者而变化。

2.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，其中，所述干涉测量系统包括：

光发送器，所述光发送器布置为将光发送至所述干涉型光学传感器；

光接收器，所述光接收器布置为检测从所述干涉型光学传感器返回的光以提供输出信号；以及

信号处理器，所述信号处理器构造为与所述光接收器通信以接收所述输出信号。

3.根据权利要求2所述的外科手术工具系统，其中，所述信号处理器构造为根据来自所述光接收器的所述输出信号确定所述干涉型光学传感器的所述参考距离的变化，并且构造为确定所施加的力、所施加的转矩或局部温度变化中的至少一者。

4.根据权利要求2所述的外科手术工具系统，其中，所述信号处理器构造为根据来自所述光接收器的所述输出信号来确定所述干涉型光学传感器的所述参考距离的变化，并且构造为确定考虑到局部温度变化的情况下所施加的力。

5.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，其中，所述干涉型光学传感器的所述参考距离由固体材料的两个相对的表面限定，其中，所述两个相对的表面的每一个表面均是至少部分反射的表面，所述固体材料是能够响应于施加至所述外科手术部段的变化的力而被压缩并被拉长以提供所述参考距离的变化的柔顺固体材料。

6.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，其中，所述干涉型光学传感器的所述参考距离是由相应的固体材料的两个相对的表面限定的间隙，所述两个相对的表面是至少部分反射的表面，从而在所述两个相对的表面之间保留所述间隙，所述间隙由布置于所述主体部段与所述外科手术部段之间的柔顺材料进一步限定，使得所述柔顺材料能够响应于施加至所述外科手术部段的变化的力而被压缩并被拉长以提供保留在所述两个相对的表面之间的所述间隙的变化。

7.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，其中，所述传感器部段包括在一端附连至所述主体部段并且在相对端附连至所述外科手术部段的柔顺部件。

8.根据权利要求7所述的外科手术工具系统，其中，所述柔顺部件是包括弯曲部分的微加工管。

9.根据权利要求8所述的外科手术工具系统，其中，所述传感器部段还包括设置于所述微加工管的所述弯曲部分之间的间隙中的柔顺密封材料。

10.根据权利要求7所述的外科手术工具系统，其中，所述柔顺部段包括所述干涉型光学传感器的工作波长基本上可透过的材料。

11.根据权利要求7所述的外科手术工具系统，其中，所述传感器部段还包括绕所述柔顺部段附连以提供护罩的柔性膜状物。

12.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，其中，所述传感器部段还包括限定各自的参考距离的多个干涉型光学传感器，所述参考距离响应于施加至所述外科手术工具的所述外科手术部段的力或转矩、或所述外科手术工具的所述传感器部段的温度变化中的至少一者而变化。

13.根据权利要求12所述的外科手术工具系统，其中，所述信号处理器构造为确定所述多个干涉型光学传感器的所述参考距离的变化，并且构造为确定多个施加的分力或多个施加的转矩分量中的至少一者。

14.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，还包括沿所述主体部段的内部延伸至所述外科手术工具的所述传感器部段的光纤。

15.根据权利要求12所述的外科手术工具系统，还包括沿所述主体部段的内部延伸至所述外科手术工具的所述传感器部段的多个光纤。

16.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，还包括设置于所述主体部段中的光纤布拉格光栅传感器，所述光纤布拉格光栅传感器对所述外科手术工具的所述主体部段的至少一部分的弯曲度进行测量。

17.根据权利要求1所述的外科手术工具系统，其中，所述外科手术工具是显微外科手术工具。

18.根据权利要求9所述的外科手术工具系统，其中，所述微型外科手术工具是针、拾取器、手术刀、镊子、剪刀、或套管针中的一者。

19.一种外科手术工具，包括：

主体部段；

传感器部段，至少一个所述传感器部段附连至所述主体部段或与所述主体部段一体；以及

外科手术部段，至少一个所述外科手术部段在所述传感器部段的与所述主体部段相对的端部处附连至所述传感器部段或与所述传感器部段一体，

其中，所述传感器部段包括限定参考距离的干涉型光学传感器，所述参考距离响应于施加至所述外科手术工具的所述外科手术部段的力或转矩中的至少一者而变化。

20.根据权利要求19所述的外科手术工具，其中，所述参考距离由固体材料的两个相对的表面限定，其中，所述两个相对的表面的每一个表面均是至少部分反射的表面，所述固体材料是能够响应于施加至所述外科手术部段的变化的力而被压缩并被拉长以提供所述参考距离的变化的柔顺固体材料。

21.根据权利要求19所述的外科手术工具，其中，所述参考距离是由对应的固体材料的两个相对的表面限定的间隙，所述两个相对的表面是至少部分反射的表面，从而在所述两个相对的表面之间保留所述间隙，所述间隙由布置于所述主体部段与所述外科手术部段之间的柔顺材料进一步限定，使得所述柔顺材料能够响应于施加至所述外科手术部段的变化的力而被压缩并被拉长以提供保留在所述两个相对的表面之间的间隙的变化。

22.根据权利要求19所述的外科手术工具，其中，所述传感器部段包括在一端附连至所述主体部段而在相对端附连至所述外科手术部段的柔顺部件。

23.根据权利要求22所述的外科手术工具，其中，所述柔顺部件是包括弯曲部分的微加工管。

24.根据权利要求23所述的外科手术工具，其中，所述传感器部段还包括设置于所述微加工管的所述弯曲部分之间的间隙中的柔顺密封材料。

25.根据权利要求22所述的外科手术工具，其中，所述柔顺部段包括所述干涉型光学传感器的工作波长基本上可透过的材料。

26.根据权利要求22所述的外科手术工具，其中，所述传感器部段还包括绕所述柔顺部段附连以提供护罩的柔性膜状物。

27.根据权利要求19所述的外科手术工具，其中，所述传感器部段还包括限定各自的参考距离的多个干涉型光学传感器，所述参考距离响应于施加至所述外科手术工具的所述外科手术部段的力或转矩、或所述外科手术工具的所述传感器部段的温度变化中的至少一者而变化。

28.根据权利要求19所述的外科手术工具，还包括沿着所述主体部段的内部延伸至所述外科手术工具的所述传感器部段的光纤。

29.根据权利要求27所述的外科手术工具，还包括沿着所述主体部段的内部延伸至所述外科手术工具的所述传感器部段的多个光纤。

30.根据权利要求19所述的外科手术工具，还包括设置于所述主体部段中的光纤布拉格光栅传感器，所述光纤布拉格光栅传感器对所述外科手术工具的所述主体部段的至少一部分的弯曲度进行测量。

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