CN104244808A - 光学力传感器 - Google Patents

Abstract

一种力传感器(10)，包括两个结构构件(11、12)及多个光纤(13)，两个结构构件是间隔开的，从而限定两个结构构件之间的间隙(101)，并且两个结构构件连接至彼此，多个光纤固定至结构构件，且多个光纤自由地悬置在间隙中。光纤构造成响应于两个构件之间的在一个或多个预定自由度中的相对位置中的变化而提供能检测的光学特性中的变化。所述多个光纤(13)中的每个均固定至两个结构构件并且在所述构件之间是连续的，以使两个结构构件连接至彼此。多个光纤基本上是在两个结构构件(11、12)之间形成连接的仅有的结构，使得多个光纤的布置基本上限定两个结构构件之间的连接在一个或多个预定自由度中的硬度，该硬度主要地，诸如至少95％，由多个光纤确定。

Description

光学力传感器

本发明涉及一种力传感器，该力传感器能够根据一个或多个方向测量施加于其上的力和/或力矩。使用光纤，当力作用在传感器上时，这些光纤张紧且这些光纤构造成响应于张力而提供可检测光学特性上的变化。特别地，根据本发明的力传感器构造成在微创手术中使用，诸如用于测量作用于导管的远端处的力。

现在，外科手术的趋势是在患者体内以微创的方式进行操作，以便减少外伤和可能的并发症。在胃肠病学中，内窥镜的使用允许外科医生在消化系统内部使用一组医疗工具(刀、针等)进行工作。

当使用内窥镜时，操纵驱动任何医疗工具的导管会受到寄生力的作用，诸如导管与内窥镜之间的摩擦力、由于导管及医疗工具本体的曲率的改变而引起的弹力。因此，外科医生通过导管感觉到的力并不是由工具在患者身体上施加的力。因此，需要一种测力系统，以便反馈由医疗工具在患者身体上施加的力。这需要在工具上尽可能远地测量该力。

为了这个目的，从WO 2009/007857中已知一种力传感器，该力传感器包括两个基部部分以及三个一组的应变感测(应变传感)元件，该两个基部部分通过一个或多个隔开构件间隔开。应变感测元件可包括密封在基部部分中的光纤，并且限定光纤的传输部分与接收元件之间的干涉间隙，该干涉间隙可用作非本征型法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(光纤不被压迫)。

隔开构件可采用不同的形状并用于基部部分之间的(弱)连接的目的，使得当力作用在基部部分中的一个上时，改变干涉间隙并可执行测量。隔开构件所具有的热膨胀系数与应变感测元件的热膨胀系数类似，以使对于整体温度变化的测量不敏感，并且该隔开构件可由相同的材料制成。然而，提供与光纤相同或相似材料且具有期望形状的隔开构件可能是困难和/或昂贵的。

与图17至图21相关，WO 2010/079418描述了上文类型的另一种力传感器，该力传感器包括由通过弯曲部分而彼此连接的段所限定的结构构件，该弯曲部分在结构构件中限定间隙的串联布置。多个光纤附接至这些段，并且该多个光纤包括法布里-珀罗应变传感器或布拉格光栅应变传感器，以测量这些段之间的距离的变化。当结构构件通过作用于其上的力而变形时，光纤被张紧，这可通过改变反射光的波长的应变传感器来感测。

这种力传感器所具有的优点为其可制造成非常小，具有几毫米数量级的代表性尺寸，使得这种力传感器可包含在导管的远端处并且在没有任何问题的前提下插入穿过内窥镜的内腔。

然而，一个缺点在于，光纤相对于每个光纤的结构构件具有不同的杆臂，这会使力测量变得复杂。此外，传感器具有受限的尺寸，小于该受限的尺寸，则结构构件不存在合适的硬度以在微创手术中测量一般的力。

上文的力传感器的另一个缺点在于，考虑到小尺寸，这些力传感器相对难以制造，并因此其制造是昂贵的。

因此，本发明的一个目的是提供一种在微创手术中使用的力传感器，该力传感器克服了现有技术的力传感器的缺点。

特别地，本发明的一个目的是提供一种上文的类型的力传感器，该力传感器在多个预定的自由度中非常灵敏。

本发明的一个目的是提供一种上文的类型的力传感器，该力传感器具有简单的结构且易于制造并因此是成本有效的。

本发明的一个目的是提供一种上文的类型的力传感器，该力传感器的结构构件的所需硬度基本上不会限制该传感器的总尺寸。

根据本发明，因此提供了一种如在所附权利要求中陈述的力传感器。本发明的力传感器包括两个结构构件以及多个光纤。结构构件是间隔开的，从而在结构构件之间限定间隙，并且结构构件连接至彼此。该多个光纤固定至结构构件，并且该多个光纤自由地悬置在结构构件之间的间隙中。该光纤中的至少两个构造成响应于两个结构构件之间的在一个或多个预定自由度中的相对位置中的变化而提供能检测的光学特性中的变化。

根据本发明的一个方面，所述多个光纤中的每个均固定至两个结构构件，并且所述多个光纤中的每个在结构构件之间是连续的，以使两个结构构件连接至彼此。固定至两个结构构件且桥接两个结构构件之间的间隙的光纤有利地至少有三个(有利地，至少有四个)。根据本发明的另一方面，该多个光纤基本上是在两个结构构件之间形成连接的仅有的结构。这意味着，该多个光纤的组件(即，自由悬置部的数量、布置、尺寸和长度)基本上限定两个结构构件之间的连接在一个或多个预定自由度中的硬度，该硬度主要地，诸如至少95％，由该多个光纤来确定。

因此，与现有技术(其中，结构构件通过除了光纤之外的其他装置而附接至彼此)不同，在本发明的力传感器中，光纤不仅确定结构构件之间的连接的硬度而且用于执行测量。因此，减小了力传感器的结构复杂性并由此降低了成本，然而可提高测量精度。

在从属权利要求中阐述了本发明的其他有利方面。

现将参考附图更详细地描述本发明的各方面，在附图中：

图1示出了根据本发明的力传感器的立体图；

图2示出了图1中的力传感器的结构构件；

图3示出了流体输送导管的端部处的中空针的组件的立体图，图1中的力传感器安装至该流体输送导管；

图4示出了根据本发明的力传感器的另一实施方式的立体图；

图5A示出了根据本发明的力传感器的又一实施方式的立体图；图5B示意性地示出了施加于传感器(工具)的末端上的力以及出现在图5A中的力传感器内的弯矩(bending moment)；

图6示出了根据本发明的力传感器的又一实施方式的具有局部截面的立体图；

图7示出了根据本发明的力传感器的透视图，该力传感器与图1中的传感器相比在构造上稍有改变；

图8A示出了根据本发明的力传感器的另一实施方式的分解图；图8B示出了图7中所组装的力传感器的立体图；

图9示出了用于操作根据本发明的力传感器的光纤的方案；

图10示出了用于针对图3的情况评估结构构件之间的连接的硬度的方案。

图1示出了根据本发明的所组装的力传感器。力传感器10包括(至少)两个单独的且间隔开的构件11和12。构件11与构件12之间的间距限定二者之间的间隙101。有利地，构件11与构件12仅通过多个光纤13而保持在一距离处，该多个光纤在构件11与构件12之间延伸并由此桥接间隙101。每个光纤13均固定至两个结构构件11和12，并且每个光纤均自由地悬置在该两个结构构件之间。

构件11和12用于结构目的，这是因为力将作用在这些构件中的一个上。这些构件有利地设计成理想刚性的，这样使得这些构件在传感器10设计成测量的力的范围下基本上不变形。根据本发明，作用在构件11、12中的一个上的力将在这两个结构构件11与12之间产生相对位移。因为光纤固定至两个构件11和12，所以该位移将使光纤13在与构件11和12的附接点之间张紧。通过在那些附接点之间的光纤13中或沿着这些光纤提供应变检测装置，则可进行可与力相关的应变测量。

因此，为了在力测量中提供高精确度，构件11和12有利地制造成与几何约束所允许的一样的刚性。

根据本发明，只有光纤13在两个构件11与12之间提供实质的连接。有利地，结构构件之间的间隙101沿着结构构件11和12的整个周边延伸，或者换句话说，构件11、12贯穿其(重叠的)截面区域而间隔开。应及时指出的是，这可仅应用于那些自由度，传感器沿着那些自由度构造以执行测量。根据本发明的力传感器可构造成沿着或围绕一些但并非所有的运动轴线而测量力。此外，可在构件11与构件12之间提供适当的机械约束，以用于防止结构元件之间沿着或围绕那些将传感器不构造成用于执行测量的轴线而产生的相对变形。因此，根据本发明的力传感器可具有小于六个自由度，并且不可将力测量构造成用于所有自由度。

传感器在测量方向上的整体刚度主要地且有利地为基本完全地归因于光纤13。因此，可制造这样的力传感器，该力传感器可为非常灵敏的，并且该力传感器可提供非常精确的测量。此外，不提供特别弱的或可变形的结构，这样使得本发明的传感器具有简单的构造并因此易于制造。

因此，根据本发明，光纤13的自由悬置部在构件11与构件12之间的长度131连同光纤13的数量、尺寸和布置一起，将在很大程度上确定力传感器的两个构件11与12之间的连接在那些自由度中的刚度，力传感器设计成根据那些自由度测量力。构件11与12之间的连接沿着构造用于力测量的那些自由度的刚度主要地(并且有利地至少95％，有利地至少97.5％，有利地至少99％，有利地至少99.9％)由光纤13的布置所确定。上文的刚度与两个构件11与12之间的连接的硬度相关。

固定至两个结构构件11，12且在其之间连续延伸的光纤13的数量至少是两个，有利地至少是三个，有利地至少是四个。

为了避免两个构件11与12之间的连接过弱，光纤13的数量、尺寸和布置应选择成使得，在传感器的力的可操作范围内，光纤基本上不偏转并且不会出现光纤的翘曲。可能提供具有保护结构的一个或两个构件，以用于防止光纤过度变形(弯曲，翘曲)，甚至防止在误用或过大的力的情况下出现破裂。

因此，构件11和12有利地为刚性的并且可采用任何形状。有利地，如图2所示，这些构件包括柱形外表面121，该柱形外表面设置有可能轴向的凹槽122，光纤配合在凹槽中，并且其中这些光纤是固定的。其他附接光纤的方式，诸如通过将该光纤密封在构件中的孔中、通过夹紧等也是可能的。

构件11、12可由任意适于期望用途的的材料制成，例如，生物相容材料：聚合物、金属或陶瓷。这些构件可通过传统的机加工、激光加工、显微注射、放电加工、化学加工、快速成型、挤出等方式来制造。

当在图1所示的构造中使用时，构件11将是最远的一个构件并且其可布置成连接至医疗工具(诸如针、刀等)，待测量的作用力位于该医疗工具上。构件12进而将是最近的一个构件并且其可布置成连接至连接体，以用于对例如内窥镜组件的近端提供连接。

取决于应用，构件11、12可呈现特定的特征(诸如孔、凹口等)，以便实现特殊功能。通过实例的方式，图1至图2中的构件11、12设置有同轴的通孔123，这些通孔布置成用于通过近端与医疗工具(组件的远端)之间的管或其他管道。该管可用于注射流体和/或用于使线缆穿过。

根据本发明，光纤13在构件11、12之间延伸，并且该光纤固定至这两个构件。可用本领域内已知的任何装置来进行固定，诸如焊接头、粘合剂、环氧树脂密封件、夹具和螺纹件、卡扣等等。有利地，光纤13在近端构件12的近端侧124处进一步延伸，这可允许将光纤13连接至控制单元，以用于如本领域内已知的通过光纤发送和接收光。

多个以及可能所有光纤13构造成响应于自由悬置部分131中的应变的变化而提供可检测光学特性的变化。在能够转换可检测光学信号中的应变的光纤中或在该光纤处的任何设备或装置132(在下文中被称为光学应变检测装置)能够在本发明中使用。通过实例的方式，这种光学应变检测装置可为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、本征型法布里珀罗干涉仪、迈克尔逊干涉仪、布里渊散射以及强度干涉仪中的一个或组合。多个这种光学应变检测装置可设置在单个光纤上的相同或不同位置处。为了增强传感器输出，不同的光纤可设置有不同的上述装置。可能地，应变检测装置可构造成利用结构慢/快光、非线性相移增强或光的无序传播。

有利地，力传感器10包括在光纤的应变检测中的冗余信息。因此，力传感器10优选地包括装配有应变检测装置132的多个光纤13，这样使得对于将传感器10构造用于测量力的每个自由度而言，至少两个(有利地至少三个)光纤13提供响应。有利地，对于将传感器10构造用于测量力的每个自由度而言，根据本发明的力传感器包括与在技术上所需的用于执行力测量的最小数量相比更多的具有应变检测装置132的光纤13，该光纤有利地至少多于一个，有利地至少多于两个。将方便地指出，一些光纤13可用于根据多个自由度的力测量。

因此，根据待测量力的一自由度的两个构件11与12之间的每个相对位移将有利地引起至少两个(优选地至少三个，优选地至少四个)光纤13中的可检测的变化。这会引起所有光纤中的可检测的变化。

本发明的力传感器可设计成根据平移自由度和旋转自由度两者执行力测量。有利地，根据本发明的力传感器构造成用于至少在沿着两个结构构件之间的公共轴线14(中央线)的方向上执行力测量，对应于沿着轴线14的平移自由度。

可能地，尽管不是必须地，光纤13布置成平行于传感器10的轴向定向。这些光纤有利地以规则的间隔设置，诸如设置在等边多边形的顶点处。

传感器的轴向定向对应于两个构件11、12的公共轴线14，在一般情况下，该传感器的轴向定向对应于近端-远端定向。

通过实例的方式，图1示出了力传感器10，该力传感器包括八个平行的光纤13，这些光纤沿着传感器10的轴线14定向，并且这些光纤规则地布置在八边形的顶点处。这些光纤13的至少一部分(有利地为这些光纤的全部)可包括应变检测装置132，该应变检测装置构造成如上文指出地响应于光纤的自由悬置部分的应变而提供可检测光学特性的变化。

在根据本发明的传感器中可使用多种类型的光纤，诸如单模式和多模式二氧化硅和聚合物光纤、偏振保持光纤、光子晶体光纤、微结构光纤或甚至硫族化物光纤。这些光纤可包括如本领域内已知的芯部以及可能的保护壳。

如将说明的，两个构件11与12之间的连接可能不通过光纤13而存在，诸如通过穿过两个构件的开口123并附接至该两个构件的管子。然而，这种连接应是足够弹性的，这样使得构件11与构件12之间沿着构造成用于力测量的那些自由度的连接的刚度基本上不受影响并保持主要归因于如上文指出的光纤。

因此，应根据传感器的规格来选择自由悬置部分131的长度、悬置在构件之间的光纤的尺寸和数量以及该光纤的布置。

有利地，(在光纤与构件的附接位置之间测量的)自由悬置部分131的长度为至少1mm，可能为至少2mm。自由悬置部分131的所述长度有利地小于或等于15mm，有利地小于或等于10mm，有利地小于或等于8mm。有利地，光纤13在结构构件11与结构构件12之间具有大约相同的自由悬置长度。有利地，光纤13的自由悬置部的长度出现在沿着传感器10的轴线14的相同位置处，即，沿着轴线有利地不存在光纤的改变，这样使得对于所有光纤而言受力的杆臂是大约相同的。

本发明的力传感器有利地具有使其适于在微创手术中使用的整体尺寸。

有利地，光纤13不是预张紧的。

如图9所示的系统90可用于操作传感器并在光纤中执行测量。对设置有光学应变检测装置132的一个光纤13(诸如光纤布拉格光栅)给出方案，但该方案可容易地外推用于对传感器的所有光纤。光纤13连接至通过光纤发光的光源91(诸如激光器)，所发出的光在布拉格光栅132中反射。输出耦接器92沿着光纤路径布置，并且该耦接器使反射的光束921偏离。偏离的光束921穿过分束器93，从而将光束921分成两个部分。第一部分922穿过线性滤波器94，该线性滤波器降低发光强度(振幅，线性取决于光束922的波长)。第二部分923保持不被过滤，并且该第二部分用作光束921的能量含量的参考。光束922和923两者随后都穿过对应的光检测器95和96，这些光检测器输出电压信号V1和V2，这些电压信号分别是光束强度的线性函数。随后，可通过数据获取装置97来获得电压信号，以用于进一步处理。光纤13的应变将与比率V1/V2成比例。将方便地指出，可用如本领域内已知的其他系统来测量光纤13的应变。

本发明的力传感器可包含温度补偿系统。可提供一个或多个额外的光纤(未示出)，其仅附接至构件中的一个(通常是最近的一个)而不是两个。因此，额外的光纤不构造成当传感器受力时而张紧。然而，该额外的光纤可设置有相同的光学应变检测装置，该光学应变检测装置的输出将随着温度而变化。输出的这个变化可用于由张紧的光纤所提供的输出的温度补偿。可替换地，用于力测量的一个或多个光纤13可在这样的位置处设置有光学应变检测装置，在这些位置处，当力作用在传感器上时该光纤不张紧，诸如在最近的构件12的近端124(的近侧)处或上方。

通过考虑下文的理论因素，可用根据本发明的力传感器来执行测量。作用在传感器(的构件)上的力被传送至光纤，因此使该光纤在轴向方向上张紧。基本上，对于处于拉伸中的一个光纤而言，可具有以下关系：

$\mathrm{Fn}=\mathrm{\ϵSE}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\mathrm{SE}$

其中，Fn是施加在光纤的一部分的末端处的法向力，S是光纤的截面，E是光纤的杨氏模量，ε是光纤的应变，L是光纤的自由悬置部分的长度，以及ΔL是长度的变化。

光纤的硬度定义为：

$k=\frac{\mathrm{Fn}}{\mathrm{\ΔL}}=\frac{\mathrm{SE}}{L}$

根据力传感器的每个自由度来考虑这种硬度。可从考虑光纤数量及其布置等等的一组复杂的这种基本关系来估计每个光纤。

可从包括在每个光纤中的应力来计算根据每个自由度的力。可基于光学特性的变化来计算这些应力，该光学特性响应于与应力对应的应变。通过实例的方式，对于设置在光纤的自由悬置部分中的光纤布拉格光栅而言，光纤的伸长与波长改变成比例：ΔL＝κΔλ，其中，κ是恒定比率，并且Δλ是波长改变。因此，施加于光纤上的法向力是：Fn＝kκΔλ。

构造成响应于自由悬置部分(被称为感测光纤)中的应变而提供光学特性变化的光纤的数量至少等于(有利地，大于)待计算的力和弯矩的数量。提供过量的感测光纤将是有利的，其可提供冗余的信息，并产生更稳定且更精确的测量。

可替换地或另外，过量的光纤有利地用于增加构件11、12之间的连接的硬度。

考虑所有六个自由度，作用于传感器上的这组力可表示为根据三个正交轴线(具有定向在传感器的轴向方向上的轴线z以及两个垂直的轴线x和y)的三个力以及通过形成作用于每个光纤上的法向力线性组合而获得的三个弯矩。考虑n个光纤的构造，用以下等式来重新得到力：

$\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ M_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{a}_{x1}& ...& a_{\mathrm{xi}}& ...& a_{\mathrm{xn}}\\ a_{y1}& ...& a_{\mathrm{yi}}& ...& a_{\mathrm{yn}}\\ a_{z1}& ...& a_{\mathrm{zi}}& ...& a_{\mathrm{zn}}\\ b_{x1}& ...& b_{\mathrm{xi}}& ...& b_{\mathrm{xn}}\\ b_{y1}& ...& b_{\mathrm{yi}}& ...& b_{\mathrm{yn}}\\ b_{z1}& ...& b_{\mathrm{zi}}& ...& b_{\mathrm{zn}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{k}_1{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ .\\ .\\ .\\ k_i{\mathrm{\κ}}_i{\mathrm{\Δ\λ}}_i\\ .\\ .\\ .\\ k_n{\mathrm{\κ}}_n\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_n\end{array}\right)$

可从来自结构力学的分析定律中或通过有限元方法来估计系数a_ij和b_ij。实验校准可用于确定这些系数。

根据本发明的传感器有利地使用在设计成对外科医生提供力的反馈(或任何其他可能相关的反馈，诸如位移)的组件中。这可以许多种方式来实现，包括但不限于视觉方式、通过光或声信号、通过使力重构的触觉感觉等等。由本发明的力传感器测量的力可例如通过提供如在本领域内已知的滤波器、放大器等而被预处理。

可通过使根据本发明的传感器耦接至位置编码器来改进所测量的力的分析，特别是改进力的突然变化的分析，诸如当针穿透组织时，该位置编码器例如测量导管与内窥镜或其他装置之间的相对运动，其中，传感器固定至该导管，并且该导管相对于该内窥镜或其他装置移动。参考上文的情况，可通过这样的事实来识别穿透组织的针，该事实为力水平的突然变化通过如由位置编码器读取的恒定位置所伴随。相反，可通过由位置变化所伴随的力水平的突然变化而识别冲击。因此，所提供的位置编码器允许在不同的情况之间进行区分。

还可能使用自动反馈回路中的传感器输出和编码器的位置信息，以便自动地调节导管相对于内窥镜或任何其他参考物的位置。装配有人机接口的控制单元在导管的运动控制中可包括力反馈回路，该人机接口使外科医生能够控制导管的(机动)前进。

可使用根据本发明的力传感器的医疗应用的一个实例是将液体聚合物插入胃部在贲门附近的外肌层中以减少反胃。根据本发明的力传感器可用于测量力水平的突然变化，从而在插入针期间检测多个组织层之间的转换，这样使得可确定针到达正确的组织层。

图3中示出了力传感器10的一个实现实施方式，该图示出了组件30，该组件包括连接至流体输送管32的中空针31。组件30可构造成在内窥镜显微外科手术中使用，诸如用于如上文描述地将液体注入外肌层中。

可使用根据本发明的力传感器的另一种可能的应用是使用活检针(抽吸针)。在管与针之间设置根据本发明的力传感器允许在健康组织、病毒转移瘤以及肿瘤之间进行区分。

又一种可能的应用是内镜下黏膜剥离术(ESD)，在该手术中切割位于黏膜平面中的肿瘤。通过由切割子黏膜组织使该黏膜平面与下层黏膜平面分开而实施这种切割。在定位肿瘤之后，在(健康组织中的)肿瘤位置周围施加标记。在标记位置处，将生理血清或透明质酸诸如通过针组件30而注射到子黏膜组织中。这在子黏膜组织中产生液体袋，使肿瘤位置从黏膜平面升高并分离。这允许在肿瘤位置周围执行轮廓清楚的切割而不损害黏膜平面。根据本发明的力传感器10可在切割组件中使用，以用于当执行切割时定位正确的组织。这是可能的，因为不同的组织层具有不同的弹性，使得力水平变化出现在组织层之间的界面处。

在针组件30中，力传感器10安装在针31与流体输送管32之间的界面处。远端构件11固定至针31。在本实例中，远端构件11包括适当地配合在针31周围的中央通孔123。

近端构件12固定至流体输送管32的远端。中央通孔123同样地设置在近端构件12中，以用于配合在管道32周围。弹性连接件33设置在针31与管32之间，以便保证水密性。连接件33相应地布置在远端构件11与近端构件12之间。如可从图3中看到的，光纤13围绕连接件33而布置。

根据本发明，构件11和12之间的连接的刚度(硬度)主要归因于固定至构件11和12两者的光纤13。因此，连接件33和管道32制造成适当地弹性的，以便不与在光纤上实现的应变测量产生干涉。如以下参考图10，可对弹性连接件33对构件11与12之间用于轴向载荷的连接的硬度的贡献做出评估。构件11与12之间的连接一方面由光纤13的组件形成，另一方面由管32、弹性连接件33以及针31之间的连接形成。对于小变形而言，根据等式F＝kΔx，可将这两种连接类型模型化为两个线性弹簧系统，其中，F是作用在系统上的力，k是硬度，并且Δx是位移。对于同时有利于连接的硬度的n个光纤13的组件而言，合成等式是：F＝nk_fΔx，其中，n是光纤的数量，并且k_f是一个光纤的硬度。相反，在针31、管32以及连接件33的组件中，不同组成的弹簧系统如图10所示串联地布置。为了简单而考虑这样的情况，其中，连接件33与管32一体形成，并因此由与该管相同的材料制成，并且该连接件具有相同的截面面积。因此，二者可被认为是具有位于构件12与针31之间的部分的一个单个物品，该部分具有合成硬度k_t。已知串联的两个弹簧的合成硬度k_nt可写成：

$k_{\mathrm{nt}}=\frac{k_n{k}_t}{k_n+k_t}$

其中，刚度k_n是针部分31在构件11与连接件33之间的硬度。可想到，结构的硬度k可基于该结构的几何形状和杨氏模量而计算为k＝SE/L，其中，S是截面面积，E是杨氏模量，并且L是该结构的长度。假设针31和管32具有相同的截面面积S，且针由金属(诸如不锈钢)制成，而且管由弹性材料(诸如聚氨酯)制成，则与管的材料相比，针材料将具有大不止上千倍的杨氏模量。在这种情况下，k_n>>k_t并且k_nt可近似于k_t。

参考图10，光纤13与针31以及管道32与连接件33的两个弹簧系统同时作用，以承受作用在针31上并由此作用在构件11上的力F，并且由于力F，这两者均经历构件11与12之间的相同的位移Δx。构件11与12之间的连接的总硬度因此为K＝nk_f+knt，并且光纤对连接的总硬度的贡献等于ρ_f＝nk_f/K。

通过实例的方式，考虑构件11和12间隔开3mm并且具有1.1mm直径的内孔的情况，其中，针31和管32附接至这些内孔。连接件33与管32一体形成。针31伸入结构构件11与12之间的间隙2mm；剩余部分通过管32(以及连接件33)桥接。针31和管32两者都是中空的，该针和该管具有0.8mm直径的内孔。针由不锈钢制成，而管和连接件由聚氨酯(E＝100MPa)制成。因此，硬度k_nt可近似于管道部分的硬度k_t。总共八个光纤围绕构件11和12而布置。一个光纤13的硬度可计算为大约k_f＝1600N/mm。管32具有的截面面积(固体材料)S＝1.79mm²。基于以上数据可获得：k_nt≈k_t＝179N/mm。

连接的总硬度是K＝8k_f+k_nt＝12979N/mm。因此，光纤对连接的总硬度的贡献等于：ρ_f＝8k_f/K＝0.986或98.6％。

在近端构件12的近端处，光纤13朝向如图9所示的测量获取系统90进一步延伸。缠绕管32及光纤13的保护壳34可设置在近端构件12的近端处。

根据本发明的传感器的一个优点是测量不受体液影响，使得原则上不需要保护力传感器不受环境的影响。然而，将方便的是，将力传感器10封装在柔性袋中，以便防止任何伸出部可能伤害身体。

在一个典型应用中，本发明的传感器构造成测量的力的范围在大约0N至大约10N之间。

图4示出了根据本发明的另一力传感器40。与力传感器10(其中，所有光纤13在轴向方向上是平行的)不同，力传感器40包括与传感器的轴线44倾斜地布置的光纤45。结构构件41和42通过间隙401间隔开，并且光纤45桥接间隙401，且该光纤固定至结构构件41和42两者。光纤45可设置有布置于构件41与42之间的光学应变检测装置432。

倾斜布置的光纤45的一个优点是还可测量横向地作用于传感器40(即，横向于近端-远端方向)的力，当仅使用轴向平行的光纤时并不总是(或至少较少)这种情况。光纤的倾斜定向允许横向力在光纤中产生法向应变。轴线44与倾斜光纤之间的角度(在平行于轴线44的平面上的投影中)有利地是至少10°，有利地为至少15°。所述角度有利地为至多45°，有利地为至多40°。

本发明的力传感器可包括倾斜布置的光纤与平行布置的光纤的组合。

结构构件41、42中的分别接收光纤45的凹槽412、422平行地延伸，并且这些凹槽与倾斜光纤45对准，因此这些凹槽也倾斜地定向。

在图5中示出了另一种能有效地测量横向力而不需要必须使光纤相对于传感器的轴线倾斜地定向的可能性。力传感器50包括结构构件11和12，如在图1中所示的力传感器10。结构构件11是最远的一个构件并且构造成用于附接至远端医疗工具。结构构件12是最近的一个构件并且构造成用于附接至近端连接结构，诸如内腔管。光纤13连续地延伸以横跨结构构件11与结构构件12之间的距离，并且该光纤固定至两个结构构件，例如，固定在凹槽122中。

力传感器50与传感器10的不同之处在于，第三结构构件55介于两个其他结构构件11与12之间。结构构件55可具有与任一个或两个结构构件11和12相同的形状和结构。光纤13也固定至第三结构构件55，诸如固定在凹槽552中。因此，第三结构构件55连同光纤13一起有利地在两个外结构构件11与12之间形成自由悬置结构，这意味着第三构件55有利地既不附接至医疗工具也不附接至近端结构。

构件55有利地仅附接至光纤13。该构件将光纤13的在构件11与构件12之间的横跨部分成两个部分，即，远端部分56和近端部分57。在两个部分56和57中，光纤13自由地悬置。

光纤13设置有光学应变检测装置132，光学应变检测装置构造成用于精确地测量两个部分56和57中的应变。在图5A的实例中，光纤13被分成第一光纤531和第二光纤532，该第一光纤在远端部分56(而不是近端部分57)中或沿着该远端部分设置有光学应变检测装置132，该第二光纤在近端部分57(而不是远端部分56)中或沿着该近端部分设置有光学应变检测装置132。在这种情况下，也不需要必须将所有光纤13固定至所有三个结构构件11、12和55。第一光纤531可固定至两个最远的结构构件11和55，而不固定至近端构件12。类似地，第二光纤532可固定至两个最近的结构构件12和55，而不固定至远端构件11。第二光纤甚至可不从插入的结构构件55向远端延伸。然而，在远端部分56和近端部分57两者中具有大约相等的刚度可能是有利的，使得固定至两个最远的结构构件11和55的光纤13的数量等于固定至两个最近的结构构件12和55的光纤13的数量。因此，所有光纤13固定至所有三个结构构件11、12和55是有利的。

在又一可替换的实施方式中，光纤13可在远端部分56和近端部分57两者中设置有光学应变检测装置132。然而，这种构造将需要信号差异并且这种构造导致稍微更复杂的系统。在这个情况下，光纤需要固定至所有三个结构构件11、12和55。

将方便地指出，在三个构件的实例中，光纤13有利地与传感器的轴线平行地定向。

现将在图5B的帮助下解释力传感器50的操作原理，该附图示意性地示出了力传感器50，医疗工具(诸如针51)安装在该力传感器上。可基于在两个部分56和57中的光纤13中测量的应变而计算作用在针51上的横向力F。认为光纤的远端部分56和近端部分57是整体结构(诸如束)则可根据弹性理论构造沿着传感器的弯矩图。在光纤13的远端部分56中的光学应变检测装置132的位置处的弯矩M₁和在光纤13的近端部分57中的光学应变检测装置的位置处的弯矩M₂相对于F而与杆臂l和l+d成比例，这些杆臂分别位于F的发生点与远端部分56和近端部分57中的光学应变检测装置132的位置之间。可基于在悬置部分56和57两者中的不同的光纤13中测量的应变(差值)而计算M₁和M₂。当认为F是作用在沿着医疗工具的预定位置(例如，在其长度的一半处)上的合力时，可用以下公式计算F：

M₁＝Fl

M₂＝F(l+d)

从其中可推导出：

M₂-M₁＝Fd

$F=\frac{M_2-M_1}{d}$

图6中示出了根据本发明的又一力传感器60，其中，近端构件62包括近端622和中空柱体状或管状伸出部621，该伸出部从近端622向远端延伸以包绕远端构件61，使得远端构件61位于中空伸出部621的内部。

此外，近端构件62可包括通孔623，通过该通孔可从近端侧到达远端构件61。

光纤63在远端构件61与近端构件62的近端622之间延伸，并且这些光纤固定至该远端构件和近端。在这种实施方式的前提下，医疗工具可固定在近端构件62的伸出部621的远端处，并且导管或其他连接装置可固定至远端构件61同时自由地穿过孔623，从而使得光纤受到拉伸而不是压缩。这所具有的优点为当力将过高时不存在光纤翘曲的风险。因此，这种力传感器是比前文描述的力传感器更坚固的力传感器。

传感器60的另一优点是光纤63的位于远端构件61与近端构件62的近端622之间的远端被柱体状伸出部621保护。

因此，根据本发明的力传感器中的光纤布置成使得当待测量的力作用在传感器上时光纤基本上不弯曲或偏转。换句话说，用于力测量的光纤有利地这样布置，而使得这些光纤仅在沿着传感器构造成用于测量的自由度作用的力的拉伸下受载。

图7所示的力传感器70包括与图1的传感器10相比稍微修改的构造。结构构件71和72分别包括类似的轴向凹槽712、722以用于接收光纤73。然而，凹槽712、722分别终止在被光纤73穿过的孔715、725中的任一端或两端处。孔715、725有利地延伸穿过对应的构件71、72，并且这些孔与凹槽712、722对准。这个解决方案允许在组装至结构构件71、72的过程中容易地将光纤保持就位，而不需要任何夹紧工具。实际上，为了组装力传感器70，将光纤插入并通过孔725和715，这样使得光纤沿着凹槽722、712延伸。然后，在凹槽中施加粘合剂以将光纤固定至结构构件。然后，使粘合剂固化。孔715和725会防止光纤从凹槽滑出。

在根据本发明的力传感器中，有利地，近端构件和远端构件中的任一个或两者可包括机械限制器，以便限制两个构件之间的相对位移，并因此在极端负载或误用的情况下保护光纤。该机械限制器可由从一个构件朝向另一个构件的伸出部形成，并且在正常情况下与该另一个构件间隔开，以仅在过大的相对位移的情况下与该另一个构件接合。

图8A至图8B中示出了上文类型的力传感器的一个实例。力传感器80包括仅两个光纤83，这些光纤在两个结构构件81和82之间延伸，并且这些光纤沿着在构件81与构件82之间延伸的自由悬置部分而设置有光学应变检测装置832。光纤83固定在分别延伸穿过结构构件81、82的孔815、825中。在仅两个光纤83的前提下，力传感器80将能够测量仅沿着轴向方向84和围绕轴线85作用的力或力分量。

为了减小当受到沿着或围绕轴线85和86作用的力时光纤83翘曲的风险，如下所述，机械引导件设置在结构构件之间。力传感器80的两个结构构件81、82中的一个(在图8A至图8B的实例中是最远的一个构件81)包括朝向另一个构件(最近的一个构件82)延伸的伸出部816，该另一个构件设置有接收伸出部816的孔826。伸出部816和孔826有利地布置在接收光纤的孔815、825之间。孔826所具有的深度使得当组装传感器时伸出部816不会延伸直至孔826的底部，但伸出部816的伸出端817保持从孔826的底部稍微升高。伸出端817与孔826的底部之间的空隙可正好足够设置机械限制器，以用于当沿着轴线84的压缩力变得过大时防止光纤83的翘曲。

可替换地或另外，孔826的尺寸可选择成使得伸出部816配合滑动接合。进而可得到，允许两个构件81、82沿着轴线84而相对于彼此移动，同时抑制沿着或围绕轴线85和86的自由度。此外，伸出部816和孔826的截面可制成非圆形的，这也将防止围绕轴线84的任何旋转。在本情况中，光纤将构造成仅测量沿着轴线84作用的力，这是因为构件之间围绕轴线85的相对位移被伸出部816与孔826之间的滑动接合所限制。

还在图8A至图8B的实例实施方式中方便地指出，结构构件81和82在其所有(重叠的)截面区域上间隔开，因此在构件之间的通过光纤83桥接的间隙801以及伸出部816与孔826之间的空隙两者中间隔开。

Claims (16)

1.一种力传感器(10、40、50、60、70、80)，包括：两个结构构件(11、12、41、42、61、62、71、72、81、82)，所述两个结构构件是间隔开的，因此所述两个结构构件在彼此之间限定间隙(101、401、801)，并且所述两个结构构件连接至彼此；以及多个光纤(13、45、63、73、83)，所述多个光纤固定至所述两个结构构件，并且所述多个光纤自由地悬置在所述间隙(101、401、801)中，所述光纤中的至少两个构造成响应于所述两个结构构件之间的在一个或多个预定自由度中的相对位置中的变化而提供能检测的光学特性中的变化，

其特征在于，所述多个光纤(13、45、63、73、83)中的每个均固定至所述两个结构构件，并且所述多个光纤中的每个在所述两个结构构件之间是连续的，以使得将所述两个结构构件连接至彼此，并且其中，所述多个光纤基本上是在所述两个结构构件之间形成连接的仅有的结构，使得所述多个光纤的自由悬置部的数量、布置、尺寸和长度(131)基本上限定所述两个结构构件之间的连接在所述一个或多个预定自由度中的硬度，所述硬度主要地，诸如至少95％，由所述多个光纤来确定。

2.根据权利要求1所述的力传感器，其中，所述一个或多个预定自由度至少包括沿着所述结构构件的公共轴线(14、44、84)的平移自由度。

3.根据权利要求1或2所述的力传感器，其中，所述光纤(13、45、63、73、83)的自由悬置部的数量、布置、尺寸和长度选择成使得在一力范围中不会出现所述光纤的翘曲，所述力传感器设计成在所述力范围中操作。

4.根据任一前述权利要求所述的力传感器，其中，构造成响应于所述两个结构构件之间的在所述一个或多个预定自由度中的相对位置的变化而提供能检测的光学特性中的变化的光纤的数量大于所述预定自由度的数量。

5.根据任一前述权利要求所述的力传感器，所述力传感器包括一光纤，所述光纤固定至所述两个结构构件的最近者和最远者中的其中一者而不固定至另一者，并且所述光纤构造成提供能操作用于温度补偿的能检测的光学特性中的变化。

6.根据任一前述权利要求所述的力传感器，其中，所述多个光纤不被预张紧在所述两个结构构件之间。

7.根据任一前述权利要求所述的力传感器(10、50、60、70、80)，其中，所述多个光纤中的至少部分彼此平行并且至少沿着所述自由悬置部的长度而平行于所述两个结构构件之间的公共轴线(14、84)。

8.根据任一前述权利要求所述的力传感器(40)，其中，所述多个光纤(45)中的至少一个相对于所述两个结构构件之间的公共轴线(44)倾斜地定向，所述多个光纤中的该至少一个至少沿着其自由悬置部的长度而倾斜地定向，并且有利地所述多个光纤中的该至少一个在相对于所述公共轴线至少10o的角度下倾斜地定向。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的力传感器(50)，所述力传感器包括第三结构构件(55)，所述第三结构构件与所述两个结构构件(11、12)对准且与所述两个结构构件间隔开，以形成在这三个结构构件之间限定间隙(56、57)的连续布置，其中，所述光纤(13)的第一组(531)固定至这三个结构构件的第一连续结构构件(11、55)，所述光纤的所述第一组自由地悬置在所述第一连续结构构件之间的所述间隙(56)中，并且所述光纤的所述第一组构造成响应于所述第一连续结构构件(11、55)之间的在一个或多个预定自由度中的相对位置中的变化而提供能检测的光学特性中的变化，并且其中，所述光纤(13)的第二组(532)固定至这三个结构构件的第二连续结构构件(12、55)，其中，所述第二连续结构构件中的一个与所述第一连续结构构件不同，所述光纤的所述第二组自由地悬置在所述第二连续结构构件之间的所述间隙(57)中，并且所述光纤的所述第二组构造成响应于所述第二连续结构构件(12、55)之间的在相同的预定自由度中的相对位置中的变化而提供能检测的光学特性中的变化，并且其中，所述光纤基本上是在这三个结构构件之间形成连接的仅有的结构，使得所述光纤(13)的自由悬置部的数量、布置、尺寸和长度基本上限定所述连接在所述一个或多个预定自由度中的硬度，所述硬度主要诸如至少95％而由所述多个光纤来确定。

10.根据任一前述权利要求所述的力传感器，其中，所述多个光纤在一长度上自由地悬置，所述长度落在1mm与15mm之间的范围内，优选地落在2mm与15mm之间的范围内。

11.根据任一前述权利要求所述的力传感器，其中，所述多个光纤中的至少部分在所述两个结构构件之间设置有光纤布拉格光栅(132、432、832)，所述布拉格光栅构造成响应于所述两个结构构件之间的相对位置的变化而影响所述能检测的光学特性。

12.根据任一前述权利要求所述的力传感器(80)，所述力传感器包括机械限制器(816、826)，以用于限制所述两个结构构件的在至少一个自由度中的相对位移。

13.根据任一前述权利要求所述的力传感器(10、40、50、60、70)，其中，所述结构构件包括凹槽(122、412、422、552、712、722)，所述光纤(13、45、73)设置在所述凹槽中并固定至所述结构构件(11、12、41、42、55、71、72)。

14.根据权利要求13所述的力传感器(70)，其中，至少一个构件(71、72)包括孔(715、725)，所述孔布置在所述凹槽(712、722)的端部处并与所述凹槽(712、722)对准，并且其中，接收在所述凹槽中的所述光纤(73)在所述孔中延伸。

15.一种医疗装置(30)，构造成在微创手术中使用，所述医疗装置包括根据任一前述权利要求所述的力传感器(10、40、50、60、70、80)。

16.根据权利要求15所述的医疗装置(30)，所述医疗装置包括外科手术工具(31)以及用于近端驱动和/或维护所述外科手术工具的管(32)或管道，其中，所述外科手术工具(31)的近端附接至所述力传感器(10)的所述两个结构构件(11、62)中的其中一个，并且所述管或所述管道的远端附接至所述两个结构构件(12、61)中的另一个。