CN108775981A - 一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括由针壳及中空的针腔构成的穿刺针、置于针腔内的传感探头，穿刺针前端为针尖，还包括嵌套在针壳内壁上并安装在传感探头前端的弹性膜片；传感探头与弹性膜片集成于针腔内靠近针尖的部分；传感探头包括三组以针腔轴心线为中心环形阵列分布的第一光纤压力传感器、置于针腔轴心线上的第二光纤压力传感器；上述光纤压力传感器为一个输入两个输出的差动式输出。本发明能有提高微小应变力的测量精度、感应来自横向与轴向力的微小应变，尤其是置于针腔轴心线上第二光纤压力传感器能有效提高轴向应变精度，增强对穿刺针和软组织之间的相互作用力觉信息，从而实现精准操控，提高手术的安全性。
Description
技术领域
本发明属于微小量程高精度光纤压力传感技术领域，具体涉及一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，适用于微创外科手术。
背景技术
在微创外科手术中，几乎所有的微创外科手术都缺乏触觉的直接参与。微创外科手术医生通常只能获取手术器械的近端操作力，传感器一般安装在微创手术器械(常用的为穿刺针)末端位置，如图1所示的外持部2，并不能直接获取手术器械与软组织之间的直接作用力，导致了微创外科手术医生的力觉信息的缺失，不能更精准的感应到力的应变大小，给微创手术带来了风险。而且大部分的微创外科手术器械一般只能有效感应来自横向力的微小应变(Fx、Fy)，对于轴向力(Fz)微小应变感应并不是那么灵敏。且大部分光纤压力传感器采用的是一个输入一个输出光纤结构，其光强容易受到光源强度、折射率等影响，造成检测不精准，大大增加了手术的不确定几率与危险系数。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明涉及的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统能有效的提高微小应变力的测量精度，增强了医生对手术器械和软组织之间的相互作用力觉信息，从而实现对手术器械的精准操控，提高手术的安全性。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明的安装对象为微创手术器械，具体为穿刺针，所述穿刺针前端为用于刺入人体软组织的针尖、末端为用于与外部器械连接的外持部，所述穿刺针为中空形状，包括外围的针壳以及中空的针腔。
一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括置于穿刺针的针腔内的传感探头，本发明还包括嵌套在针壳内壁上的弹性膜片，所述弹性膜片安装在所述传感探头的前端；所述传感探头包括三组以针腔轴心线为中心环形阵列分布的第一光纤压力传感器、置于针腔轴心线上的第二光纤压力传感器，所述第一光纤压力传感器两两之间相互呈120°；所述第一光纤压力传感器通过环氧树脂胶固定在针壳内壁上，所述三组第一光纤压力传感器在同一段针腔内，且三组为相同型号、大小、尺寸，所述第二光纤压力传感器通过固定梁固定在所述针腔轴线位置，所述固定梁横架在针腔内，所述弹性膜片安装时将其外沿周边焊接固定在针壳的内壁上。所述第一光纤压力传感器与第二光纤压力传感器的光纤设计为一个输入端和两个输出端。
进一步地，所述第一光纤压力传感器与第二光纤压力传感器的光纤结构为同心环排列的由内至外分布的玻璃芯、第一输出纤芯、输入纤芯、第二输出纤芯以及外部的光纤包层。上述结构将光纤束一端分成3束，输入纤芯为光束输入、第一输出纤芯和第二输出纤芯为两束光束输出。
进一步地，所述弹性膜片常由石英膜片制成，可以减小温度变化带来的影响。
进一步地，所述传感探头与弹性膜片集成于穿刺针的针腔内靠近针尖的部分。
进一步地，第一光纤压力传感器直径为100μm，第二光纤压力传感器直径为80μm。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)光纤传感技术优点是灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、可曲绕、体积小以及与光纤传输线路的兼容性好等，本发明将光纤压力传感器集成在穿刺针的靠近针尖的位置，这是与软组织接触最近的位置，提高了医生对针尖与软组织之间的力觉分辨率，实现了对微创手术器械的精准操控。
(2)本发明采用的第一与第二光纤压力传感器的分布结构，在微创手术操作过程中可有效感应来自横向力(Fx、Fy)与轴向力(Fz)的微小应变，尤其是第二光纤压力传感器的设计更是弥补了轴向力微小应变精确度不高的缺陷，将微小力应变的检测精度显著提高。便于医生对手术的精准操作。
(3)本发明采用弹性膜片差动式输出以及单输入双输出的结构设计，利用弹性膜片发生变形，光纤压力传感器与膜片之间的距离发生变化，将压力信号转换为位移信号，从而对光强进行调制。通过光的调制与解调得出微小力应变关系，这种检测方法可有效消除输出光强比与膜片的反射率、光源强度等因素干扰，两输出的信号之比与测量距离变化有较好的线性关系，从而有利于提高抗干扰能力和测量精度。
(4)本发明光纤压力传感器的双输出的差动输出形式，提高了抗干扰能力和微小力的测量精度，且具有良好的输出线性度，能更准确感应微小应变力的大小，可有效避免因为对微小力觉应变的缺失而伤害到人体健康组织。
附图说明
图1为现有技术中微创外科手术器械的结构示意图。
图2为本发明安装后的透视结构示意图。
图3为本发明的传感探头的侧视结构立体图。
图4为本发明结构原理图，其中4(a)为光纤压力传感器传输原理图；4(b)为光纤压力传感器的剖面结构示意图；4(c)为传感探头的测量原理示意图。
图示说明：1-穿刺针，101-针壳，102-针腔，2-外持部，3-针尖，4-人体软组织，5-弹性膜片，6-传感探头，61-第一光纤压力传感器，62-第二光纤压力传感器，601-第一输出纤芯，602-输入纤芯，603-第二输出纤芯，604-光纤包层，605-玻璃芯，7-固定梁。
Fz为轴向方向，FxFy为横向方向。
I0-输入光纤束光强，I1-内输出光纤束光强，I2-外输出光纤束光强。
P-弹性膜片前后的压差。
d—弹性膜片变形时膜腔的变化量。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“轴向”、“水平”、“前”、“末”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
本发明所涉及的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统安装在内部中空的微创手术器械内，而在微创手术中穿刺针为常用的器械，本发明以穿刺针为安装对象，如图1所示，穿刺针1前端为用于刺入人体软组织4的针尖3、末端为用于与外部器械连接的外持部2，穿刺针1为中空形状，包括外围的针壳101以及中空的针腔102。
如图2和图3所示，本发明所涉及一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括置于穿刺针1的针腔102内的传感探头6以及嵌套在针壳101内壁上的弹性膜片5，所述弹性膜片5安装在所述传感探头6的前端，所述传感探头6包括三组以针腔102轴心线为中心环形阵列分布的第一光纤压力传感器61、置于针腔102轴心线上的第二光纤压力传感器62，三组第一光纤压力传感器61两两之间相互呈120°。在具体实施中，所述第一光纤压力传感器61通过环氧树脂胶固定在针壳101内壁上，所述三组第一光纤压力传感器61在同一段针腔内，且三组为相同型号、大小、尺寸，所述第二光纤压力传感器62通过固定梁7固定在所述针腔102轴线位置，所述固定梁7横架在针腔102内，所述弹性膜片5安装时将其外沿周边焊接固定在针壳101的内壁上，弹性膜片5常由石英膜片制成，在具体实施汇中三组第一光纤压力传感器61直径一般设定为100μm左右，第二光纤压力传感器62直径一般设定为80μm左右。
上述传感探头6结构的分布设计能有效的实现最大化轴向和横向力测量的解耦，可以有效的感应到来自Fx、Fy、Fz微小力的应变，其中，三组第一光纤压力传感器61相互呈120°间隔角度分布于针腔内壁上，对于横向力(Fx、Fy)微小应变的检测有显著效果，但是对于轴向力的微小应变检测精确度不是那么显著。而轴心处的第二光纤压力传感器62的设计能有效提高轴向力(Fz)微小应变的测量精度，因为穿刺针在做轴向运动时第二光纤是感应距离变化的最有效位置。且应变感应均匀、充分、全面且无盲区；光纤传感的基本原理是将光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。在使用时光在光纤中不断的反射透射，微创手术操作过程中弹性膜片5受力发生弹性变形，将压力信号转换成位移信号进行检测，具体为光纤压力传感器与膜片之间的距离发生变化而导致输出光强受到调制，通过光的调制与解调可以得出微小力应变关系。
根据弹性力学原理，压强变化与腔长变化之间的关系可以用以下公式表示：
式中，d—弹性膜片变形时膜腔的变化量；μ—弹性膜片的泊松比；r—弹性膜片的有效半径；E—弹性膜片的杨氏模量；h—弹性膜片的厚度；P—弹性膜片前后压强差。
如图4(a)(b)(c)所示，所述第一光纤压力传感器61与第二光纤压力传感器62的光纤结构为同心环排列，由内至外依次排列玻璃芯605、第一输出纤芯601、输入纤芯602、第二输出纤芯603以及外部包裹的光纤包层604，上述结构将光纤束一端分成3束，光纤设计为一个输入端和两个输出端，输入纤芯602为光束输入、第一输出纤芯601和第二输出纤芯603为两束光束输出，其中最里面一圈的第一输出纤芯601输出的光纤束光强为I1，中间一圈的输入纤芯602输入的光纤束光强为I0，外面一圈的第二输出纤芯603输出的光纤束光强为I2。当穿刺针1不工作时，弹性膜片5前后的压差P为零时，弹性膜片不变形，反射回来两束输出光纤光强相等，I1＝I2；当穿刺针1刺入人体软组织后，弹性膜片5前压差大于后压差，P>0，当穿刺针抽出人体软组织时与插入人体软组织是相反的，弹性膜片5前压差小于后压差，P<0，压差P不为零时弹性膜片5受压变形，使得处于里面一圈的第一输出纤芯601接收到的反射光强I1减小，外面一圈的第二输出纤芯603接收到的反射光强I2增大，形成差点输出，而且两束光强的之比可以表示为：
式中A—与膜片尺寸、材料及输出光纤束数值孔径等有关的常数；P—弹性膜片前后压强差。
将式(1)两边取对数，满足AP≤1时等式右边展开后取第一项得到
上式表明，输出光强比与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可以有效的消除这些因素的影响，而且光纤测量两输出的信号之比与测量距离变化有较好的线性关系，从而有利于提高抗干扰能力和测量精度。
所述传感探头6与弹性膜片5集成于穿刺针1的针腔102内靠近针尖3的部分，便于提高穿刺针1使用时针尖3与人体软组织4之间微小应变力的力觉分辨率。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括由外围的针壳(101)以及中空的针腔(102)构成的穿刺针(1)、以及置于所述针腔(102)内的传感探头(6)，所述穿刺针(1)前端为针尖(3)、末端为外持部(2)，其特征在于：还包括嵌套在针壳(101)内壁上的弹性膜片(5)，所述弹性膜片(5)安装在所述传感探头(6)的前端；所述传感探头(6)包括三组固定在所述针壳(101)内壁上的第一光纤压力传感器(61)、置于针腔(102)轴心线上的第二光纤压力传感器(62)；所述第一光纤压力传感器(61)与第二光纤压力传感器(62)的光纤传输为差动式输出，包括一个输入两个输出。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：三组所述第一光纤压力传感器(61)以针腔(102)轴心线为中心环形阵列分布，所述三组第一光纤压力传感器(61)两两之间相互呈120°。
3.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：所述第一光纤压力传感器(61)与第二光纤压力传感器(62)的光纤结构为同心环排列，由内至外依次排列玻璃芯(605)、第一输出纤芯(601)、输入纤芯(602)、第二输出纤芯(603)以及外部的光纤包层(604)。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：所述传感探头(6)与弹性膜片(5)集成于针腔(102)内靠近针尖(3)的部分。
5.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：所述弹性膜片(5)由石英膜片制成。
6.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：第一光纤压力传感器(61)直径为100μm，第二光纤压力传感器(62)直径为80μm。
7.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：所述第二光纤压力传感器(62)通过固定梁7固定在所述针腔(102)轴线位置，所述固定梁(7)横架在针腔(102)内；：所述弹性膜片(5)安装时将其外沿周边焊接固定在针壳(101)的内壁上。
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