CN109061798B - 一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，属于光纤传感器技术领域。如图1所示：宽带光源1、医用导管2、光波导3、波长为λ1的光栅微结构4、波长为λ2的光栅微结构5、波长为λ3的光栅微结构6、包层7、信号解调8。光栅微结构选用柔性的生物相容性好的聚合物材料，采用微复制技术制作，包层选择与芯层相匹配的聚合物，其涂覆厚度可通过旋涂方法控制，尺寸为5μm～10μm，将聚合物覆盖到制作好的光栅微结构上，制成光栅光波导器件。将波长为λ1、λ2、λ3的光栅光波导呈120°夹角粘贴固定，且需预拉状态下固定在医用导管表面。当医用导管进入人体弯曲，根据医用导管三维形状检测算法，由输出信号可以确定导管的弯曲大小和方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术领域，尤其涉及一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件。
背景技术
随着时代的进步社会的发展，医院的很多设备都已经逐步在更新，但是介入式医用导管更新的速度比其他设备缓慢。现在的介入式导管是利用操作人员的外力介入到人体病变部位的，这就存在风险，有可能压力过大就会造成组织破坏和穿孔，且这种情况是无法避免的。鉴于这种情况，就有必要发明一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，用来检测人体内医用导光管的弯曲大小和方向。这种器件的优势在于：第一，不仅可以检测出弯曲的程度而且还可以检测出弯曲的方向，而且这种器件适合于各种复杂表面；第二，这种器件是采用聚合物材料制作，具有很好的柔韧性和生物安全性，同时还继承了光纤光栅敏感器高灵敏度的检测能力。
虽然现在的光纤光栅技术已经很成熟，但是由于一方面石英材料与导管相比不够柔软，光纤光栅的导入会附加导管的刚度，从而降低医用导管的操纵灵活性，第二，石英材料易断，当介入式医用导管进入人体后，远不如聚合物材料的安全性高和生物相容性好，故实际上现在的光纤光栅并不满足此时的需要。
现在的光栅光波导一般采用半导体光刻工艺加工，这种光刻工艺不仅价格昂贵、制作周期也长，不适合批量加工的需要。本发明光栅光波导加工工艺采用的为纳米微复制技术，适合柔性的光栅光波导加工，这种技术的优点在于：不仅成本低、加工周期短，而且还可以批量加工，较半导体光刻加工有明显的优势。
为了能准确检测出医用导管空间弯曲的大小和方向，本发明将三个不同波长的光栅光波导呈120°夹角粘贴在医用导管的表面。其目的是为了测量医用导管的空间弯曲信息，根据医用导管三维形状检测算法，能检测出医用导管的空间弯曲大小和方向，这种方法的优势在于：第一，精度高；第二，能运用在复杂的空间形状。
发明内容
本发明的目的在于针对目前介入式医用导管空间弯曲检测的需要，设计出了一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，该器件具有柔韧性好、生物相容性好、安全度高、灵敏度高和检测精度高的优点。
本发明采用的技术方案如下：包括1宽带光源、2医用导管、3光波导、4波长为λ1的光栅微结构、5波长为λ2的光栅微结构、6波长为λ3的光栅微结构、7包层和8信号解调，如图1所示。波长为λ1、λ2和λ3的光栅光波导呈120°夹角粘贴在医用导管的表面，其目的是为了测量医用导管的空间弯曲信息，根据医用导管三维形状检测算法，能检测出医用导管的空间弯曲大小和方向，该方法对于复杂的空间形状有很高的检测精度。而且光栅光波导是在预拉状态下采用双端点粘贴固定法固定在医用导管表面，其目的是为了防止器件弯曲后产生啁啾光栅，会造成测量结果不精确。光栅光波导由聚合物材料制作，并采用纳米微复制技术进行加工，光栅周期为0.5μm~1.2μm，截面尺寸为宽度20μm～60μm，高度为2μm～5μm，具有柔韧性好、生物相容性好、安全度高、灵敏度高和检测精度高的优点。包层选用与光栅微结构相匹配的聚合物材料，涂覆厚度可通过旋涂方法控制，尺寸为5μm～10μm。
本发明的有益效果是：
1、本发明是一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，既保持了传统器件高精度和高灵敏度，又使得操作治疗更具有安全性、准确性和便利性。
2、本发明是一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，不仅可以用在医用导管空间弯曲检测上，还可以用在其他有相同技术的领域，比如机器人手臂弯曲的检测等。
3、本发明芯层部分采用的是纳米微复制技术，该技术的微器件复制尺寸精度可达到10nm，具有极高精度的加工能力，可以低成本批量生产纳米尺度的微器件。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明进一步说明：
图1为本发明一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件的结构示意图。图1：1为宽带光源、2为医用导管、3为光波导、4为波长为λ1的光栅微结构、5为波长为λ2的光栅微结构、6为波长为λ3的微结构、8为信号解调。
图2为一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件中的光栅光波导的截面图，7为包层。
图3为本发明一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件中的医用导管的截面图。图三中：9为周长为λ1的光栅光波导，10为周长为λ2的光栅光波导，11为周长为λ3的光栅光波导，12-14为导管内其他功能的管道。
具体实施方式
图1、图2和图3中，本发明所采用的技术方案：一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，包括：宽带光源1、医用导管2、光波导3、波长为λ1的光栅微结构4、波长为λ2的光栅微结构5、波长为λ3的光栅微结构6、包层7、信号解调8，波长为λ1的光栅光波导9，波长为λ2的光栅光波导10，波长为λ3的光栅光波导11，导管内其他功能的管道12-14。
所述的带宽光源1，可以输出λ0~λn波长的光，通过光栅光波导反射特征波长值的平移量△λ可以测出医用导管的弯曲情况。
所述的波长为λ1、λ2、λ3的光栅微结构4-6，采用聚合物材料、用纳米微复制技术制作。纳米微复制模具的微细加工技术，采用的工艺手段为电子束光刻结合快速原子束加工和反应离子刻蚀技术加工，以满足纳米微复制模具的加工精度要求。本发明光栅光波导器件选用热固化液态介质有效填充模具，再对复制结构进行热固化，然后将微器件脱模，从而形成光栅光波导的光栅结构。
所述的包层7，选择与芯层相匹配的聚合物覆盖到制作好的光栅微结构上，其涂覆厚为5μm～10μm，本发明采用光刻胶旋涂的方法，为了避免有气泡混入，必须对包层材料进行真空脱气处理。
所述的信号解调8，将反射出来的光信号△λ进行处理，并检测出导管的微弯曲大小和方向。
所述的波长为λ1、λ2、λ3的光栅光波导9-11，呈120°夹角粘贴在医用导管的表面，其目的是为了测量医用导管的空间弯曲信息，根据医用导管三维形状检测算法，能检测出医用导管的空间弯曲大小和方向，且精度高误差小。
所述的波长为λ1、λ2、λ3的光栅光波导9-11，需预拉状态下采用双端点粘贴固定法固定在医用导管表面，是为了防止器件弯曲后产生啁啾光栅，会造成测量结果不精确。
本发明导管弯曲大小检测原理：光栅光波导用于微机械薄膜挠曲检测的原理示意图：当微机械薄膜发生微弯挠曲后，其上的光栅光波导的光栅周期就会发生相应变化，从而造成由光栅光波导反射回的特征波长发生移动，假设微弯挠曲导致的波导光栅周期变化为ΔΛ，则由λ=2Λ×neff可知，反射特征波长值的平移量可以表达为Δλ=2ΔΛ×neff。用光谱仪或波长解调电路测得此反射特征波长平移量△λ，就可以确定待测器件弯挠曲量的大小。
Claims (1)
1.一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件，包括宽带光源、医用导管、光波导、波长为λ1的光栅微结构、波长为λ2的光栅微结构、波长为λ3的光栅微结构、包层和信号解调，其特征为：所述光栅光波导选用柔性的生物相容性好的聚合物材料，采用纳米微复制技术制作，光栅周期为0.5μm～1.2μm，截面尺寸为宽度20μm～60μm，高度为2μm～5μm，波长为λ1、λ2、λ3的光栅光波导呈120°夹角粘贴在医用导管的表面，且是在预拉状态下采用双端点粘贴固定法固定在医用导管表面，所述的一种柔性介入式医用导管空间弯曲检测的光栅光波导器件包层，其涂覆厚度可通过旋涂方法控制，尺寸为5μm～10μm，所述的包层采用与光栅微结构相匹配聚合物材料，采用聚合物热固化成型方法制备，所述的将三个不同波长的光栅光波导呈120°夹角粘贴在医用导管的表面，其目的是为了测量医用导管的空间弯曲信息，根据医用导管三维形状检测算法，能检测出医用导管的空间弯曲大小和方向。
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