CN109730776A - 软体机器人系统的监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了软体机器人系统的监测系统，用于实时监测术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统的工作状态，软体机器人用于术中心脏组织辅助固定，包括U型吸附结构、刚柔转换支撑臂；光纤法珀传感器用于检测所述U型吸附结构对心脏组织的吸附压力；光纤光栅传感器用于感知刚柔转换支撑臂各结构点形变产生的应变位移；还包括光谱仪、光纤信号解调仪、上位机及光源。本发明将光纤传感器植入软体固定器内并封装保护，实时监测吸附腔体内气压变化，实时的监测软体手术机器人的形态，并通过三维形态重构，实时监测和调控软体心脏辅助机器人，防止手术中心脏组织产生吸附损伤，保证手术的顺利和成功执行。

Description

软体机器人系统的监测系统

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，尤其涉及一种软体机器人系统的监测系统。

背景技术

心脏固定器是非体外循环冠状动脉搭桥术手术顺利实施的一项必不可少的装置为，它可以保证在心脏跳动情况下，其所固定的局部手术操作区相对稳定，为微小血管吻合提供保障。但是，现有心脏固定器的U型八孔吸盘所提供的吸附力较为固定且需要手工调整，为了维持手术视野的清晰和稳定，外科医生通常忽视心肌所能承受的压力进行吸附固定，导致患者心脏OPCABG术后所固定的八孔吸盘区出现心肌损伤，轻者导致术后心脏水肿、心功能不全，严重者可致巨大心肌血肿，威胁患者生命。近年来，采用软性材料制作而成的软体机器人, 能够柔软连续地变形适应各类组织结构，通过气动等方式实现软体机构的动作及转换，可显著提高手术机器人系统的适应性和安全性。软体机器人技术作为一项新兴的前沿技术迅速发展，逐渐在医疗领域得到应用，已成为手术机器人技术的重要发展方向。

随着光纤传感及精密微纳加工技术的发展，各种新型柔性材料和微型传感器件不断出现，这为生物传感技术的发展提供了新的契机。基于光纤和微机电系统的生物传感器是以光纤传导和收集光信号进行生物检测的柔性微型传感器，结合了先进传感技术与生物分子识别技术，在生物医学检测、临床应用与医学研究等领域受到广泛关注。目前，已研究应用的各类光纤生物传感器主要包括荧光标记型传感器、光纤倏逝波传感器、干涉型传感器、表面等离子体共振型传感器、光纤光栅型传感器以及光纤珐珀传感器等，将光纤生物传感器应用于临床诊断，解决病人体内环境参数检测与实时监测等问题，已成为临床医学先进传感监测技术的发展方向。

发明内容

本发明的目的是通过在软体机器人体内植入光纤传感器，利用软体辅助机器人结构各点应变等物理量信息，拟合重构柔性变形的三维结构形态，实时监测和调控软体心脏辅助机器人，在有效固定心脏组织的同时防止产生吸附损伤，保证手术的顺利和成功执行。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：软体机器人系统的监测系统，用于实时监测术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统的工作状态，包括：

软体机器人，用于术中心脏组织辅助固定，包括U型吸附结构、刚柔转换支撑臂；

光纤法珀传感器，用于检测所述U型吸附结构对心脏组织的吸附压力；所述法珀传感器安装在所述U型吸附结构吸附心脏组织的仿生吸盘内；

光纤光栅传感器，用于感知所述刚柔转换支撑臂各结构点形变产生的应变位移；所述光纤光栅传感器沿轴向固定安装在所述刚柔转换支撑臂的内部；

光谱仪，用于接收所述光纤法珀传感器、光纤光栅传感器输出信号，转换光纤传感信号；

光纤信号解调仪，用于光纤传感信号的解调；

上位机，用于接收解调信号，分析监测结果，以及通过三维重构软件完成软体机器人的三维形变拟合重构；

还包括光源，光源用于提供所述光纤法珀传感器、光纤光栅传感器工作所需光信号。

优选的，所述光纤法珀传感器，通过剥除光纤涂覆层和浸泡腐蚀的方式，在光纤的一端形成凹腔，用熔接机将光纤具有凹腔的一端与切好的单模光纤的一端或者另一根端面具有凹腔的光纤进行熔接，形成光纤F-P腔。

优选的，所述光纤光栅传感器采用两片聚酰亚胺薄膜粘接后，通过硅胶封装固定在所述刚柔转换支撑臂的内部。

本发明的有益效果是：

1.本发明植入式光纤传感器监测系统，可将光纤传感器植入软体固定器内并封装保护，获取气体压力传感信号并解析气压参数，实时监测吸附腔体内气压变化。

2.本发明所设计的植入式光纤法珀传感器，可观测分析不同吸附压力下心脏组织损伤状态，从而获取吸附组织损伤与吸附腔体气压、吸附时间等参数间的映射关系，防止手术中心脏组织产生吸附损伤。

3. 本发明所设计软体手术机器人实时传感监测系统，可以实时的监测软体手术机器人的形态，并通过三维形态重构，实时监测和调控软体心脏辅助机器人，保证手术的顺利和成功执行。

4. 本发明系统结构简单，稳定性可靠，并可以根据要求制作不同参数监测的传感器。易于制造，时间成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例软体机器人系统的监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例软体机器人系统的监测系统的光纤光栅传感器安装性能实验装置图；

图3为图2实验装置测量光纤光栅传感器3在不同弯曲曲率下的反射峰；

图4为图2实验装置测量不同光纤光栅传感器3的中心波长漂移量与曲率之间的关系。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，软体机器人系统的监测系统，用于实时监测术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统的工作状态，包括：

软体机器人1，用于术中心脏组织辅助固定，包括U型吸附结构11、刚柔转换支撑臂12；

光纤法珀传感器2，用于检测所述U型吸附结构11对心脏组织的吸附压力；所述法珀传感器2安装在所述U型吸附结构吸附心脏组织的仿生吸盘111的吸附腔体内；

所述光纤法珀传感器2，通过剥除光纤涂覆层和浸泡腐蚀等方式，在光纤的一端形成凹腔，用熔接机将光纤具有凹腔的一端与切好的单模光纤的一端或者另一根腐蚀过的光纤进行熔接，此时便形成光纤F-P腔。实现心脏组织吸附压力的监测等。

光纤光栅传感器3，用于感知所述刚柔转换支撑臂12各结构点形变产生的应变位移；光纤光栅传感器3采用分布式光纤传感技术，利用紫外曝光法刻写的方式实现，由于实验中FBG刻写过程中受到的预紧力以及退火时间略有差异，所以FBG中心波长选择为1547.6037nm-1547.5910nm之间。栅区长度为10mm，反射率为90%，边模抑制比为20 dB。

为了较好的在软体机器人1体内植入传感器，将波长为1547.6037nm、1547.9260nm、1547.8623nm的光纤光栅传感器3通过聚酰亚胺薄膜粘接的方式沿轴向固定植入软体机器人内部；

光谱仪4，用于接收所述光纤法珀传感器2、光纤光栅传感器3输出信号，转换光纤传感信号；

光纤信号解调仪5，用于光纤传感信号的解调；

上位机6，用于接收解调信号，分析监测结果，以及通过三维重构模块进行软体机器人1的三维形变拟合重构；上位机6还设有显示装置，显示软体机器人1工作状态，供使用者观察。

还包括光源7，光源7用于提供所述光纤法珀传感器2、光纤光栅传感器3工作所需光信号。

为了进一步确保该系统的性能，利用图2所示实验装置进行光纤光栅传感器3波长偏移和曲率等的测量，实验中光源型号为Lightpromotech M1043-13的ASE带宽光源，输出光谱范围为1529 nm~1605 nm，输出功率为13 dBm，输出光平坦度小于2 dB，接口类型为FC/APC。采用型号为YOKOGAWA AQ6370C的光谱仪作为接收光纤光栅传感器3反射信号的装置，其光波长的测量范围为600 nm~1700 nm，波长测量精度为±0.01 nm，波长分辨率为0.02nm，功率范围为-90 dBm~ +20 dBm，快速测量时间为0.2 s，跨度为100 nm。

测试结果如图3、4所示，可以看到，当软体手术机器人1在不同的弯曲状态，以及植入在软体机器人体内不同深度时，其光纤光栅传感器3的反射谱发生相应的偏移，其弯曲曲率也发生相应变化，根据不同的曲率可以重构机器人的形状。植入到体内不同深度光纤光栅传感器3的最大灵敏度为50.65 pm/m-1，最小灵敏度为1.96 pm/m-1，表明该光纤光栅传感器3可以对不同弯曲软体手术机器人1实现传感监测。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.软体机器人系统的监测系统，用于实时监测术中心脏组织辅助固定的软体机器人系统的工作状态，其特征在于，包括：

软体机器人，用于术中心脏组织辅助固定，包括U型吸附结构、刚柔转换支撑臂；

光纤法珀传感器，用于检测所述U型吸附结构对心脏组织的吸附压力；所述法珀传感器安装在所述U型吸附结构吸附心脏组织的仿生吸盘内；

光纤光栅传感器，用于感知所述刚柔转换支撑臂各结构点形变产生的应变位移；所述光纤光栅传感器沿轴向固定安装在所述刚柔转换支撑臂的内部；

光谱仪，用于接收所述光纤法珀传感器、光纤光栅传感器输出信号，转换光纤传感信号；

光纤信号解调仪，用于光纤传感信号的解调；

上位机，用于接收解调信号，分析监测结果，以及通过三维重构软件完成软体机器人的三维形变拟合重构；

还包括光源，光源用于提供所述光纤法珀传感器、光纤光栅传感器工作所需光信号。

2.根据权利要求1所述的软体机器人系统的监测系统，其特征在于，所述光纤法珀传感器，通过剥除光纤涂覆层和浸泡腐蚀的方式，在光纤的一端形成凹腔，用熔接机将光纤具有凹腔的一端与切好的单模光纤的一端或者另一根端面具有凹腔的光纤进行熔接，形成光纤F-P腔。

3.根据权利要求1所述的软体机器人系统的监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器采用两片聚酰亚胺薄膜粘接后，通过硅胶封装固定在所述刚柔转换支撑臂的内部。