CN111803143A - 一种用于微创手术的三维力传感手术针 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于微创手术的三维力传感手术针，包括微创手术针，所述微创手术针包括与细软管固接以用于液体或药物的注射与吸取的医用手术针头、一个与医用手术针头连接的中空金属管，在中空金属管的外表面上沿圆周方向120°轴向均布有三个光纤光栅传感器；光纤光栅解调仪与光纤光栅传感器连接，向光纤光栅传感器发射激光，接收光纤光栅传感器返回特定波长的激光信号，将激光信号转换为数字电信号并解调出各个光栅点所对应的波长；数据采集与力解耦计算设备接收光纤光栅解调仪发送的各个光栅区对应的波长进行分析和计算，实时得到微创手术针前端的受力信息，由显示设备实时显示。本发明用于实时检测手术过程中的操作力。

Description

一种用于微创手术的三维力传感手术针

技术领域

本发明涉及微创手术技术领域，特别是涉及一种用于微创手术的三维力传感手术针。

背景技术

微创手术过程中，手术工具与人体生物软组织的接触力信息对手术操作的安全性有重要影响。手术操作工程中，医生仅凭经验和视觉信息来间接感知手术工具与人体生物软组织的接触力，进行一些特定手术操作时，如穿刺手术和显微手术时，往往不能够准确感知操作力大小。这一现状为临床手术增加了发生风险的几率，一旦手术操作力过大，极易对患者产生二次手术伤害，甚至不可逆转的创伤。

目前，微创手术正朝着精准智能化的方向发展，能够实时感知手术操作过程中的接触力对提高手术的安全性有着重要的意义。但是，目前大多数三维力传感器无法提供注射通道而难以与微创手术针相结合。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种用于微创手术的基于光纤布拉格光栅传感器的三维力传感手术针，是具有三维力传感功能的微创手术针，能够实现三自由度力检测，以解决现有技术中的三维力传感器往往占用中间通道，无法提供微创手术针所需工作通道的问题。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种用于微创手术的三维力传感手术针，包括微创手术针，光纤光栅解调仪，数据采集与力解耦计算设备，显示设备；所述微创手术针包括与细软管固接以用于液体或药物的注射与吸取的医用手术针头、一个与所述医用手术针头连接的中空金属管，在所述中空金属管的外表面上沿圆周方向120°轴向均布有三个光纤光栅传感器；

所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器连接，用于向光纤光栅传感器发射激光，接收光纤光栅传感器返回特定波长的激光信号，将激光信号转换为数字电信号并解调出各个光栅点所对应的波长；

所述数据采集与力解耦计算设备与所述的光纤光栅解调仪通信连接，向所述光纤光栅解调仪发送检测命令，并接收光纤光栅解调仪发送的各个光栅区对应的波长进行分析和计算，实时得到微创手术针前端的受力信息；

所述显示设备通过通信连接所述数据采集和力解耦计算设备，用于实时显示微创手术针前端的受力信息。

优选的，所述中空金属管采用超弹性镍钛合金管。

优选的，所述中空金属管的部分外表面有一段高度的平行切槽结构，每层切槽由多个切槽间隔形成，多层切槽构成所述平行切槽结构，以提高光纤光栅传感器在轴向力检测的灵敏度。

优选的，所述光纤光栅传感器采用多栅区布拉格光纤光栅传感器，同一光纤光栅传感器上有两段光栅区A和光栅区B，且光栅区A与光栅区B的初始反射波长不同。

其中，所述的微创手术针前端的受力检测的步骤如下：

S1获取中心波长步骤：

分别获取各个光纤光栅传感器的中心波长；

S2获取波长变化量的步骤：

获取平行布置的光纤光栅传感器的检测波长，并基于所述平行布置的光纤光栅传感器的中心波长和检测波长得到所述平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量；

S3温度补偿步骤：

基于所述平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量，得到消除温度应变后的仅由外力应变引起的波长变化量；

S4计算应变的步骤：

基于所述消除温度应变后的仅由外力引起的波长变化量，利用光纤光栅传感器应变与波长的关系式，得到所述光纤光栅传感器附着处的应变量；

S5计算操作力的步骤：

基于应变与操作力之间的关系式，得到施加在微创手术针前端的三维操作力。

本发明提供的三维力传感微创手术针，用于实时检测手术过程中的操作力，同时提供工作通道以进行必要的药物注射，液体吸取和组织提取等操作，具有以下有益效果：

1)结构紧凑，与目前常用的微创手术针大小相当。

2)检测准确，具有亚毫牛级别的分辨率。

3)力检测装置无需其他外围的辅助设备，易消毒，不受电磁干扰，医疗兼容性良好，无放射射线。

4)通过特定布置光纤光栅传感器的方式，能够消除温度对测量接触力结果的影响，提高了测量结果的精度。

5)提供了中间工作通道，可实现必要的药物注射，液体吸取和组织提取等操作。

附图说明

图1为本发明实施例的三维力传感微创手术针整体结构示意图；

图2a为本发明实施例的三维力传感微创手术针微创手术针示意图；

图2b为本发明实施例的三维力传感微创手术针微创手术针爆炸图；

图2c为本发明实施例的一种槽式超弹性镍钛管结构图；

图3a为本发明实施例的光纤光栅传感器阵的列结构示意图；

图3b为本发明实施例的光纤光栅传感器的垂直于镍钛合金管轴线的剖面图。

【符号说明】

1为微创手术针，2为光纤光栅解调仪，3为数据采集和力解耦计算设备，4为显示设备，101为医用手术针头，102为细软管，103为超弹性镍钛合金管，104为布拉格光栅光纤，105为平行式切槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据结合附图对本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其他方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。

在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同参考数字用于相似功能和操作。

图1是本发明实施例的基于光纤布拉格光栅传感器的三维力传感微创手术针的整体结构示意图。

在微创手术中，微创手术针1通过刺入人体软组织进入到人体内进行手术操作，本实施例的三维力检测装置可以检测微创手术针1在手术过程中的前端受力情况。

参见图1，该三维力传感微创手术针包括微创手术针1，光纤光栅解调仪2，数据采集与力解耦计算设备3，以及显示设备4。

光纤光栅解调仪2可以采用美国MOI公司的SM155光纤光栅解调仪，通过光纤跳线与三根光纤光栅传感器连接，用于向光纤光栅传感器发射激光，接收三根光纤光栅传感器返回特定波长的激光，将激光信号转换为数字电信号，并解调出各个光栅点所对应的波长。

上述的光纤光栅解调仪对光纤光栅传感器阵列的反射波长进行检测，能够向光纤光栅传感器发射激光并接收反射光，将光信号解调为数字电信号，从而测出光纤光栅传感器栅区反射的光的波长。

数据采集和力解耦计算设备可以采用计算机，其通过局域网与光纤光栅解调仪2连接，并通过TCP/IP协议光纤光栅解调仪2发送检测命令，并接收光纤光栅解调仪2发送的各个光栅区对应的波长，对此进行分析和计算，实时得到微创手术针1前端的受力信息。

显示设备通过连接线连接数据采集和力解耦计算设备3，用于实时显示微创手术针1前端的受力信息。

图2a为本发明实施例的微创手术针示意图。

其中，三根带有双光栅栅区的布拉格光栅光纤被粘贴到所述超弹性镍钛合金管制成的中通导管的前端，布拉格光栅光纤围绕中通导管周向相距120°布置。

其中，超弹性镍钛合金管103是中空金属管，外表面有沿圆周方向120°均布的用于光纤定位的光纤槽，该光纤槽沿超弹性镍钛合金管103的轴向设置。三根布拉格光栅光纤104通过医用胶水粘接在超弹性镍钛合金管103的外表面光纤槽，且沿超弹性镍钛合金管103圆周方向120°均匀分布。

图2b为本发明实施例的微创手术针爆炸图。

101为医用手术针头，与细软管102固接，用于液体或药物的注射和吸取。医用手术针头101同时与超弹性镍钛合金管103固接，保证医用手术针头101的稳定性。

图2c为本发明实施例的一种平行切槽式超弹性镍钛管结构图。

超弹性镍钛合金管103的部分外表面有平行切槽式105，有利于提高传感器在轴向力检测的灵敏度。

图3a为本发明实施例的光纤光栅传感器阵列结构示意图。

本实施例的布拉格光栅光纤104均为双光栅区设计，如图3所示。同一光纤上有两段光栅区A和B，且光栅区A与光栅区B的初始反射波长不同。

图3b为本发明实施例的光纤光栅传感器的垂直于镍钛合金管轴线的剖面图。三根布拉格光栅光纤102沿超弹性镍钛合金管103圆周方向120°均匀分布。

本发明还提供了一种基于多栅区光纤光栅传感器阵列的操作力检测的方法，包括以下的步骤：

S1获取中心波长步骤：

分别获取各个光纤光栅传感器的中心波长；

S2获取波长变化量的步骤：

获取所述平行布置光纤光栅传感器的检测波长，并基于所述的平行布置光纤光栅传感器的中心波长和检测波长得到所述平行布置光纤光栅传感器的波长变化量；

S3温度补偿步骤：

基于所述的平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量，得到消除温度应变后的仅由外力应变引起的波长变化量；

S4计算应变的步骤：

基于所述消除温度应变后的仅由外力引起的波长变化量，利用光纤光栅传感器应变与波长的关系式，得到所述光纤光栅传感器附着处的应变量；

S5计算操作力的步骤：

基于应变与操作力之间的关系式，得到施加在所述手术针前端的三维操作力。

当手术针前端承受轴向力时，超弹性镍钛合金管103的平行切槽105构成弹性体来实现轴向变形，此时三根光纤的光栅区A的应变变化与轴向力相关；当手术针前端承受切向力时，超弹性镍钛合金管103构成弹性体来实现切向应变，此时三根光纤的光栅区B的应变变化与切向力相关。

当手术针前端同时承受轴向力和切向力时，三根光纤的光栅区A和光栅区B可以同时测量到相应的应变变化，利用描述应变与力之间的关系矩阵即可获得三维力。

对于光纤光栅传感器，其反射波长变化量与应变之间的关系如下：

Δλ＝k_εε+k_ΔTΔT (1)

式(1)中，Δλ表示反射光波波峰对应波长的变化量，ε表示光纤光栅附着处的局部应变，ΔT表示温度变化，k_ε和k_ΔT是相对应的常数系数。由式(1)，只要获得波长的变化，就可以按如下公式计算出导管前端的接触力：

其中M代表光纤光栅附着处的弯曲力矩，E是光纤的杨氏模量，I代表惯性矩，r是中性轴和FBG传感器之间的距离，F为手术针前端与组织的接触力，d为力臂长度。结合式(1)和(2)可知，波长变化量Δλ和接触力F之间为线性关系。因此，波长变化与接触力之间的关系可以按如下公式重新表述：

式(3)中，F_X,F_Y和F_Z分别表示接触力F在三个方向的分力，

和

分别表示波长变化与三个方向分力之间的线性系数。

在求解切向力时，即图3b中所示X和Y方向的分解力，使用三根布拉格光纤的光栅区B的反射波长进行计算。

首先,三根布拉格光纤在光栅区B的反射波长变化受到同样的温度和轴向力影响，因此它们的波长变化均值Δλ_{mean_B}也仅受到温度和轴向力影响，可以按如下公式表述。

式(4)中，Δλ_{i_B}表示第i根光纤光栅区B的波长变化，

表示第i根光纤在光栅区B的波长变化受轴向力影响的线性系数。

其次，为了消除温度的影响，对原始波长变化进行如下变换：

式(5)中，

为补偿后的第i根布拉格光纤光栅区B的波长变化量；Δλ_{i_B}为第i根布拉格光纤光栅区B的原始波长变化量；

和

分别为对应的X方向力和Y方向力的线性系数。

从式(5)可以看出，补偿后的三根布拉格光纤波长变化量与切向力之间呈线性关系，可用下式表示：

在求解轴向力时，即图3b中所示Z方向的分解力，使用三根布拉格光纤的光栅区A和B的反射波长进行计算。

首先，对于同一根光纤，在相同切向力作用下，光栅区A和光栅区B的波长变化线性相关，可以按如下公式表述

式(7)中

和

表示受切向力影响下第i根布拉格光纤在光栅区A和B的波长变化量；

和

分别表示与相对应分离之间的线性系数，k表示光栅区A和光栅区B的波长变化线性系数。

为了解耦轴向力，对原始波长进行如下变化：

Δs_i表示变换后第i根布拉格光线的波长变化量。

为了消除温度的影响，对Δs_i再次进行如下变换：

其中，参数k可由实验进行确定,由式可以看出，轴向力F_Z可以被解耦计算得到。

至此，已结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的带有三自由度力检测的微创手术针的系统设计及各功能部分的具体实现有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，包括微创手术针，光纤光栅解调仪，数据采集与力解耦计算设备，显示设备；所述微创手术针包括与细软管固接以用于液体或药物的注射与吸取的医用手术针头、一个与所述医用手术针头连接的中空金属管，在所述中空金属管的外表面上沿圆周方向120°轴向均布有三个光纤光栅传感器；

所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器连接，用于向光纤光栅传感器发射激光，接收光纤光栅传感器返回特定波长的激光信号，将激光信号转换为数字电信号并解调出各个光栅点所对应的波长；

所述数据采集与力解耦计算设备与所述的光纤光栅解调仪通信连接，向所述光纤光栅解调仪发送检测命令，并接收光纤光栅解调仪发送的各个光栅区对应的波长进行分析和计算，实时得到微创手术针前端的受力信息；

所述显示设备通过通信连接所述数据采集和力解耦计算设备，用于实时显示微创手术针前端的受力信息。

2.根据权利要求1所述用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，所述中空金属管采用超弹性镍钛合金管。

3.根据权利要求1所述用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，所述中空金属管的部分外表面有一段高度的平行切槽结构，每层切槽由多个切槽间隔形成，多层切槽构成所述平行切槽结构，以提高光纤光栅传感器在轴向力检测的灵敏度。

4.根据权利要求1所述用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，所述光纤光栅传感器采用多栅区布拉格光纤光栅传感器，同一光纤光栅传感器上有两段光栅区A和光栅区B，且光栅区A与光栅区B的初始反射波长不同。

5.根据权利要求1所述用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，所述的微创手术针前端的受力检测的步骤如下：

S1获取中心波长步骤：

分别获取各个光纤光栅传感器的中心波长；

S2获取波长变化量的步骤：

获取平行布置的光纤光栅传感器的检测波长，并基于所述平行布置的光纤光栅传感器的中心波长和检测波长得到所述平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量；

S3温度补偿步骤：

基于所述平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量，得到消除温度应变后的仅由外力应变引起的波长变化量；

S4计算应变的步骤：

基于所述消除温度应变后的仅由外力引起的波长变化量，利用光纤光栅传感器应变与波长的关系式，得到所述光纤光栅传感器附着处的应变量；

S5计算操作力的步骤：

基于应变与操作力之间的关系式，得到施加在微创手术针前端的三维操作力。

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