CN113208706B - 一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针 - Google Patents

Abstract

一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，涉及医疗器械技术领域。本发明为解决了现有的穿刺针灵活性差的问题。本发明包括内针、外针和N根光纤光栅传感器；内针插入外针内，且二者间存在间隙；N根光纤光栅传感器均匀设置在内针外壁上，且N根光纤光栅传感器沿着内针长度方向铺设；内针为圆柱形结构；从内针的尾端向其尖刺端进行切割，并沿着内针的圆周方向上被切割成N等份，每等份对应一个光纤光栅传感器；且每等份所对应光纤光栅传感器用于感知该等份所对应的形态变化；内针尾端上的N等份用于接收外部施加的拉力或压力，外针的尖刺端可跟随内针的N个等份的形态变化而变化。本发明主要用于对穿刺针的针尖的弯曲程度进行控制。

Description

一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域。

背景技术

穿刺针是用于经皮穿刺介入的一种常用器械，广泛用于活检、射频消融和放射粒子植入等手术，目前常用的穿刺针多为细长的刚性结构，在实际使用过程中由于组织的不均匀性以及部分斜面针尖的受力不均匀导致针体发生弯曲，进而偏离目标影响治疗效果。此外，病灶附近解剖结构复杂的情况下，常用穿刺针无法灵活地绕开重要解剖结构，限制了其应用场景，因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的穿刺针灵活性差的问题，本发明提供了一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针。

一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，包括内针、外针和N根光纤光栅传感器；内针插入外针内，且二者间存在间隙；N根光纤光栅传感器均匀设置在内针外壁上，且N根光纤光栅传感器沿着内针长度方向铺设；N为大于或等于2的整数；

内针为圆柱形结构；

从内针的尾端向其尖刺端进行切割，并沿着内针的圆周方向上被切割成N等份，每等份对应一个光纤光栅传感器；且每等份所对应光纤光栅传感器用于感知该等份所对应的形态变化；

内针的切割长度小于内针的长度；

内针尾端上的N等份用于接收外部施加的拉力或压力，外针的尖刺端可跟随内针的N个等份的形态变化而变化。

优选的是，内针上相邻的等份间存在间隙，且N等份共形成N个间隙。

优选的是，内针上N等份所形成N个间隙相互连通。

优选的是，内针的切割长度趋近于内针的长度。

优选的是，内针的外壁开设有N个槽体；N根光纤光栅传感器分别嵌入在N个槽体内。

优选的是，每根光纤光栅传感器上均匀蚀刻有M个布拉格光栅；M为大于或等于2的整数。

优选的是，N的取值为3。

优选的是，外针的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构。

优选的是，外针的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构的实现方式为：绕着外针的尖刺端外壁进行螺旋状切割，且螺旋状切割深度贯穿外针的管壁。

优选的是，M的取值为5。

本发明带来的有益效果是：本发明的目的在于提供一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，用于感知穿刺针的形状并实现穿刺过程中针尖位置的闭环控制，应用时，通过对内针尾端上的每个等份施加的拉力或压力，使得该等份在力的作用下产生形变，并与其相邻的等份的相互作用，并通过应光纤光栅传感器感应相应等份的应力，并将其该等份的形态变化信息上传至终端进行解析，最终实现对整个穿刺针尖刺端形态的变化的控制，使其能够灵活的绕开重要解剖结构或危险区域，提高穿刺针的灵活性。

附图说明

图1是内针1的结构示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是图1在A-A方向的剖视图；

图4是外针2的结构示意图；其中，图4a为外针2的整体结构示意图；图4b为图4a的局部放大图；图4c为图4a在B-B方向的剖视图；

图5是内针1与外针2装配完成形成的具有形状感知功能的可操纵穿刺针的整体结构示意图；其中，图5a为穿刺针的整体结构示意图；图5b为图5a在C-C方向的剖视图；

图6是采用本发明所述的一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针进行具体应用时的形态变化图；其中，图6a为穿刺针受力后的形态变化图；图6b为图6a的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，包括内针1、外针2和N根光纤光栅传感器3；内针1插入外针2内，且二者间存在间隙；N根光纤光栅传感器3均匀设置在内针1外壁上，且N根光纤光栅传感器3沿着内针1长度方向铺设；N为大于或等于2的整数；

内针1为圆柱形结构；

从内针1的尾端向其尖刺端进行切割，并沿着内针1的圆周方向上被切割成N等份1-1，每等份1-1对应一个光纤光栅传感器3；且每等份1-1所对应光纤光栅传感器3用于感知该等份1-1所对应的形态变化；

内针1的切割长度小于内针1的长度；

内针1尾端上的N等份1-1用于接收外部施加的拉力或压力，外针2的尖刺端可跟随内针1的N个等份1-1的形态变化而变化。

本实施方式中，本发明的目的在于提供一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，用于感知穿刺针的形状并实现穿刺过程中针尖位置的闭环控制，应用时，通过对内针1尾端上的每个等份1-1施加的拉力或压力，使得该等份1-1在力的作用下产生形变，并与其相邻的等份1-1的相互作用，并通过应光纤光栅传感器3感应相应等份1-1的应力，并将其该等份的形态变化信息上传至终端进行解析，最终实现对整个穿刺针尖刺端形态的变化的控制，使其能够灵活的绕开重要解剖结构或危险区域，提高穿刺针的灵活性。

进一步的，具体参见图3，内针1上相邻的等份1-1间存在间隙，且N等份1-1共形成N个间隙。

本优选实施方式中，内针1上相邻的等份1-1间存在间隙，降低内针1的各等份1-1的抗弯程度及提高各等份1-1间的相互作用力的效果，便于弯曲，也即：便于每等份1-1的形态变化，最终实现对整个内针1上N等份1-1形态的控制，也即：实现对内针1与外针2构成的穿刺针尖刺端(即：针头)的控制。

更进一步的，具体参见图3，内针1上N等份1-1所形成N个间隙相互连通。

本优选实施方式中，内针1上N等份1-1所形成N个间隙相互连通，更进一步降低内针1的各等份1-1的抗弯程度及更进一步提高各等份1-1间的相互作用力的效果，进一步提高了N等份1-1形态变化的精确控制，使得各N等份1-1有足够的形变空间，及几者间的相互作用。

更进一步的，具体参见图1，内针1的切割长度趋近于内针1的长度。

本优选实施方式中，内针1的切割长度趋近于内针1的长度，提高对对内针1与外针2构成的穿刺针尖刺端(即：针头)的精确控制。

更进一步的，具体参见图3，内针1的外壁开设有N个槽体1-2；N根光纤光栅传感器3分别嵌入在N个槽体1-2内。

本优选实施方式中，将光纤光栅传感器3嵌入槽体1-2内，提高了内针1外壁的光滑程度，减少设有光纤光栅传感器3的内针1与外针2间的摩擦，并使其二者之间有足够的活动空间。

更进一步的，每根光纤光栅传感器3上均匀蚀刻有M个布拉格光栅；M为大于或等于2的整数。

本优选实施方式中，每根光纤光栅传感器3上均匀蚀刻有M个布拉格光栅，便于对该光纤光栅传感器3所对应的等份由于接收应力产生的形变信息的精确采集。

更进一步的，具体参见图3，N的最优取值为3。

更进一步的，具体参见图4，外针2的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构2-1。

本优选实施方式中，将外针2的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构2-1，使其外针2的尖刺端可精确的根据内针1形态变化而变化，从而降低外针2此部分的抗弯刚度，便于弯曲，实现对内针1与外针2构成的穿刺针的灵活控制。

更进一步的，具体参见图4，外针2的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构2-1的实现方式为：绕着外针2的尖刺端外壁进行螺旋状切割，且螺旋状切割深度贯穿外针2的管壁。

更进一步的，M的最优取值为5。

验证试验：

具体应用时，如图6所示，内针1被三等分切开，分别定义为D1、D2和D3三份，由内针1和外针2构成的穿刺针刺入人体后，外针2保持不动，D1、D2和D3三部分分别沿着指向针尖方向和背离针尖方向进行小范围拉伸或者压缩，定义指向针尖方向为压缩，背离针尖方向为拉伸，该穿刺针工作模式分为6种，第一种为：D1-拉伸，D2-压缩，D3-压缩；第二种为：D1-压缩，D2-拉伸，D3-压缩；第三种为：D1-压缩，D2-压缩，D3-拉伸；第四种为：D1-拉伸，D2-拉伸，D3-压缩；第五种为：D1-拉伸，D2-压缩，D3-拉伸；第六种为：D1-压缩，D2-拉伸，D3-拉伸；可以实现针尖朝6个方向弯曲，弯曲程度的大小由拉伸和压缩的相对距离决定，图6仅展示了其中一种工作模式的弯曲效果。由于人体组织的复杂性，当针刺入人体后，拉伸与压缩的的相对距离难以直接计算针在体内的弯曲程度，给手术带来风险，通过纤光栅传感器3可以感知D1、D2和D3三部分沿轴线方向的应力，通过纤光栅传感器3的应力可以实时地估计针的弯曲程度与方向，由此可以实时调整拉伸和压缩的相对距离，实现对针尖弯曲的闭环反馈控制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，包括内针(1)、外针(2)和N根光纤光栅传感器(3)；内针(1)插入外针(2)内，且二者间存在间隙；N根光纤光栅传感器(3)均匀设置在内针(1)外壁上，且N根光纤光栅传感器(3)沿着内针(1)长度方向铺设；N为大于或等于2的整数；

内针(1)为圆柱形结构；

其特征在于，从内针(1)的尾端向其尖刺端进行切割，并沿着内针(1)的圆周方向上被切割成N等份(1-1)，每等份(1-1)对应一个光纤光栅传感器(3)；且每等份(1-1)所对应光纤光栅传感器(3)用于感知该等份(1-1)所对应的形态变化；

内针(1)的切割长度小于内针(1)的长度；

内针(1)尾端上的N等份(1-1)用于接收外部施加的拉力或压力，外针(2)的尖刺端可跟随内针(1)的N个等份(1-1)的形态变化而变化；

内针(1)上相邻的等份(1-1)间存在间隙，且N等份(1-1)共形成N个间隙；

内针(1)上N等份(1-1)所形成N个间隙相互连通；

每根光纤光栅传感器(3)上均匀蚀刻有M个布拉格光栅；M为大于或等于2的整数；

外针(2)的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构(2-1)；

外针(2)的尖刺端外壁上设有螺旋状镂空结构(2-1)的实现方式为：绕着外针(2)的尖刺端外壁进行螺旋状切割，且螺旋状切割深度贯穿外针(2)的管壁。

2.根据权利要求1所述的一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，其特征在于，内针(1)的切割长度趋近于内针(1)的长度。

3.根据权利要求1所述的一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，其特征在于，内针(1)的外壁开设有N个槽体(1-2)；N根光纤光栅传感器(3)分别嵌入在N个槽体(1-2)内。

4.根据权利要求1所述的一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，其特征在于，N的取值为3。

5.根据权利要求1所述的一种具有形状感知功能的可操纵穿刺针，其特征在于，M的取值为5。

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