CN113520617B - 一种无源式三维力传感测头及光学式力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无源式三维力传感测头及光学式力传感器，所述力传感测头整体呈半球形，由内到外依次是导光支撑层、柔性敏感层、反射涂层、刚性触点层和柔性封装层，所述光学式力传感器由该力传感测头、光纤传输系统和图像采集处理系统依次连接组成；所述力传感测头可以实现微型化，且采用核磁共振兼容性和生物相容性更好的光学式力传感器技术路线，以高分辨力实现三维接触力的180°感知；采用该无源式三维力传感测头的光学式力传感器可以装配在介入式手术所用的导管中，为手术的进行提供实时的力值信息反馈。
Description
技术领域
本发明涉及力传感器领域，尤其是涉及一种无源式三维力传感测头及光学式力传感器。
背景技术
作为现代医学的发展方向，介入式手术正在逐渐取代传统开腔手术模式，经由人体自然腔道或毫米级创口即可完成，具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优点。以心血管介入术为例，医生将介入导管通过大静脉切口置入人体，在影像导引下进行靶点定位，实施诊断与治疗。然而，介入术目前仍面临诸多挑战，其中最为突出的是力学信息缺失。由于介入导管柔软纤长，医生无法实时感知导管前端接触状态，导致穿孔事故屡见不鲜。此外，对体内软组织进行原位触诊也有助于判定局部病变程度，而力学信息的缺失常导致微创手术难以将病变组织清除彻底。因此，将力传感引入介入式手术中是必要的。
为了提升介入导管术的安全性，需在介入导管前端增加力传感器。为了感测来自导管前方及血管侧壁的接触力，传感器应具备不低于180°的大感测角度，并且应可以实现包括法向力和切向力的三维力测量。同时，为了将力传感技术应用于MRI(磁共振成像)引导的介入式手术中，传感器的测头部分应是电无源的，这也为传感器的方案选择增加了局限性。
目前力传感器主要可分为电学式和光学式。电学式传感器是将接触信息通过敏感元件转化为相应的可测电学量，经信号调理电路和软件算法处理得到接触信息，其本身存在的电流会干扰生物体正常的电生理活动，也无法应用在MRI引导的介入式手术中，在介入式环境下存在较多局限性。光学式传感器主要是基于光纤的光调制原理实现接触信息的测量，由于前端不含电学元件，故核磁共振兼容性和生物相容性更好，且易实现微型化和高分辨力，受光纤的几何、物理特性及布局方式所限，该方法的力敏感方向普遍集中在轴向，难以将感测角持续增大并使角度分辨力呈各向同性，有待进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种无源式三维力传感测头。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供具有上述无源式三维力传感测头的光学式力传感器。
本发明采用的技术方案是：
一种无源式三维力传感测头，整体呈半球形，由内到外依次是导光支撑层(8)、柔性敏感层(9)、反射涂层(10)、刚性触点层(11)和柔性封装层(12)，所述导光支撑层(8)下部设有用于装配在光纤传输系统上的圆柱形延伸结构，由光纤传输系统提供的光线在其内部均匀分布，照亮导光支撑层(8)外侧的柔性敏感层(9)以及反射涂层(10)，所述柔性敏感层(9)附着在导光支撑层(8)外侧，所述柔性敏感层(9)外侧涂附有不透明反射涂料作为反射涂层(10)，该反射涂层(10)随柔性敏感层(9)一起发生形变，所述刚性触点颗粒附着在反射涂层(10)外形成刚性触点层(11)，刚性触点颗粒为半球形阵列分布，单个刚性触点颗粒外形近似半球形，柔性材料附着在反射涂层外，填充刚性触点颗粒之间的空隙形成柔性封装层(12)，柔性材料的填充使得无源式三维力传感测头外形为均匀的半球形。
上述无源式三维力传感测头，当接触力作用在外层上，导致一定数量的刚性触点颗粒挤压反射涂层以及柔性敏感层，从而反射涂层下呈现一定的光强分布，经图像采集得到力值图像，以此来解算三维接触力。
优选的，上述无源式三维力传感测头，所述导光支撑层(8)采用硬质透明材料。
优选的，上述无源式三维力传感测头，所述硬质透明材料为PMMA。
优选的，上述无源式三维力传感测头，所述柔性敏感层(9)采用柔性透明材料。
优选的，上述无源式三维力传感测头，所述柔性透明材料为PDMS。
优选的，上述无源式三维力传感测头，采用增材制造工艺将刚性触点颗粒附着在反射涂层(10)外。
优选的，上述无源式三维力传感测头，所述刚性触点颗粒的材料为PMMA。
优选的，上述无源式三维力传感测头，采用增材制造工艺将柔性材料附着在反射涂层(10)外。
优选的，上述无源式三维力传感测头，所述柔性材料为PDMS。
一种光学式力传感器，包括上述无源式三维力传感测头、光纤传输系统和图像采集处理系统，其中，
所述无源式三维力传感测头，通过导光支撑层(8)的圆柱形延伸结构与光纤传输系统前端外表面连接；
所述光纤传输系统(2)包括导光束(3)和成像束(4)，所述成像束(4)在中央，多根所述导光束(3)周向排列在成像束(4)外侧、且彼此相互隔离，将外界光源引入到导光支撑层(8)，所述成像束(4)由前端物镜(13)、传像束和后端耦合镜依次连接组成，可获取力传感测头球面下的图像；
所述图像采集处理系统主要由CCD相机(5)和处理器(6)组成，所述CCD相机(5)和处理器(6)线路连接，所述光纤传输系统(2)中的成像束(4)通过后端耦合镜与CCD相机的镜头接口相连，相机捕获力值图像，由处理器(6)实现图像处理与力值解算。
上述光学式力传感器，可基于平场矫正算法得到去除网纹的图像，将平面力值图像映射到球面上，根据图中触点压痕的数量，以及单个触点形成压痕处的灰度形状，结合传感标定结果解算三维接触力。
优选的，上述光学式力传感器，所述处理器为计算机。
本发明的有益效果是：
所述无源式三维力传感测头可以实现微型化，且采用核磁共振兼容性和生物相容性更好的光学式力传感器技术路线，以高分辨力实现三维接触力的180°感知；采用该无源式三维力传感测头的光学式力传感器可以装配在介入式手术所用的导管中，为手术的进行提供实时的力值信息反馈。
从传感器结构而言，传感器前端不含任何电有缘器件，因而在生物相容性、安全性、耐腐蚀性、抗电磁干扰性等方面具有优势；从传感原理而言，传感器基于反射光强度和图像处理技术解算三维接触力，从分辨力和感测角度方面均优于现有力传感器；从制造角度而言，采用增材制造工艺，规格化的光学器件更易实现批量化生产，量产成本和一致性优于电学类器件，这也有利于一次性医疗器材的开发。所述传感器可以装配在介入式手术所用的导管上，为手术的进行提供实时的力值信息反馈。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
图2是本发明力传感测头及光纤传输系统的结构示意图。
图3是本发明光纤传输系统横截面示意图。
图4是本发明的工作原理示意图。
图中：1：力传感测头 2：光纤传输系统 3：导光束
4：成像束 5：CCD相机 6：计算机 7：光源
8：导光支撑层 9：柔性敏感层 10：反射涂层
11：刚性触点层 12：柔性封装层 13：前端物镜
具体实施方式
为进一步说明本发明，结合以下实施例具体说明：
实施例1
如图2所示，一种无源式三维力传感测头，所述力传感测头1呈半球形，由内到外依次是导光支撑层8，柔性敏感层9，反射涂层10，刚性触点层11和柔性封装层12。导光支撑层8采用硬质透明材料如PMMA，下部具有一定长度的圆柱形延伸，内部加工有螺纹，通过螺纹配合装配在光纤传输系统2前端，同时由光纤传输系统提供的光线在其内部均匀分布，照亮外面的柔性敏感层以及反射涂层。柔性敏感层9附着在导光支撑层8外面，采用柔性透明材料如PDMS。将不透明反射涂料(如银粉)涂附在柔性敏感层9外形成较薄的反射涂层10，反射涂层10的厚度控制在25μm-75μm，它随柔性敏感层9的一起发生形变。采用增材制造工艺如3D打印或喷墨打印等，将刚性触点颗粒(材料可为PMMA)附着在反射涂层外，从而形成刚性触点层11，刚性触点颗粒为半球形阵列分布，单个刚性触点颗粒外形近似半球形。刚性触点颗粒增强了对于切向接触力的敏感度。同样采用增材制造工艺将柔性材料(可为PDMS)附着在反射涂层10外，从而形成柔性封装层12，它填充刚性触点颗粒之间的空隙，使得测头外形为均匀的半球形。
实施例2
如图1所示，一种光学式力传感器，由以下部分组成：实施例1所述力传感测头1、光纤传输系统2和包括CCD相机5和计算机6的图像采集处理系统。光纤传输系统2可以为力传感测头1提供光源7以及传输图像。力传感测头内部不存在任何电器元件，它可以在180°感测角度感受外部接触力，并将接触力信息转化为光强分布信息，经过光纤传输系统2传输，由CCD相机5接收形成对应的力值图像，在通过线路连接将信号传输给计算机6，在计算机6上进行三维接触力信息解算。
光纤传输系统中的导光束3为力传感测头提供光源7，由前端物镜13、传像束和后端耦合镜组成的成像束4传输光强信息，支撑填充使得光纤束可以一定的方式和形状分布，并且使得光纤之间相互隔离。成像束可实现全部半球面内的光强分布信息捕获。如图3所示，多根导光束周向均匀分布在成像束4外侧，成像束分布在光纤传输系统中心。
如图4所示，本发明所述传感器的工作原理为：外部光源通过导光束3使光在导光支撑层8上均匀分布，接触力作用在柔性封装层12以及刚性触点层11上，导致反射涂层以及柔性敏感层9发生变形，从而反射涂层下呈现一定的光强分布，光线经成像束13捕获至图像采集处理系统形成如图4右侧的力值图像，由图像解算三维接触力信息。
本发明所述传感器的中三维接触力解算方法的思路如下：
首先，基于平场矫正算法的思路，在未装配力传感测头前获取CCD相机的拍摄的暗底图像和均匀光图像，经计算得到图像缺陷相关系数，采集力值图像去除相关系数后就可得到去除网纹的图像。然后将平面力值图像映射到球面上，得到球面力值图像，根据图中触点压痕的数量，以及单个触点形成压痕处的灰度形状，结合传感装置标定实验结果，完成解算三维接触力。
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种无源式三维力传感测头，其特征在于：整体呈半球形，由内到外依次是导光支撑层(8)、柔性敏感层(9)、反射涂层(10)、刚性触点层(11)和柔性封装层(12)，所述导光支撑层(8)下部设有用于装配在光纤传输系统上的圆柱形延伸结构，由光纤传输系统提供的光线在其内部均匀分布，照亮导光支撑层(8)外侧的柔性敏感层(9)以及反射涂层(10)，所述柔性敏感层(9)附着在导光支撑层(8)外侧，所述柔性敏感层(9)外侧涂附有不透明反射涂料作为反射涂层(10)，该反射涂层(10)随柔性敏感层(9)一起发生形变，刚性触点颗粒附着在反射涂层(10)外形成刚性触点层(11)，所述刚性触点颗粒为半球形阵列分布，单个刚性触点颗粒外形近似半球形，采用增材制造工艺将柔性材料附着在反射涂层(10)外，填充刚性触点颗粒之间的空隙形成柔性封装层(12)，接触力作用在柔性封装层(12)以及刚性触点层(11)上，导致反射涂层以及柔性敏感层(9)发生变形，从而反射涂层下呈现一定的光强分布，柔性材料的填充使得无源式三维力传感测头外形为均匀的半球形，其中，
所述导光支撑层(8)采用PMMA硬质透明材料；
所述柔性敏感层(9)采用PDMS柔性透明材料；
所述刚性触点颗粒的材料为PMMA；
所述柔性材料为PDMS。
2.根据权利要求1所述的无源式三维力传感测头，其特征在于：采用增材制造工艺将刚性触点颗粒附着在反射涂层(10)外。
3.一种光学式力传感器，包括权利要求1所述无源式三维力传感测头、光纤传输系统和图像采集处理系统，其中，所述无源式三维力传感测头，通过导光支撑层(8)的圆柱形延伸结构与与光纤传输系统前端外表面连接；所述光纤传输系统(2)包括导光束(3)和成像束(4)，所述成像束(4)在中央，多根所述导光束(3)周向排列在成像束(4)外侧、且彼此相互隔离，将外界光源引入到导光支撑层(8)，所述成像束(4)由前端物镜(13)、传像束和后端耦合镜依次连接组成，可获取力传感测头球面下的图像；所述图像采集处理系统主要由CCD相机(5)和处理器(6)组成，所述CCD相机(5)和处理器(6)线路连接，所述光纤传输系统(2)中的成像束(4)通过后端耦合镜与CCD相机的镜头接口相连，相机捕获力值图像，由处理器(6)实现图像处理与力值解算。
4.根据权利要求3所述的光学式力传感器，其特征在于：所述处理器为计算机。
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