CN114098837B - 基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光干涉及长光栅啁啾效应的力‑形自感知穿刺针，包括针体，针体远离针尖的一端设有定位平面，针体侧壁上均匀设置有N_g个U形槽，U形槽内分别设置有第一至第N_g光纤，其中N_g≥3，每根光纤上均设置有一段啁啾光纤光栅与F‑P腔，啁啾光纤光栅设置于远离针尖一端，F‑P腔设置于靠近针尖一端，且啁啾光纤光栅与F‑P腔之间相隔一定距离。本发明实现了穿刺活检手术过程中穿刺针整体微量形态变化和尖端受力情况的精准监测。

Description

基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针。

背景技术

在临床诊断过程中，仅仅通过影像学检查难以对病灶定性，活体组织的病理检查才是诊断的金标准。经皮穿刺手术在临床操作时需要将穿刺针经过皮肤入针，经由人体组织到达病灶目标点进行取材。由于人体组织和器官生理结构错综复杂，给穿刺手术的精准入针带来极大困难，因此外科医生对实时监测穿刺针变形和针尖与人体组织的交互作用力情况具有迫切需求。目前穿刺针变形监测常用的技术方法有超声成像、计算机断层扫描以及磁共振成像。超声成像可以实时使用，但组织对比度低；计算机断层扫描需要高剂量的辐射，不能实时使用；核磁共振成像速度慢，也不能实时应用，且上述三种方法空间分辨率相对较低，难以准确监测针尖与穿刺路径间的微量偏差。目前用于交互作用力监测的传感器主要有压阻式、电容式、光电式等，以上传感器具有动态范围大，精度高等优势，但因为其单元体积较大，容易受到电磁干扰，处理电路复杂等问题，在穿刺针等小型医疗设备上应用受限。近年来，光纤光栅传感器因具有抗电磁干扰、良好的生物兼容性和微型化尺寸等优势而引起国内外学者的广泛关注，它能克服电类敏感元件的大部分局限，实现狭小空间下针体变形的精准测量。但是目前还只是通过光纤光栅分布式布置方式来进行变形监测，该种方式传感器的测量精度受光纤光栅位置及数量的影响，需要大量仿真或实验来优化传感器配置方案，设计过程需要消耗更多时间成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，以实现穿刺活检手术过程中穿刺针整体微量形态变化和尖端受力情况的精准监测。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，包括针体，针体远离针尖的一端设有定位平面，针体侧壁上均匀设置有N_g个U形槽，U形槽内分别设置有第一第N_g光纤，其中N_g≥3，每根光纤上均设置有一段啁啾光纤光栅与F-P腔，啁啾光纤光栅设置于远离针尖一端，F-P腔设置于靠近针尖一端，且啁啾光纤光栅与F-P腔之间相隔一定距离。

按上述方案，所述啁啾光纤光栅为线性纵向啁啾光纤光栅，其啁啾率为常数。

按上述方案，所述F-P腔为一单模光纤通过氢氟酸溶液腐蚀形成凹坑而后与另一单模光纤通过激光焊接而成。

按上述方案，所述第一至第N_g光纤在紧绷状态下通过树脂胶固定于U形槽内。

按上述方案，所述针体与国标16号穿刺针尺寸相同。

利用上文所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针实现的穿刺过程中三维力-形感知方法，其中：

受力感知方法为：

针体所受接触力分为轴向力F_z和横向力F_l，其中F_l在针体横截面上分解为沿x轴方向的力F_x和沿y轴方向的力F_y；接触力使三根光纤上的F-P腔的腔长发生不同程度的轴向变形和横向变形，F-P腔的腔长总变形分解为轴向变形和横向变形的线性叠加，通过分析针体的力学模型，得到在不同力的作用下各F-P腔的腔长变化量，进而得到此变化量与三维力的解耦矩阵，实现针尖处三维力大小和方向的测量；

形变感知方法为：

针体在受到轴向线性应变时，经解调得到的啁啾光纤光栅的反射光谱具有对称性，其峰值反射率对应的最大波长和线性应变函数的常系数存在映射关系，通过确定啁啾光纤光栅的反射光谱的峰值反射率对应的最大波长的值可计算得出线性应变函数表达式，结合悬臂梁模型的约束条件，对线性应变函数表达式进行两次积分得到针体的空间形变曲线。

按上述方案，所述受力感知方法具体为：

利用双解调算法将解调后形成的反射光谱分为F-P腔的干涉光谱与啁啾光纤光栅的宽带光谱；根据F-P腔干涉光谱，利用相位解调技术得出F-P腔的腔长变化量，得到腔长变化量与所受接触力之间的数学模型；随后得到全尺度啁啾光纤光栅的反射光谱与针体形变之间的数学模型，结合上述数学模型得到反射光谱信息与所受接触力的关系；

当力F作用在针尖处F-P腔上时，设第i个F-P腔腔长变化量δl_i(F)是由轴向受力形变δl_i，l和横向受力形变δl_i，z的线性叠加而成；

首先分析F-P腔轴向受力的形变模型，针体受轴向力F_z时，所有F-P腔受力情况相同，理论上对应的腔长变化量相同；

其中A为穿刺针的横截面积，E为穿刺针的杨氏模量，L_i，0表示第i个F-P腔的初始腔长；

当F-P腔仅受到横向力F_l时，此时对针体的受力分析简化为悬臂梁模型，则有F_x为横向力在x方向的分力，F_y为横向力在y方向的分力，从而得到向力引起的腔长变化量δl_i，l：

其中θ为悬臂梁转角，d_i为光纤中心轴到中性轴的垂直距离，因穿刺针在进针过程中变形较小，θ较小，可忽略不计，且有tanθ≈θ，故δl_i，l＝d_iθ；

当N_g＝3时，在横截面上建立坐标系，三个F-P腔的坐标分别为(x_i，y_i)(i＝1，2，3)，有：

d_i＝x_icosα-y_isinα

其中d_i为光纤中心轴到中性层的距离，α为受力方向角，同样也是变形的方向角，

综合轴向受力和横向受力分析，F-P腔腔长变化量与针尖处所受三维力的关系表示为：

令F_x＝F_lcosα和F_y＝F_lsinα，则有：

令上式等号右侧的第一个矩阵为A，则有δl＝AF，通过对穿刺针的标定实验获得矩阵A，进而可得穿刺针受力F＝A^-1δl；其中L为啁啾光纤光栅的长度。

按上述方案，所述形变感知方法具体为：

由于啁啾光纤光栅的结构特征，将一个长为L的啁啾光纤光栅看作是由N段长度为的均匀光纤光栅级联而成，若要获得啁啾光纤光栅上非均匀应变分布，首先需要得到每一段均匀光纤光栅上的均匀应变值；第n小段均匀光纤光栅的坐标/>进而得出啁啾光纤光栅第n小段的初始周期Λ_n，0：

其中Λ₀为啁啾光纤光栅的初始周期，z为沿啁啾光纤光栅长度方向的坐标，C为啁啾率，L为光栅长度；

忽略所用光纤材料的吸收效应，根据耦合模理论和F矩阵理论，上述长度为的均匀光纤光栅的传输特性表示为：

其中E_i(0)、E_r(0)、E_i(L)、E_r(L)分别为前后向传导模电场幅度，f₁₁、f₁₂、f₂₁、f₂₂分别为传输矩阵的四个矩阵元；为光纤光栅的输入矩阵，/>为光纤光栅的输出矩阵，F为光纤光栅的传输矩阵；其中/>为前后向传导模的耦合系数，λ为入射波长；为波数，/>为波数失谐量；/>φ为光栅相位；

由此，长为L的啁啾光纤光栅的传输矩阵表示为：

根据光纤光栅的边界条件：E_i(0)＝0，E_r(L)＝0，得到啁啾光纤光栅反射光谱；

N_g＝3时，当啁啾光纤光栅受到线性应变，结合针尖处应变为零的约束条件，设应变函数表达式为：

其中为第m根光纤上的线性应变函数，k_m为该函数的系数值；

光纤光栅受到应力后的周期Λ_n，ε为：

其中p_e为光纤纤芯的有效弹光系数；

上式中，λ_1，ε为啁啾光纤光栅第1小段受到应力ε后的波长，λ_1，0为啁啾光纤光栅第1小段的初始波长；

由于分段数N较大，则有上式写为：

通过上式通过针体上三根啁啾光纤光栅的宽带反射光谱得出针体受线性应变的函数表达，理论上三者的空间形态相同，所以其应变函数的系数值也相同，则针体中心轴的应变函数的系数认为是上述三个系数值的均值；

结合边界条件y(0)＝0，通过两次积分确定针体变形曲线的函数表达：

本发明的有益效果是：通过设置的啁啾光纤光栅和F-P腔实现了对针体形变和受力的精准感知；同时，设置的啁啾光纤光栅对针体全尺度的变形监测，相较于分布式监测，避免了复杂的试验和仿真分析优化。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针整体结构图与光纤放大图；

图2为本发明一实施例的光纤布局示意图；

图3为本发明一实施例的针体横向与周向受力力学模型示意图；

图4为本发明一实施例的针体横截面参数示意图。

图中：1-定位平面，2-U形槽，3-树脂胶，4-啁啾光纤光栅，5-F-P腔，401-第一啁啾光纤光栅，402-第二啁啾光纤光栅，403-第三啁啾光纤光栅，501-第一F-P腔，502-第二F-P腔，503-第三F-P腔。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参见图1，图2，基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，包括针体，针体远离针尖的一端设有定位平面1，针体侧壁上间隔120°均匀设置有三个U形槽2，U形槽2内分别设置有第一、第二和第三光纤，第一光纤上设置有第一啁啾光纤光栅401和第一F-P腔501，第而光纤上设置有第二啁啾光纤光栅402和第二F-P腔502，第三光纤上设置有第三啁啾光纤光栅403和第三F-P腔503，啁啾光纤光栅4设置于远离针尖一端，F-P腔5设置于靠近针尖一端，且啁啾光纤光栅4与F-P腔5之间相隔一定距离。

按上述方案，所述啁啾光纤光栅4为线性纵向啁啾光纤光栅，其啁啾率为常数。

按上述方案，所述F-P腔5为一单模光纤通过氢氟酸溶液腐蚀形成凹坑而后与另一单模光纤通过激光焊接而成。

按上述方案，所述第一、第二和第三光纤在紧绷状态下通过树脂胶3固定于U形槽2内。

按上述方案，所述针体与国标16号穿刺针尺寸相同。

利用上文所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针实现的穿刺过程中三维力-形感知方法，其中：

受力感知方法为：

针体所受接触力分为轴向力F_z和横向力F_l，其中F_l在针体横截面上分解为沿x轴方向的力F_x和沿y轴方向的力F_y；接触力使三根光纤上的F-P腔5的腔长发生不同程度的轴向变形和横向变形，F-P腔5的腔长总变形分解为轴向变形和横向变形的线性叠加，通过分析针体的力学模型，得到在不同力的作用下各F-P腔5的腔长变化量，进而得到此变化量与三维力的解耦矩阵，实现针尖处三维力大小和方向的测量；

形变感知方法为：

针体在受到轴向线性应变时，经解调得到的啁啾光纤光栅4的反射光谱具有对称性，其峰值反射率对应的最大波长和线性应变函数的常系数存在映射关系，通过确定啁啾光纤光栅的反射光谱的峰值反射率对应的最大波长的值可计算得出线性应变函数表达式，结合悬臂梁模型的约束条件，对线性应变函数表达式进行两次积分得到针体的空间形变曲线。

按上述方案，所述受力感知方法具体为：

利用双解调算法将解调后形成的反射光谱分为F-P腔5的干涉光谱与啁啾光纤光栅4的宽带光谱；根据F-P腔5干涉光谱，利用相位解调技术得出F-P腔5的腔长变化量，得到腔长变化量与所受接触力之间的数学模型；随后得到全尺度啁啾光纤光栅4的反射光谱与针体形变之间的数学模型，结合上述数学模型得到反射光谱信息与所受接触力的关系；

当力F作用在针尖处F-P腔5上时，设第i个F-P腔5腔长变化量δl_i(F)是由轴向受力形变δl_i，l和横向受力形变δl_i，z的线性叠加而成；

首先分析F-P腔5轴向受力的形变模型，针体受轴向力F_z时，所有F-P腔5受力情况相同，理论上对应的腔长变化量相同；

其中A为穿刺针的横截面积，E为穿刺针的杨氏模量，L_i，0表示第i个F-P腔的初始腔长；

当F-P腔5仅受到横向力F_l时，此时对针体的受力分析简化为悬臂梁模型，则有F_x为横向力在x方向的分力，F_y为横向力在y方向的分力，从而得到向力引起的腔长变化量δl_i，l：

其中θ为悬臂梁转角，d_i为光纤中心轴到中性轴的垂直距离，因穿刺针在进针过程中变形较小，θ较小，可忽略不计，且有tanθ≈θ，故δl_i，l＝d_iθ；

在横截面上建立坐标系，三个F-P腔5的坐标分别为(x_i，y_i)(i＝1，2，3)，有：

d_i＝x_icosα-y_isinα

其中d_i为光纤中心轴到中性层的距离，α为受力方向角，同样也是变形的方向角，

综合轴向受力和横向受力分析，F-P腔5腔长变化量与针尖处所受三维力的关系表示为：

令F_x＝F_lcosα和F_y＝F_lsinα，则有：

令上式等号右侧的第一个矩阵为A，则有δl＝AF，通过对穿刺针的标定实验获得矩阵A，进而可得穿刺针受力F＝A^-1δl；其中L为啁啾光纤光栅的长度。

按上述方案，所述形变感知方法具体为：

由于啁啾光纤光栅4的结构特征，将一个长为L的啁啾光纤光栅4看作是由N段长度为的均匀光纤光栅级联而成，若要获得啁啾光纤光栅4上非均匀应变分布，首先需要得到每一段均匀光纤光栅上的均匀应变值；第n小段均匀光纤光栅的坐标/>进而得出啁啾光纤光栅4第n小段的初始周期Λ_n，0：

其中Λ₀为啁啾光纤光栅的初始周期，z为沿啁啾光纤光栅长度方向的坐标，C为啁啾率，L为光栅长度；

忽略所用光纤材料的吸收效应，根据耦合模理论和F矩阵理论，上述长度为的均匀光纤光栅的传输特性表示为：

其中E_i(0)、E_r(0)、E_i(L)、E_r(L)分别为前后向传导模电场幅度，f₁₁、f₁₂、f₂₁、f₂₂分别为传输矩阵的四个矩阵元；为光纤光栅的输入矩阵，/>为光纤光栅的输出矩阵，F为光纤光栅的传输矩阵；其中/>为前后向传导模的耦合系数，λ为入射波长；为波数，/>为波数失谐量；/>φ为光栅相位；

由此，长为L的啁啾光纤光栅4的传输矩阵表示为：

根据光纤光栅的边界条件：E_i(0)＝0，E_r(L)＝0，得到啁啾光纤光栅4反射光谱；

当啁啾光纤光栅4受到线性应变，结合针尖处应变为零的约束条件，设应变函数表达式为：

其中为第m根光纤上的线性应变函数，k_m为该函数的系数值；

光纤光栅受到应力后的周期Λ_n，ε为：

其中p_e为光纤纤芯的有效弹光系数；

上式中，λ_1，ε为啁啾光纤光栅第1小段受到应力ε后的波长，λ_1，0为啁啾光纤光栅第1小段的初始波长；

由于分段数N较大，则有上式写为：

通过上式通过针体上三根啁啾光纤光栅4的宽带反射光谱得出针体受线性应变的函数表达，理论上三者的空间形态相同，所以其应变函数的系数值也相同，则针体中心轴的应变函数的系数认为是上述三个系数值的均值；

结合边界条件y(0)＝0，通过两次积分确定针体变形曲线的函数表达：

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，其特征在于：包括针体，针体远离针尖的一端设有定位平面，针体侧壁上均匀设置有N_g个U形槽，U形槽内分别设置有第一至第N_g光纤，其中N_g≥3，每根光纤上均设置有一段啁啾光纤光栅与F-P腔，啁啾光纤光栅设置于远离针尖一端，F-P腔设置于靠近针尖一端，且啁啾光纤光栅与F-P腔之间相隔一定距离。

2.根据权利要求1所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，其特征在于：所述啁啾光纤光栅为线性纵向啁啾光纤光栅，其啁啾率为常数。

3.根据权利要求1所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，其特征在于：所述F-P腔为一单模光纤通过氢氟酸溶液腐蚀形成凹坑而后与另一单模光纤通过激光焊接而成。

4.根据权利要求1所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，其特征在于：所述第一至第N_g光纤在紧绷状态下通过树脂胶固定于U形槽内。

5.根据权利要求1所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针，其特征在于：所述针体与国标16号穿刺针尺寸相同。

6.利用权利要求1-5任一所述的基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针实现的穿刺过程中三维力-形感知方法，其特征在于：

受力感知方法为：

针体所受接触力分为轴向力F_z和横向力F_l，其中F_l在针体横截面上分解为沿x轴方向的力F_x和沿y轴方向的力F_y；接触力使三根光纤上的F-P腔的腔长发生不同程度的轴向变形和横向变形，F-P腔的腔长总变形分解为轴向变形和横向变形的线性叠加，通过分析针体的力学模型，得到在不同力的作用下各F-P腔的腔长变化量，进而得到此变化量与三维力的解耦矩阵，实现针尖处三维力大小和方向的测量；

形变感知方法为：

针体在受到轴向线性应变时，经解调得到的啁啾光纤光栅的反射光谱具有对称性，其峰值反射率对应的最大波长和线性应变函数的常系数存在映射关系，通过确定啁啾光纤光栅的反射光谱的峰值反射率对应的最大波长的值可计算得出线性应变函数表达式，结合悬臂梁模型的约束条件，对线性应变函数表达式进行两次积分得到针体的空间形变曲线。

7.根据权利要求6所述的穿刺过程中三维力-形感知方法，其特征在于：所述受力感知方法具体为：

利用双解调算法将解调后形成的反射光谱分为F-P腔的干涉光谱与啁啾光纤光栅的宽带光谱；根据F-P腔干涉光谱，利用相位解调技术得出F-P腔的腔长变化量，得到腔长变化量与所受接触力之间的数学模型；随后得到全尺度啁啾光纤光栅的反射光谱与针体形变之间的数学模型，结合上述数学模型得到反射光谱信息与所受接触力的关系；

当力F作用在针尖处F-P腔上时，设第i个F-P腔腔长变化量δl_i(F)是由轴向受力形变δl_i,l和横向受力形变δl_i,z的线性叠加而成；

首先分析F-P腔轴向受力的形变模型，针体受轴向力F_z时，所有F-P腔受力情况相同，理论上对应的腔长变化量相同；

其中A为穿刺针的横截面积,E为穿刺针的杨氏模量，L_i,0表示第i个F-P腔的初始腔长；

当F-P腔仅受到横向力F_l时，此时对针体的受力分析简化为悬臂梁模型，则有F_x为横向力在x方向的分力，F_y为横向力在y方向的分力，从而得到向力引起的腔长变化量δl_i,l：

其中θ为悬臂梁转角，d_i为光纤中心轴到中性轴的垂直距离，因穿刺针在进针过程中变形较小，θ较小，可忽略不计，且有tanθ≈θ，故δl_i,l＝d_iθ；

当N_g＝3时，在横截面上建立坐标系，三个F-P腔的坐标分别为(x_i,y_i)(i＝1,2,3)，有：

d_i＝x_icosα-y_isinα

其中d_i为光纤中心轴到中性层的距离，α为受力方向角，同样也是变形的方向角，

综合轴向受力和横向受力分析，F-P腔腔长变化量与针尖处所受三维力的关系表示为：

令F_x＝F_lcosα和F_y＝F_lsinα，则有：

令上式等号右侧的第一个矩阵为A，则有δl＝AF，通过对穿刺针的标定实验获得矩阵A，进而可得穿刺针受力F＝A^-1δl；其中L为啁啾光纤光栅的长度。

8.根据权利要求6所述的穿刺过程中三维力-形感知方法，其特征在于：所述形变感知方法具体为：

由于啁啾光纤光栅的结构特征，将一个长为L的啁啾光纤光栅看作是由N段长度为的均匀光纤光栅级联而成，若要获得啁啾光纤光栅上非均匀应变分布，首先需要得到每一段均匀光纤光栅上的均匀应变值；第n小段均匀光纤光栅的坐标/>进而得出啁啾光纤光栅第n小段的初始周期Λ_n,0：

其中Λ₀为啁啾光纤光栅的初始周期，z为沿啁啾光纤光栅长度方向的坐标，C为啁啾率，L为光栅长度；

忽略所用光纤材料的吸收效应，根据耦合模理论和F矩阵理论，上述长度为的均匀光纤光栅的传输特性表示为：

其中E_i(0)、E_r(0)、E_i(L)、E_r(L)分别为前后向传导模电场幅度，f₁₁、f₁₂、f₂₁、f₂₂分别为传输矩阵的四个矩阵元；为光纤光栅的输入矩阵，/>为光纤光栅的输出矩阵，F为光纤光栅的传输矩阵；其中/>为前后向传导模的耦合系数，λ为入射波长；/>为波数,/>为波数失谐量；/>φ为光栅相位；

由此，长为L的啁啾光纤光栅的传输矩阵表示为：

根据光纤光栅的边界条件：E_i(0)＝0,E_r(L)＝0，得到啁啾光纤光栅反射光谱；

N_g＝3时，当啁啾光纤光栅受到线性应变，结合针尖处应变为零的约束条件，设应变函数表达式为：

其中为第m根光纤上的线性应变函数，k_m为该函数的系数值；

光纤光栅受到应力后的周期Λ_n,ε为：

其中p_e为光纤纤芯的有效弹光系数；

上式中，λ_1,ε为啁啾光纤光栅第1小段受到应力ε后的波长，λ_1,0为啁啾光纤光栅第1小段的初始波长；

由于分段数N较大，则有上式写为：

通过上式通过针体上三根啁啾光纤光栅的宽带反射光谱得出针体受线性应变的函数表达，理论上三者的空间形态相同，所以其应变函数的系数值也相同，则针体中心轴的应变函数的系数认为是根据三根啁啾光纤光栅的宽带反射光谱得出针体受线性应变的函数表达应变的系数值的均值；

结合边界条件y(0)＝0，通过两次积分确定针体变形曲线的函数表达：