CN114152370A - 一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，包括两个平面弹簧、光纤布拉格光栅、传感器壳体、弹簧连接件、穿刺针及信号处理单元，所述平面弹簧为曲梁式结构，两个弹簧之间并联设置，可产生沿传感器中性轴方向的变形，将穿刺针信号转化为光栅应变信号；所述光纤布拉格光栅在预紧力的作用下悬挂于传感器壳体与平面弹簧之间，可在穿刺力作用下产生轴向应变，并将应变信号转化为光波长信号，所述传感器壳体用于固定光纤和两个平面弹簧；所述弹簧连接件用于将两个平面弹簧连接固定。本发明所述传感器具有分辨率高、线性度好、灵敏度高等特点，能够检测微小的穿刺力变化，对于辅助医生进行穿刺手术、保障患者安全具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及微创穿刺力传感技术领域，具体涉及一种可实现对微创穿刺过程中穿刺针与人体组织之间交互力进行准确测量的高精度光纤光栅力传感器。
背景技术
在现代临床医学中，穿刺针介入手术已日益成为一种常见的医疗方法。该方法已被广泛应用于各种微创经皮手术，如介入放射学、神经外科、近距离放射治疗、药物递送、癌组织诊断活检和血液取样等。与开放式手术相比，穿刺针介入手术具有切口和创伤小、感染风险小、出血少、术后恢复时间短、死亡率低等优点，是一种微创进入内部组织和器官的方法。尽管穿刺针介入操作具有上述多种优势，但穿刺力反馈的缺乏仍然给外科医生带来了挑战，例如：术中操作不当、术后产生并发症。针穿刺过程中的力信息的反馈对于了解穿刺过程和相互作用过程以及评估组织性能有很大帮助。有了这些信息，外科医生可以据此调整手术和插入轨迹，以获得更好的手术效果，保证患者安全。同时，有研究表明，穿刺力反馈与降低并发症的发生率密切相关。因此，开发微穿刺针力传感技术具有非常重要的临床意义和研究价值。
为了检测穿刺过程中的力变化，人们尝试利用各种传感技术。其中：应变片由于其商业化程度高、使用方便、成本低而被广泛应用于力的测量。然而，基于应变片的力传感器分辨率普遍不高，并需要额外的电线连接，这使得它难以和手术器械无缝集成，并且难以承受医疗过程中的反复消毒。其他尝试包括利用压阻材料、电容材料、聚偏氟乙烯(PVDF)和压电薄膜开发出的刺针力传感技术。然而，由于其具有相对较低的灵敏度、较低的生物相容性，导致难以与手术器械集成、易受电磁干扰(EMI)的影响、容易损坏或难以承受高压灭菌程序等问题，其实施和应用受到了限制。
为了解决上述困难，基于光纤传感器(FOS)的技术引起了研究人员的广泛关注。光纤传感器凭借其多种优异的性能被广泛应用于医疗领域实现力传感功能，这些特性通常包括高灵敏度、小尺寸、良好的生物相容性、耐腐蚀能力和抗EMI干扰的能力。这些优势使基于光纤的传感器具有结构紧凑、整体尺寸小、测量精度高、安全可靠等突出优势，并适用于复杂的手术环境。北京交通大学的Yang等人应用FPI腔设计了一种基于干涉强度调制方法的一维力传感器，并将其与穿刺针集成，用于识别层状组织。但由于调制方法的限制，该传感器容易受到光纤弯曲损耗和输入光强变化的影响，导致测量精度不高，且测量结果重复性较差。
相比于强度调制型光纤传感器，波长调制型光纤传感器以光波长为检测量，不会受实验过程中光强变化的影响，测量结果稳定性高，测量精度高。例如：印度工程研究所的Ambastha等人将光纤布拉格光栅(FBG)贴附到穿刺针工具轴上以检测穿刺力，虽然解决了光强变化对传感器测量稳定性的影响问题，但是传感器测量力灵敏度相对较低。
发明内容
针对现有光纤布拉格光栅应用于微创穿刺力传感技术中存在检测灵敏度差的问题，本发明提供了一种将传感元件光纤布拉格光栅与并联布置的平面弹簧耦合设计，开发出一种新型的用于微创穿刺手术中穿刺力测量的力传感器。该传感器具有高灵敏度、高分辨率、线性度好、结构紧凑、抗干扰能力强等优点，可以有效提高微创穿刺手术的安全性，保证患者安全、减少术后并发症。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，包括传感器壳体、平面弹簧组件、光纤布拉格光栅、穿刺针以及信号处理单元；其中：
所述传感壳体内部呈中空状，传感器壳体顶部设有第一光纤固定部，所述第一光纤固定部上设有第一光纤安装槽，所述第一光纤安装槽与传感器壳体内部相连通；
所述平面弹簧组件设置于传感壳体内部，并与传感器壳体侧壁相固定；所述平面弹簧组件由平行布置的两个平面弹簧以及将两个平面弹簧连接固定的弹簧连接件组成；其中：所述平面弹簧组件的顶部设有第二光纤固定部，所述第二光纤固定部上设有第二光纤安装槽，所述第二光纤安装槽与传感器壳体内部相连通；
所述光纤布拉格光栅两端分别固定于第一光纤安装槽与第二光纤安装槽内，且整体呈张紧状态悬置于传感壳体内部的中心轴线上；
所述穿刺针装配于平面弹簧组件上，并延伸至传感器壳体外部，所述穿刺针与弹簧连接件、光纤布拉格光栅位于一条轴线上；
所述信号处理单元与光纤布拉格光栅相连接，用于将光波长信号转化为数字信号。
上述方案中，两个所述平面弹簧分别为第一平面弹簧与第二平面弹簧，所述第一平面弹簧与第二平面弹簧结构相同，由内到外依次为中心移动圆台、柔性曲梁结构以及外部固定圆台，所述柔性曲梁结构由三个沿圆周方向以120°间隔均匀布置的曲梁构成，三个所述曲梁分别连接中心移动圆台与外部固定圆台。
进一步地，所述第一平面弹簧与第二平面弹簧的中心移动圆台上分别设有中心通孔；所述弹簧连接件由柱形连接体与设置于柱形连接体两端的第一螺纹连接段与第二螺纹连接段构成；其中：所述第一螺纹连接段通过设置于第一平面弹簧上的中心通孔延伸至第一平面弹簧上方，并通过与第二光纤固定部螺纹连接，实现柱形连接体与第一平面弹簧的连接固定；所述第二螺纹连接段通过设置于第二平面弹簧上的中心通孔延伸至第二平面弹簧下方，并通过与紧固件螺纹连接，实现柱形连接体与第二平面弹簧的连接固定。
进一步地，所述第二螺纹连接段与柱形连接体内部分别设有与穿刺针外径相匹配的中空腔体，所述穿刺针通过第二螺纹连接段插入柱形连接体内部。
作为优选，所述第一光纤固定部为半圆柱体，所述第一光纤安装槽开设于半圆柱体侧面中心处。
作为优选，所述第二光纤固定部由半圆柱体和与半圆柱体一体设置的中空圆柱体构成，所述第二光纤安装槽开设于半圆柱体侧面中心处，所述中空圆柱体内部设有内螺纹段。
作为优选，所述传感器壳体由第一壳体、第二壳体以及第三壳体通过螺纹连接方式相互拼装组成；其中：所述第一光纤固定部设置于第一壳体的顶部，所述第一壳体与第二壳体之间设有第一环形槽，所述第一平面弹簧装配于第一环形槽内；所述第二壳体与第三壳体之间设有第二环形槽，所述第二平面弹簧装配于第二环形槽内。
作为优选，所述第一光纤固定部与第一壳体之间设有中空螺纹段，所述中空螺纹段上设有与所述第一光纤安装槽相贯通的中心通孔；所述力传感器还设有与所述中空螺纹段相连接的外部保护螺帽。
进一步地，所述光纤布拉格光栅可由外部保护螺帽引出，并与信号处理单元相连接，所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪和计算机系统。
作为优选，所述光纤布拉格光栅两端分别通过胶粘固定的方式设置于第一光纤安装槽以及第二光纤安装槽中；所述传感器壳体以及平面弹簧组件的材料为铝合金；所述紧固件材料为合金钢。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
1、本发明所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器中，所述光纤布拉格光栅两端分别固定于传感器壳体以及平面弹簧组件上，且光纤整体呈张紧状态悬置于传感壳体内部的中心轴线上，与传统直接整根固定光纤的方式相比，这种两点式的布置方式，可以有效避免光栅由于应变不均匀而产生啁啾现象。
2、本发明所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器中，所述光纤布拉格光栅与平面弹簧组件耦合(即：力敏柔性结构)布置；其中：所述平面弹簧组件包括两个结构相同的平面弹簧以及将两个平面弹簧连接固定的弹簧连接件构成，所述平面弹簧由内到外依次设置为中心移动平台、三个沿圆周方向均匀布置的柔性曲梁结构以及外部固定平台，所述三个柔性曲梁结构分别连接中心移动平台与外部固定平台，并可产生沿传感器中性轴方向的变形，继而实现将穿刺针力信息转化为光栅应变信号，与平面弹簧组件相固定的光纤布拉格光栅将光栅应变信号转化为光波长信号；同时，两个平面弹簧采用平行间隔的布置方式，可以有效提高传感器的抗侧向干扰能力。
3、本发明所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器中，采用光纤布拉格光栅作为传感元件，具有尺寸小、柔性好、耐腐蚀、生物相容性好、抗电磁干扰能力强等优点，且输出的波长信号不受输入光强度变化和光纤弯曲引起的光强损失的影响，具有较高的检测精度和可重复性；采用平行间隔布置的曲梁式平面弹簧，该平面弹簧具有结构尺寸紧凑、力位性能好等优点，将光纤布拉格光栅与平面弹簧组件耦合设计得到传感器力检测灵敏度高、分辨率高、重复性好、抗侧向干扰能力强等诸多优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器的整体结构示意图。
图2为本发明实施例所述用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例所述用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器的剖面结构示意图内部结构示意图(一)。
图4为本发明实施例所述用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器的剖面结构示意图内部结构示意图(二)。
图5为本发明实施例中所述平面弹簧的结构示意图。
图6为本发明实施例中所述高精度光纤光栅力传感器外部结构分解示意图。
图7为本发明实施例中所述第二光纤固定部以及弹簧连接件的结构示意图。
图8为本发明实施例3中，传感器受到的轴向力与光纤布拉格光栅中心波长漂移量之间的关系图。
标号说明：1、传感器壳体；11、第一壳体；12、第二壳体；13、第三壳体；14、中空螺纹段；2、平面弹簧组件；21、第一平面弹簧；22、第二平面弹簧；23、弹簧连接件；231、第一螺纹连接段；232、第二螺纹连接段；3、光纤布拉格光栅；31、第一光纤固定部；311、第一光纤安装槽；32、第二光纤固定部；321、第二光纤安装槽；4、穿刺针；5、外部保护螺帽；6、紧固件；7、柔性曲梁结构；8、外部固定平台；9、中心移动平台。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：如图1至7所示，一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，主要由传感器壳体1、平面弹簧组件2、光纤布拉格光栅3、穿刺针4以及信号处理单元组成，其中：
所述传感壳体1内部呈中空状，传感器壳体1顶部设有第一光纤固定部31，所述第一光纤固定部31上设有第一光纤安装槽311，所述第一光纤安装槽311与传感器壳体1内部相连通；
所述平面弹簧组件2设置于传感壳体1内部，并与传感器壳体1的侧壁相固定；所述平面弹簧组件2由平行布置的两个平面弹簧以及将两个平面弹簧连接固定的弹簧连接件23组成；其中：所述平面弹簧组件2的顶部设有第二光纤固定部32，所述第二光纤固定部32上设有第二光纤安装槽321，所述第二光纤安装槽321与传感器壳体1内部相连通；
所述光纤布拉格光栅3的两端分别固定于第一光纤安装槽311与第二光纤安装槽321内，且整体呈张紧状态悬置于传感壳体内部的中心轴线上；所述穿刺针4装配于平面弹簧组件2上，并延伸至传感器壳体外部，所述穿刺针4与弹簧连接件23、光纤布拉格光栅3位于一条轴线上；
所述信号处理单元与光纤布拉格光栅3相连接，用于将光波长信号转化为数字信号。
具体地，本实施例1所述的高精度光纤光栅力传感器中，两个所述平面弹簧分别为第一平面弹簧21与第二平面弹簧22，所述第一平面弹簧21与第二平面弹簧结构相同，如图5所示，其结构由内到外依次为中心移动圆台9、柔性曲梁结构7以及外部固定圆台8。其中：所述柔性曲梁结构7由三个沿圆周方向以120°间隔均匀布置的曲梁构成，三个曲梁分别连接中心移动圆台与外部固定圆台，并可在穿刺力作用下产生弹性形变，实现将穿刺针力信息转化为光栅应变信号；同时，两个平面弹簧采用平行间隔的布置方式，可以有效提高传感器的抗侧向干扰能力。
进一步地，本实施例1中，所述第一平面弹簧21与第二平面弹簧22通过弹簧连接件23连接固定的具体实现方式如下；
如图7所示，所述第一平面弹簧21与第二平面弹簧22的中心移动圆台9上分别设有中心通孔；所述弹簧连接件23由柱形连接体与设置于柱形连接体两端的第一螺纹连接段231与第二螺纹连接段232构成；其中：如图3所示，所述第一螺纹连接段231通过设置于第一平面弹簧21上的中心通孔延伸至第一平面弹簧21上方，并通过与第二光纤固定部32螺纹连接，实现柱形连接体与第一平面弹簧21的连接固定；所述第二螺纹连接段232通过设置于第二平面弹簧22上的中心通孔延伸至第二平面弹簧22下方，并与紧固件6螺纹连接，实现柱形连接体与第二平面弹簧22连接固定，所述紧固件6为标准螺母；所述平面弹簧组件2采用铝合金材料制成，紧固件6采用合金钢材料制成。
本实施例1中，所述穿刺针4的装配方式如下：所述第二螺纹连接段232与柱形连接体内部分别设有与穿刺针4外径相匹配的中空腔体，所述穿刺针4通过第二螺纹连接段232插入柱形连接体内部。
进一步地，如图6所示，本实施例1中，所述第一光纤固定部31为半圆柱体，所述第一光纤安装槽311开设于半圆柱体侧面中心处；如图7所示，所述第二光纤固定部32由半圆柱体和与半圆柱体一体设置的中空圆柱体构成，所述第二光纤安装槽321开设于半圆柱体侧面中心处，所述中空圆柱体内部设有内螺纹段，所述光纤布拉格光栅3两端分别通过环氧树脂胶粘固定的方式设置于第一光纤安装槽311以及第二光纤安装槽321中，光纤粘接位置的涂覆层被剥除，以提高粘接效果，避免光纤滑移导致测量误差。
实施例2：如图6所示，一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，作为实施例1的优选实施方式，区别在于：本实施例中所述传感器壳体1由第一壳体11、第二壳体12以及第三壳体13通过螺纹连接方式相互拼装组成；其中：所述第一光纤固定部31设置于第一壳体11的顶部，所述第一壳体11与第二壳体12之间设有第一环形槽，所述第一平面弹簧21装配于第一环形槽内；所述第二外壳12与第三壳体13之间设有第二环形槽，所述第二平面弹簧22装配于第二环形槽内。
具体地，如图6所示，所述第一壳体11为设有内螺纹段的中空圆柱形结构；所述第二壳体12由两个外螺纹段和连接两个外螺纹段的圆环组成；所述第三壳体13为设有内螺纹段的圆环形结构；所述第一壳体11、第二壳体12以及第三壳体13均采用铝合金材料制成。
实施例3：一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，与实施例2的区别在于：所述第一光纤固定部与31第一壳体11之间设有中空螺纹段14，所述中空螺纹段14上设有与所述第一光纤安装槽311相贯通的中心通孔；所述力传感器还设有与所述中空螺纹段14相连接的外部保护螺帽5，用于保护光纤粘接点。
本实施例3所述的高精度光纤光栅力传感器中，所述光纤布拉格光栅3可由外部保护螺帽5引出，并与信号处理单元相连接，所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪和计算机系统，用于将光波长信号转化为数字信号。
具体工作原理如下：
当力传感器受到轴向力载荷时，穿刺针4针尖所受到的轴向力将通过弹簧连接件作用于两个平面弹簧的中心平台，由于平面弹簧的外部固定平台与传感器壳体相固定；因此，中心平台与外部固定平台之间可发生沿轴向的相对位移。同时，光纤布拉格光栅两端分别粘接固定于设置于弹簧连接件和壳体结构上的光纤安装槽内，可将上述位移转化为沿光纤光栅轴向的应变。该应变可引起光纤布拉格光栅的栅距变化，从而导致光栅反射波中心波长产生漂移，光纤布拉格光栅中心波长漂移与应变的关系为：
其中，λ为光纤布拉格光栅的初始中心波长，Δλ为光栅的中心波长漂移量，αf为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数，Pe为光纤的弹光系数；Δε为光纤光栅产生的应变变化；
通过记录标定实验结果，获得传感器受到的轴向力与光纤布拉格光栅中心波长漂移量之间的关系，如图8所示，结果表明，该传感器在0-6N的测量范围内力灵敏度可达687.3pm/N，对应分辨率为1.5mN。相较于现有研究成果，该传感器的灵敏度以及分辨率较高，能够检测微小的穿刺力变化。对于在临床中辅助医生进行穿刺手术、保障患者安全具有重要意义。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，包括传感器壳体、平面弹簧组件、光纤布拉格光栅、穿刺针以及信号处理单元；其中：
所述传感壳体内部呈中空状，传感器壳体顶部设有第一光纤固定部，所述第一光纤固定部上设有第一光纤安装槽，所述第一光纤安装槽与传感器壳体内部相连通；
所述平面弹簧组件设置于传感壳体内部，并与传感器壳体侧壁相固定；所述平面弹簧组件由平行布置的两个平面弹簧以及将两个平面弹簧连接固定的弹簧连接件组成；其中：所述平面弹簧组件的顶部设有第二光纤固定部，所述第二光纤固定部上设有第二光纤安装槽，所述第二光纤安装槽与传感器壳体内部相连通；
所述光纤布拉格光栅两端分别固定于第一光纤安装槽与第二光纤安装槽内，且整体呈张紧状态悬置于传感壳体内部的中心轴线上；
所述穿刺针装配于平面弹簧组件上，并延伸至传感器壳体外部，所述穿刺针与弹簧连接件、光纤布拉格光栅位于一条轴线上；
所述信号处理单元与光纤布拉格光栅相连接，用于将光波长信号转化为数字信号。
2.根据权利要求1所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，两个所述平面弹簧分别为第一平面弹簧与第二平面弹簧，所述第一平面弹簧与第二平面弹簧结构相同，由内到外依次为中心移动圆台、柔性曲梁结构以及外部固定圆台，所述柔性曲梁结构由三个沿圆周方向以120°间隔均匀布置的曲梁构成，三个所述曲梁分别连接中心移动圆台与外部固定圆台。
3.根据权利要求2所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述第一平面弹簧与第二平面弹簧的中心移动圆台上分别设有中心通孔；所述弹簧连接件由柱形连接体与设置于柱形连接体两端的第一螺纹连接段与第二螺纹连接段构成；其中：所述第一螺纹连接段通过设置于第一平面弹簧上的中心通孔延伸至第一平面弹簧上方，并通过与第二光纤固定部螺纹连接，实现柱形连接体与第一平面弹簧的连接固定；所述第二螺纹连接段通过设置于第二平面弹簧上的中心通孔延伸至第二平面弹簧下方，并通过与紧固件螺纹连接，实现柱形连接体与第二平面弹簧的连接固定。
4.根据权利要求3所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述第二螺纹连接段与柱形连接体内部分别设有与穿刺针外径相匹配的中空腔体，所述穿刺针通过第二螺纹连接段插入柱形连接体内部。
5.根据权利要求4所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述第一光纤固定部为半圆柱体，所述第一光纤安装槽开设于半圆柱体侧面中心处。
6.根据权利要求5所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述第二光纤固定部由半圆柱体和与半圆柱体一体设置的中空圆柱体构成，所述第二光纤安装槽开设于半圆柱体侧面中心处，所述中空圆柱体内部设有内螺纹段。
7.根据权利要求1或6所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述传感器壳体由第一壳体、第二壳体以及第三壳体通过螺纹连接方式相互拼装组成；其中：所述第一光纤固定部设置于第一壳体的顶部，所述第一壳体与第二壳体之间设有第一环形槽，所述第一平面弹簧装配于第一环形槽内；所述第二壳体与第三壳体之间设有第二环形槽，所述第二平面弹簧装配于第二环形槽内。
8.根据权利要求7所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述第一光纤固定部与第一壳体之间设有中空螺纹段，所述中空螺纹段上设有与所述第一光纤安装槽相贯通的中心通孔；所述力传感器还设有与所述中空螺纹段相连接的外部保护螺帽。
9.根据权利要求8所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅可由外部保护螺帽引出，并与信号处理单元相连接，所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪和计算机系统。
10.根据权利要求1所述的用于微创手术穿刺力测量的高精度光纤光栅力传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅两端分别通过胶粘固定的方式设置于第一光纤安装槽以及第二光纤安装槽中；所述传感器壳体以及平面弹簧组件的材料为铝合金；所述紧固件材料为合金钢。
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