CN116650323B - 一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，涉及力的测量和传感针灸技术领域，包括：外壳；外壳的前端盖的外部设置有针灸针体；后端盖转动连接有夹持操作杆；外壳的内部同轴设置有外管，外管内设置有力感知装置；外管一端与所述夹持操作杆相接，另一端与力感知装置的柔性铰链相接，针灸针体与力感知装置的超弹性体相接，超弹性体与前端盖转动连接。本发明能够在针刺治疗过程中实时检测提插力和扭转扭矩，作为一种力感知的触觉交互装置。本发明将布拉格光纤光栅的传感技术应用在针灸领域，具有以更直观的方式反映针刺过程中的力信息和扭矩信息，从而提醒针灸医师在施针时调整方向和深度，保证针灸的效果并对安全性提供保障。
Description
技术领域
本发明属于力的测量和传感针灸技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针。
背景技术
传感技术是获取与量化各种信息的重要手段，与生物医学的融合成就了生物医学传感技术的发展，有助于获取人体生理病理的相关信息。近年来，人们将目光聚焦在生物传感器这一类能够通过敏感元件将生物体内的化学信息转化成光、电等信号的传感器。为了研究中医理论，形成了一系列的传感针，它是以中医针灸针为基体，应用多种现代加工制作后，赋予它传感人体微区的温度、pH值、氧分压等信息的新功能而获得的一种特殊传感针。传感针的研究是针对中医药学需要提出的新课题，目前温度传感针、pH传感针、钙离子传感针等已达到了实用化，但是针对针刺过程的力感知的研究尚在初级阶段。
针刺是中医传统的治疗方式，近年来，国内外广泛采用针刺法治疗疾病，大大减少了病人遭受化疗等带来的痛楚。对针刺手法的研究是推动针灸学发展的重要基础，针灸对手法的要求也更为苛刻。传统的中医针刺过程中，为了提高治疗效果，医生需要对针体进行提插和扭转、捻动等动作才能引起痛阈值升高，因为此阈值对评价手法和治疗效果具有权威性，更多的研究指向了对针刺的力感知。因此需要能够感知微小压力和扭矩的传感针的需求应运而生。其中，对传感器的选择也是极其关键的一环。
布拉格光纤光栅(FBG)是近年来发展极为迅速的一种光纤无源器件。其低功耗，稳定且易制作的特性让它在各大领域广泛应用。光纤光栅传感器是波长调制型传感器，它对波长敏感而对光强不敏感，根据外界参考对光纤光栅中心波长或带宽的调制，能够实现光纤光栅传感器感受测量过程。
因此，一种运用光纤光栅和力感知技术在治疗过程中完成实时检测提插力和扭转扭矩，且能实现柔性交互场景针刺操作状态的实时感知的传感针便有了研究的价值。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述问题和/或缺陷，并提供后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和优点，提供了一种基于微小力传感技术和生物原理的传感针，包括：
外壳，其一端连接有后端盖，另一端连接有前端盖；所述前端盖的外部设置有针灸针体；所述后端盖转动连接有夹持操作杆；
所述外壳的内部同轴设置有外管，所述外管内设置有力感知装置，所述力感知装置被设置为采用三个节点布拉格光纤布局方式进行力的测量；
所述外管一端与所述夹持操作杆相接，另一端与所述力感知装置的柔性铰链相接，所述针灸针体与所述力感知装置的超弹性体相接，所述超弹性体与所述前端盖转动连接。
优选的是，其中，所述力感知装置的结构包括：
光纤节点，其通过粘合剂固定在所述外管的内部，且所述光纤节点的两端分别穿设在夹持操作杆和柔性铰链中；
所述柔性铰链一端与所述外管相接，另一端与所述超弹性体相接。
优选的是，其中，所述光纤节点包括：
中心节点，其端部通过粘合剂与所述超弹性体粘结接触，所述中心节点的两侧对称设置有扭矩节点。
优选的是，其中，所述柔性铰链的结构包括：
空心圆柱件，其内部填充有粘合剂层，所述中心节点和扭矩节点被粘结固定在粘合剂层中；所述空心圆柱件的一端与外管相接触，另一端与所述超弹性体相接触；
所述空心圆柱件上贯通有两个对称的沟道，所述扭矩节点穿设在沟道内，所述空心圆柱件的沟道外部连接有侧向铰链，所述外壳的内壁对称固定设置有两个滑轨，所述侧向铰链与所述滑轨滑动连接；
所述侧向铰链的侧面开设有与沟道相适配的槽体，所述扭矩节点固定在槽体内，且所述扭矩节点的端部与所述滑轨相接触；
所述侧向铰链为半圆弧式铰链结构，即所述侧向铰链的两侧开设有半圆柱状的凹槽，两个所述凹槽的朝向与外管的横截面平行。
优选的是，其中，所述后端盖的内侧固定设置有支撑轴承，所述夹持操作杆通过支撑轴承与后端盖转动连接；
所述前端盖的内侧固定设置有全向轴承，所述超弹性体通过全向轴承与后端盖转动连接。
优选的是，其中，所述粘合剂为环氧树脂。
优选的是，其中，所述中心节点和扭矩节点均为布拉格光纤。
优选的是，其中，所述超弹性体的材料为镍钛合金。
优选的是，其中，所述外管上周向对称开设有多条镂空槽，所述镂空槽包括一对隔开的短槽和长槽，其中所述短槽和长槽间隔排布。
优选的是，其中，所述夹持操作杆内部开设有三个孔状通道，所述中心节点和两根扭矩节点通过孔状通道连通至外壳的外部。
本发明至少包括以下有益效果：本发明能够在针刺治疗过程中实时检测提插力和扭转扭矩，作为一种力感知的触觉交互装置。本发明将布拉格光纤光栅的传感技术应用在针灸领域；通过本发明，以更直观地反映医用传感针在针灸治疗的过程中针体的受力信息和扭矩信息，从而提醒针灸医师在传感针做提插和捻转动作时及时观察患者的状态，及时调整针刺的深度以及力度，减少患者受伤的风险，提高针灸的治疗效果。另外，本发明通过末端的夹持操作杆与机械设备的末端执行器相连，能过解放医生的双手，可以更加关注受力信息和扭矩信息，通过本发明将这些信息反馈给医生。这种方法不但可以使医生实现临场操作感，还可以使其更容易地分辨出近端力是否超过的安全阈值，增强针灸的安全性。
本发明通过应用新型的传感器来完成感知，目前市面上的力感知设备多数使用的是电阻应变片来完成压力信息和扭矩信息的获取，本发明利用布拉格光纤(FBG)来搭建传感系统，通过三个节点的FBG分别感知扭矩信息和压力信息。
本发明的优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明提供的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针的外部结构示意图；
图2为去除外壳后的传感针的结构示意图；
图3为侧向铰链的放大结构示意图；
图4为传感针的剖面结构示意图；
图5为柔性铰链的剖面结构示意图；
图6为去掉外管的传感针结构示意图；
图7为中心节点和两根扭矩节点的布置示意图。
各部件对应附图标记：外壳1，后端盖12，前端盖13，针灸针体3，夹持操作杆2，外管43，超弹性体48，中心节点421，扭矩节点422，空心圆柱件453，粘合剂层44，沟道4531，侧向铰链451，滑轨46，槽体4511，凹槽4512，支撑轴承41，全向轴承47，短槽431，长槽432。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个元件或其组合的存在或添加。
如图1-7所示：本发明的一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，包括：
外壳1，其一端连接有后端盖12，另一端连接有前端盖13；所述前端盖13的外部设置有针灸针体3；所述后端盖12转动连接有夹持操作杆2；
所述外壳1的内部同轴设置有外管43，所述外管43内设置有力感知装置，所述力感知装置被设置为采用三个节点布拉格光纤布局方式进行力的测量；
所述外管43一端与所述夹持操作杆2相接，另一端与所述力感知装置的柔性铰链相接，所述针灸针体3与所述力感知装置的超弹性体48相接，所述超弹性体48与所述前端盖13转动连接；
工作原理：本发明提供的一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，选用医用针灸用针作为针灸针体3，通过夹持操作杆2进行抓取固定；进行提插动作时，超弹性体48和外管43的轴向刚度以及力感知装置的三个节点中的中心节点421起主导作用，采用三个节点布拉格光纤布局方式的力感知装置承受轴向提插力，中心节点421被相应的拉伸和压缩，进而通过力感知装置测量轴向提插力；进行扭转动作时，力感知装置承受扭转扭矩，力感知装置的柔性铰链弯曲刚度以及三个节点布拉格光纤中的两个扭矩节点422起主导作用，扭矩节点422被相应的拉伸和压缩，进而通过力感知装置测量扭转扭矩；后端盖12、前端盖13和外壳1组成封闭结构，对内部的外管43和力感知装置起到封闭保护作用。夹持操作杆2是夹持抓取的机构，使用时，夹持操作杆2被外部接卸设备末端执行器所固定，具有提升稳定性的作用；夹持操作杆2也可由手进行抓取固定。
在上述技术方案中，所述力感知装置的结构包括：
光纤节点，其通过粘合剂固定在所述外管43的内部，且所述光纤节点的两端分别穿设在夹持操作杆2和柔性铰链中；
所述柔性铰链一端与所述外管43相接，另一端与所述超弹性体48相接。
在上述技术方案中，所述光纤节点包括：
中心节点421，其端部通过粘合剂与所述超弹性体48粘结接触，中心节点421穿过夹持操作杆2的和外管43的中心孔，所述中心节点421的两侧对称设置有扭矩节点422。
工作原理：本发明提供的一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，应用于针灸治疗过程中实时检测提插力信息和扭矩信息，采用三个单节点的布拉格光纤进行力的测量，三个节点相互配合完成传感针的力感知任务。三个节点中的中心节点421用于测量轴向提插力，两个扭矩节点422用于测量扭转扭矩，针灸针体受到的压力和施加的扭矩通过超弹性体48进行传递，应用等截面柔性铰链和超弹性体48弹性敏感元件结构并配合单节点光纤进行提插力和扭转扭矩的测量。传感针在承受轴向提插力时，超弹性体48和外管43的轴向刚度以及中心节点421起主导作用，中心节点421会被相应的拉伸和压缩；传感针在承受扭转扭矩时，柔性铰链弯曲刚度以及粘贴的两根扭矩节点422起主导作用，两根扭矩节点422会被相应的拉伸和压缩。应变的变化会影响布拉格光纤反射的波长值，最后通过光纤解调仪来解耦力，实现微力和扭矩感知。
在上述技术方案中，所述柔性铰链的结构包括：
空心圆柱件453，其内部填充有粘合剂层44，所述中心节点421和扭矩节点422被粘结固定在粘合剂层44中，粘合剂层44的材质为环氧树脂；所述空心圆柱件453的一端与外管43相接触，另一端与所述超弹性体48相接触；
所述空心圆柱件453上贯通有两个对称的沟道4531，所述扭矩节点422穿设在沟道4531内，所述空心圆柱件453的沟道外部连接有侧向铰链451，所述外壳1的内壁对称固定设置有两个滑轨46，所述侧向铰链451与所述滑轨46滑动连接；滑轨46的设置为侧向铰链451的轴向位移提供了限位结构和位移空间，同时进行提插动作时，由于滑轨46的存在，侧向铰链451进行轴向运动不受力。
所述侧向铰链451的侧面开设有与沟道4531相适配的槽体4511，所述扭矩节点422通过粘结剂固定在槽体4511内，且所述扭矩节点422的端部与所述滑轨46相接触；
所述侧向铰链451为半圆弧式铰链结构，即所述侧向铰链451的两侧开设有半圆柱状的凹槽4512，两个所述凹槽4512的朝向与外管43的横截面平行；侧向铰链451与扭矩节点422配合，负责扭矩信息的感知；同时侧向铰链451还用于固定扭矩节点422，将侧向铰链451设置为半圆弧式铰链结构以后，在传感针受到扭转力矩时，侧向铰链451会产生一定的形变。
在上述技术方案中，所述粘合剂为环氧树脂，通过环氧树脂将中心节点421、两根扭矩节点422、外管43、超弹性体48粘结固定为一个整体。
在上述技术方案中，所述后端盖12的内侧固定设置有支撑轴承41，所述夹持操作杆2通过支撑轴承41与后端盖12转动连接；
所述前端盖13的内侧固定设置有全向轴承47，所述超弹性体48通过全向轴承47与后端盖13转动连接。支撑轴承41和全向轴承47起支撑作用，同时在测量过程中不会对夹持操作杆2、外管43、柔性铰链、超弹性体48和针灸针体3的扭转动作进行干涉。
在上述技术方案中，所述中心节点421和扭矩节点422均为布拉格光纤。
在上述技术方案中，所述超弹性体48的材料为镍钛合金。
在上述技术方案中，所述外管43上周向对称开设有多条镂空槽，所述镂空槽包括一对隔开的短槽431和长槽432，其中所述短槽431和长槽432间隔排布。这种结构设置的外管43不仅对传感针的针灸针体3、超弹性体48、中心节点421和扭矩节点422进行支撑，还能够传递针灸针体3受到的轴向力和扭转力矩。
在上述技术方案中，所述夹持操作杆2内部开设有三个孔状通道，所述中心节点421和两根扭矩节点422通过孔状通道连通至外壳1的外部，用于将测量信号引出传感针外部。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，包括：
外壳，其一端连接有后端盖，另一端连接有前端盖；所述前端盖的外部设置有针灸针体；所述后端盖转动连接有夹持操作杆；
所述外壳的内部同轴设置有外管，所述外管内设置有力感知装置，所述力感知装置被设置为采用三个节点布拉格光纤布局方式进行力的测量；
所述外管一端与所述夹持操作杆相接，另一端与所述力感知装置的柔性铰链相接，所述针灸针体与所述力感知装置的超弹性体相接，所述超弹性体与所述前端盖转动连接；
所述力感知装置的结构包括：
光纤节点，其通过粘合剂固定在所述外管的内部，且所述光纤节点的两端分别穿设在夹持操作杆和柔性铰链中；
所述柔性铰链一端与所述外管相接，另一端与所述超弹性体相接；
所述光纤节点包括：
中心节点，其端部通过粘合剂与所述超弹性体粘结接触，所述中心节点的两侧对称设置有扭矩节点；
所述夹持操作杆内部开设有三个孔状通道，所述中心节点和两根扭矩节点通过孔状通道连通至外壳的外部。
2.如权利要求1所述的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，所述柔性铰链的结构包括：
空心圆柱件，其内部填充有粘合剂层，所述中心节点和扭矩节点被粘结固定在粘合剂层中；所述空心圆柱件的一端与外管相接触，另一端与所述超弹性体相接触；
所述空心圆柱件上贯通有两个对称的沟道，所述扭矩节点穿设在沟道内，所述空心圆柱件的沟道外部连接有侧向铰链，所述外壳的内壁对称固定设置有两个滑轨，所述侧向铰链与所述滑轨滑动连接；
所述侧向铰链的侧面开设有与沟道相适配的槽体，所述扭矩节点固定在槽体内，且所述扭矩节点的端部与所述滑轨相接触；
所述侧向铰链为半圆弧式铰链结构，即所述侧向铰链的两侧开设有半圆柱状的凹槽，两个所述凹槽的朝向与外管的横截面平行。
3.如权利要求1所述的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，所述后端盖的内侧固定设置有支撑轴承，所述夹持操作杆通过支撑轴承与后端盖转动连接；
所述前端盖的内侧固定设置有全向轴承，所述超弹性体通过全向轴承与后端盖转动连接。
4.如权利要求1所述的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，所述粘合剂为环氧树脂。
5.如权利要求1所述的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，所述中心节点和扭矩节点均为布拉格光纤。
6.如权利要求1所述的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，所述超弹性体的材料为镍钛合金。
7.如权利要求1所述的基于微小力传感技术和生物学原理的传感针，其特征在于，所述外管上周向对称开设有多条镂空槽，所述镂空槽包括一对隔开的短槽和长槽，其中所述短槽和长槽间隔排布。
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