ES2556810T3 - Elemento óptico sensor de fuerza e instrumento microquirúrgico - Google Patents
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Abstract
Elemento óptico sensor de fuerza para instrumentos microquirúrgicos (22), para medir la fuerza F en tres direcciones ortogonales x, y, z, que comprende una estructura de cilindro monolítica (1) con una superficie inferior (3) que se extiende en un plano x-y, un eje en la dirección z, una superficie cilíndrica (4) que rodea el eje z y una superficie superior (5) opuesta la superficie inferior (3) adecuada para absorber y transmitir la fuerza F que se ha de medir, donde la estructura cuenta con tres muescas de tipo troquelado (6), todas ellas paralelas a la dirección y, espaciadas a lo largo del eje z y que forman exactamente dos aletas (7) en planos paralelos x-y entre la primera y la segunda muesca (6) así como entre la segunda y la tercera muesca (6), donde la estructura comprende además tres canales (8) abiertos o cerrados respecto a la superficie cilíndrica (4) y paralelos al eje z, que se extienden desde la superficie inferior (3) a la superficie superior (5) y atraviesan la primera muesca (6) mientras desvían las otras dos muescas (6) de la estructura (2), donde el elemento sensor de fuerza comprende además tres fibras ópticas (9) cada una fijada en uno de los tres canales (8), todas las cuales entran en la estructura (2) desde la superficie inferior (3), atravesando la primera muesca y terminándose en la superficie superior (5) o cerca de ella, a la vez que se interrumpen en la primera muesca (6) formando dos superficies (10, 12) de cada fibra mediante la definición de 15 cavidades interferométricas Fabry-Perot (13).
Description
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Elemento optico sensor de fuerza e instrumento microquirurgico Campo tecnico
[0001] La invencion se refiere a un elemento optico sensor de fuerza para instrumentos microquirurgicos, para medir la fuerza F en tres direcciones ortogonales x, y, z, que comprende una estructura de cilindro monolftica con una superficie inferior que se expande en un plano x-y, un eje en la direccion z, una superficie cilfndrica que rodea al eje z y una superficie superior opuesta la superficie inferior adecuada para absorber y transmitir la fuerza F que se va a medir.
Estado de la tecnica
[0002] En el campo de la microcirugfa y los tratamientos mfnimamente invasivos, la informacion de retroalimentacion in-vivo acerca de la fuerza de contacto ejercida en la punta de instrumentos o herramientas es un parametro importante requerido por los cirujanos para mejorar los resultados de sus intervenciones.
Frecuentemente, las condiciones de acceso reducidas afectan a la percepcion de fuerzas de interaccion entre el instrumental y los tejidos u organos que son tratados, y las fuerzas implicadas estan por debajo de los umbrales perceptibles por los humanos.
[0003] Un caso particular de aplicacion de esta invencion se refiere a procedimientos de palpamiento durante cirugfa del ofdo medio, para evaluar la movilidad de la cadena osicular durante la timpanoplastia.
El conocimiento sobre la movilidad osicular es importante para las decisiones relacionadas con procedimientos quirurgicos, asf como para el pronostico de la mejora de nivel de audicion.
Por ejemplo, las fuerzas de contacto tfpicas en herramientas microquirurgicas para la evaluacion de la movilidad del hueso estribo son inferiores a 10 mN, por debajo del umbral de la sensibilidad tactil del operador.
[0004] En la actualidad no se conoce una tal herramienta de deteccion de fuerza tridimensional para el ofdo medio.
El unico instrumento conocido es una herramienta para la evaluacion del estribo que mide solo en una direccion axial, tal y como se describe en "An apparatus for diagnostics of ossicular chain mobility in humans" deTakuji Koike et al, International Journal of Audiology 2006, 45:121-128.
[0005] Otro caso particular de aplicacion de la invencion se refiere a herramientas de deteccion de micro-fuerza para microcirugfa de retina.
La microcirugfa de retina requiere la manipulacion delicada de tejidos retinales, y las fuerzas de contacto entre la herramienta y el tejido frecuentemente estan por debajo de los umbrales de percepcion humanos.
Las fuerzas de contacto tfpicas en las puntas de los instrumentos microquirurgicos durante la cirugfa retinal son inferiores a 7,5 mN.
[0006] En la actualidad no se conoce una tal herramienta de deteccion de fuerza tridimensional para cirugfa retinal.
Se conoce un instrumento en el que se miden micro-fuerzas en dos direcciones laterales usando tecnicas de redes de Bragg en fibra (FBG) en "A sub-millimetri, 0.25 mN resolution fully integrated fibre-optic force sensing tool for retinal microsurgery" de lulian lordachita et al, publicado online el 15.
abril 2009 por International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (Int J CARS).
[0007] Por lo tanto, serfa deseable proporcionar un metodo para detectar y monitorizar fuerzas de contacto tridimensionales entre la punta de un instrumento o herramienta microquirurgico y el tejido u organos que va(n) a ser explorado(s) y tratado(s).
[0008] De sistemas conocidos para aplicaciones de cateter se dice que miden las fuerzas de contacto en la punta del cateter que usa tecnicas de medicion optica de fibra, donde los elementos sensores de fuerza estan localizados cerca de la punta.
[0009] Los elementos sensores de fuerza para este tipo de instrumentos microquirurgicos usados para aplicaciones de cateter que comprenden estructuras cilidricas monolfticas son ampliamente conocidos.
Al aplicar una fuerza tridimensional en la punta de la estructura, la estructura se deforma de una forma predefinida dada por un conjunto de muescas en la estructura.
Estas muescas definen varias zonas elasticas que hacen a la estructura flexible en algunas de las direcciones x, y y/o z. Unas fibras opticas integradas en la estructura permiten determinar un desplazamiento de partes individuales de la estructura, que es proporcional a la fuerza aplicada a la punta.
Las fibras se introducen la estructura desde el fondo de la estructura y son guiadas en canales que finalizan en una de las muescas de la estructura.
La luz emitida desde la fibra es retro-reflejada por una superficie en la estructura que esta frente al extremo de la fibra.
Esta luz vuelve a entrar en la fibra optica y se evalua para determinar la distancia del extremo de la fibra a la
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superficie sobre la que la luz fue reflejada.
[0010] Sistemas previamente conocidos para medir fuerzas de contacto en la punta de un cateter son descritos en US 20080009750.
Esta se refiere a una estructura monolftica de diseno muy complicado y requiere una rotacion de la estructura durante la fabricacion.
Ademas, la estructura es un tubo con un grosor de pared de 0,5 mm y un diametro total de 5 mm.
No es posible reducir el tamano de tal estructura por cuestiones de fabricacion y estabilidad mecanica.
[0011] En US20090177095 se muestra una estructura de tubo similar con tres muescas identicas, distanciadas entre si a lo largo del eje central.
Cada muesca esta hecha mediante un corte desde un lado que esta en una rotacion de 120° respecto a los otros dos lados.
En cada una de las tres muescas una fibra optica termina para medir la distancia a la estructura opuesta al extremo de fibra.
Es inevitable que algunas de las fibras crucen otras muescas hasta que alcanzan su destino.
La fijacion de las fibras es muy diffcil.
Aunque esta estructura no se debe rotar durante la fabricacion de cada muesca como se ha mencionado antes, aun asf debe ser rotada entre la realizacion de los cortes de las muescas.
Todavfa es muy cara de fabricar con la precision requerida.
Ademas, la estructura es rfgida en la direccion axial y flexible en las direcciones radiales, asf que es adecuada solo para detectar fuerzas aplicadas en un extremo cerca de la estructura.
[0012] Otra estructura se da en WO2009114955.
Esta estructura esta hecha por corte en un plano que define aletas en cualquiera de los planos x-y, x-z o y-z, definiendo las zonas flexibles requeridas.
Nuevamente, tres fibras opticas determinan las distancias de los espacios en las muescas para determinar las fuerzas aplicadas.
Esta estructura puede hacerse de menor tamano con un diametro inferior a 2,5 mm, entre 1,7 y 2 mm. Desafortunadamente, la estructura es muy grande en la direccion z y complicada, y contiene 7 muescas.
Otras versiones mostradas en la misma solicitud son de menor longitud y comprenden solo dos o cuatro cortes, pero estan disenadas para ser muy flexibles en la direccion perpendicular al eje.
[0013] Estas estructuras son simples para la fabricacion pero no se pueden usar para el proposito indicado anteriormente, es decir, para la cirugfa de ofdo medio o microcirugfa de retina.
Tales herramientas contienen un eje largo y estrecho en la parte delantera de la estructura sensora con una punta, mientras que una fuerza aplicada en la punta distante en la direccion perpendicular al eje z (en la direccion x, y) tiene un efecto sobre la estructura que es de 5 a 20 veces mas fuerte que una fuerza aplicada en la misma direccion pero cerca de la estructura debido al momento de inercia.
[0014] Ademas, es mas y mas comun que los instrumentos medicos se hagan desechables para reducir el riesgo de infecciones.
Por lo tanto, la estructura debe ser tan simple como sea posible para ser fabricada a un bajo coste.
[0015] Todas las estructuras conocidas se usan con cateteres y por lo tanto estan disenadas para fuerzas laterales Fx, Fy y una fuerza axial Fz, mientras que las fuerzas laterales se aplican sobre la parte superior de la estructura cerca del area flexible, no mas distantes de su area flexible que tres veces el diametro d de la estructura.
[0016] Estas estructuras no se pueden usar en cirugfa, donde se aplican fuerzas laterales lejos de la zona flexible de la estructura, donde la distancia D es hasta 20 veces el diametro d de la estructura.
Se ha demostrado que las estructuras conocidas no se pueden adaptar para esta aplicacion por redimensionamiento de la estructura.
Breve descripcion de la invencion
[0017] El problema que se ha de resolver es el de describir un elemento optico sensor de fuerza para instrumentos microquirurgicos como se describe en el campo tecnico de la invencion, fabricado a coste bajo y con una sensibilidad que es de 5 a 20 veces mas alta en la direccion z del eje de la estructura que en la direccion x-y perpendicular al eje.
Otro problema es el de describir un instrumento microquirurgico para cirugfa de ofdo medio o microcirugfa de retina y un metodo para la fabricacion de dicho elemento.
La exactitud del elemento sensor debe ser alta y los costes de fabricacion bajos.
Ademas, el elemento debe tener un diametro pequeno d.
[0018] El problema lo resuelven las caracterfsticas de las reivindicaciones relacionadas con dichos problemas.
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[0019] La idea basica de la presente invencion es que la estructura monolftica contiene tres muescas, todas ellas hechas a modo de troquelado desde la misma direccion formando dos aletas entre ellas, y que la estructura contiene tres fibras opticas fijadas dentro de canales internos paralelos al eje z, que entran en la superficie inferior y alcanzan o casi alcanzan la superficie superior, mientras que los canales con sus fibras opticas cruzan solo la primera muesca mientras desvfan las otras dos muescas en la estructura, y todas las fibras tienen una cavidad interferometrica Fabry-Perot en la primera muesca.
[0020] Las tres muescas son preferiblemente hechas por mecanizado por electroerosion por hilo (EDM, Electrical Discharge Machining).
Debido a que las muescas de la estructura estan disenadas para ser de tipo troquelado, la estructura no debe ser rotada durante el proceso entero de mecanizado de las muescas.
Esto aumenta la precision de la estructura y reduce los costes de fabricacion.
Breve descripcion de los dibujos
[0021] Las siguientes figuras ilustran formas de realizacion preferidas de la invencion.
Fig. 1 es una vista esquematica de un instrumento microquirurgico segun la presente invencion conectado a una unidad de evaluacion;
Fig. 2 muestra una seccion longitudinal a traves de un instrumento microquirurgico segun la invencion;
Fig. 3 muestra una vista en perspectiva de un elemento optico sensor de fuerza segun la invencion;
Fig. 4 muestra una seccion longitudinal a traves de un elemento optico sensor de fuerza segun la invencion en una forma de realizacion preferida;
Fig. 5 muestra una vista transversal del elemento optico sensor de fuerza de la fig. 4;
Fig. 6 a-c muestra los canales con las fibras opticas en tres versiones preferidas.
Descripcion detallada
[0022] La invencion se describe en referencia a las figuras.
Fig. 1 muestra una vista esquematica de un instrumento microquirurgico 22 segun la presente invencion conectado a traves de fibras opticas 9 en un cable 19 con un conector 20 a una unidad de evaluacion 23, que es por ejemplo una unidad optoelectronica compuesta por acondicionadores de senal WLI para la lectura de unas longitudes de espacio de cavidades Fabry-Perot y un microprocesador u ordenador para la computacion del vector de fuerza.
El instrumento microquirurgico 22 puede ser sujetado a mano por el cirujano o controlado por un sistema robotico automatico en su alojamiento 18 que contiene un elemento optico sensor de fuerza 1.
Comprende ademas un eje largo y estrecho 17 con una punta 21 que se fija al elemento optico sensor de fuerza 1 en el alojamiento 18.
El recorrido total entre el centro del elemento sensor 1 y la punta 21 del eje 17 es la longitud D. Durante el uso, una fuerza tridimensional Fxyz se aplica a la punta 21 y se registra en el 1.
La informacion medida se transfiere a traves de las fibras opticas 9 en el cable 19 y a traves del conector 20 a la unidad de evaluacion 23.
[0023] Como se describe en la Fig. 2, el elemento sensor de fuerza 1 se localiza en el alojamiento 18 detras del eje largo 17 que se extiende hasta el exterior del alojamiento 18.
El elemento sensor de fuerza 1 comprende una conexion 16 donde el eje 17 se instala firmemente.
La superficie inferior 3 del elemento sensor 1 esta fijada firmemente al alojamiento 18 mientras que el resto del elemento sensor 1 y el eje 17 quedan libres y se deforman en respuesta a la magnitud y direccion de la fuerza F aplicada en la punta 21.
El elemento sensor se utiliza para medir la fuerza de contacto tridimensional F en la punta 21 del eje, mientras que esta punta 21 se puede formar recta, en un angulo de 45° con forma de gancho o en cualquiera otra forma adecuada para cirugfa.
El elemento sensor 1 se instala dentro del alojamiento 18 de modo que esta bien protegido contra las fuerzas laterales ejercidas por los dedos del cirujano, por ejemplo, y para hacer que el elemento de sensor sea mas facilmente hermetico a fluidos o cualquier residuo externo.
[0024] Una junta flexible 24 se instala entre el alojamiento 18 y el eje 17 para sellar hermeticamente el elemento sensor 1 y las fibras opticas 9 fijadas a este.
La junta 24 puede ser una junta de caucho (anillo torico) o un elemento con forma de fuelle, hecho de material de caucho sintetico o metalico.
Las fuerzas ejercidas por la junta flexible 24 sobre el eje 17 deben ser pequenas en comparacion con las fuerzas de contacto de la punta F.
[0025] En el otro extremo del alojamiento, opuesto a la junta 24, las fibras opticas 9 dejan el alojamiento dentro del cable 19.
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[0026] En las Fig. 3 y 4, un elemento optico sensor de fuerza 1 segun la presente invencion se muestra en vistas diferentes.
El elemento sensor de fuerza 1 comprende una estructura de cilindro monolftico 2 con una superficie inferior 3 que se extiende en un plano x-y, un eje en la direccion z, una superficie cilfndrica 4 que rodea el eje z y una superficie superior 5 opuesta a la superficie inferior 3 adecuada para absorber y transmitir la fuerza F que ha de ser medida.
La superficie superior 5 contiene preferiblemente una conexion 16 para montar el eje 17.
Tfpicamente, la estructura 2 tiene un diametro exterior d en la direccion x-y de 0,5 a 4 mm, y se pueden mecanizar con o sin un agujero pasante.
[0027] La estructura exhibe tres muescas de tipo troquelado 6, todas paralelas a la direccion y.
Estas estan distanciadas entre si a lo largo del eje z y forman exactamente dos aletas 7 en planos paralelos x-y.
La primera aleta 7 esta entre la primera y la segunda muesca 6, la segunda aleta 7 esta entre la segunda y la tercera muesca 6.
Todas las muescas 6 son de tipo troquelado y paralelas, de modo que parecen estar hechas mediante troquelados que se expanden en los planos x-z que avanzan a traves de la estructura 2 en la direccion y.
Tfpicamente, las aletas 7 tienen un grosor en la direccion z de 0,02 a 0,4 mm.
[0028] En una forma de realizacion preferida, las muescas 6 son simetricas especulares con respecto a un plano medio x-z y las muescas tienen simetrfa rotacional de 180° segun un eje y central.
[0029] La primera y la tercera muesca 6 son aberturas largas formadas en la direccion x y -x, paralelas entre si, con longitudes preferiblemente identicas en direcciones x, -x, superpuestas una a la otra, y con anchuras identicas w en la direccion a z de 0,05 a 0,5 mm.
La segunda muesca 6 es un agujero pasante en el centro de la estructura 2.
En la direccion x se extiende preferiblemente sobre el area de superposicion de la primera y segunda muesca, mientras que en la direccion z se extiende sobre casi toda el area entre la primera y la tercera muesca 6 dejando solo dos aletas finas 7.
Preferiblemente, el area de superposicion y por lo tanto la anchura de la segunda muesca 7 en la direccion x es al menos una tercera parte del diametro d de la estructura 2.
Las estructuras restantes en la direccion x en las prolongaciones de la primera y tercera muesca 6 son relativamente finas y permitir un plegado en las direcciones x e y, cuando una fuerza lateral se aplica a la punta 21 del eje.
Las dos aletas finas paralelas 7 hacen la estructura 2 flexible en la direccion z y rfgida en las direcciones x e y. Considerando que la influencia de una fuerza Fyx en la punta 21 en la direccion x e y se amplifica debido a la fuerza de palanca sobre la estructura y que una fuerza Fz no, los efectos en la forma de deformacion de la estructura en las tres direcciones es comparable.
[0030] La estructura 2 comprende ademas tres canales 8 abiertos o cerrados a la superficie cilfndrica 4 y paralelos al eje z.
Estos se extienden desde la superficie inferior 3 hasta la superficie superior 5 o hasta cerca de ella y cruzan la primera muesca 6 solamente, mientras que desvfan las otras dos muescas 6 dentro de la estructura 2.
El elemento sensor de fuerza 1 comprende ademas tres fibras opticas 9 cada una de las cuales esta fija en uno de los tres canales 8.
Todas estas fibras 9 entran en la estructura 2 desde la superficie inferior 3, atravesando la primera muesca 6 y finalizando en o cerca de la superficie superior 5 mientras son interrumpidas en la primera muesca 6 que define secciones de fibra 11.
Donde se interrumpen, las fibras opticas 9 y secciones de fibras 11 construyen dos superficies paralelas 10,12 mediante la definicion de cavidades interferometricas Fabry-Perot 13.
Los dos superficies 10, 12 se obtienen exfoliando, puliendo o cortando con laser los extremos de fibra a 0°.
Los canales 8 sirven para alinear de forma precisa las fibras 9 con las secciones de fibras 11 para formar las cavidades 13.
La primera muesca 6 puede ser la mas cercana a la superficie inferior 3 como se muestra en las figuras, o puede ser la mas cercana a la superficie superior 5 de la estructura 2.
[0031] Las fibras 9 y las secciones de fibra 11 se fijan en los canales 8, preferiblemente por adhesivo, a ambos lados de las cavidades Fabry-Perot.
[0032] Tal elemento sensor de fuerza 1 es adecuado para instrumentos microquirurgicos 22, para medir componentes de fuerzas F en tres direcciones ortogonales x, y, z, especialmente cuando las fuerzas se aplican a distancia del elemento sensor.
[0033] Preferiblemente la estructura 2 es de titanio, ceramica, un polfmero, acero inoxidable o metal no corrosivo. Ademas, el coeficiente termico de dilatacion (TCE) de la estructura 2 deberfa ser tan cercano como sea posible al TCE de las fibras opticas 9 y/o de las secciones de fibra 11 para reducir la sensibilidad a los cambios de temperatura.
Debido a que las fibras opticas comerciales estan hechas de material de sflice fusionado que tiene un TCE muy bajo, para reducir la sensibilidad a la temperatura, las secciones de fibra 11 pueden estar hechas de un material
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diferente con un TCE cercano al TCE del material de la estructura.
Si se desea, la estructura 2 tambien puede comprender un dispositivo sensor de temperatura 14 para controlar la temperature para posibles necesidades de correccion.
[0034] Para mejorar la transferencia de luz, las dos superficies 10, 12 de cada fibra en la cavidad interferometrica Fabry-Perot 13 se pueden recubrir con semi recubrimientos reflectantes.
[0035] Las longitudes de las cavidades interferometricas 13 varfan con la deformacion elastica de la estructura flexible debido a la fuerza ejercida a la punta del eje.
En posicion neutral el espacio de cada cavidad interferometrica Fabry-Perot 13 entre la superficie 10 de la fibra optica 9 y la superficie 12 de la seccion de fibra 11 es tfpicamente de entre 0,01 a 0,1 mm.
[0036] Las longitudes de las cavidades se miden utilizando interferometrfa optica, en particular, la asf llamada interferometrfa de luz blanca (WLI), usando acondicionadores de serial tales como los de la empresa FISO de Canada.
Finalmente, las fuerzas se calculadan basandose en un procedimiento de calibracion bien conocido, donde la magnitud y direccion del vector de fuerza se calcula a partir de las tres longitudes de las cavidades opticas y una matriz de calibracion.
[0037] Para prevenir la rotura los extremos de fibra 10, 12 debido a sobrecargas que dan como resultado el contacto mecanico de los dos extremos de fibra, la primera muesca 6 puede comprender un tope mecanico 15.
[0038] Cuando se aplican fuerzas axiales Fz a la estructura 2, las dos aletas 7 se doblan dando como resultado una translacion axial paralela de la estructura de modo que las tres cavidades Fabry-Perot experimentan el mismo cambio en su longitud.
Por otro lado, cuando se aplican fuerzas laterales Fxy a la punta 21 del eje 17, debido a la distancia relativamente larga entre la punta 21 y la estructura 2, ya que el momento de inercia o torsion es grande, la estructura entera tiende a doblarse lateralmente tanto a nivel de las dos aletas 7 como a nivel de las dos partes de flexion resultantes de la primera y la tercera muescas laterales 6.
En este caso, las 3 cavidades experimentan cambios diferenciales dependiendo de su ubicacion y de la direccion de la fuerza lateral aplicada.
[0039] La presente estructura 2 es adecuada para fuerzas aplicadas a distancias largas D del centro del elemento sensor 1.
La proporcion R = D/d, donde D es la distancia entre la punta 21 y el centro del elemento sensor 1 y d el diametro de la estructura 2, esta tfpicamente entre 5 y 20.
[0040] Las ventajas principales de esta invencion son que el elemento 1 segun la invencion es facil de fabricar, que este permite dimensiones pequenas en longitud y en diametro d, que se puede fabricar con o sin un agujero pasante, que se puede montar distante de la punta 21, y que muestra solo efectos muy pequenos ante la dilatacion de temperatura debido a que las fibras 9 y las secciones de fibra 11 estan fijas a la estructura 2 a lo largo de todas las hendiduras u orificios salvo la zona flexible con la primera muesca 6.
La superficie inferior 3 de la estructura cilidrica 2 al igual que cualquiera de su seccion transversal puede tener una forma circular, cuadrada o cualquier otra forma.
[0041] Como se describe en la Fig. 5, al cortar la estructura en el plano x-y en el centro, los tres canales 8 con las fibras pueden verse en la estructura 2 junto a la segunda muesca 6.
El cambio eficaz en la longitud de espacio individual debido a la fuerza aplicada se puede optimizar mediante la seleccion de la posicion de cada canal 8 en la estructura 2.
[0042] Como se describe en la Fig. 6 a, b y c, las fibras 9 se pueden fijar en diferentes tipos de canales 8.
En la Fig. 6a los canales estan cerrados, siendo agujeros pasantes cerrados paralelos a la superficie cilfndrica 4 de la estructura 2, mientras que en las fig. 6b y 6c los canales 8 estan abiertos a la superficie cilfndrica 4.
Las fibras se pueden colocar en agujeros pasantes de espacio lateral mostrados en la Fig. 6b o en hendiduras laterales abiertas como se muestra en 6c.
La ventaja de las hendiduras laterales abiertas es la insercion facil de las fibras en el canal 8 durante el ensamblaje y el proceso de fabricacion facil.
[0043] Las fibras 9 y las secciones de fibra 11 se fijan dentro de los canales 8 por ejemplo usando epoxis o adhesivos con endurecimiento por rayos UV.
Tambien se puede soldar o fijar mecanicamente en su posicion.
[0044] El elemento optico sensor de fuerza 1 se puede fabricar con un tamano lo suficientemente pequeno como para que quepa dentro de un mango de un instrumento microquirurgico tfpico 22 y mida con precision las fuerzas de contacto F aplicadas en la punta distal 21 del eje largo 17, con un diametro exterior tfpico d de entre 1 y 4 mm.
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[0045] La longitud tfpica del eje 17 de un instrumento quirurgico 22 es de aproximadamente 40 mm, lo que corresponde a la distancia eficaz entre el elemento sensor 1 y la punta 21 del eje 17 donde se aplican las fuerzas de contacto F.
[0046] Para instrumentos de bolsillo 22, el mango es tfpicamente de 10 cm a 15 cm de largo y de 5 mm de diametro d. Estas dimensiones permiten al usuario sujetar comodamente y con precision la herramienta y tener tambien una buena visibilidad del eje y la punta de la herramienta cuando se trabaja con microscopios en orificios pequenos de diffcil acceso, como en el caso de cirugfa de ofdo medio o microcirugfa de retina.
[0047] La ventaja principal de la estructura inventiva 2 es que se mecaniza solo en una direccion, lo que hace que sea facil y economica de producir.
No hay necesidad de una estructura tubular.
Las fibras se pueden fijar no solo en la superficie de la estructura 2 o cerca de ella, sino tambien dentro del perfil de la estructura 2.
[0048] Las estructuras flexibles 2 se fabrican preferiblemente mediante rotacion (decolletage) o mediante mecanizado de electroerosion por hilo (EDM), o mediante una combinacion de ambos.
Tambien se puede mecanizar mediante corte con laser o serrado, o una combinacion.
Las estructuras pueden ser un material metalico, una ceramica o un polfmero.
Preferiblemente se selecciona titanio o acero inoxidable.
[0049] Para producir un elemento optico sensor de fuerza 1, tres fibras opticas 9 con extremos de fibra ranurados o pulidos 10 a 0° se introducen en los canales abiertos o cerrados 8 de la estructura 2 desde la superficie inferior 3, alcanzando la primera muesca 6, y tres secciones de fibras 11 con extremos de fibra ranurados o pulidos 12 a 0° se introducen en los canales 8 desde la superficie superior 5 hasta la primera muesca 6.
Las seis fibras 9, 11 se fijan a la estructura 2 en ambos lados de la primera muesca 6, definiendo las cavidades interferometricas Fabry-Perot 13 con las superficies de extremol de fibra 10, 12 paralelas entre si.
[0050] En otra forma de realizacion, para producir un elemento optico sensor de fuerza 1, tres fibras opticas continuas unicas 9 se introducen en los canales abiertos o cerrados 8 de la estructura 2 con las muescas 6 de la superficie inferior 3, pasando la primera muesca 6 y llegando hasta la superficie superior 5 o hasta cerca de ella.
Las tres fibras opticas continuas 9 se fijan a la estructura 2 en ambos lados de la primera muesca 6.
Luego, las fibras opticas 9 se cortan con laser en el area de la primera muesca 6 que define las cavidades interferometricas Fabry-Perot 13 y que separa las fibras opticas continuas 9 en las fibras opticas 9 y secciones de fibra 11.
[0051] Tfpicamente, cuando se usa interferometrfa de luz blanca, con por ejemplo acondicionadores de senal de FISO, para leer las longitudes de cavidad 13 de los interferometros de Fabry-Perot, las estructuras flexibles 2 son disenadas de modo que la magnitud de la deformacion de la cavidad 13 es aproximadamente de 1 micra a 10 micras para la fuerza maxima aplicada F en cualquier direccion en la punta.
La fuerza aplicada maxima F depende de la aplicacion deseada de la herramienta, que puede ser de aproximadamente 1N para procedimientos de palpamiento de cirugfa de ofdo medio y de aproximadamente 0,1N para cirugfa de retina.
Referencias
[0052]
1 elemento optico sensor de fuerza
2 estructura, monolftico, cilfndrico
3 superficie inferior
4 superficie cilfndrica
5 superficie superior
6 muescas
7 aletas
8 canales
9 fibras opticas
10 superficie de fibras opticas
11 secciones de fibra
12 superficie de secciones de fibra optica
13 cavidades interferometricasde Fabry-Perot, distancia, espacio
14 dispositivo de deteccion de temperatura
15 tope mecanico
16 conexion
17 eje
18 alojamiento
19 cable
20 conector
21 punta del eje
22 instrumento microquirurgico
23 unidad de evaluacion
5 24 junta flexible
F Anchura w de fuerza de la primera muesca
D distancia desde el centro de la estructura a la punta del eje d diametro exterior
Claims (19)
- 51015202530354045505560651. Elemento optico sensor de fuerza para instrumentos microquirurgicos (22), para medir la fuerza F en tres direcciones ortogonales x, y, z, que comprende una estructura de cilindro monolftica (1) con una superficie inferior (3) que se extiende en un plano x-y, un eje en la direccion z, una superficie cilfndrica (4) que rodea el eje z y una superficie superior (5) opuesta la superficie inferior (3) adecuada para absorber y transmitir la fuerza F que se ha de medir, donde la estructura cuenta con tres muescas de tipo troquelado (6), todas ellas paralelas a la direccion y, espaciadas a lo largo del eje z y que forman exactamente dos aletas (7) en planos paralelos x-y entre la primera y la segunda muesca (6) asf como entre la segunda y la tercera muesca (6), donde la estructura comprende ademas tres canales (8) abiertos o cerrados respecto a la superficie cilfndrica (4) y paralelos al eje z, que se extienden desde la superficie inferior (3) a la superficie superior (5) y atraviesan la primera muesca (6) mientras desvfan las otras dos muescas (6) de la estructura (2), donde el elemento sensor de fuerza comprende ademas tres fibras opticas (9) cada una fijada en uno de los tres canales (8), todas las cuales entran en la estructura (2) desde la superficie inferior (3), atravesando la primera muesca y terminandose en la superficie superior (5) o cerca de ella, a la vez que se interrumpen en la primera muesca (6) formando dos superficies (10, 12) de cada fibra mediante la definicion de cavidades interferometricas Fabry-Perot (13).
- 2. Elemento segun la reivindicacion 1, en el que los canales (8) estan abiertos respecto a la superficie cilfndrica (4) a lo largo de toda su longitud de la estructura (2).
- 3. Elemento segun la reivindicacion 1 o 2, en el que las fibras opticas (9) se fijan en los canales (8) mediante adhesivo.
- 4. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la estructura (2) es de titanio, ceramica, un polfmero, acero inoxidable o metal no corrosivo.
- 5. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que que las muescas (6) son simetricas especulares con respecto a un plano medio x-z y las muescas tienen simetrfa rotacional de 180° segun un eje central y.
- 6. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la estructura (2) contiene un dispositivo sensor de temperatura (14).
- 7. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que en posicion neutral el espacio de cada cavidad interferometrica Fabry-Perot 13 entre las dos superficies 10, 12 de cada fibra optica interrumpida 9 es de entre 0,01 a 0,1 mm.
- 8. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la primera muesca (6) tiene una anchura w en la direccion z de 0,05 a 0,5 mm.
- 9. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que que la primera muesca (6) comprende un tope mecanico (15) para proteger los extremos (10, 12) de las fibras opticas (9) y las secciones (11).
- 10. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la estructura (2) tiene un diametro exterior d en la direccion x-y de 0,5 a 4 mm.
- 11. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la estructura (2) tiene un grosor de aleta de 0,02 a 0,4 mm.
- 12. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que las superficies (10, 12) de las fibras (9) y/o de las secciones (11) son recubiertas con recubrimientos semi-reflectantes.
- 13. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que el coeficiente termico de dilatacion (TCE) de la estructura (2) coincide con el TCE de las fibras opticas (9) y/o de las secciones de fibra (11).
- 14. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que el coeficiente termico de dilatacion (TCE) de las secciones de fibras (11) coincide con el TCE de la estructura (2).
- 15. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la superficie superior (5) contiene una conexion (16) para montar un eje (17).
- 16. Elemento segun una de las reivindicaciones precedentes, que comprende un agujero pasante central a lo largo del eje z.
- 17. Instrumentos microquirurgicos que contienen un elemento (1) segun una de las reivindicaciones precedentes montados en un alojamiento (18) y un cable (19) que contiene las fibras opticas (9) con un conector (20), en el quese instala un eje largo (17) en la superficie superior (5) que llega hasta el exterior del alojamiento (18) y que tiene una punta definida (21).
- 18. Metodo para producir un elemento (1) segun una de las reivindicaciones 1 a 16, en el que tres fibras opticas 5 continuas unicas (9) con extremos de fibra ranurados o pulidos (10) a 0° se introducen en los canales abiertos ocerrados (8) de la estructura (2) desde la superficie inferior (3), alcanzando la primera muesca (6), y tres secciones de fibras (11) con extremos de fibra ranurados o pulidos (12) a 0° se introducen en los canales (8) desde la superficie superior (5) alcanzando la primera muesca (6), y en el que las fibras (9) y secciones de fibras (11) se fijan a la estructura (2) en ambos lados de la primera muesca (6) con las superficies de final de fibra (10, 12) paralelas 10 entre si y definiendo las cavidades interferometricas de Fabry-Perot (13) entre los extremos de fibra (10, 12).
- 19. Metodo para producir un elemento (1) segun una de las reivindicaciones 1 a 16, en el que tres fibras opticas continuas unicas (9) se introducen en los canales abiertos o cerrados (8) de la estructura (2) con las muescas (6) de la superficie inferior (3), pasando por la primera muesca (6) y llegando hasta o casi hasta la superficie superior (5), y15 en el que las tres fibras opticas continuas (9) son primero fijadas a la estructura (2) en ambos lados de la primera muesca (6), y en el que luego las fibras opticas (9) son cortadas, preferiblemente mediante micromecanizado con laser, en el area de la primera muesca (6) que define las cavidades interferometricas de Fabry-Perot (13) y que separa las fibras opticas continuas (9) en las fibras opticas (9) y las secciones de fibra (11).20 20. Metodo segun la reivindicacion 18 o 19, en el que las tres muescas (6) han sido hechas mediante mecanizadopor electroerosion (EDM), mediante corte de la estructura (1) en la direccion y durante un movimiento traslativo en relacion con la estructura (1) en el plano x-z.
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