[發明專利]光學力傳感器

有效

• 申請號: 201380019013.7
• 申請日: 2013-04-02
• 公開（公告）號: CN104244808B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 讓-巴蒂斯特·瓦爾薩米斯;尼古拉斯·科什;雅克·德維埃;克里斯托夫·科舍特爾;瓦萊里·瓦贊
• 申請（專利權）人: 布魯塞爾大學;蒙斯大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;G01B11/16;G01D5/26;G01K11/32;G01L1/24;A61B34/30;A61B5/22
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 余剛,李靜

技術領域

本發明涉及一種力傳感器，該力傳感器能夠根據一個或多個方向測量施加于其上的力和/或力矩。使用光纖，當力作用在傳感器上時，這些光纖張緊且這些光纖構造成響應于張力而提供可檢測光學特性上的變化。特別地，根據本發明的力傳感器構造成在微創手術中使用，諸如用于測量作用于導管的遠端處的力。

背景技術

現在，外科手術的趨勢是在患者體內以微創的方式進行操作，以便減少外傷和可能的并發癥。在胃腸病學中，內窺鏡的使用允許外科醫生在消化系統內部使用一組醫療工具(刀、針等)進行工作。

當使用內窺鏡時，操縱驅動任何醫療工具的導管會受到寄生力的作用，諸如導管與內窺鏡之間的摩擦力、由于導管及醫療工具本體的曲率的改變而引起的彈力。因此，外科醫生通過導管感覺到的力并不是由工具在患者身體上施加的力。因此，需要一種測力系統，以便反饋由醫療工具在患者身體上施加的力。這需要在工具上盡可能遠地測量該力。

為了這個目的，從WO 2009/007857中已知一種力傳感器，該力傳感器包括兩個基部部分以及三個一組的應變感測(應變傳感)元件，該兩個基部部分通過一個或多個隔開構件間隔開。應變感測元件可包括密封在基部部分中的光纖，并且限定光纖的傳輸部分與接收元件之間的干涉間隙，該干涉間隙可用作非本征型法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀(光纖不被壓迫)。

隔開構件可采用不同的形狀并用于基部部分之間的(弱)連接的目的，使得當力作用在基部部分中的一個上時，改變干涉間隙并可執行測量。隔開構件所具有的熱膨脹系數與應變感測元件的熱膨脹系數類似，以使對于整體溫度變化的測量不敏感，并且該隔開構件可由相同的材料制成。然而，提供與光纖相同或相似材料且具有期望形狀的隔開構件可能是困難和/或昂貴的。

與圖17至圖21相關，WO 2010/079418描述了上文類型的另一種力傳感器，該力傳感器包括由通過彎曲部分而彼此連接的段所限定的結構構件，該彎曲部分在結構構件中限定間隙的串聯布置。多個光纖附接至這些段，并且該多個光纖包括法布里-珀羅應變傳感器或布拉格光柵應變傳感器，以測量這些段之間的距離的變化。當結構構件通過作用于其上的力而變形時，光纖被張緊，這可通過改變反射光的波長的應變傳感器來感測。

這種力傳感器所具有的優點為其可制造成非常小，具有幾毫米數量級的代表性尺寸，使得這種力傳感器可包含在導管的遠端處并且在沒有任何問題的前提下插入穿過內窺鏡的內腔。

然而，一個缺點在于，光纖相對于每個光纖的結構構件具有不同的桿臂，這會使力測量變得復雜。此外，傳感器具有受限的尺寸，小于該受限的尺寸，則結構構件不存在合適的硬度以在微創手術中測量一般的力。

上文的力傳感器的另一個缺點在于，考慮到小尺寸，這些力傳感器相對難以制造，并因此其制造是昂貴的。

發明內容

因此，本發明的一個目的是提供一種在微創手術中使用的力傳感器，該力傳感器克服了現有技術的力傳感器的缺點。

特別地，本發明的一個目的是提供一種上文的類型的力傳感器，該力傳感器在多個預定的自由度中非常靈敏。

本發明的一個目的是提供一種上文的類型的力傳感器，該力傳感器具有簡單的結構且易于制造并因此是成本有效的。

本發明的一個目的是提供一種上文的類型的力傳感器，該力傳感器的結構構件的所需硬度基本上不會限制該傳感器的總尺寸。

根據本發明，因此提供了一種如在下文中陳述的力傳感器。本發明的力傳感器包括兩個結構構件以及多個光纖。結構構件是間隔開的，從而在結構構件之間限定間隙，并且結構構件連接至彼此。該多個光纖固定至結構構件，并且該多個光纖自由地懸置在結構構件之間的間隙中。該光纖中的至少兩個構造成響應于兩個結構構件之間的在一個或多個預定自由度中的相對位置中的變化而提供能檢測的光學特性中的變化。

根據本發明的一個方面，所述多個光纖中的每個均固定至兩個結構構件，并且所述多個光纖中的每個在結構構件之間是連續的，以使兩個結構構件連接至彼此。固定至兩個結構構件且橋接兩個結構構件之間的間隙的光纖有利地至少有三個(有利地，至少有四個)。根據本發明的另一方面，該多個光纖基本上是在兩個結構構件之間形成連接的僅有的結構。這意味著，該多個光纖的組件(即，其數量、布置、尺寸和自由懸置部的長度)基本上限定兩個結構構件之間的連接在一個或多個預定自由度中的硬度，該硬度主要地，諸如至少95％，由該多個光纖來確定。