[發明專利]一種用于微創手術穿刺力測量的高精度光纖光柵力傳感器

在審

• 申請號: 202111323972.0
• 申請日: 2021-11-09
• 公開（公告）號: CN114152370A
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 史超陽;唐中心;王樹新
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;A61B90/00
• 代理公司: 天津睿勤專利代理事務所(普通合伙) 12225
• 代理人: 孟福成

本發明涉及一種用于微創手術穿刺力測量的高精度光纖光柵力傳感器，包括兩個平面彈簧、光纖布拉格光柵、傳感器殼體、彈簧連接件、穿刺針及信號處理單元，所述平面彈簧為曲梁式結構，兩個彈簧之間并聯設置，可產生沿傳感器中性軸方向的變形，將穿刺針信號轉化為光柵應變信號；所述光纖布拉格光柵在預緊力的作用下懸掛于傳感器殼體與平面彈簧之間，可在穿刺力作用下產生軸向應變，并將應變信號轉化為光波長信號，所述傳感器殼體用于固定光纖和兩個平面彈簧；所述彈簧連接件用于將兩個平面彈簧連接固定。本發明所述傳感器具有分辨率高、線性度好、靈敏度高等特點，能夠檢測微小的穿刺力變化，對于輔助醫生進行穿刺手術、保障患者安全具有重要意義。

技術領域

本發明涉及微創穿刺力傳感技術領域，具體涉及一種可實現對微創穿刺過程中穿刺針與人體組織之間交互力進行準確測量的高精度光纖光柵力傳感器。

背景技術

在現代臨床醫學中，穿刺針介入手術已日益成為一種常見的醫療方法。該方法已被廣泛應用于各種微創經皮手術，如介入放射學、神經外科、近距離放射治療、藥物遞送、癌組織診斷活檢和血液取樣等。與開放式手術相比，穿刺針介入手術具有切口和創傷小、感染風險小、出血少、術后恢復時間短、死亡率低等優點，是一種微創進入內部組織和器官的方法。盡管穿刺針介入操作具有上述多種優勢，但穿刺力反饋的缺乏仍然給外科醫生帶來了挑戰，例如：術中操作不當、術后產生并發癥。針穿刺過程中的力信息的反饋對于了解穿刺過程和相互作用過程以及評估組織性能有很大幫助。有了這些信息，外科醫生可以據此調整手術和插入軌跡，以獲得更好的手術效果，保證患者安全。同時，有研究表明，穿刺力反饋與降低并發癥的發生率密切相關。因此，開發微穿刺針力傳感技術具有非常重要的臨床意義和研究價值。

為了檢測穿刺過程中的力變化，人們嘗試利用各種傳感技術。其中：應變片由于其商業化程度高、使用方便、成本低而被廣泛應用于力的測量。然而，基于應變片的力傳感器分辨率普遍不高，并需要額外的電線連接，這使得它難以和手術器械無縫集成，并且難以承受醫療過程中的反復消毒。其他嘗試包括利用壓阻材料、電容材料、聚偏氟乙烯(PVDF)和壓電薄膜開發出的刺針力傳感技術。然而，由于其具有相對較低的靈敏度、較低的生物相容性，導致難以與手術器械集成、易受電磁干擾(EMI)的影響、容易損壞或難以承受高壓滅菌程序等問題，其實施和應用受到了限制。

為了解決上述困難，基于光纖傳感器(FOS)的技術引起了研究人員的廣泛關注。光纖傳感器憑借其多種優異的性能被廣泛應用于醫療領域實現力傳感功能，這些特性通常包括高靈敏度、小尺寸、良好的生物相容性、耐腐蝕能力和抗EMI干擾的能力。這些優勢使基于光纖的傳感器具有結構緊湊、整體尺寸小、測量精度高、安全可靠等突出優勢，并適用于復雜的手術環境。北京交通大學的Yang等人應用FPI腔設計了一種基于干涉強度調制方法的一維力傳感器，并將其與穿刺針集成，用于識別層狀組織。但由于調制方法的限制，該傳感器容易受到光纖彎曲損耗和輸入光強變化的影響，導致測量精度不高，且測量結果重復性較差。

相比于強度調制型光纖傳感器，波長調制型光纖傳感器以光波長為檢測量，不會受實驗過程中光強變化的影響，測量結果穩定性高，測量精度高。例如：印度工程研究所的Ambastha等人將光纖布拉格光柵(FBG)貼附到穿刺針工具軸上以檢測穿刺力，雖然解決了光強變化對傳感器測量穩定性的影響問題，但是傳感器測量力靈敏度相對較低。

發明內容

針對現有光纖布拉格光柵應用于微創穿刺力傳感技術中存在檢測靈敏度差的問題，本發明提供了一種將傳感元件光纖布拉格光柵與并聯布置的平面彈簧耦合設計，開發出一種新型的用于微創穿刺手術中穿刺力測量的力傳感器。該傳感器具有高靈敏度、高分辨率、線性度好、結構緊湊、抗干擾能力強等優點，可以有效提高微創穿刺手術的安全性，保證患者安全、減少術后并發癥。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種用于微創手術穿刺力測量的高精度光纖光柵力傳感器，包括傳感器殼體、平面彈簧組件、光纖布拉格光柵、穿刺針以及信號處理單元；其中：