[发明专利]光学测力元件和显微手术器械

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量在三个正交方向x、y、z的力F的显微手术器械的光学测力元件，包括在x-y平面中延伸的底面、z向轴线、围绕z轴（即z向轴线）的圆柱表面以及与底面相对的适合吸收并传输待测量的力F顶面的单体式圆柱形结构（monolithic cylinder structure）。

背景技术

在微创显微手术和治疗领域，关于施加在器械或工具的稍端的接触力的活体内反馈信息（in-vivo feedback information）是外科医生为改进其介入手术的结果所需的重要参数。减小的进入条件经常影响器械与受到治疗的组织或器官之间的相互作用力的感觉，而且所涉及的力在人的感觉阈值以下。

应用本发明的具体案例涉及中耳手术期间的触诊程序，用以估算听骨链（ossicular chain）在鼓室成形术期间的移动性。关于听骨移动性的知识对于决定手术程序以及改进听力水平的（疾病的）预后（prognosis）而言至关重要。例如，用于估算镫骨的移动性的显微手术工具的典型接触力小于10mN，在手术者的触觉敏感度的阈值之下。

目前还没有用于中耳的三维测力工具。被报导的唯一器械是一种仅沿一个轴向方向进行测量的用于估算镫骨的工具，如登载于International Journal of Audiology2006;45:121-128（《国际听力学杂志》2006年45期的121页至128页）上的Takuji Koike等人的论文“An apparatus for diagnostics of ossicular chain mobility in humans(用于诊断人的听骨链的移动性的装置)”所述。

另一应用本发明的具体案例涉及用于视网膜显微手术的微力感测工具。视网膜显微手术要求精细操纵视网膜组织，而且工具与组织的接触力常常在人的感觉阈值之下。视网膜手术期间，显微手术器械稍端上的典型接触力小于7.5mN。

目前还没有用于视网膜手术的三维测力工具。在“International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery”（Int J CARS，《国际辅助放射学与手术杂志》）2009年4月15日网上出版的Iulian Iordachita等人的论文“Asub-millimetri,0.25mN resolution fully integrated fibre-optic force sensing tool for retinal microsurgery(亚毫米的、0.25mN分辨率全一体视网膜显微手术的光纤测力工具)”中，报导了一种利用光纤布拉格光栅技术测量两个侧向方向上的微力的器械。

因此，期望提供一种用于检测并监控显微手术器械或工具的稍端与待探测和治疗的组织或器官之间的三维接触力的方法。

用于导管应用的已被报导的公知系统使用光纤测量技术，来测量导管的稍端处的接触力，其中，测力元件被置于接近稍端处。

众所周知，用于导管应用的这种显微手术器械的测力元件包括单体式圆柱形结构。通过在结构的稍端上施加三维力，结构即因结构上的一组切口而按预定的方式变形。这些切口限定了几个弹性区，使得结构沿x、y和/或z向上的一些方向呈柔性（可挠曲）。整合至结构中的光纤允许确定结构的单独部件的位移，该位移与施加到稍端的力成正比。光纤从结构的底部进入结构，并被引入终止于结构的切口之一中的通道内。发自光纤的光被结构上的与光纤端相对的表面逆反射。光进入光纤，并被估算以确定光纤端与反射光的那个表面的距离。

在US20080009750中描述了之前公知的用以测量导管的稍端处的接触力的系统，其涉及一种单体式结构，这种单体式结构设计上非常复杂，并需要在制造期间使结构旋转。此外，该结构是一种壁厚为0.5mm、总直径为5mm的管。为了制造以及机械稳定性的原因，不可缩小该结构的尺寸。

在US20090177095中示出具有三个相同的沿中心轴线彼此分隔开的切口的类似的管式结构。每个切口均通过从一侧（这一侧与另两侧成120°旋转角）进行切削来制成。在这三个切口中的每个切口内，一个光纤端用于测量与该光纤端相对的结构的距离。一些光纤在到达其目的地之前，不可避免地会穿过其他切口。光纤的固定非常苛刻。尽管这个结构在每个单独的切口如前所述的制造期间不得旋转，但在各切口的切削之间却仍然必须使结构旋转。按要求的精度制造仍然非常昂贵。此外，该结构沿轴向呈刚性，沿径向呈柔性，所以其仅适合检测接近于该结构的稍端处的力。