[发明专利]用于手术器械的光纤光栅传感器

说明书

本发明涉及一种用于手术器械的光纤光栅传感器，其包括：基体和多根光纤，所述基体包括基体前端、基体末端和用于连接所述基体前端与所述基体末端的基体中部，所述多根光纤的每根光纤上都刻有光纤光栅，其特征在于：每根光纤都分别固定到所述基体前端和所述基体末端，并且使每根光纤上的光纤光栅都能被悬空布置。本发明的光纤光栅传感器在用于具有管状末端的手术仪器进行力检测时，可消除温度耦合干扰，同时还能够方便地集成在管状导管的远端部分。

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，更具体地，涉及一种用于外科手术器械的光纤光栅多维力/力矩传感器。

背景技术

在外科手术中，吸引器是常见而又极其重要的基本手术器械。它在手术中充当多种角色，不仅用于吸除血水，廓清手术区域视野；同时可以用于清除病灶组织(肿瘤、坏死组织、血肿或囊肿)，还可以作为牵开器和分离器使用。有些组织(例如脑组织)极其脆弱，而手术器械的末端会与脑组织接触，主治医生在缺乏力反馈的条件下进行外科手术，需要医生丰富的经验和一系列精巧细致的操作。

心血管手术也需要导管远端力反馈的辅助，这种用途目前也有很多的医学实例。介入式心电射频消融术是在临床上治疗心律不齐的常用的微创手术方式，手术过程需要把导管经病人股动脉穿刺介入经过主动脉进入心脏，接近病灶点，然后释放射频电流进行局部加热，进而使病灶点心内膜凝固性坏死。坏死的内膜组织不能传递心电信号，心电信号经正常的组织传输恢复正常，进而恢复心脏正常的节奏。在手术过程中，消融导管末端的电极需要跟心脏中病变组织保持较大的恒力接触才能确保病变组织能够坏死，并提高手术成功率，并减少术后心肌穿孔、心包填塞、血栓形成等因过大力操作而引发的并发症。

对于常见的心脑血管疾病，如脑动脉疾病或冠状动脉粥状硬化,微创介入式手术需要使用导丝穿过动脉网络，在病灶点处从导管远端植入支架。导管可能需要穿过被阻塞的区域，但导管的远端不容易控制。由于使用导管难以控制远端，因而容易发生故障而增加手术失败的风险。如果能够对导管末端的力进行实时测量，则可以让医生实时感知导管与组织的接触力，从而利于安全操作、减少对病人的伤害、降低手术失败的风险。

同时，导管远端力的测量对微创手术机器人实现操作系统的力觉反馈功能与力控制功能至关重要。此外，这些信息也可来评价医生的技能，并为医生培训提供优化的标准。

目前，针对上述需求，已发展出几项技术来感知导管与组织的接触力。一种是用在吸引管远端的硅树脂力传感器，其利用相机或内窥镜来感测硅树脂结构的极性变形，以检测牵引力，但这种设计由于包含外部视觉单元而具有复杂的结构和庞大的体积，因而这种设计很难在微型化介入式神经外科手术中使用。另一种是基于应变仪的感测装置，这种装置由于具有低成本、简单结构、易于操作而广泛用于外科手术中的力反馈。但是，这种基于应变仪的感测装置很容易在消毒和杀菌操作期间被损坏，同样地，也很难在微型化仪器或感测结构中放置应变仪。

为了克服这些传统力传感器的缺点，采用了一种光纤传感器，由于光纤的小尺寸、重量轻、抗电磁干扰、生物兼容性、无毒性以及抗腐蚀性，其能够集成在手术仪器导管尖端以测量接触力。例如，基于光纤的导管尖端力传感器能够通过检测心脏手术中反射的光强的变化，来测量轴向方向的力，但是每个感测单元都布置有两个单独的光纤来发射和接收光信号，这容易导致多维力传感器的大体积输出末端。此外，由于传感器集成在吸引管的尖端同时是非中空的结构，导致吸引管失去抽吸的功能。此外，目前研发出的基于波长解调的2维光纤布拉格光栅(FBG)力传感器能够避免前述的输入光强扰动的影响，但是，由于在感知体表面上的非均匀应变，使粘贴在其表面的FBG的反射谱易出现啁啾失效的风险，此外，该传感器如何集成在吸引管的远端的问题还没有被解决。

发明内容

因此，本发明要解决的一个技术问题是：提供一种基于FBG的用于外科手术器械的、改进了测量精度的、能够方便地集成在管状导管远端的多维力/力矩传感器。