一种基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳.pdf

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳。包括抓钳头：用于夹持组织并将夹持力信号转换为光纤布拉格光栅光信号；驱动手柄：用于外界载荷施加，将握持力转换为抓钳所需闭合力；连接套管：用于连接抓钳头与驱动手柄，并将光信号传至信号处理单元。所述的腹腔镜三维力传感抓钳将将器械与组织作用力转换为光信号，通过光纤光栅解调仪采集与设计的计算机算法解耦，恢复外科医生对于器械-组织作用力的感知。本发明，具有传感器体积紧凑、具备生物相容性、可消毒性、抗电磁干扰等优点，能在腹腔镜手术中实时提供力觉反馈以协助外科医生实现精准的力控制，提升手术安全性。

权利要求书
1.  一种基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳，其特征在于，包括：
力传感抓钳头，用于夹持组织并将夹持力信号转换为光纤布拉格光栅光信号；
驱动手柄，用于外界载荷施加，将握持力转换为力传感抓钳头所需闭合力；
连接套管，用于连接力传感抓钳头与驱动手柄，并将光信号传至信号处理单元；
信号处理单元，用于将光信号转换为数字信号，并进行显示。

2.  根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳，其特征在于：
所述的驱动手柄包括旋转手柄(7)、握持手柄(9)以及设置在该握持手柄(9)内的驱动滑块(14)；
所述的连接套管包括具有两排平行光纤通道的内导管(5)、套设在该内导管(5)外的外套管(6)、固定在该外套管(6)内的上钢丝绳索(11a)和下钢丝绳索(11b)以及光纤连接器(8)；
所述的力传感抓钳头包括抓钳头本体(4)和四根光纤布拉格光栅；
所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪(2)和计算机(3)；
所述的抓钳头本体(4)由上抓钳头(4a)和下抓钳头(4b)组成，所述的上抓钳头(4a)和下抓钳头(4b)通过销钉(10)铰接，且分别通过所述的上钢丝绳索(11a)和下钢丝绳索(11a)与所述的外套管(6)的一端相连，该外套管(6)的另一端与所述的旋转手柄(7)相连，所述的内导管(5)从外套管(6)中延伸与所述的驱动滑块(14)连接；
第一根光纤布拉格光栅(12a)和第二根光纤布拉格光栅(12b)的一端嵌入在上抓钳头(4a)内，第三根光纤布拉格光栅(13a)和第四根光纤布拉格光栅(13b)的一端嵌入在下抓钳头(4b)内，第一根光纤布拉格光栅(12a)和第二根光纤布拉格光栅(12b)的另一端与第三根光纤布拉格光栅(13a)和第四根光纤布拉格光栅(13b)的另一端分别通过两排平行光纤通道与光纤连接器(8)的一端相连，该光纤连接器(8)的另一端外接光纤光栅解调仪(2)的输入端，该光纤光栅解调仪(2)的输出端与计算机(3)相连。

3.  根据权利要求1或2所述的基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳，其特征在于：所述抓钳本体的材料为低弹性模量生物聚合物材料。

4.  根据权利要求2所述的基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳，其特征在于：所述的第一根光纤布拉格光栅(12a)、第二根光纤布拉格光栅(12b)和第三根光纤布拉格光栅(13a)用于应变传感，所述的第四根光纤布拉格光栅(13b)用于温度补偿。

说明书一种基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，具体是涉及一种用于腹腔镜手术的三维力传感抓钳。
背景技术
目前，外科医生在实施腹腔镜手术时由于不能直接接触病人体内组织，仅可通过视觉信息反馈，即组织的变形，来估算器械施加在组织上的作用力。由于套管针的摩擦、腹壁的阻力、比例系数的影响以及器械的结构等因素，作用力信息通过器械传至外科医生时已经失真，如此会导致器械产生滑移或夹持力过大。夹持不同类型的组织会导致如损坏组织、形成病理学瘢痕组织、流血、与手术器械粘接以及胃动力缺失等不良手术后果。因此，在手术中力觉信息的恢复对于避免组织与器械产生滑移以及施加过大的作用力尤为重要。
为了恢复医生对于器械-组织作用力的感知，需要对手术器械集成力传感器。然而，腹腔镜手术场合对于传感器本身的要求，除了高灵敏度、高鲁棒性、最小的零点和灵敏度漂移等基本要求外，还有其特殊应用要求，如生物相容性、可消毒性、紧凑尺寸、抗电磁干扰、可一次性使用等。传统的力传感器，如电容式、压阻式、压电式、应变片式传感器，难以满足手术场合特殊要求。因此，为了满足手术场合的使用要求，需寻求新型的传感技术以用于腹腔镜手术的力觉反馈。
近年来，基于波长解码的光纤布拉格光栅传感技术由于具有电磁免疫、高灵敏度和高重复性等优点，逐渐出现在生物医学应用中。当宽带光在光纤中传播时，满足布拉格条件(即波长为布拉格波长)的光将被反射回来，其余波长的光可继续传输。当光纤应变发生变化时，会引起光纤布拉格光栅有效折射率和光栅周期的变化，从而布拉格波长发生改变，因此可通过检测反射光谱的偏移来检测基体应变的变化。
对于光纤布拉格光栅技术，约翰霍普金斯大学已将其用于视网膜手术拉钩获取器械与膜层作用力；都柏林理工大学将该技术用于医用剪刀，获取组织剪切力并对组织断裂韧性进行评估；伯尔尼大学将其用于耳鼻喉手术获取器械卷曲镫骨的作用力。而国内将其用于微创手术研究的成果目前未见报道。
因此，若能在腹腔镜手术中将该传感技术与结构设计相结合，设计出一种集成三维力感知的腹腔镜抓钳，该传感器体积紧凑，具备生物相容性和可消毒性，抗电磁干扰，精度高， 重复性与动态性能好，将其用于术中抓取组织时的实时力觉反馈，则可以协助外科医生实现精准的力控制，提升腹腔镜手术的安全性。
发明内容
本发明针对当前腹腔镜手术中外科医生不能获取器械与组织相互作用力的问题，提出一种集成光纤布拉格光栅的三维力传感腹腔镜手术抓钳，该抓钳可在术中实时获取力觉反馈信息。所设计腹腔镜抓钳不仅结构紧凑，灵敏度高，解耦性好，而且可用于核磁共振(MRI)手术环境，可使外科医生对组织实施精准的力控制，减少器械对组织的创伤，提升手术安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳，其特点在于，包括：
力传感抓钳头，用于夹持组织并将夹持力信号转换为光纤布拉格光栅光信号；
驱动手柄，用于外界载荷施加，将握持力转换为力传感抓钳头所需闭合力；
连接套管，用于连接力传感抓钳头与驱动手柄，并将光信号传至信号处理单元；
信号处理单元，用于将光信号转换为数字信号，并进行显示。
进一步，所述的驱动手柄包括旋转手柄、握持手柄以及设置在该握持手柄内的驱动滑块；
所述的连接套管包括具有两排平行光纤通道的内导管、套设在该内导管外的外套管、固定在该外套管内的上钢丝绳索和下钢丝绳索以及光纤连接器；
所述的力传感抓钳头包括抓钳头本体和四根光纤布拉格光栅；
所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪和计算机；
所述的抓钳头本体由上抓钳头和下抓钳头组成，所述的上抓钳头和下抓钳头通过销钉铰接，且分别通过所述的上钢丝绳索和下钢丝绳索与所述的外套管的一端相连，该外套管的另一端与所述的旋转手柄相连，所述的内导管从外套管中延伸与所述的驱动滑块连接；
第一根光纤布拉格光栅和第二根光纤布拉格光栅的一端嵌入在上抓钳头内，第三根光纤布拉格光栅和第四根光纤布拉格光栅的一端嵌入在下抓钳头内，第一根光纤布拉格光栅和第二根光纤布拉格光栅的另一端与第三根光纤布拉格光栅和第四根光纤布拉格光栅的另一端分别通过两排平行光纤通道与光纤连接器的一端相连，该光纤连接器的另一端外接光纤光栅解调仪的输入端，该光纤光栅解调仪的输出端与计算机相连。
进一步，所述抓钳本体的材料为低弹性模量生物聚合物材料。
进一步，所述的第一根光纤布拉格光栅、第二根光纤布拉格光栅和第三根光纤布拉格光栅用于应变传感，所述的第四根光纤布拉格光栅用于温度补偿。
进一步，所述内导管设有两排通孔，一端与抓钳头本体铰接，另一端与驱动手柄通过螺纹连接；所述两排通孔将四根光纤引导至光纤连接器，所述光纤连接器置于旋转手柄中；所述旋转手柄采用对称剖分结构，中心和上部设有通孔，将光纤引至光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪将所采集光信号转换为力信号，通过设计的算法实现三维力解耦。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用腹腔镜抓钳实施手术时能够获取器械与组织作用力信息，在术中对手柄施加载荷实施控制，避免现有手术中夹持力过小产生滑移以及夹持力过大而损坏组织，提升腹腔镜手术安全性；
2)采用光信号传输，灵敏度高，抗电磁干扰，可在传统电信号传感器不能应用的MRI手术场合中使用。
附图说明
图1是本发明基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳测量系统示意图。
图2是本发明基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳本体结构示意图。
图3是本发明力传感抓钳头结构示意图。
图4是本发明光纤布拉格光栅布置方案示意图。
图5是三维力传感抓钳尾部结构放大图。
图6是三维力传感抓钳动力驱动结构放大图。
1–三维力传感抓钳本体；2–光纤光栅解调仪；3–计算机；4-抓钳头本体；4a-上抓钳头；4b–下抓钳头；5–内导管；6–外套管；7–旋转手柄；8–光纤连接器；9–握持手柄；10–销钉联接；11–钢丝绳索；11a–上钢丝绳索；11b–下钢丝绳索；12a–第一根光纤布拉格光栅；12b–第二根光纤布拉格光栅；13a-第三根光纤布拉格光栅；13b–第四根光纤布拉格光栅；14–握持手柄中的驱动滑块；15–内导管中的光纤通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照附图1，为腹腔镜三维力传感抓钳测量系统示意图，其中包括：三维力传感抓钳本 体1，其和人体组织相互作用，将力信号转换为光信号输出；光纤光栅解调仪2，将上述光信号转换为数字信号；计算机3，运用预先编写的程序，将数字信号转换为器械和组织相互作用的三维力，并在显示器上输出。
图2是本发明中三维力传感抓钳本体结构示意图，包括抓钳头本体4a和4b、内导管5、外套管6、旋转手柄7、光纤连接器8、握持手柄9。抓钳头本体4通过铰接与内导管5相连，可作闭合运动夹持组织，抓钳头本体4采用的材料为低弹性模量生物聚合物材料。图3和图4是光纤光栅嵌入抓钳头本体4示意图，嵌入光纤光栅12a，12b，13a和13b。其中12a，12b，13a用于应变传感，13b用于温度补偿。
参照图3和4，为本发明光纤布拉格光栅布置方案示意图。图4左右分别为两个抓钳头本体4的XY截面图(图3矩形虚线)，抓钳头本体长度方向为Z轴。光纤布拉格光栅12a位于器械XZ与YZ截面中性层，光纤布拉格光栅12b位于器械XZ截面中性层内，与光纤布拉格光栅12a相距1.5mm。光纤布拉格光栅13a位于器械YZ截面中性层内，光纤布拉格光栅13b为增设的温度补偿传感器，与光纤布拉格光栅13b垂直相距1.5mm。
参照图4，根据本发明中光纤光栅的布置方案，可推导出组织施加于抓钳的作用力与抓钳输出的光信号之间的关系，算法表达式具体推导过程如下：
当抓钳头部本体受三维力载荷Fx，Fy，Fz作用时，将会发生变形，导致FBG传感器处产生应变。设Kij为各光纤载荷波长系数，KTi为各光纤温度波长系数，由传感器的布置方案，各个FBG反射波长变化量与外载荷关系为：
Δλ4＝KT4ΔT
Δλ1＝K1zFz+KT1ΔT
Δλ2＝K2zFz+K2xFx+KT2ΔT
Δλ3＝K3zFz+K3yFy+KT3ΔT
设KT1/KT4＝α1，KT2/KT4＝α2，以及KT3/KT4＝α3，以上各式变形为：
Δλ1-α1Δλ4＝K1zFz
Δλ2-α2Δλ4＝K2zFz+K2xFx
Δλ3-α3Δλ4＝K3zFz+K3yFy
写成矩阵形式为：Δλ＝KF
其中：
Δλ＝[Δλ1 -α1Δλ4 Δλ2 -α2Δλ4 Δλ3 -α3Δλ4]T
F＝[Fx Fy Fz]T
K=00K1zK2x0K2z0K3yK3z]]>
通过解调仪测量传感器反射波长偏移量，计算机通过如下解耦算法，得三维力大小：
F＝K-1Δλ
图5是三维力传感抓钳尾部结构放大图，外套管6通过螺纹与旋转手柄7连接，内导管5从外套管6通孔中延伸，与握持手柄中9中的驱动滑块14固连。光纤从抓钳头本体4引出，经内导管5中的光纤通道15a，15b延伸，通过固定在旋转手柄7上的光纤连接器8与光纤光栅解调仪2相连，实现光信号的采集。
参照附图6，是本发明三维力传感抓钳动力驱动结构放大图，抓钳头本体4的尾部通过钢丝绳索11a，11b与外套管固连，两绳索呈交叉X型。当握持手柄9闭合，内导管5由握持手柄中的驱动滑块14向前驱动，产生微小位移，此时抓钳头本体4a，4b受钢丝绳索11拖拽而闭合；当松开握持手柄9，内导管5由驱动滑块14向后驱动，此时抓钳头本体4a，4b受钢丝绳索11抵触而张开。
本发明通过上述实施方式，具有以下有益效果：本发明提供的基于光纤布拉格光栅的腹腔镜三维力传感抓钳将器械与组织作用力转换为光信号，通过光纤光栅解调仪采集与设计的计算机算法解耦，获得器械作用于组织的三维力，有效降低了传统腹腔镜手术中抓取组织时容易导致夹持力过小滑移以及夹持力过大而损坏组织的风险。所设计的三维力传感抓钳由于采用光信号传输，还能够在传统传感器不能工作的核磁共振手术场合中使用。
上文所列出的详细说明仅是针对本发明可行性实施方式的具体说明。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，采用光纤布拉格光栅嵌入的方式实现三维力传感并解耦的腹腔镜抓钳，均应属于本发明的保护范围。