一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳

技术领域

本发明涉及多维力光纤传感检测技术领域，尤其涉及一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳。

背景技术

微创手术创伤小、疼痛轻、恢复快，在医学领域得到广泛应用。然而，手术过程中的大部分反馈信息仅由内窥镜提供，这高度依赖于外科医生的经验，手术中过大或过小的力都可能会导致严重的并发症。同时由于微创手术器械的操作空间限制，如何可靠的在微创输送器械上增设力传感器成是一个特别具有挑战性的任务。传统的力传感器大多是基于电阻、压电和电容等电类传感原理的力触觉传感器，但是这些电类传感器存在生物兼容性较差且易受电磁干扰的缺点，无法适应微创、精细手术的需求。

光纤光栅作为一种新型传感元器件，相较于电类传感器可以有效避免电磁干扰，且具有尺寸小，可以分布式监测等优势，便于集成到传感器上，应用于复杂的环境。因此，将光纤光栅应用在微创手术的器械上，提高手术器械的三维力感知能力，对于提高环境感知能力和手术器械的易用性，是非常有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种对于环境感知灵敏、不受电磁干扰、适应温度变化的场合、并更好的与微型手术器械进行适配的三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种三维力传感器，包括：

上端部；

下端部，与所述上端部平行且间隔设置，且上端部和下端部上均对应设置与若干连接孔；

若干支柱，均设置在上端部与下端部相邻的端面之间，若干支柱分别与上端部和下端部固定连接，若干支柱内部设置有贯穿的固定孔，固定孔分别与上端部和下端部上的连接孔相互连通；

若干光纤，一一对应的设置在若干支柱内部，且若干光纤穿过固定孔的表面分别与上端部或者下端部的连接孔内表面固定连接，若干光纤的两端还分别穿过连接孔并向外延伸；

其中，若干光纤张紧悬置在支柱内，光纤的张紧悬置部分设置有光栅，光栅包括外径互不相等的第一栅区和第二栅区。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述若干光纤穿过固定孔的表面设置有金属镀层，金属镀层与上端部和下端部的连接孔的内表面固定连接，连接孔为贯通上端部的圆角矩形孔或者部分贯通下端部的圆角矩形孔。

优选的，所述金属镀层是取出光纤的保护层以后，通过除油、敏化、活化、化学镀镍与电镀镍步骤得到的。

优选的，所述若干光纤的中心轴和光纤穿置的固定孔的中心轴同轴设置；各光纤的中心轴相互平行设置且位于同一虚拟圆柱的表面上，相邻光纤的中心轴在虚拟圆柱上的圆心角均相等。

优选的，所述外径互不相等的第一栅区和第二栅区，是将其中一个栅区采用氢氟酸进行腐蚀，使栅区形成未被腐蚀段栅区和腐蚀段栅区，分别对应了第一栅区和第二栅区，第一栅区的半径为R

在以上技术方案的基础上，优选的，所述若干支柱的固定孔的内表面与光纤或光栅的外表面间隙设置。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述支柱和光纤的数量均为四个。

另一方面，本发明提供了一种三维力传感器的使用方法，包括如下步骤：

S1：在上述的三维力传感器中，配置四个支柱和四根光纤，将四个支柱在上端部与下端部之间平行且中心对称分布，四根光纤张紧悬置在支柱内，光纤还分别与上端部和下端部固定连接，光纤悬置在支柱的部分设置有光栅，光栅包括半径不同的第一栅区和第二栅区；第二栅区是通过氢氟酸腐蚀减径得到；

S2：为便于区分，将四个支柱按逆时针方向依次命名为第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱；支柱内对应的设置有第一光纤第一栅区、第一光纤第二栅区、第二光纤第一栅区、第二光纤第二栅区、第三光纤第一栅区、第三光纤第二栅区、第四光纤第一栅区和第四光纤第二栅区；

S3：三维力传感器接触到被测对象时，获得以下三维力参数：轴向力

当第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱发生同向形变时，第一光纤、第二光纤、第三光纤和第四光纤发生大小相等方向相反的形变，各光栅的两个栅区的中心波长发生相对漂移，通过八个栅区的中心波长漂移量进行解耦计算，得到轴向力

当第一支柱和第三支柱发生变形时，第一光纤与第三光纤发生大小相等方向相反的形变，第一光纤与第三光纤的第一栅区和第二栅区的中心波长发生相对应的漂移，通过对八个栅区的中心波长漂移量进行解耦，得到径向力

当第二支柱、第四支柱发生变形时，第二光纤、第四光纤发生大小相等方向相反的形变，第二光纤与第四光纤的第一栅区和第二栅区的中心波长发生相对应的漂移，通过对八个栅区的中心波长漂移量进行解耦计算，进而得到径向力

优选的，通过八个栅区的中心波长漂移量进行解耦计算，得到轴向力

第三方面，本发明还提供了一种微创手术夹钳，包括上夹钳、下夹钳和连接部，以及上述的三维力传感器；上夹钳的一端与上端部固定连接，上夹钳的另一端朝着远离上端部的方向向外延伸，下夹钳与上夹钳铰连接设置；连接部的一端与下端部固定连接，连接部的另一端朝着远离下端部的方向向外延伸；上夹钳和下夹钳配合夹持人体组织，并将外部的三维力传递给三维力传感器；三维力传感器的若干支柱和若干光纤，用于感知测量轴向力；连接部用于固定三维力传感器。

本发明提供的一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳，相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）提供了一种悬置光纤光栅的三维力传感器结构，三维力传感器整体形成了一个一体式弹性体结构，悬置状态的光纤对于外部三维力的感知更加灵敏和可靠；光纤进一步通过金属镀层与上端部和下端部固定，固定部位的连接强度更高，耐腐蚀耐高温的性能更好，也便于手术环境中频繁的消毒处理；

（2）由于光纤光栅分为两个不同半径的第一栅区和第二栅区，同一根光纤对同一外部力信号会产生两个不同的波长漂移量，由于同一光纤的受力状态和环境温度相同，有利于简化计算量，提高解耦精度；

（3）本申请的三维力传感器结构与手术夹钳进行了一体化处理，能够使用在紧凑、微小结构的手术器械中，具有很好的适配能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的立体图；

图2为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的一体式弹性体的爆炸状态示意图；

图3为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的光纤的张紧悬置段的立体图、前视图及前视图的A-A向剖面图；

图4为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的一体式弹性体的俯视图；

图5为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的上端部、下端部和支柱的组合状态立体图；

图6为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的上端部、下端部和支柱的组合状态前视图中及该前视图的B-B向剖面图；

图7为图5的半剖前视图；

图8为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的一体式弹性体的简化结构示意图；

图9为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的一体式弹性体的横向受力分析示意图；

图10为本发明一种三维力传感器、使用方法及微创手术夹钳的一体式弹性体的轴向受力分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1-图10所示，本发明提供了一种三维力传感器，包括：

上端部11；上端部11为圆柱状结构；

下端部12，与上端部11平行且间隔设置，且上端部11和下端部12上均对应设置与若干连接孔14；下端部12也为圆柱状结构。

若干支柱13，均设置在上端部11与下端部12相邻的端面之间，若干支柱13分别与上端部11和下端部12固定连接，若干支柱13内部设置有贯穿的固定孔135，固定孔135分别与上端部11和下端部12上的连接孔14相互连通；

若干光纤2一一对应的设置在若干支柱13内部，且若干光纤2穿过固定孔135的表面分别与上端部11或者下端部12的连接孔14内表面固定连接，若干光纤2的两端还分别穿过连接孔14并向外延伸；

其中，若干光纤2张紧悬置在支柱13内，光纤2的张紧悬置部分设置有光栅，即光纤光栅，本申请中选用光纤布拉格光栅，光栅2包括外径互不相等的第一栅区和第二栅区。为了保证张紧悬置状态的光纤的同轴性能，若干光纤2的中心轴和光纤2穿置的固定孔135的中心轴同轴设置；各光纤2的中心轴相互平行设置且位于同一虚拟圆柱的表面上，相邻光纤2的中心轴在虚拟圆柱上的圆心角均相等。光纤2位于支柱内的部分，可称为张紧悬置段。上端部11、下端部12、支柱13结合光纤2构成了一个一体式弹性体1。

如图2所示，为了便于说明，在一个实施例中，支柱13的数量选为4个，对应的光纤2的数量也为4根。当然支柱和光纤的数量也可以是其他大于4的偶数个，在此不再赘述。为便于区分，按逆时针的顺序将四个支柱13命名为第一支柱131、第二支柱132、第三支柱133和第四支柱134。对应的，四根光纤2分别命名为第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23和第四光纤24，各光纤上的外径不相等的栅区进一步区分为，第一光纤第一栅区211、第一光纤第二栅区212、第二光纤第一栅区221、第二光纤第二栅区222、第三光纤第一栅区231、第三光纤第二栅区232、第四光纤第一栅区241和第四光纤第二栅区242。

如图2和图3所示，若干光纤2穿过固定孔135的表面设置有金属镀层，金属镀层与上端部11和下端部12的连接孔14的内表面固定连接，连接孔14为贯通上端部11的圆角矩形孔或者部分贯通下端部12的圆角矩形孔。其中，本申请的金属镀层为镀镍层。金属镀层是取出光纤2的保护层以后，通过除油、敏化、活化、化学镀镍与电镀镍步骤得到的。具体步骤为：

步骤1、去除保护层：将各光纤在室温下浸入丙酮中10-15分钟左右，取出后轻轻剥除其保护层，然后放在超声波清洗器中用去离子水洗8-12分钟，以清除去除保护层时的残留物；

步骤2、除油：把去保护层后的各光纤用无水酒精擦洗数遍，然后放在超声波清洗器中用无水酒精洗10-12分钟，取出用去离子水冲洗数遍后，再放在超声波清洗器中用去离子水洗8-10分钟以彻底洗净油污；

步骤3、敏化：称取5克氯化亚锡溶于5ml盐酸中，然后用蒸馏水稀释到100毫升，经过去除保护层和除油处理的各光纤光栅在敏化溶液中室温下敏化10-15分钟，然后放在超声波清洗器中用去离子水洗2-3分钟；

步骤4、活化：活化液配方为氯化钯0.3g/L、盐酸3m1/L，经过以上处理的各光纤在活化液中室温下浸泡10-15分钟，然后用超声波清洗2-3分钟，至此完成各光纤的预处理操作；

步骤5、化学镀镍：将经过预处理的光纤放入盛有化学镀溶液的化学镀装置中进行化学镀镍，即可得到表面化学镀了镍的光纤；

步骤6、电镀镍：将经过化学镀镍的光纤放入盛有电镀溶液的电镀装置中进行电镀镍，即可得到具有镀镍层的光纤，即金属镀层的光纤。

金属镀层的光纤通过激光焊接方式与上端部11和下端部12的连接孔14的内表面固定形成一个整体。本方案的上端部11、下端部12和支柱13均采用铝合金材料，可以采用3D打印技术进行整体制备。为了保证各光纤2处于张紧悬置状态，在与连接孔焊接前，可以预先用砝码拉紧光纤2，提供一个预紧力，待焊机完成后再撤去砝码。如图6所示，金属镀层的轴向长度不小于上端部11或者下端部12的厚度h。

如图3所示，光栅处外径互不相等的第一栅区和第二栅区，是将其中一个栅区采用氢氟酸进行腐蚀，使栅区形成未被腐蚀段栅区和腐蚀段栅区，分别对应了第一栅区和第二栅区，第一栅区的半径为R

另一方面，本发明提供了一种三维力传感器的使用方法，包括如下步骤：

S1：在上述的三维力传感器中，配置四个支柱13和四根光纤2，将四个支柱13在上端部11与下端部12之间平行且中心对称分布，四根光纤2张紧悬置在支柱13内，光纤2还分别与上端部11和下端部12固定连接，光纤2悬置在支柱13的部分设置有光栅，光栅包括半径不同的第一栅区和第二栅区；第二栅区是通过氢氟酸腐蚀减径得到；

S2：为便于区分，将四个支柱13按逆时针方向依次命名为第一支柱131、第二支柱132、第三支柱133和第四支柱134；各支柱内对应的第一光纤为21、第二光纤22、第三光纤23和第四光纤24。各支柱内对应的设置有第一光纤第一栅区211、第一光纤第二栅区212、第二光纤第一栅区221、第二光纤第二栅区222、第三光纤第一栅区231、第三光纤第二栅区232、第四光纤第一栅区241和第四光纤第二栅区242；

S3：三维力传感器接触到被测对象时，获得以下三维力参数：轴向力

当第一支柱131、第二支柱132、第三支柱133和第四支柱134发生同向形变时，第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23和第四光纤24发生大小相等方向相反的形变，各光栅的两个栅区的中心波长发生相对漂移，通过八个栅区的中心波长漂移量进行解耦计算，得到轴向力

当第一支柱131和第三支柱133发生变形时，第一光纤21与第三光纤23发生大小相等方向相反的形变，第一光纤21与第三光纤23的第一栅区和第二栅区的中心波长发生相对应的漂移，通过对八个栅区的中心波长漂移量进行解耦，得到径向力

当第二支柱132、第四支柱134发生变形时，第二光纤22、第四光纤24发生大小相等方向相反的形变，第二光纤22与第四光纤24的第一栅区和第二栅区的中心波长发生相对应的漂移，通过对八个栅区的中心波长漂移量进行解耦计算，进而得到径向力

步骤S3中通过八个栅区的中心波长漂移量进行解耦计算，得到轴向力

具体说明如下。如图8和图9所示，当一体式弹性体的下端部固定，上端部受到径向力

当径向力

在单位横向荷载的作用下，第一支柱的轴力和弯矩为：

；

；

其中，

在单位力偶的作用下，第一支柱的轴力和弯矩分别为：

；

。

在单位轴向载荷的作用下，第一支柱的轴力和弯矩为：

；

。

根据几何关系，在三维力传感器受径向力

，

其中

，

其中

同理，当一体式弹性体的下端部固定，上端部受到径向力

，上式公式右侧的/>

如图8和图10所示，当一体式弹性体的下端部固定，上端部受到轴向力

；根据几何关系，在三维力传感器受轴向力

，其中/>

结合上述中心波长片漂移公式与其受力和温度间的关系，改写表达式如下：

，其中/>

另外，本发明还提供了一种微创手术夹钳，包括上夹钳、下夹钳3和连接部15，以及上述的三维力传感器；上夹钳的一端与上端部11固定连接，上夹钳的另一端朝着远离上端部11的方向向外延伸，下夹钳3与上夹钳铰连接设置；连接部15的一端与下端部12固定连接，连接部15的另一端朝着远离下端部12的方向向外延伸；上夹钳和下夹钳3配合夹持人体组织，并将外部的三维力传递给三维力传感器；三维力传感器的若干支柱13和若干光纤2，用于感知测量轴向力；连接部15用于固定三维力传感器。

特别的，上夹钳与上端部11一体成型设计，下端部11与连接部15一体成型设计。作为一种优选的实施方式，连接部15的外表面设置有用于紧固连接的外螺纹。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。