微創(chuàng)手術(shù)是近年來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型治療手段，是指通過微小創(chuàng)傷或通路，完成對人體內(nèi)病變、畸形、創(chuàng)傷的滅活、切除、修復(fù)或重建等外科手術(shù)操作。微創(chuàng)手術(shù)憑借著風(fēng)險小、出血少、傷口小、疤痕細(xì)、恢復(fù)快等的特點，被廣泛運(yùn)用于外科手術(shù)之中。穿刺手術(shù)探針是微創(chuàng)手術(shù)中常用的器械，可以用在藥物放置、組織活檢和放射治療等手術(shù)治療過程中。

微創(chuàng)手術(shù)雖然具有眾多的優(yōu)點，但其缺失了開放性手術(shù)過程中醫(yī)生直接接觸患者組織的重要能力。而現(xiàn)有的穿刺手術(shù)機(jī)器人尚不具備力觸覺信息反饋功能，使醫(yī)生無法準(zhǔn)確、有效地感知穿刺狀態(tài)。穿刺過程中的探針力信息可以使醫(yī)生準(zhǔn)確感知穿刺效果，提高手術(shù)的安全性和成功率。

針對這一應(yīng)用，近期，北京信息科技大學(xué)祝連慶與何彥霖等人在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，2021中國國際影響力優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊）上發(fā)表題為“用于微創(chuàng)手術(shù)探針的光纖力傳感器設(shè)計”的文章并被選為當(dāng)期封面文章。 

光纖力傳感器設(shè)計

光纖傳感技術(shù)因其靈敏度高、可靠性強(qiáng)、并且抗電磁干擾等諸多優(yōu)點適合應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域之中。針對手術(shù)探針的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種光纖法布里-珀羅腔（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）級聯(lián)光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）的力傳感器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。依據(jù)光纖F-P腔的雙光束干涉理論、光纖FBG傳感理論和探針懸臂梁結(jié)構(gòu)，建立了基于光纖傳感的探針末端力測量模型。

圖1：F-P腔級聯(lián) FBG 結(jié)構(gòu)

力傳感器校準(zhǔn)

在傳感器使用過程中光纖F-P腔和光纖FBG均會同時受到溫度和力的影響，為了使傳感器能夠準(zhǔn)確測量到探針末端受力，分別對傳感器的溫度和受力做了校準(zhǔn)，力校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖2（a）所示、溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖2（b）所示。在0~5.5 N內(nèi)對傳感器進(jìn)行了力校準(zhǔn)，光纖F-P腔和FBG的波長漂移如圖3所示。在20 ℃~50 ℃內(nèi)對傳感器進(jìn)行了溫度校準(zhǔn)，光纖F-P腔和FBG的波長漂移如圖4所示。

圖2：傳感器校準(zhǔn)驗系

圖3：傳感器力校準(zhǔn)

圖4：傳感器溫度校準(zhǔn)

應(yīng)用前景

設(shè)計的光纖F-P腔級聯(lián)FBG的力傳感器，可以實現(xiàn)手術(shù)探針末端力測量。為手術(shù)探針力反饋技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，有望在微創(chuàng)外科穿刺手術(shù)機(jī)器人的穿刺針力反饋領(lǐng)域有廣闊的前景。

| 論文信息 |

于昌新,何彥霖,何超江等.用于微創(chuàng)手術(shù)探針的光纖力傳感器設(shè)計[J].光學(xué)精密工程,2022,30(20):2421-2429.

https://ope.lightpublishing.cn/thesis/65/31623468/zh/

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