微創手術是近年來醫學領域發展起來的一種新型治療手段，是指通過微小創傷或通路，完成對人體內病變、畸形、創傷的滅活、切除、修復或重建等外科手術操作。微創手術憑借著風險小、出血少、傷口小、疤痕細、恢復快等的特點，被廣泛運用于外科手術之中。穿刺手術探針是微創手術中常用的器械，可以用在藥物放置、組織活檢和放射治療等手術治療過程中。

微創手術雖然具有眾多的優點，但其缺失了開放性手術過程中醫生直接接觸患者組織的重要能力。而現有的穿刺手術機器人尚不具備力觸覺信息反饋功能，使醫生無法準確、有效地感知穿刺狀態。穿刺過程中的探針力信息可以使醫生準確感知穿刺效果，提高手術的安全性和成功率。

針對這一應用，近期，北京信息科技大學祝連慶與何彥霖等人在《光學 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，2021中國國際影響力優秀學術期刊）上發表題為“用于微創手術探針的光纖力傳感器設計”的文章并被選為當期封面文章。 

光纖力傳感器設計

光纖傳感技術因其靈敏度高、可靠性強、并且抗電磁干擾等諸多優點適合應用于醫療領域之中。針對手術探針的特殊結構，設計了一種光纖法布里-珀羅腔（Fabry-Perot，F-P）級聯光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）的力傳感器結構，如圖1所示。依據光纖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構，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 FBG 結構

力傳感器校準

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，力校準系統如圖2（a）所示、溫度校準系統如圖2（b）所示。在0~5.5 N內對傳感器進行了力校準，光纖F-P腔和FBG的波長漂移如圖3所示。在20 ℃~50 ℃內對傳感器進行了溫度校準，光纖F-P腔和FBG的波長漂移如圖4所示。

圖2：傳感器校準驗系

圖3：傳感器力校準

圖4：傳感器溫度校準

應用前景

設計的光纖F-P腔級聯FBG的力傳感器，可以實現手術探針末端力測量。為手術探針力反饋技術奠定了基礎，有望在微創外科穿刺手術機器人的穿刺針力反饋領域有廣闊的前景。

| 論文信息 |

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

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

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