CN117309217A - 一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器 - Google Patents
一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于法布里‑珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，涉及医疗器械技术领域；包括底盘、光学测量结构，以及设置于所述底盘与所述光学测量结构之间的微柱；所述光学测量结构上设置有薄膜与法布里‑珀罗干涉微腔，且所述薄膜位于所述微柱与所述法布里‑珀罗干涉微腔之间。本发明提供的基于法布里‑珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，基于光学传感技术，采用法布里‑珀罗干涉原理来实现对接触力的检测反馈，具有灵敏度高且电磁无缘的特性，从而能够抗电磁干扰、与磁共振成像技术兼容，有助于其在医学领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器。
背景技术
与传统的开放性手术相比，微创介入手术(MIS)因具有术后疼痛轻、住院时间短、康复时间短等优点，在过去的三十年里得到了广泛的应用。然而，尽管微创介入手术技术发展迅速，但它目前仍然有一些尚未解决的技术问题，一定程度上限制了其应用，其中力反馈的缺乏是目前亟待解决的技术问题之一。尽管MIS为病人和外科医生提供了治疗优势，但由于手术方式为间接接触，手术过程中操作者失去了对患者组织的直接触觉，例如，在心血管和胸部介入手术等微创手术中，通过使用导管和导丝来治疗组织和器官，当导丝或导管与血管或组织相互作用时，外科医生完全失去了直接触觉，特别是在机器人辅助手术中，外科医生在没有触觉反馈的情况下，可能会无意中施加过度的力量，导致组织或者血管损伤，因此，微创介入手术中的触觉力反馈直接影响了手术效果。
传统的介入手术主要依赖于医生的技术，医生需要借助X光影像判断导管与血管的位置，并通过导管末端传递到手部的力来感受导管末端与血管之间的压力和摩擦力，再根据导管与血管的位置以及感受到的导管末端与血管之间的压力和摩擦力来驱动导管和导丝；但由于X光影像不够直观，无法精确地获取导管末端与血管之间的位置关系，同时需要医生通过感受导管末端与血管间的压力和摩擦力来控制导管，对经验要求较高，操作有很大的难度，存在安全隐患。并且，这种基于视觉的接触力估计影响了干预者的眼手协调，增加了脑力劳动，导致操作时间延长，并限制了操作者的熟练度。相关研究表明，血管穿孔与过大的介入工具以及血管接触力之间存在强烈的相关性；同样，机器人辅助手术的多中心评估报告了机器人辅助导管消融期间11.2％的由于接触力信息不足导致的并发症发生率。此外，机器人导管消融中视觉和触觉反馈的对比研究揭示了触觉反馈比前者的优越性。导管或导丝远端力反馈可以使介入器件与血管和组织的过大接触力部分减少76％以上。
外科医生主要是在影像技术的辅助下进行介入手术，如X射线透视和磁共振成像(MRI)，以显示患者的体内信息并追踪导丝或导管。然而，作为手术过程中必不可少的工具，X射线透视存在着明显的缺点，如软组织可视化差，并且暴露在辐射下对患者和医生都是有害的。为了克服这些缺点，MRI技术被开发出来，MRI具有良好的视觉信息，并减少了辐射剂量，但这些技术不能提供足够的信息来检测软组织与导丝/导管之间的相互作用。
在微创介入手术过程中，为了检测介入器件与组织的相互作用，避免施加过量的力，可以在介入器件上安装力传感器，通过力传感器来反馈介入器件与组织之间的作用力。
目前关于接触力测量反馈的力传感器的研究主要涉及电学方法，但是基于电学的力传感器，由于与磁共振成像技术不兼容，限制了其在医学领域的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中基于电学的力传感器难以与磁共振成像技术兼容的问题，本发明提供了一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，该传感器基于光学的传感技术来对接触力进行测量反馈，具有抗电磁干扰、能够与磁共振成像技术兼容的优点，解决了现有技术中基于电学的力传感器难以与磁共振成像技术兼容的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，包括底盘、光学测量结构，以及设置于所述底盘与所述光学测量结构之间的微柱；
所述光学测量结构上设置有薄膜与法布里-珀罗干涉微腔，且所述薄膜位于所述微柱与所述法布里-珀罗干涉微腔之间。
可选地，所述光学测量结构包括底板，所述法布里-珀罗干涉微腔设置于所述底板的上端，所述微柱连接于所述底板的下端；所述法布里-珀罗干涉微腔与所述微柱之间形成所述薄膜。
可选地，所述光学测量结构还包括与所述底板相连的侧壁；所述底板与所述侧壁围合构成光纤容纳腔。
可选地，所述微柱、所述薄膜以及所述法布里-珀罗干涉微腔的数量均为四个。
可选地，所述微柱的直径为40-50μm。
可选地，所述薄膜的厚度为8-10μm。
可选地，所述法布里-珀罗干涉微腔的长度为80-100μm。
可选地，所述底盘上设置有凸台，所述微柱连接于所述凸台上。
可选地，所述基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器采用双光子微纳打印一体成型进行制备。
可选地，所述基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器可与临床上0.035inch的介入导丝匹配集成使用。
本发明的有益效果是：
本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，基于光学传感技术，采用法布里-珀罗干涉原理来实现对接触力的检测反馈，具有灵敏度高且电磁无缘的特性，从而能够抗电磁干扰、与磁共振成像技术兼容，有助于其在医学领域的应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器的结构简图一；
图2是本发明图1中A-A向剖视图；
图3是本发明中基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器的结构简图二；
图4是本发明中法布里-珀罗干涉微腔受力前后示意图；
图5是本发明中薄膜受到压力前后中心波长的偏移；
图6是本发明中薄膜的受力分析示意图；
图7是空间力的分解的示意图。
图中：1-底盘；11-凸台；2-光学测量结构；21-薄膜；22-法布里-珀罗干涉微腔；23-底板；24-侧壁；25-光纤容纳腔；3-微柱。
具体实施方式
现在对本发明作进一步详细的说明。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
为了解决现有技术中基于电学的力传感器难以与磁共振成像技术兼容的问题，本发明提供一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，参见图1-图3所示，该力传感器包括底盘1、光学测量结构2，以及设置于底盘1与光学测量结构2之间的微柱3；使用过程中，底盘1的下端(本申请中的上、下均以图1中方向标所示为准)与半球型导丝球帽相连，本申请优选使用医用光固化胶通过点胶的形式将半球型导丝球帽连接于底盘1的下端；底盘1的形状及尺寸均根据半球型导丝球帽而定，本发明优选底盘1为圆形板状结构，并进一步优选底盘1的直径为890μm；光学测量结构2与导丝的芯轴、光纤以及导丝弹簧等结构相连，以实现力传感器与医用介入器件的集成，并通过光学测量结构2实现对接触力的测量。
具体的，光学测量结构2上设置有薄膜21与法布里-珀罗干涉微腔22，且薄膜21位于微柱3与法布里-珀罗干涉微腔22之间，且光纤与法布里-珀罗干涉微腔22相连，以便于使得入射光通过光纤进入法布里-珀罗干涉微腔22，入射光在法布里-珀罗干涉微腔22内发生反射，再通过对反射光的波长进行检测，并根据检测到的反射光的波长来对力进行检测。
参见图4中a所示，半球型导丝球帽未与组织接触时，入射光通过光纤到达光纤端面与空气接触的反射面为第一反射面R1，之后一部分入射光发生反射，一部分入射光透射，透射的入射光在空气与薄膜层，即第二反射面R2发生第二次反射，两次反射会发生法布里—珀罗干涉；使用过程中，半球型导丝球帽与组织接触后，对半球型导丝球帽产生挤压，该挤压力通过微柱3传递至薄膜21处，导致薄膜21产生形变，使得薄膜21向法布里-珀罗干涉微腔22内发生偏移，从而导致法布里-珀罗干涉微腔22的干涉腔长发生变化，造成两次反射的光程差发生变化，最终造成反射波长的偏移，如图5所示，进一步将受到的力大小与反射光波长的偏移联系起来，从而能够根据反射光波长的偏移计算得到受到的力的大小，实现对力的检测。其中对反射光的波长进行检测的方法以及元件、根据检测结果计算反射光波长的偏移量以及根据偏移量来计算接触力的方法、元件等均可根据现有技术进行选择，本发明不对该部分内容进行限定。
本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，基于光学传感技术，采用法布里-珀罗干涉原理来实现对接触力的检测反馈，具有灵敏度高且电磁无缘的特性，从而能够抗电磁干扰、与磁共振成像技术兼容，有助于其在医学领域的应用。
为便于对接触力进行检测，同时简化传感器的结构，本发明优选光学测量结构2包括底板23，法布里-珀罗干涉微腔22设置于该底板23的上端，微柱3连接于底板23的下端；法布里-珀罗干涉微腔22与微柱3之间形成薄膜21。
具体的，本发明优选底板23为圆形板状结构，该底板23通过微柱3与底盘1相连；法布里-珀罗干涉微腔22为设置于底板23上的圆形槽状结构，且法布里-珀罗干涉微腔22的位置与微柱3相对应，从而在法布里-珀罗干涉微腔22与微柱3之间形成厚度小于底板23的薄膜21；在半球型导丝球帽与组织接触时，接触力通过微柱3传递至薄膜21处，对薄膜21产生挤压，使得薄膜21向法布里-珀罗干涉微腔22内发生偏移，导致法布里-珀罗干涉微腔22的腔长发生变化，进而按照上文所述的方法来对接触力进行检测。
进一步的，为便于实现该力传感器与导丝等介入器件的集成，本发明优选光学测量结构2还包括与底板23相连的侧壁24；底板23与侧壁24围合构成光纤容纳腔25，以便于使得光纤通过该光纤容纳腔25与法布里-珀罗干涉微腔22相连。
为实现对接触力的三维测量，本发明优选微柱3、薄膜21以及法布里-珀罗干涉微腔22的数量均为四个；相应的，光纤的数量也为四个，四个光纤分别与四个法布里-珀罗干涉微腔22相连；并进一步优选四个法布里-珀罗干涉微腔22以及四个光纤间隔90°对称布置，导丝芯轴居四个光纤的中心位置，五个器件一起***四微腔传感结构预留空腔，即光纤容纳腔25内，并保证该五个器件的端面处于同一平面。
为提高测量的灵敏度，本发明优选薄膜21为圆形膜片状结构，其受力情况参见图6所示；薄膜21的中心点受到力后产生的变形与压力、薄膜21的尺寸特性以及几何特性之间的关系参见如下公式：
其中，h为薄膜21的厚度(μm)；d为法布里-珀罗干涉微腔22的腔长(μm)；Δd为法布里-珀罗干涉微腔22的腔长变化量(nm)；v为薄膜的泊松比；p为薄膜21受到的挤压力，即接触力(Pa)；R为法布里-珀罗干涉微腔22的半径(μm)，E为膜片的弹性模量(Pa)，h为薄膜厚度(μm)。。
法布里-珀罗干涉微腔22的腔长的变化量与反射波波长的偏移量之间的关系如下式所示：
其中，λm为初始反射中心波长(nm)；Δλm为峰值中心波长偏移(nm)。
对于任何一个复杂的力，我们可以将其分解为x、y和z轴的力，参见图7所示；其中，三个轴分解的力与合力之间的关系为公式所示：
Fz＝Fcsoβ
Fx＝Fsinβcosα
Fy＝Fsibβsinα
其中，F为空间力(N)；Fx为F分解在x轴方向的分力(N)；Fy为F分解在y轴方向的分力(N)；Fz为分解在z轴方向的分力(N)；α为F投影在xoy平面后与X轴的夹角(°)；β为F与z轴的夹角(°)。
对于整个装置而言，着眼于每个光纤端面的腔室，腔长的变化也由三个轴的力产生的效果贡献，这样就可以得到四个腔室腔长的变化与反射光波长偏移量之间的方程，如下式所示：
Δd＝Δdx+Δdy+Δdz
Δdi＝d(F，α，β)
其中i＝1,2,3,4。
综上建立了三个轴力的解耦方程，通过四个干涉微腔，即法布里-珀罗干涉微腔22对称布置来解耦出导丝尖端受到的复杂的三维力信息。
本发明提供传感器中采用四根光纤对称布置，通过多维力解耦的方法利用力的分解与合成将复杂的力与四个腔室的腔长发生的变化匹配，从而从复杂的反射波信号中解调出施加的力信息。
对于本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器而言，比较关键的结构尺寸为微柱3的直径、薄膜21的厚度及法布里-珀罗干涉微腔22的长度；微柱3的直径和薄膜21的厚度尺寸设置为传感器在测力目标范围内测力时，在足以引起足够薄膜21变形，使得通过法布里-珀罗干涉微腔22产生明显光谱偏移的条件下满足强度要求。
具体的，本发明优选微柱3的直径为40-50μm；优选薄膜21的厚度为8-10μm；优选法布里-珀罗干涉微腔22的长度为80-100μm。
进一步的，本发明优选底盘1上设置有凸台11，微柱3连接于凸台11上；优选凸台11的外径与导丝弹簧的内径相适配，以便于装配过程中将弹簧直接推送至该凸台11处，再通过光固化胶进行固化连接即可。
本发明优选基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器采用双光子微纳打印一体成型进行制备；其中进行双光子微纳打印的材料可根据实际需求选用相应的现有技术；通过采用双光子微纳打印传感器，大大降低了组装难度，减少了组装时的误差，可使整体传感器尺寸的最大截面面积小于1mm2，且可以实现三维力传感，电磁无缘，测力范围可以达到牛顿级别，可以实现导丝在人体应用时实时监控接触压力的测量，并且有在其他极端狭小空间下实现压力监测的潜力。
现有介入器件尖端集成力传感器的装置，集成后的尺寸总体较大，一般为2mm以上，且多采用电学工作原理，例如电阻式、电容式等，且存在集成复杂、灵敏度低、误差大、电磁不兼容等缺点。本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器可集成截面尺寸小于1mm2以下的介入器械，且可以实现三维力传感的效果。
本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器可通过如下方法与四根光纤、导丝芯轴及导丝弹簧集成：
S1：将单端带有接头的四根单模光纤另一端剥至包层；使用光纤切割机将光纤端面切为平面；
S2：使用预打印好的固定模具将四根光纤及导丝芯轴固定位置，固定后四根光纤呈圆形间隔90°对称布置，将导丝芯轴***其圆形中心位置，并保证五个器件端面处于同一平面；
S3：将固定模具固定在显微操作台上，将五个器件***到打印好的四微腔传感结构预留的腔室，即基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器的法布里-珀罗干涉微腔22中，并使用光固化胶固化连接处；
S4：将弹簧推至打印好的底盘1预留凸台11处，使用光固化胶固化连接处；
S5：使用医用光固化胶在打印好的底盘1另一侧点胶形成半球型导丝球帽尖端。
综上，本发明提供了一种的最大截面面积小于1mm2，可以集成尺寸在1mm以下器械的微型三维力传感器(本课题集成0.035inch、0.014inch医用导丝)，为微型介入器件尖端的接触力反馈提出了一种新的解决方案；采用法布里-珀罗干涉原理并结合对称布置的柔性结构来实现三维力解耦；采用双光子微纳打印一体成型，加工方便，成本小，传感器具体特性可微调双光子打印器件结构(膜厚及腔长)及双光子打印所用光刻胶配比进行调制；将力传感器打印好然后进行光纤及导丝的集成，避免了直接将微纳结构打印在光纤尖端，一方面减小了加工难度，另一方面减小了集成难度，增加了结构的稳定性；与其他类型传感器相比，本传感器具有优越的测力性能(灵敏度及分辨率高、生物相容性好、电磁无缘等)。
本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器可应用于多种领域，具有广阔的应用前景，譬如，在血管介入手术中，医生使用导丝引导导管进入血管内，以治疗血管狭窄、血栓形成等疾病。导丝尖端集成本发明提供的力传感器作为压力感应力传感器可以测量在操作导丝时与血管的接触压力，帮助医生判断导丝位置和血管的生理状态，从而引导手术操作；在心脏介入手术，导丝尖端集成本发明提供的力传感器可以测量心脏内的压力，包括冠状动脉压力、心室内压力等，以辅助医生进行手术操作和评估手术效果；在消化道介入手术，导丝尖端集成本发明提供的力传感器可以测量消化道内的压力，帮助医生评估病变位置、病变性质和组织生理状态，从而指导手术操作；在泌尿道介入手术，导丝尖端集成本发明提供的力传感器可以测量泌尿道内的压力，帮助医生了解尿道、膀胱、输尿管等器官的生理状态，指导手术操作。
本发明提供的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器可取得巨大的经济效益与社会效益；关于经济效益，该传感器应用前景广阔，在截面积1mm2以下的测力环境中具有优越的性能，在更大尺度的测力环境具有应用潜力，由于其环形结构设计使其可以更方便的集成其他结构；本传感器加工制造采用双光子微纳打印，使得结构具有灵活的可调节性，加工成本低，通过与导丝(亦可与导管)集成，可对人体内血管及其组织的接触压力实时精确感知，具有巨大的经济效益；关于社会效益，本传感器可解决以下社会问题：
1、临床介入：
1)心脏消融
导管消融治疗中的力不足可能导致治疗不完整，而过度的力会导致心腔损伤。
2)FFR监测
通过FFR测量，医生可以从功能学的角度评价狭窄病变，准确识别引起心肌缺血、有功能意义的狭窄病变，从而为医生选择对患者最佳的治疗方案。
2、介入器件导航：
传统的介入手术主要依赖于医生的技术，通过导丝末端传递到手部的力来感受导丝末端与血管之间的压力和摩擦力，来驱动导管和导丝，这个过程存在一定的安全隐患。
3、介入手术机器人力反馈模块：
到目前为止，许多商业介入机器人***，如Corpath-R机器人等，已经被开发来辅助医院的介入手术；但这些商用机器人无法实现精确的触觉力反馈。
4、在地震监测、超声监测等领域也具有应用前景。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，包括底盘(1)、光学测量结构(2)，以及设置于所述底盘(1)与所述光学测量结构(2)之间的微柱(3)；
所述光学测量结构(2)上设置有薄膜(21)与法布里-珀罗干涉微腔(22)，且所述薄膜(21)位于所述微柱(3)与所述法布里-珀罗干涉微腔(22)之间。
2.如权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述光学测量结构(2)包括底板(23)，所述法布里-珀罗干涉微腔(22)设置于所述底板(23)的上端，所述微柱(3)连接于所述底板(23)的下端；所述法布里-珀罗干涉微腔(22)与所述微柱(3)之间形成所述薄膜(21)。
3.如权利要求2所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述光学测量结构(2)还包括与所述底板(23)相连的侧壁(24)；所述底板(23)与所述侧壁(24)围合构成光纤容纳腔(25)。
4.如权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述微柱(3)、所述薄膜(21)以及所述法布里-珀罗干涉微腔(22)的数量均为四个。
5.如权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述微柱(3)的直径为40-50μm。
6.如权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述薄膜(21)的厚度为8-10μm。
7.如权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉微腔(22)的长度为80-100μm。
8.如权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述底盘(1)上设置有凸台(11)，所述微柱(3)连接于所述凸台(11)上。
9.如权利要求1-8任一项所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器采用双光子微纳打印一体成型进行制备。
10.如权利要求9所述的基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器，其特征在于，所述基于法布里-珀罗干涉微腔的导丝尖端三维力传感器可与临床上0.035inch的介入导丝匹配集成使用。
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