一种差动式膜片光纤压力传感系统的制作方法

本发明属于微小量程高精度光纤压力传感技术领域，具体涉及一种差动式膜片光纤压力传感系统，适用于微创外科手术。

背景技术

在微创外科手术中，几乎所有的微创外科手术都缺乏触觉的直接参与。微创外科手术医生通常只能获取手术器械的近端操作力，传感器一般安装在微创手术器械(常用的为穿刺针)末端位置，如图1所示的外持部2，并不能直接获取手术器械与软组织之间的直接作用力，导致了微创外科手术医生的力觉信息的缺失，不能更精准的感应到力的应变大小，给微创手术带来了风险。而且大部分的微创外科手术器械使用的光纤压力传感器采用的是一个输入一个输出光纤结构，其光强容易受到光源强度、折射率等影响，造成检测不精准，大大增加了手术的不确定几率与危险系数。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足与难题，本发明涉及的一种差动式膜片光纤压力传感系统能有效的提高微小应变力的测量精度，增强了医生对手术器械和软组织之间的相互作用力觉信息，从而实现对手术器械的精准操控，提高手术的安全性。

本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明的安装对象为微创手术器械，具体为穿刺针，所述穿刺针前端为用于刺入人体软组织的针尖、末端为用于与外部器械连接的外持部，所述穿刺针为中空形状，包括外围的针壳以及中空的针腔。

一种差动式膜片光纤压力传感系统，包括三组置于所述针腔内的光纤压力传感器，本发明还包括嵌套在针壳内壁上的弹性膜片，所述弹性膜片安装在所述光纤压力传感器的前端；所述三组光纤压力传感器以针腔轴心线为中心环形阵列分布，所述光纤压力传感器两两之间相互呈120°，所述光纤压力传感器为一个输入端和两个输出端的差动式输出。

进一步地，所述光纤压力传感器的光纤结构为同心环排列由内至外分布的玻璃芯、第一输出纤芯、输入纤芯、第二输出纤芯以及外部的光纤包层。上述结构将光纤束一端分成3束，输入纤芯为光束输入、第一输出纤芯和第二输出纤芯为两束光束输出。

进一步地，所述弹性膜片常由石英膜片制成，可以减小温度变化带来的影响。

进一步地，所述光纤压力传感器与弹性膜片集成于穿刺针的针腔内靠近针尖的部分。

进一步地，所述光纤压力传感器通过环氧树脂胶固定在针壳内壁上，所述三组光纤压力传感器在同一段针腔内，且三组为相同型号、大小、尺寸，所述弹性膜片安装时将其外沿周边焊接固定在针壳的内壁上。

进一步地，所述光纤压力传感器直径为100μm。

与现有技术相比，本发明有益效果包括：

(1)光纤传感技术优点是灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、可曲绕、体积小以及与光纤传输线路的兼容性好等，本发明将光纤压力传感器集成在穿刺针的靠近针尖的位置，这是与软组织接触最近的位置，提高了医生对针尖与软组织之间的力觉分辨率，实现了对微创手术器械的精准操控。

(2)本发明采用的三组光纤压力传感器以针腔轴心线为中心环形阵列分布的设计结构，在微创手术中能感应来自横向力(fx、fy)与轴向力(fz)的微小应变，以横向力的感应变化较为明显，也能感应到一定的轴向力的应变。提高了医生对手术的精准操作。

(3)本发明采用弹性膜片差动式输出以及单输入双输出的结构设计，利用弹性膜片发生变形，光纤压力传感器与膜片之间的距离发生变化而导致输出光强受到调制，通过光的调制与解调得出微小力应变关系，这种检测方法可有效消除输出光强比与膜片的反射率、光源强度等因素干扰，两输出的信号之比与测量距离变化有较好的线性关系，从而有利于提高抗干扰能力和测量精度。

(4)本发明光纤压力传感器的双输出的差动输出形式，提高了抗干扰能力和微小力的测量精度，且具有良好的输出线性度，能更准确感应微小应变力的大小，可有效避免因为对微小力觉应变的缺失而伤害到人体健康组织。

附图说明

图1为现有技术中微创外科手术器械的结构示意图。

图2为本发明安装后的透视结构示意图。

图3为本发明的光纤压力传感器安装后的侧视结构立体图。

图4为本发明结构原理图，其中4(a)为光纤压力传感器传输原理图；4(b)为光纤压力传感器的剖面结构示意图；4(c)为光纤压力传感器的测量原理示意图。

图示说明：1-穿刺针，101-针壳，102-针腔，2-外持部，3-针尖，4-人体软组织，5-弹性膜片，6-光纤压力传感器，601-第一输出纤芯，602-输入纤芯，603-第二输出纤芯，604-光纤包层，605-玻璃芯。

fz为轴向方向微小力，fxfy为横向方向微小力。

i0-输入光纤束光强，i1-内输出光纤束光强，i2-外输出光纤束光强。

p-弹性膜片前后的压差。

d—弹性膜片变形时膜腔的变化量。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“轴向”、“水平”、“前”、“末”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地说明。

本发明所涉及的一种差动式膜片光纤压力传感系统安装在内部中空的微创手术器械内，而在微创手术中穿刺针为常用的器械，本发明以穿刺针为安装对象，如图1所示，穿刺针1前端为用于刺入人体软组织4的针尖3、末端为用于与外部器械连接的外持部2，穿刺针1为中空形状，包括外围的针壳101以及中空的针腔102。

如图2和图3所示，本发明所涉及一种差动式膜片光纤压力传感系统，包括置于穿刺针1的针腔102内的三组光纤压力传感器6以及嵌套在针壳101内壁上的弹性膜片5，所述弹性膜片5安装在所述光纤压力传感器6的前端，所述三组光纤压力传感器6以针腔102轴心线为中心环形阵列分布。在具体实施中，所述光纤压力传感器6通过环氧树脂胶粘在针壳101内壁上，所述三组光纤压力传感器6在同一段针腔内，且三组为相同型号、尺寸进而使得三组光纤压力传感器6的前端在同一横向平面上、三组的末端也在同一横向平面上，保证三组光纤压力传感器6与弹性膜片5的轴向距离相等。所述弹性膜片5安装时将其外沿周边焊接固定在针壳101的内壁上，弹性膜片5常由石英膜片制成，光纤压力传感器6直径设定为100μm左右。

上述光纤压力传感器6结构的分布设计能有效的实现横向力微小应变测量与及一定程度的轴向力微小应变测量，三组光纤压力传感器6相互呈120°间隔角度分布于针腔内壁上，用于感应横向方向微小力(fxfy)的应变有显著效果，在一定程度上也能感应轴向力微小应变(fz)。且应变感应均匀、充分、全面且无盲区。光纤传感的基本原理是将光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。在使用时光在光纤中不断的反射透射，微创手术操作过程中弹性膜片5受力发生弹性变形，将压力信号转换成位移信号进行检测，具体为光纤压力传感器与膜片之间的距离发生变化而导致输出光强受到调制，通过光的调制与解调可以得出微小力应变关系。

根据弹性力学原理，压强变化与腔长变化之间的关系可以用以下公式表示：

式中，d—弹性膜片变形时膜腔的变化量；μ—弹性膜片的泊松比；r—弹性膜片的有效半径；e—弹性膜片的杨氏模量；h—弹性膜片的厚度；p—弹性膜片前后压强差。

如图4(a)(b)(c)所示，所述光纤压力传感器6的光纤结构为同心环排列，由内至外依次排列玻璃芯605、第一输出纤芯601、输入纤芯602、第二输出纤芯603以及外部包裹的光纤包层604，上述结构将光纤束一端分成3束，光纤设计为一个输入端和两个输出端，输入纤芯602为光束输入、第一输出纤芯601和第二输出纤芯603为两束光束输出，其中最里面一圈的第一输出纤芯601输出的光纤束光强为i1，中间一圈的输入纤芯602输入的光纤束光强为i0，外面一圈的第二输出纤芯603输出的光纤束光强为i2。当穿刺针1不工作时，弹性膜片5前后的压差p为零时，弹性膜片不变形，反射回来两束输出光纤光强相等，i1＝i2；当穿刺针1刺入人体软组织后，弹性膜片5前压差大于后压差，p>0，当穿刺针抽出人体软组织时与插入人体软组织是相反的，弹性膜片5前压差小于后压差，p<0，压差p不为零时弹性膜片5受压变形，使得处于里面一圈的第一输出纤芯601接收到的反射光强i1减小，外面一圈的第二输出纤芯603接收到的反射光强i2增大，形成差点输出，而且两束光强的之比可以表示为：

式中a—与膜片尺寸、材料及输出光纤束数值孔径等有关的常数；p—弹性膜片前后的压差。

将式(1)两边取对数，满足ap≤1时等式右边展开后取第一项得到：

上式表明，输出光强比与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可以有效的消除这些因素的影响，而且光纤测量两输出的信号之比与测量距离变化有较好的线性关系，从而有利于提高抗干扰能力和测量精度。

所述光纤压力传感器6与弹性膜片5集成于穿刺针1的针腔102内靠近针尖3的部分，便于提高穿刺针1使用时针尖3与人体软组织4之间微小应变力的力觉分辨率。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。