PVDF微力传感器及其在手术器械中的应用方法

pvdf微力传感器及其在手术器械中的应用方法
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是pvdf微力传感器及其在手术器械中的应用方法。


背景技术：

2.压电薄膜传感器是一种动态应变传感器，敏感元件由压电材料制成，是一种基于压电效应的传感器，常用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
3.pvdf（聚偏氟乙烯）是有机压电材料，具有体积小、质量轻、材质柔韧、低阻抗、高压电电压常数、频带响应宽、对于结构的力学性能影响小等特点，适合用作压电式传感器的敏感元件。早在1977年，中国科学院上海化学研究所就开始研制压电性pvdf，现如今，pvdf的应用日趋广泛，几乎涉及到包括水听器和声呐、医学传感、引燃引爆在内的所有领域。pvdf压电薄膜表面受应力后将发生极化现象，从而在两个表面上产生电荷，经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出，薄膜产生电荷的数量与其压电系数、应力大小与薄膜面积有关，因此，在控制薄膜压电系数、面积不变的情况下，对压电薄膜传感器进行标定，即可通过测量pvdf压电薄膜传感器的输出电量得到应力大小。
4.冠状动脉斑块旋磨术（cra）利用了差异性切割的原理，用物理旋磨的方法有选择性地祛除钙化或纤维化的动脉硬化斑块，主要适用于冠状动脉高度钙化的病变，是临床上应用较多的一种祛除粥样硬化斑块的手段。早期冠状动脉斑块旋磨术以斑块消蚀为目的，辅助以球囊扩张或支架置入。近年来，随着介入治疗的发展，冠状动脉斑块旋磨术更侧重于斑块修饰，通过使用旋磨头打磨钙化斑块以达到形成新的通道的效果，血管损伤风险更低。
5.但上述冠状动脉斑块旋磨术仍存在造成冠状动脉痉挛、冠状动脉夹层、冠状动脉慢血流/无复流、旋磨导丝断裂、旋磨头嵌顿、冠状动脉穿孔或心脏压塞等并发症的风险。术中旋磨头推进速度过快、单次旋磨时间较长等因素都可能导致冠状动脉痉挛、夹层；旋磨头的操作手法等因素亦可能导致旋磨头嵌顿等较为严重的并发症。


技术实现要素：

6.本发明提出pvdf微力传感器及其在手术器械中的应用方法，能实时地对手术器械在血管中的受力进行高灵敏度的测量，可用于冠状动脉斑块旋磨术中旋磨头与钙化组织或心血管壁碰撞的微小磨削力测量，增加钙化组织去除的安全。
7.本发明采用以下技术方案。
8.pvdf微力传感器，用于制备可检测心血管介入手术器械在血管内的受力数据的传感器，所述微力传感器为以防水、绝缘的保护膜封装的弹性夹层结构，包括作为弹性夹层结构中间层的压电薄膜，还包括分别与压电薄膜的顶面、底面相连的两个电极；所述弹性夹层结构嵌于手术器械的安装槽中且其底面或顶面位于手术器械的外表面处，当手术器械在血管中的受力传导至微力传感器时，微力传感器的压电薄膜产生检测电信号。
9.所述压电薄膜为经极化处理的pvdf压电薄膜；所述保护膜为pet离型膜；所述pvdf
压电薄膜的上表面、下表面均覆盖电极。
10.所述电极为厚度为10μm的紫铜层；所述pvdf压电薄膜厚度为28μm；所述pet离型膜厚度为100μm。
11.所述pet离型膜经热封处理以在微力传感器的四周形成封闭的绝缘层，pet离型膜经热塑处理以使pet离型膜的热塑力对微力传感器弯曲塑型，直至微力传感器能与手术器械外表面形状基本吻合并能贴附于手术器械外表面的安装槽中，微力传感器的顶面、底面的弧面形状与手术器械表面匹配。
12.pvdf微力传感器在手术器械中的应用方法，采用以上所述的pvdf微力传感器，所述手术器械为心血管钙化组织去除装置的旋磨头；旋磨头外表面的一侧或两侧设有用于安装pvdf微力传感器的安装槽；所述微力传感器设于旋磨头一侧，或是在旋磨头两侧对称设置。
13.所述旋磨头内设有相通的径向通孔和轴向中心孔；旋磨头内的轴向中心孔内固定有驱动旋磨头的传动轴，且该传动轴与轴向中心孔同轴心；旋磨头在钙化组织/心血管壁处旋磨时，产生的旋磨力作用于pvdf微力传感器的pvdf压电薄膜处，使pvdf压电薄膜发生极化现象，pvdf压电薄膜的上表面、下表面产生受力检测电荷，所述受力检测电荷经电极、绝缘线束传输至体外的数据采集仪器；所述绝缘线束设于旋磨头的径向通孔和轴向中心孔内。
14.所述旋磨头由电机经柔性传动轴驱动；所述柔性传动轴置于电机支架处的空心轴内且与空心轴过盈配合，电机驱动空心轴转动时驱动柔性传动轴旋转以驱动旋磨头；所述空心轴内设有一端与数据采集仪器相连的传感器接线；所述绝缘线束从旋磨头穿出后进入传动鞘，经传动鞘到达旋转接头处，与空心轴内传感器接线的另一端相连；所述旋转接头经联轴器与空心轴相连。
15.所述传感器接线与电荷放大器、测量电路相连，传感器接线从绝缘线束接收的受力检测电荷经放大处理和变换阻抗处理后，形成正比于pvdf微力传感器所受旋磨力的pvdf微力传感器电检测信号并发送给上位机。
16.所述上位机通过对pvdf微力传感器受力与电检测信号之间关系的标定，来确定来自旋磨头与钙化组织/心血管壁之间旋磨力与pvdf微力传感器电检测信号之间的标定关联数据；上位机以电压检测模块对pvdf微力传感器电检测信号进行测量，并按测量结果，从已标定的标定关联数据中检索出对应受力数据，作为pvdf微力传感器测得的当前旋磨头与钙化组织/心血管壁之间的旋磨力数据。
17.当旋磨头用于冠状动脉斑块旋磨术时，所述上位机经测得的旋磨力数据来监控旋磨头与斑块或冠状动脉壁之间的磨削力大小，并在旋磨术设备的tjc屏上显示出旋磨头的实时转速与磨削力，供操作人员实时评估当前旋磨头是否会严重刺激冠状动脉壁。
18.与现有技术相比较，本发明具有以下优点：1、在对于心血管介入手术器械结构的力学性能影响较小的情况下，在旋磨头外表面凹槽中设置了灵敏度较高的微力传感器。
19.2、在冠状动脉斑块旋磨术中，该pvdf微力传感器能够实时反馈旋磨头与斑块或冠状动脉壁之间的磨削力大小，便于实时观测术中情况，减少旋磨头对于冠状动脉的刺激，从
而降低造成术后并发症的风险。
20.3、由于本发明所述的微力传感器的灵敏度很高，因此可以从监测数据快速判断出旋磨头当前磨削部位是病变斑快还是正常血管，并可在发生磨削血管现象时快速报警。
附图说明
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：附图1是本发明所述微力传感器的分层示意图；附图2是本发明微力传感器设置在旋磨头上的示意图；附图3是本发明微力传感器设置在旋磨头上的另一示意图；附图4是本发明微力传感器设置在旋磨头上的立体示意图；附图5是微力传感器的线束布置示意图；附图6是本发明用于冠状动脉斑块旋磨术时的工作流程示意图；图中：1-压电薄膜；2-电极；3-保护膜；4-微力传感器；5-轴向中心孔；6-径向通孔；7-旋磨头；8-绝缘线束；9-柔性传动轴；10-空心轴；11-电机支架；12-联轴器；13-传感器接线；14-旋转接头；15-传动鞘。
具体实施方式
22.如图所示，pvdf微力传感器，用于制备可检测心血管介入手术器械在血管内的受力数据的传感器，所述微力传感器4为以防水、绝缘的保护膜3封装的弹性夹层结构，包括作为弹性夹层结构中间层的压电薄膜1，还包括分别与压电薄膜的顶面、底面相连的两个电极2；所述弹性夹层结构嵌于手术器械的安装槽中且其底面或顶面位于手术器械的外表面处，当手术器械在血管中的受力传导至微力传感器时，微力传感器的压电薄膜产生检测电信号。
23.所述压电薄膜为经极化处理的pvdf压电薄膜；所述保护膜为pet离型膜；所述pvdf压电薄膜的上表面、下表面均覆盖电极。
24.所述电极为厚度为10μm的紫铜层；所述pvdf压电薄膜厚度为28μm；所述pet离型膜厚度为100μm。
25.所述pet离型膜经热封处理以在微力传感器的四周形成封闭的绝缘层，pet离型膜经热塑处理以使pet离型膜的热塑力对微力传感器弯曲塑型，直至微力传感器能与手术器械外表面形状基本吻合并能贴附于手术器械外表面的安装槽中，微力传感器的顶面、底面的弧面形状与手术器械表面匹配。
26.pvdf微力传感器在手术器械中的应用方法，采用以上所述的pvdf微力传感器，所述手术器械为心血管钙化组织去除装置的旋磨头7；旋磨头外表面的一侧或两侧设有用于安装pvdf微力传感器的安装槽；所述微力传感器设于旋磨头一侧，或是在旋磨头两侧对称设置。
27.所述旋磨头内设有相通的径向通孔6和轴向中心孔5；旋磨头内的轴向中心孔内固定有驱动旋磨头的传动轴，且该传动轴与轴向中心孔同轴心；旋磨头在钙化组织/心血管壁处旋磨时，产生的旋磨力作用于pvdf微力传感器的pvdf压电薄膜处，使pvdf压电薄膜发生极化现象，pvdf压电薄膜的上表面、下表面产生受力检测电荷，所述受力检测电荷经电极、
绝缘线束8传输至体外的数据采集仪器；所述绝缘线束设于旋磨头的径向通孔和轴向中心孔内。
28.所述旋磨头由电机经柔性传动轴9驱动；所述柔性传动轴置于电机支架11处的空心轴10内且与空心轴过盈配合，电机驱动空心轴转动时驱动柔性传动轴旋转以驱动旋磨头；所述空心轴内设有一端与数据采集仪器相连的传感器接线13；所述绝缘线束从旋磨头穿出后进入传动鞘15，经传动鞘到达旋转接头14处，与空心轴内传感器接线的另一端相连；所述旋转接头经联轴器12与空心轴相连。
29.所述传感器接线与电荷放大器、测量电路相连，传感器接线从绝缘线束接收的受力检测电荷经放大处理和变换阻抗处理后，形成正比于pvdf微力传感器所受旋磨力的pvdf微力传感器电检测信号并发送给上位机。
30.所述上位机通过对pvdf微力传感器受力与电检测信号之间关系的标定，来确定来自旋磨头与钙化组织/心血管壁之间旋磨力与pvdf微力传感器电检测信号之间的标定关联数据；上位机以电压检测模块对pvdf微力传感器电检测信号进行测量，并按测量结果，从已标定的标定关联数据中检索出对应受力数据，作为pvdf微力传感器测得的当前旋磨头与钙化组织/心血管壁之间的旋磨力数据。
31.当旋磨头用于冠状动脉斑块旋磨术时，所述上位机经测得的旋磨力数据来监控旋磨头与斑块或冠状动脉壁之间的磨削力大小，并在旋磨术设备的tjc屏上显示出旋磨头的实时转速与磨削力，供操作人员实时评估当前旋磨头是否会严重刺激冠状动脉壁。
32.本实施例中，pvdf微力传感器中的压电薄膜在受到旋磨头与钙化组织/心血管壁旋磨产生的应力后发生极化现象，上下表面将产生正负电荷，电荷将由紫铜电极材料传递给线束，再由绝缘线束传输至体外。
33.本实施例中，绝缘线束将先后通过旋磨头内部、传动鞘内部到达体外，再通过电机传动轴内部，电机传动轴将通过联轴器与旋转接头相连，线束将通过旋转接头并最终达到静止状态。
34.本实施例中，线束在达到静止状态后经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后将成为正比于所受外力的电量输出，并连接到电压检测模块进行电量的测量。
35.本实施例中，将通过对于pvdf微力传感器的标定来确定来自旋磨头与钙化组织/心血管壁旋磨产生的应力与输出电量之间的关系。
36.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。