灵敏度增强型介入式手术的尖端光纤力觉传感反馈导丝

(一)本发明涉及医疗机器人领域，具体涉及一种灵敏度增强型介入式手术的尖端光纤力觉传感反馈导丝。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、近年来，因不良的饮食习惯、吸烟、高血压等因素所导致的心脑血管疾病的发病率呈现快速上升的态势，并且已经超越癌症，成为医学界公认的威胁人类健康的最大杀手，已经对人类的健康造成了巨大的威胁。2021年7月发布的《中国心血管健康与疾病报告2020》，指出目前心脑血管患病率依然处于上升趋势，根据推算，截至2018年，我国患心脑血管疾病人数为3.3亿，其中脑卒中1300万，冠心病1139万，肺源性心脏病500万，心力衰竭890万，心房颤动487万，风湿性心脏病250万，先天性心脏病200万，下肢动脉疾病4530万，高血压2.45亿。因此，如何有效的治疗心脑血管疾病，已经成为了目前社会亟待解决的问题。

2、随着现代医疗技术的飞速发展，微创血管介入手术成为了目前治疗心脑血管疾病的主要手术方式，医生位于患者床旁进行手术操作，同时通过数字减影血管造影(dsa)观察血管内导管/导丝的位置。导管和导丝通常插入腹股沟中的股动脉或腕部的桡动脉。经过动脉穿刺后，医生将导管和导丝通过推进、后撤、旋转的方式传送到目标动脉然后沿着血管到达病变部位进行修复。微创血管介入手术相比于传统的开放型手术，有着失血少，微创伤、恢复快、可靠性高的优点。

3、但现阶段医疗导丝仍存在一些问题，导丝尖端力探测是目前的研究重点之一。很多研究中忽视了对导丝导丝头端受力信息的探测及反馈，单依靠视觉反馈是不足够的。若医生在主端能通过头端力反馈真实地感受到导丝受到的力的大小及方向，这将有助于医生做出正确的操作，能提升手术的安全性。

4、专利cn114191082a提出了一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力测定装置，在装置中增加了导丝轴向阻力检测模块，将安装在导丝递送模块上，检测导丝在推进过程中的阻力。但其只能实现轴向阻力的检测，并且所测得时候整根导丝在推动时受到的阻力，无法提供导丝头端与血管接触的阻力的精确反馈。

5、导丝的细长结构决定了传感器的体积和质量必须足够小，体内的应用方式使其必须抗电磁干扰，这种需求使得光纤传感器成为测量导丝尖端力的首选传感器。专利cn114152370a提出了一种基于光纤光的微创手术尖端穿刺力传感器，其通过将光纤光栅置于传感器壳体与平面弹簧之间，在穿刺力的作用下产生轴向形变，通过光栅可以实现测量。传感器可以实现尖端力的测量，但仅能对一维轴向力测量，无法实现尖端受力的方向判别。

技术实现思路

0、(三)
技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种灵敏度增强型介入式手术的尖端光纤力觉传感反馈导丝。针对现有导丝尖端力测量无法同时实现方向和大小的测量问题，提出一种通过对导丝的结构改进，并引入多芯光纤光栅，从而实现尖端力和温度感测的介入式导丝。该导丝具有高灵敏度、结构紧凑、实现尖端力和温度同时测量、抗干扰能力强等优点，可以有效提高微介入式手术的安全性，保证患者安全，增大手术的成功率。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种灵敏度增强型介入式手术的尖端光纤力觉传感反馈导丝，它由介入式导丝、七芯光纤、七芯光纤光栅、四芯光纤、热扩散耦合器、单模光纤、光纤活动连接器、光栅解调仪和计算机组成。

4、所述的介入式导丝包括推动杆、导丝核芯、核芯尖端、导丝头端。整个导丝为中空结构，核芯尖端与导丝头端相连，可以将导丝头端受到的力传递到导丝核芯尖端，导丝头端通过弹簧圈护套与推动杆相连。光纤置于导丝的中空孔内，七芯光纤光栅位于核芯尖端，光纤截面的中心与导丝核芯截面的中心重合。

5、所述的七芯光纤包含一个中间芯和六个边芯，六个边芯的芯间距相同，且关于光纤的几何中心两两对称，每两个边芯的夹角为60°。七芯光纤的端面为圆台结构，圆台角度为45°，并镀有反射膜。七芯光纤任意边芯的信号可以通过纤端圆台反射到与之中心对称的纤芯中继续传输，这就使得每对边芯的信号都可以通过一个纤芯接收，这样七芯光纤的七路信号就转变为四路信号，包括一路中间芯信号和三路边芯信号，可以沿着四芯光纤传输。

6、所述的四芯光纤包含一个中间芯和三个边芯，三个边芯的芯间距与七芯光纤相同，每两个边芯的夹角为120°。

7、所述的热扩散耦合器是通过四芯光纤加热后得到的，可以将四芯光纤四个纤芯的信号相互耦合，实现了整个传感器单通道测量，提高了器件的集成度。采用四芯光纤作为热扩散耦合器，而不使用七芯光纤直接耦合，是因为在相同的光源入射强度下，信号耦合的光路越少，探测到信号的信噪比越高，更有利于信号的识别。四芯光纤的中间芯可以直接与单模光纤对接，因此在热扩散耦合器制备完成后，七芯光纤的信号可以通过单模光纤接收。单模光纤再通过光纤活动连接器与信号解调仪相连，通过计算机对测量的信号进行处理，还原出导丝尖端所受的力。

8、多芯光纤光栅弯曲测量的原理为：

9、光栅的反射中心波长λb由下式确定：

10、λb＝2neffλ                           (1)

11、式中，λ为光栅周期，neff为光栅区的有效折射率。

12、根据光弹理论，轴向应变和温度引起的波长变化为：

13、

14、式中：ε为外加应变，pi,j为光弹性张量的普克尔压电系数，ν为泊松比，α为光纤材料的热膨胀系数；δt为温度变化量。

15、光纤光栅中心波长受外界信号调制产生偏移，解调出波长变化δλb便可得到被测量。在不考虑温度变化时，式(2)可简化为：

16、

17、这里，p＝neff[p12-ν(p11+p12)]/2为光纤的有效弹光系数。

18、在纯弯曲条件下，对于圆截面弹性梁，轴向应变和曲率之间存在以下关系：

19、

20、在公式(4)中，ε为光纤光栅传感器感测位置承受轴向表面线应变值，ρ为传感器感测位置的曲率半径，c为对应的曲率，d为传感器到中性面的距离。在给定d、c的情况下，能够求出光纤光栅的应变。从公式(3)和(4)可看出，应变与光纤光栅的中心波长偏移δλb成正比，所以曲率c与δλb成正比。这样，通过监视光纤光栅传感器中心波长偏移δλb的大小就可以得到光纤曲率c的变化情况。

21、所述的灵敏度增强是通过多芯光纤每对相互对称纤芯上的光栅信号差分处理得到的。当导丝受到力的作用时，会通过导丝头端圆筒状的结构将力传递给导丝的核芯尖端。核芯尖端会发生弯曲，引起置于核芯尖端内的多芯光纤光栅波长的漂移。由于多芯光纤每对纤芯都是关于光纤中心对称的，因此在发生弯曲时，每对纤芯上光栅的波长都是向相反的方向漂移。通过差分运算，可以将传感器的灵敏度提高一倍，实现灵敏度的增强，同时消除掉温度等带来的交叉串扰。

22、与现有技术相比，本发明的优点在于：

23、1、本发明所述的导丝尖端力传感器，通过将导丝核芯尖端结构改造，将多芯光纤光栅与其结合，在实现导丝尖端力大小测量的同时，实现了受力方向的识别。

24、2、本发明所述的导丝尖端力传感器中，将导丝头端受到的力信号测量转化为多芯光纤光栅信号探测，采用热扩散耦合器代替现阶段多芯光纤光栅信号探测所必须使用的扇入扇出器，提高了器件的集成度。

25、3、本发明所述的导丝尖端力传感器，采用纤芯成中心对称排布的多芯光纤，通过差分运算，提高了测量结果的精度，增强传感器的灵敏度，同时多芯光纤的中间芯不受弯曲的影响，可以用于导丝尖端温度的测量。