[发明专利]一种用于微创手术的三维力传感手术针

权利要求书

1.一种用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，包括微创手术针，光纤光栅解调仪，数据采集与力解耦计算设备，显示设备；所述微创手术针包括与细软管固接以用于液体或药物的注射与吸取的医用手术针头、一个与所述医用手术针头连接的中空金属管，在所述中空金属管的外表面上沿圆周方向120°轴向均布有三个光纤光栅传感器；

所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器连接，用于向光纤光栅传感器发射激光，接收光纤光栅传感器返回特定波长的激光信号，将激光信号转换为数字电信号并解调出各个光栅点所对应的波长；

所述数据采集与力解耦计算设备与所述的光纤光栅解调仪通信连接，向所述光纤光栅解调仪发送检测命令，并接收光纤光栅解调仪发送的各个光栅区对应的波长进行分析和计算，实时得到微创手术针前端的受力信息；

所述显示设备通过通信连接所述数据采集和力解耦计算设备，用于实时显示微创手术针前端的受力信息；

所述中空金属管采用超弹性镍钛合金管；所述超弹性镍钛合金管前端在力的作用下产生微小应变；

所述光纤光栅传感器采用多栅区布拉格光纤光栅传感器，所述多栅区布拉格光纤光栅传感器在微小应变的作用下产生波长变化，同一光纤光栅传感器上有两段光栅区A和光栅区B，且光栅区A与光栅区B的初始反射波长不同；

对于同一根光纤，在相同切向力作用下，光栅区A和光栅区B的波长变化线性相关，按如下公式表述：

式中，和表示受切向力影响下第i根布拉格光纤在光栅区A和B的波长变化量；,,和分别表示波长变化与两个方向分力之间的线性系数，,表示接触力F在两个方向的分力，k表示光栅区A和光栅区B的波长变化线性系数；

对原始波长进行如下变化；

,

其中，表示变换后第i根布拉格光纤的波长变化量，表示三根布拉格光纤在光栅区B的反射波长变化均值，，分别表示第i根光纤在光栅区A和光栅区B的波长变化受轴向力影响的线性系数；

,和分别表示接触力F在三个方向的分力；

由上式，轴向力可被解耦计算得到。

2.根据权利要求1所述用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，所述中空金属管的部分外表面有一段高度的平行切槽结构，每层切槽由多个切槽间隔形成，多层切槽构成所述平行切槽结构，以提高光纤光栅传感器在轴向力检测的灵敏度。

3.根据权利要求1所述用于微创手术的三维力传感手术针，其特征在于，所述的微创手术针前端的受力检测的步骤如下：

S1获取中心波长步骤：

分别获取各个光纤光栅传感器的中心波长；

S2获取波长变化量的步骤：

获取平行布置的光纤光栅传感器的检测波长，并基于所述平行布置的光纤光栅传感器的中心波长和检测波长得到所述平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量；

S3温度补偿步骤：

基于所述平行布置的光纤光栅传感器的波长变化量，得到消除温度应变后的仅由外力应变引起的波长变化量；

S4计算应变的步骤：

基于所述消除温度应变后的仅由外力引起的波长变化量，利用光纤光栅传感器应变与波长的关系式，得到所述光纤光栅传感器附着处的应变量；

S5计算操作力的步骤：

基于应变与操作力之间的关系式，得到施加在微创手术针前端的三维操作力。