一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括由针壳及中空的针腔构成的穿刺针、置于针腔内的传感探头，穿刺针前端为针尖，还包括嵌套在针壳内壁上并安装在传感探头前端的弹性膜片；传感探头与弹性膜片集成于针腔内靠近针尖的部分；传感探头包括三组以针腔轴心线为中心环形阵列分布的第一光纤压力传感器、置于针腔轴心线上的第二光纤压力传感器；上述光纤压力传感器为一个输入两个输出的差动式输出。本实用新型专利技术能提高微小应变力的测量精度、感应横向与轴向力的微小应变，尤其是置于针腔轴心线上第二光纤压力传感器能有效提高轴向应变精度，增强对穿刺针和软组织之间的相互作用力觉信息，从而实现精准操控，提高手术的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统
本技术属于微小量程高精度光纤压力传感
，具体涉及一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，适用于微创外科手术。
技术介绍
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一般只能有效感应来自横向力的微小应变(Fx、Fy)，对于轴向力(Fz)微小应变感应并不是那么灵敏。且大部分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。
技术实现思路
针对现有技术中的不足与难题，本技术涉及的一种高精度的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。本技术通过以下技术方案予以实现：本技术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。一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括置于穿刺针的针腔内的传感探头，本技术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传感探头的前端；所述传感探头包括三组以针腔轴心线为中心环形阵列分布的第一光纤压力传感器、置于针腔轴心线上的第二光纤压力传感器，所述第一光纤压力传感器两两之间相互呈120°；所述第一光纤压力传感器通过环氧树脂胶固定在针壳内壁上，所述三组第一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，所述第二光纤压力传感器通过固定梁固定在所述针腔轴线位置，所述固定梁横架在针腔内，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。所述第一光纤压力传感器与第二光纤压力传感器的光纤设计为一个输入端和两个输出端。进一步地，所述第一光纤压力传感器与第二光纤压力传感器的光纤结构为同心环排列的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，所述传感探头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，第一光纤压力传感器直径为100μm，第二光纤压力传感器直径为80μm。与现有技术相比，本技术有益效果包括：(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，本技术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)本技术采用的第一与第二光纤压力传感器的分布结构，在微创手术操作过程中可有效感应来自横向力(Fx、Fy)与轴向力(Fz)的微小应变，尤其是第二光纤压力传感器的设计更是弥补了轴向力微小应变精确度不高的缺陷，将微小力应变的检测精度显著提高。便于医生对手术的精准操作。(3)本技术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，将压力信号转换为位移信号，从而对光强进行调制。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)本技术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为本技术安装后的透视结构示意图。图3为本技术的传感探头的侧视结构立体图。图4为本技术结构原理图，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)为传感探头的测量原理示意图。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-传感探头，61-第一光纤压力传感器，62-第二光纤压力传感器，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，7-固定梁。Fz为轴向方向，FxFy为横向方向。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。在本技术的描述中，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技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。具体实施方式下面结合附图，对本技术作进一步地说明。本技术所涉及的一种高精度的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，本技术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，本技术所涉及一种高精度的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内的传感探头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安装在所述传感探头6的前端，所述传感探头6包括三组以针腔102轴心线为中心环形阵列分布的第一光纤压力传感器61、置于针腔102轴心线上的第二光纤压力传感器62，三组第一光纤压力传感器61两两之间相互呈120°。在具体实施中，所述第一光纤压力传感器61通过环氧树脂胶固定在针壳101内壁上，所述三组第一光纤压力传感器61在同一段针腔内，且三组为相同型号、大小、尺寸，所述第二光纤压力传感器62通过固定梁7固定在所述针腔102轴线位置，所述固定梁7横架在针腔102内，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，在具体实施汇中三组第一光纤压力传感器61直径一般设定为100μm左右，第二光纤压力传感器62直径一般设定为80μm左右。上述传感探头6结构的分布设计能有效的实现最大化轴向和横向力测量的解耦，可以有效的感应到来自Fx、Fy、Fz微小力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括由外围的针壳(101)以及中空的针腔(102)构成的穿刺针(1)、以及置于所述针腔(102)内的传感探头(6)，所述穿刺针(1)前端为针尖(3)、末端为外持部(2)，其特征在于：还包括嵌套在针壳(101)内壁上的弹性膜片(5)，所述弹性膜片(5)安装在所述传感探头(6)的前端；所述传感探头(6)包括三组固定在所述针壳(101)内壁上的第一光纤压力传感器(61)、置于针腔(102)轴心线上的第二光纤压力传感器(62)；所述第一光纤压力传感器(61)与第二光纤压力传感器(62)的光纤传输为差动式输出，包括一个输入两个输出。

【技术特征摘要】
1.一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，包括由外围的针壳(101)以及中空的针腔(102)构成的穿刺针(1)、以及置于所述针腔(102)内的传感探头(6)，所述穿刺针(1)前端为针尖(3)、末端为外持部(2)，其特征在于：还包括嵌套在针壳(101)内壁上的弹性膜片(5)，所述弹性膜片(5)安装在所述传感探头(6)的前端；所述传感探头(6)包括三组固定在所述针壳(101)内壁上的第一光纤压力传感器(61)、置于针腔(102)轴心线上的第二光纤压力传感器(62)；所述第一光纤压力传感器(61)与第二光纤压力传感器(62)的光纤传输为差动式输出，包括一个输入两个输出。2.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：三组所述第一光纤压力传感器(61)以针腔(102)轴心线为中心环形阵列分布，所述三组第一光纤压力传感器(61)两两之间相互呈120°。3.根据权利要求1所述的一种高精度的差动式膜片光纤压力传感系统，其特征在于：所述第一光纤压力传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊鹏文，黄鑫，熊宏锦，何孔飞，宋爱国，李建清，陈海初，熊根良，张华，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：新型
国别省市：江西,36