用于微创医疗器械的三维力传感器制造技术

本发明专利技术属于医疗器械领域，具体地说是一种用于微创医疗器械的三维力传感器，包括片弹簧、槽式外管、内管、外部光纤、中心光纤、上基座及下基座，其中槽式外管的上下两端分别与所述上基座及下基座相连，所述片弹簧的外侧连接于槽式外管上端端部；所述内管依次穿过下基座、槽式外管，上端与所述片弹簧的内侧相连，下端与所述下基座连接；所述中心光纤穿过内管，两端分别与所述上、下基痤连接，所述内管的外表面上沿周向均匀附着多支外部光纤。本发明专利技术提供的力传感器能够实现三维力方向上的刚度匹配，具有较小的长径比，实现高精度的力检测精度且不过度削弱手术器械的刚度，采用光作为信号采集与传递方式，具有良好的电磁兼容特性。

Three-dimensional Force Sensor for Minimally Invasive Medical Devices

The invention belongs to the field of medical devices, in particular to a three-dimensional force sensor for minimally invasive medical devices, including a leaf spring, a trough outer tube, an inner tube, an external optical fiber, a central optical fiber, an upper base and a lower base. The upper and lower ends of the trough outer tube are respectively connected with the upper base and the lower base, and the outer side of the sheet spring is connected with the upper end end of the trough outer tube. The upper end is connected with the inner side of the sheet spring, and the lower end is connected with the lower base. The central optical fiber is connected with the inner tube, and the two ends are connected with the upper and lower bases respectively. A plurality of external optical fibers are uniformly attached to the outer surface of the inner tube along the circumference. The force sensor provided by the invention can realize stiffness matching in three-dimensional force direction, has small aspect ratio, achieves high precision force detection accuracy and does not weaken the stiffness of surgical instruments excessively, adopts light as signal acquisition and transmission mode, and has good electromagnetic compatibility characteristics.

【技术实现步骤摘要】
用于微创医疗器械的三维力传感器
本专利技术属于医疗器械领域，具体地说是一种用于微创医疗器械的三维力传感器。
技术介绍
在微创诊治过程中，手术器械与生物软组织的接触力信息对于操作的安全性和有效性至关重要。在传统的操作过程中，操作者无法获得量化的信息，凭借手感去感知手术器械与软组织的接触情况并且通过视觉进行判断。力信息能够对操作者提示和预警。随着手术机器人技术的发展，传统医生直接操纵手术器械的方式已经发生了改变，多以主从方式，通过操作专用的多自由度手柄遥控手术机器人实现对手术器械的操作。这一变更中断了人仅有的力感知渠道，医生只能依靠视觉观察来判断器械与组织之间的交互状况。这一现状为临床带来了诸多不便，而且大大增加了发生风险的机率。譬如，对于胸腹腔内组织操作无法获知拖拽、缝合等力量，导致组织器官损伤、出血等。对于心脏射频消融无法获知射频消融头与心肌组织之间的接触力状况导致消融能量难以控制，进而发生穿孔或者欠消融。微创手术正在朝着更加精准的方向发展，接触力信息的传感具有重要的意义。力感知技术通常使用弹性体结构将外力作用转化为微小的应变，并使用各种应变敏感器件进行检测。为了保持传感器具有足够的分辨率并且不对器械的本体刚度产生巨大的削弱，需要合理配置各个方向的刚度。但是现有的力感知技术忽略了刚度配置，多采用应变片、压敏电阻等作为传感器件，其信号传递形式多为电信号，极易受到医疗环境中的电磁干扰，无法获取精确的力信息，而且结构复杂、集成困难，临床应用前景有限。综上，目前临床尚缺少集成度高、工作稳定可靠的力传感器。
技术实现思路
为了解决微创医疗器械缺少集成度高、工作稳定可靠的力传感器问题，本专利技术的目的在于提供一种用于微创医疗器械的三维力传感器。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术包括片弹簧、槽式外管、内管、外部光纤、中心光纤、上基座及下基座，其中槽式外管的上下两端分别与所述上基座及下基座相连，所述片弹簧与槽式外管连接；所述内管穿过下基座、槽式外管，上端与所述片弹簧相连，所述内管的下端与所述下基座连接；所述中心光纤穿过内管，两端分别与所述上、下基痤连接，所述内管的外表面上沿周向均匀附着多支外部光纤；其中：所述片弹簧的外侧与槽式外管上端端部固接，内侧与所述内管的上端端部固接，该内管的上端端部设有用于与片弹簧内侧连接的轴肩；所述片弹簧的外侧与槽式外管上端端部固接，内侧套在所述内管的上端端部、与内管滑动连接，该内管为无轴肩内管；所述片弹簧为弹性片，在其周向均布有多个柔性铰链；所述片弹簧包括连接环及悬臂，该连接环的外表面上沿圆周方向均布有多个悬臂，所述连接环与内管的上端端部连接；所述槽式外管的上端端部沿圆周方向均布有与所述悬臂数量相同的凹槽，每个所述悬臂的外端部均插入一个凹槽中，实现所述片弹簧与槽式外管的连接；所述片弹簧为多个，各片弹簧的内侧贯穿在所述内管上，与该内管固接或滑动连接，各所述片弹簧的外侧分别与所述槽式外管固接；所述内管为圆柱状空心管，外圆周表面为光滑表面；或者，所述内管的外圆周表面沿圆周方向均布有用于附着光纤的光纤槽，该光纤槽沿所述内管的轴向设置；所述槽式外管为弹性金属管，外表面为镂空结构，设有正交的分层十字交叉槽或螺旋式槽；所述上基座为圆盘状，为内凹结构，即内部设有内凹台阶，该内凹台阶与所述槽式外管上端端部设置的止口A相对应，实现所述上基座与槽式外管之间的定位连接；所述上基座上分别开设有中心光纤固定孔及侧孔A；所述下基座为圆盘状，设有与所述槽式外管下端端部定位连接的止口B，所述下基座上分别开设有内管及光纤过孔和侧孔B。本专利技术的优点与积极效果为：本专利技术提供的力传感器能够实现三维力方向上的刚度匹配，具有较小的长径比，实现高精度的力检测精度且不过度削弱手术器械的刚度，采用光作为信号采集与传递方式，具有良好的电磁兼容特性。附图说明图1为本专利技术的立体结构示意图；图2为本专利技术的爆炸图；图3为本专利技术片弹簧与内管一种连接形式的结构示意图；图4为本专利技术槽式外管一种结构的示意图；图5为本专利技术片弹簧的结构示意图之一；图6为本专利技术片弹簧的结构示意图之二；图7为本专利技术多个片弹簧与内管装配的结构示意图；图8为本专利技术上基座的结构示意图；图9为本专利技术下基座的结构示意图；其中：1为片弹簧，101为连接环，102为悬臂，2为槽式外管，201为螺旋式槽，202为止口A，203为凹槽，3为内管，301为无轴肩内管，4为外部光纤，5为中心光纤，6为上基座，601为中心光纤固定孔，602为侧孔A，603为内凹台阶，7为下基座，701为内管及光纤过孔，702为侧孔B，703为止口B。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详述。如图1、图2所示，本专利技术包括片弹簧1、槽式外管2、内管3、外部光纤4、中心光纤5、上基座6及下基座7，其中槽式外管2的上下两端分别与上基座6及下基座7相连，片弹簧1的外侧连接于槽式外管2上端端部；内管3依次穿过下基座7、槽式外管2，上端与片弹簧1的内侧相连，内管3的下端与下基座7连接。中心光纤5穿过内管3的中心孔，两端分别与上、下基痤6、7粘接固连，主要用于提供轴向力检测所需的轴向变形。内管3的外表面上沿周向均匀附着多支外部光纤4。本专利技术片弹簧1的外侧与槽式外管2上端端部固接，内侧与内管3的上端端部固接，或套在内管3的上端端部、与内管3间隙配合，可相对滑动。当片弹簧1与内管3的上端端部固接时，内管3的上端端部设有用于与片弹簧1内侧连接的轴肩；当片弹簧1与内管3的上端端部滑动连接时，内管3为无轴肩内管301。片弹簧1为弹性片，中间位置与内管3的上端端部固接，在该弹性片的周向均布有多个柔性铰链。或者如图5、图6所示，片弹簧1包括连接环101及悬臂102，该连接环101的外表面上沿圆周方向均布有多个悬臂102(图5中的悬臂102为三个，图6中的悬臂102为四个)，连接环101与内管3的上端端部固接。本实施例的片弹簧1为中间是与内管3上端端部连接的连接环101，在连接环101的外表面均布有四个悬臂102，这四个悬臂102呈“十”字状。本实施例的内管3的上端端部为无轴肩内管301，如图3所示，片弹簧1中间的连接环101套在无轴肩内管301上，可相对滑动。本专利技术的片弹簧1可为多个，沿传感器轴向与内管3配合，利于提高传感器在受到径向载荷时片弹簧1的稳定性；如图7所示，各片弹簧1结构相同，均为中间是连接环101、具有四个悬臂102结构。各片弹簧1的内侧(即连接环101)贯穿在内管3上，与该内管3固接或滑动连接，各片弹簧1的外侧分别与槽式外管2固接。槽式外管2为弹性金属管，外表面为镂空结构，设有正交的分层十字交叉槽或螺旋式槽201。本实施例的槽式外管2为中空的圆柱状，外表面设有螺纹式槽201，即采用螺纹切槽弹簧，如图4所示。槽式外管2的上端端部沿圆周方向均布有与悬臂102数量相同的凹槽203(本实施例的凹槽203为四个)，每个悬臂102的外端部均插入一个凹槽203中，实现片弹簧1与槽式外管2的连接。内管3为圆柱状空心管，外圆周表面为光滑表面；或者，内管3的外圆周表面沿圆周方向均布有用于附着光纤的光纤槽，该光纤槽沿内管3的轴向设置。本实施例的内管3的外圆周表面上均布了三个光纤槽，每个光纤槽内均附着一个外部光纤4。本专利技术的外部光纤4及中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微创医疗器械的三维力传感器，其特征在于：包括片弹簧(1)、槽式外管(2)、内管(3)、外部光纤(4)、中心光纤(5)、上基座(6)及下基座(7)，其中槽式外管(2)的上下两端分别与所述上基座(6)及下基座(7)相连，所述片弹簧(1)与槽式外管(2)连接；所述内管(3)穿过下基座(7)、槽式外管(2)，上端与所述片弹簧(1)相连，所述内管(3)的下端与所述下基座(7)连接；所述中心光纤(5)穿过内管(3)，两端分别与所述上、下基痤(6、7)连接，所述内管(3)的外表面上沿周向均匀附着多支外部光纤(4)。

【技术特征摘要】
1.一种用于微创医疗器械的三维力传感器，其特征在于：包括片弹簧(1)、槽式外管(2)、内管(3)、外部光纤(4)、中心光纤(5)、上基座(6)及下基座(7)，其中槽式外管(2)的上下两端分别与所述上基座(6)及下基座(7)相连，所述片弹簧(1)与槽式外管(2)连接；所述内管(3)穿过下基座(7)、槽式外管(2)，上端与所述片弹簧(1)相连，所述内管(3)的下端与所述下基座(7)连接；所述中心光纤(5)穿过内管(3)，两端分别与所述上、下基痤(6、7)连接，所述内管(3)的外表面上沿周向均匀附着多支外部光纤(4)。2.根据权利要求1所述用于微创医疗器械的三维力传感器，其特征在于：所述片弹簧(1)的外侧与槽式外管(2)上端端部固接，内侧与所述内管(3)的上端端部固接，该内管(3)的上端端部设有用于与片弹簧(1)内侧连接的轴肩。3.根据权利要求1所述用于微创医疗器械的三维力传感器，其特征在于：所述片弹簧(1)的外侧与槽式外管(2)上端端部固接，内侧套在所述内管(3)的上端端部、与内管(3)滑动连接，该内管(3)为无轴肩内管(301)。4.根据权利要求1所述用于微创医疗器械的三维力传感器，其特征在于：所述片弹簧(1)为弹性片，在其周向均布有多个柔性铰链。5.根据权利要求1所述用于微创医疗器械的三维力传感器，其特征在于：所述片弹簧(1)包括连接环(101)及悬臂(102)，该连接环(101)的外表面上沿圆周方向均布有多个悬臂(102)，所述连接环(101)与内管(3)的上端端部连接；所述槽式外管(2)的上端端部沿圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩，高安柱，周圆圆，王重阳，梁明，王祖禄，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21