一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器制造技术

本发明专利技术提供的是一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器，它由介入式导丝、多芯光纤、多芯光纤光栅、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。多芯光纤光栅置于导丝核芯尖端，用于尖端力觉的感测，多芯光纤各纤芯上刻有不同反射波长的布拉格光栅，通过差分处理可以增强此位置的弯曲响应，提高尖端力觉探测的灵敏度，同时消除了温度和轴向应变的串扰。热扩散耦合器可以实现将多芯光纤信号耦合至单模光纤中，实现了单通道的测量，提高了器件的集成度。本发明专利技术可实现介入式导丝尖端力觉的探测，在微创手术机器人领域具有广阔的应用前景。领域具有广阔的应用前景。领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器
(一)

[0001]本专利技术涉及医疗机器人领域，具体涉及一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器。
(二)
技术介绍

[0002]心脑血管疾病包括心脏血管疾病和脑血管疾病，泛指由于高脂血症、血液黏稠、动脉粥样硬化、高血压等所导致的心脏、大脑及全身组织发生的缺血性或出血性疾病。主要的心血管疾病包括动脉粥样硬化、血栓、动脉瘤、心律失常和斑块堆积导致的血管狭窄等。斑块和血块可以脱落并形成血栓，导致动脉系统内的堵塞，进而导致组织缺血，引起心脏病发作或者中风等严重的情况。动脉瘤疾病也是一种严重的疾病，它可能导致严重的出血甚至死亡。近年来，随着介入放射学的诞生及其不断发展，微创介入手术(MIS)已经越来越被人们所接受，成为治疗血管内疾病的主要手段。MIS涉及使用长的柔性手术器械，通过小切口或自然孔道插入体内，尽可能安全和快速地完成手术，同时尽量减少对周围组织的损害。MIS可以提高手术的安全性、减小手术疤痕、缩短恢复时间和住院时间、减少术后并发症和疼痛等。
[0003]导管或者导丝是进行微创介入手术必不可少的工具。导管或者导丝由皮肤进入血管后被引导到心血管系统的各个病灶部位。由于普通的医用导管或者导丝不具备向前推进和选择方向的能力，在微创介入手术过程中，它们由外科医生手动控制前进或后退，并通过近端扭转的方式指向或翻入目标血管。由于人体内的血管是曲折蜿蜒的，因此在近端施加的力和扭矩不能沿柔性导管顺利和完全地传递到远端。也就是说，近端和远端之间没有明确的运动关系，这给它们的插入和转向带来了很大的不确定性和手术难度。同时，这种手动导航导丝的方式费力且需要大量的经验，并且手术中通常是在X射线照射下进行的，即使穿着厚厚的防护服，医护人员手和脸仍然无法避免的被照射到，这将导致癌症、白内障等疾病的发病率大大增加。并且与所有的微创介入手术一样，导丝与血管的接触缺乏力觉反馈给操作者，这就使得操作员很难感知到导丝与血管接触，可能会对患者造成不必要的伤害。
[0004]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。
[0005]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觉的首选传感器。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觉的测量，但仅能对一维轴向力测量，无法实现尖端受力的方向判别。
(三)
技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器。针对现有导丝尖端力觉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的尖端力觉探测传感器。该传感器具有高灵敏度、结构紧凑、消除交叉串扰、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。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：
[0008]一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器，它由介入式导丝、多芯光纤、多芯光纤光栅、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。
[0009]所述的热扩散耦合器是通过将过渡光纤和多芯光纤焊接后热扩散得到的，可以将单模光纤信号与多芯光纤的信号相互耦合，实现了整个传感器单通道测量，提高了器件的集成度。过渡光纤包含了一个与单模光纤相匹配的中间芯和用于热扩散时与多芯光纤相匹配的多个包层。过渡光纤一端与单模光纤焊接，另一端与多芯光纤焊接，并在与多芯光纤的焊点处进行加热，使过渡光纤模场与单模光纤相匹配，实现信号的耦合。单模光纤通过光纤活动连接器与光栅解调仪连接。
[0010]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；导丝头端通过弹簧圈护套与推动杆相连，在导丝头端包含一个圆筒状结构，套在核芯芯尖端的外面，可以将导丝头端受到的力传递到导丝核芯尖端。导丝的核芯尖端由弹性材料制成，整个介入式导丝为中空结构，可以将光纤置于其中，光纤固定于核芯尖端，光纤截面的中心与导丝核芯截面的中心重合，多芯光纤与核芯尖端组合成悬臂梁结构。
[0011]多芯光纤的纤芯数量为偶数，每一对纤芯都关于光纤几何中心成中心对称分布，每对纤芯所使用的材料相同，即有相同的温度响应和应变响应。
[0012]光栅刻写在置于导丝核芯尖端内的多芯光纤上。多芯光纤各纤芯上刻有不同反射波长的布拉格光栅，在使用单通道测量时，各纤芯反射回的波长信号互不干扰。通过差分处理可以增强此位置的弯曲响应，提高尖端力觉探测的灵敏度，同时消除了温度和轴向应变的串扰。
[0013]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。而核芯尖端何以看做悬臂梁，因此在受到力时，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。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0015]1、本专利技术所述的导丝尖端力觉传感器，通过将导丝核芯尖端结构改造，将多芯光纤光栅与其结合，在实现导丝尖端力觉大小测量的同时，实现了受力方向的识别。
[0016]2、本专利技术所述的导丝尖端力觉传感器中，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。
[0017]3、本专利技术所述的导丝尖端力觉传感器，采用纤芯成中心对称排布的多芯光纤，通
过差分运算，可以消除掉温度等引起的串扰，提高了测量结果的精度，同时增强传感器的灵敏度。
(四)附图说明
[0018]图1为介入式导丝尖端力觉传感器的结构示意图；
[0019]图2为导丝核芯尖端截面示意图；
[0020]图3为多芯光纤截面示意图，(a)四芯光纤(b)六芯光纤；
[0021]图4为基于四芯光纤的热扩散耦合器结构示意图；
[0022]图5为基于四芯光纤的介入式导丝尖端力觉传感器反射谱；
[0023]图6为受力时基于四芯光纤的介入式导丝尖端力觉传感器反射谱的变化；
[0024]图7为在不同方向上，导丝尖端受到的力与差分运算后多芯光纤光栅波长漂移的关系，(a)x方向纤芯(b)y方向纤芯。
[0025]图中：1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器，它由介入式导丝、多芯光纤、多芯光纤光栅、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；多芯光纤光栅置于导丝尖端，用于尖端力觉的感测；多芯光纤各纤芯上刻有不同反射波长的布拉格光栅，通过差分处理可以增强此位置的弯曲响应，提高尖端力觉探测的灵敏度，同时消除了温度和轴向应变的串扰；热扩散耦合器通过将过渡光纤和多芯光纤焊接后热扩散得到，可以实现将多芯光纤信号耦合至单模光纤中，实现了单通道的测量。2.根据权利要求1所述的一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器，其特征是：过渡光纤包含与单模光纤相匹配的中间芯和用于热扩散时与多芯光纤相匹配的多个包层。3.根据权利要求1所述的一种用于介入式导丝的高灵敏度尖端力觉传感器，其特征是：所述的多芯光纤光栅固定于介入式导丝核芯尖端的中心轴上，与核芯尖端共同构成悬臂梁结...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，王洪业，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：