【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗设备，具体一种带有针尖三维力传感器的穿刺针。
技术介绍
1、目前，脑神经穿刺是诊断和治疗脑神经疾病的常用神经外科术式之一，其具有微创、可靠、安全等优点。在脑组织活检、脑深部电刺激等手术中均包含脑神经穿刺这一过程。在手术过程中，由于无法看到穿刺针在组织内的情况，故需要依靠插入量和术前核磁图像进行配准和导航。但在手术过程中，脑移位、水肿等因素可能使传统的术前图像配准出现误差。术中核磁成像在手术室中装有核磁扫描仪，使得外科医生在手术过程中获得核磁影像，从而提供“实时”反馈。因此手术工具逐步增加了“核磁兼容”这一要求。
2、对于穿刺手术，血管破裂和随后脑实质内出血是该手术的一个关键问题。一些研究证实，力反馈可以提高操作员区分不同组织的能力，并减少组织损伤和手术任务持续时间。对于穿刺针，评估“针-脑”相互作用最直接的位置就是穿刺针的针尖受力。
3、现有技术中有两种方案做穿刺手术的力反馈。第一种方案是在针基座的位置安装力传感器，通过“欧拉-伯努利”梁模型，将针基座处的受力映射到穿刺针的受力；第二种方案是在穿刺针针尖直接安装三维力传感器，感知针尖接收到的力信号。对于上述两种方案的具体实现：基于应变式、电容式、电阻式、压电式等传感原理的传感器存在生物相容性较低，难与医疗器械集成且易受电磁干扰等缺点；而光纤传感器以其外径小、具有良好的生物相容性、抗电磁干扰、易消毒等优点，因此很容易集成于医疗器械中。
4、第一种方案将光纤传感器集成在针基座处的方案较为简单，但针尖的切割力变化会被针轴与周围组织之
5、第二种方案将光纤传感器集成在针尖处可直接反应针尖受到的穿刺力的变化，是最优的力反馈方案。但该方案集成难度较大，专利号cn111803143a公开了将光纤布拉格光栅(fbg)传感器集成于微创手术针的针尖，该传感器粘贴在针管的外侧，留有中空管道可做工作空间。但该传感器在穿刺过程中会直接与软组织接触，增加了传感器封装时所需的粘合剂与脑组织直接接触带来的不利影响；同时，该专利中需要在镍钛合金薄壁管上激光加工三路凹槽来粘贴光纤，并增加平行交错的切槽结构，现今这种细微结构的激光加工难度较大，且成本高。
6、考虑到上述因素，本专利技术提出一种带有针尖三维力传感器的穿刺针，该穿刺针能够较好地解决上述两种现存方案中出现的问题。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供一种带有针尖三维力传感器的穿刺针。
2、一种带有针尖三维力传感器的穿刺针，包括：外针20、以及内针30；所述内针30由一个内针主体31和一个用于封装光纤布拉格光栅fbg的针头32轴向粘合而成；所述内针主体31为空心管，其内部可用于收束和保护光纤；所述内针主体31的外径与针头32的外径相同；所述内针30与外针20无间隙贴合，且内针30的长度比外针20稍长，内针30的针头32从外针20的针管中探出；所述针头32为一端带尖锥的圆柱，可通过针头32的尖锥实现穿刺。
3、可选地，所述带有针尖三维力传感器的穿刺针与针头32相反的一端还包括针座10，用以实现内针30与外针20的锁定和分离；所述针座10包含内针针座11和外针针座12，所述内针针座11、外针针座12分别与内针30、外针20粘合在一起。
4、可选地，所述外针针座12包含两道直角卡槽，其中，每道直角卡槽由互通的轴向卡槽和周向卡槽组成；所述内针针座11包含两个卡点；将所述两个卡点滑入外针针座12的两道轴向卡槽中，再旋转内针针座11，使两个卡点滑入外针针座12的周向卡槽，可实现内针30和外针20的锁定；反方向旋转内针针座11并从中抽出所述两个卡点，可实现内针30和外针20的分离。
5、可选地，所述内针主体31与所述内针30的针头32相连接的一端具有均匀打磨的n个切口，且沿所述针头32的周围均匀开设有n个凹槽36，用于分别粘贴固定n根光纤；
6、所述内针30的针头32的两个端部33和35均由3d打印材料制成，所述针头32的两个端部33和35之间使用合金丝34粘连。
7、可选地，可通过改变所述合金丝34的材质来改变所述三维力传感器的量程和灵敏度。
8、可选地，为实现温度补偿下的三维力传感：所述n根光纤中的每根光纤上粘贴有栅区间距相同的两个光纤布拉格光栅fbg，形成两组光纤布拉格光栅fbg-1和fbg-2，每组光纤布拉格光栅fbg的n个栅区位于同一平面内；其中，fbg-1粘贴于所述针头32的合金丝34周围的n根光纤上，fbg-2粘贴于所述针头32的两个端部33或35周围的n根光纤上。
9、可选地，为实现温度补偿下的三维力传感：所述针头(32)的两个端部(33)和(35)以及合金丝(34)的轴心均具有通孔，在所述通孔中粘贴一根光纤，在该根光纤位于合金丝(34)内的部分粘贴光纤布拉格光栅fbg-1；在所述n根光纤中的每根光纤位于端部(33)或(35)的部分粘贴一个光纤布拉格光栅fbg，形成一组光纤布拉格光栅fbg-2，该组光纤布拉格光栅fbg-2的n个栅区位于同一平面内。
10、可选地，所述内针30的针头32的两个端部33和35均由树脂材料3d打印制成；粘贴在光纤处于预拉伸的状态下完成。
11、可选地，所述外针20和内针主体31均由镍钛合金管构成；所述合金丝34为镍钛合金丝。
12、一种应用于所述带有针尖三维力传感器的穿刺针的基于内外针叠合结构的“力-应变”模型的分析方法，其中，将三维力传感器看作是多个弹簧的串并联，当施加轴向力fz时：在fbg-1截面处，合金丝(34)近似成的弹簧k1和光纤近似成的弹簧k3并联；在fbg-2截面处，所述穿刺针近似成的弹簧k2和光纤近似成的弹簧k3并联；最后，将两组并联弹簧串联起来；
13、假定所述光纤布拉格光栅fbg的栅区长度为l，则fbg-1和fbg-2的受力大小相等，均为轴向力fz，可表示为：
14、fz＝(k1+k3)lε1＝(k2+k3)lε2 公式(1)
15、上述公式(1)中，k1、k2、k3分别为弹簧k1、k2、k3的弹性系数，ε1、ε2分别为fbg-1和fbg-2的轴向应变；所述轴向应变和轴向力fz呈线性关系，波长漂移和轴向应变的关系可以分别表示为：
16、δλzt_1＝sz1fz+st1δt
17、δλzt_2＝sz2fz+st2δt 公式(2)
18、上述公式(2)中，δλzt_1和δλzt_2分别为fbg-1和fbg-2的波长漂移，sz1和sz2分别表示波长漂移δλzt_1和δλzt_2对轴向力fz的灵敏度，δt为温度变化量，st1和st2分别表示波长漂移δλzt_1和δλzt_2对温度变化量δt的灵敏度；
19、当施加横向力fl时，所述穿刺针的外针(20)和内针(30)可以看做是自由叠合的两层梁，当所述穿刺针受到弯矩m而产生弯曲时，假设外针(20)、内针(30)受到的弯矩分别为m本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，包括：外针(20)、以及内针(30)；所述内针(30)由一个内针主体(31)和一个用于封装光纤布拉格光栅FBG的针头(32)轴向粘合而成；所述内针主体(31)为空心管，其内部可用于收束和保护光纤；所述内针主体(31)的外径与针头(32)的外径相同；所述内针(30)与外针(20)无间隙贴合，且内针(30)的长度比外针(20)稍长，内针(30)的针头(32)从外针(20)的针管中探出；所述针头(32)为一端带尖锥的圆柱，可通过针头(32)的尖锥实现穿刺。
2.根据权利要求1所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述带有针尖三维力传感器的穿刺针与针头(32)相反的一端还包括针座(10)，用以实现内针(30)与外针(20)的锁定和分离；所述针座(10)包含内针针座(11)和外针针座(12)，所述内针针座(11)、外针针座(12)分别与内针(30)、外针(20)粘合在一起。
3.根据权利要求2所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述外针针座(12)包含两道直角卡槽，其中，每道直角卡槽由互通的轴向
4.根据权利要求3所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述内针主体(31)与所述内针(30)的针头(32)相连接的一端具有均匀打磨的N个切口，且沿所述针头(32)的周围均匀开设有N个凹槽(36)，用于分别粘贴固定N根光纤；
5.根据权利要求4所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，可通过改变所述合金丝(34)的材质来改变所述三维力传感器的量程和灵敏度。
6.根据权利要求5所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，为实现温度补偿下的三维力传感：所述N根光纤中的每根光纤上粘贴有栅区间距相同的两个光纤布拉格光栅FBG，形成两组光纤布拉格光栅FBG-1和FBG-2，每组光纤布拉格光栅FBG的N个栅区位于同一平面内；其中，FBG-1粘贴于所述针头(32)的合金丝(34)周围的N根光纤上，FBG-2粘贴于所述针头(32)的两个端部(33)或(35)周围的N根光纤上。
7.根据权利要求5所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，为实现温度补偿下的三维力传感：所述针头(32)的两个端部(33)和(35)以及合金丝(34)的轴心均具有通孔，在所述通孔中粘贴一根光纤，在该根光纤位于合金丝(34)内的部分粘贴光纤布拉格光栅FBG-1；在所述N根光纤中的每根光纤位于端部(33)或(35)的部分粘贴一个光纤布拉格光栅FBG，形成一组光纤布拉格光栅FBG-2，该组光纤布拉格光栅FBG-2的N个栅区位于同一平面内。
8.根据权利要求6或7所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述内针(30)的针头(32)的两个端部(33)和(35)均由树脂材料3D打印制成；光纤粘贴在光纤处于预拉伸的状态下完成。
9.根据权利要求8所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述外针(20)和内针主体(31)均由镍钛合金管构成；所述合金丝(34)为镍钛合金丝。
10.一种应用于根据权利要求1-9中任一项所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针的基于内外针叠合结构的“力-应变”模型的分析方法，其特征在于，将三维力传感器看作是多个弹簧的串并联，当施加轴向力Fz时：在FBG-1截面处，合金丝(34)近似成的弹簧K1和光纤近似成的弹簧K3并联；在FBG-2截面处，所述穿刺针近似成的弹簧K2和光纤近似成的弹簧K3并联；最后，将两组并联弹簧串联起来；
...【技术特征摘要】
1.一种带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，包括：外针(20)、以及内针(30)；所述内针(30)由一个内针主体(31)和一个用于封装光纤布拉格光栅fbg的针头(32)轴向粘合而成；所述内针主体(31)为空心管，其内部可用于收束和保护光纤；所述内针主体(31)的外径与针头(32)的外径相同；所述内针(30)与外针(20)无间隙贴合，且内针(30)的长度比外针(20)稍长，内针(30)的针头(32)从外针(20)的针管中探出；所述针头(32)为一端带尖锥的圆柱，可通过针头(32)的尖锥实现穿刺。
2.根据权利要求1所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述带有针尖三维力传感器的穿刺针与针头(32)相反的一端还包括针座(10)，用以实现内针(30)与外针(20)的锁定和分离；所述针座(10)包含内针针座(11)和外针针座(12)，所述内针针座(11)、外针针座(12)分别与内针(30)、外针(20)粘合在一起。
3.根据权利要求2所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述外针针座(12)包含两道直角卡槽，其中，每道直角卡槽由互通的轴向卡槽和周向卡槽组成；所述内针针座(11)包含两个卡点；将所述两个卡点滑入外针针座(12)的两道轴向卡槽中，再旋转内针针座(11)，使两个卡点滑入外针针座(12)的周向卡槽，可实现内针(30)和外针(20)的锁定；反方向旋转内针针座(11)并从中抽出所述两个卡点，可实现内针(30)和外针(20)的分离。
4.根据权利要求3所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，所述内针主体(31)与所述内针(30)的针头(32)相连接的一端具有均匀打磨的n个切口，且沿所述针头(32)的周围均匀开设有n个凹槽(36)，用于分别粘贴固定n根光纤；
5.根据权利要求4所述的带有针尖三维力传感器的穿刺针，其特征在于，可通过改变所述合金丝(34)的材质来改变所述三维力...
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