引入应变灵敏度矩阵的探针形状光纤测量方法

介入探针形状监测技术能够为医生在手术中提供重要参考信息,是保证手术安全性的必要手段。为提高介入探针形状测量精度,文中提出一种引入应变灵敏度矩阵的光纤光栅传感阵列介入探针形状测量方法。首先,基于光纤光栅传感理论,分析了植入在探针中光纤光栅波长漂移量与其应变的关系,同时引入了应变灵敏度矩阵,研究了光纤光栅中心波长漂移量与其弯曲曲率的关系。然后,推导了探针的局部单元几何参数关系和坐标转换方程,建立了基于光纤光栅的探针形状测量模型。最后,为了验证引入应变灵敏度矩阵对形状测量精度的影响,对植入光纤光栅传感阵列的介入探针进行了不同弯曲状态下的形状测量实验,对比分析了引入应变灵敏度矩阵前后形状测量的误差。实验结果表明,引入光纤光栅应变灵敏度矩阵可有效提升介入探针的测量精度,在不同弯曲情况下,介入手术探针末端偏移量平均误差降低了1.385 mm,最大误差降低了3.317 mm。文中所提出的基于光纤光栅传感阵列的形状测量方法在介入手术柔性医疗器械的形状重构方向具有广阔的应用前景。

用于微创手术探针的光纤力传感器设计

微创外科穿刺手术探针的末端力测量是实现其精准控制和提高手术质量的关键,对保证手术操作的安全性至关重要。本文针对穿刺手术探针末端力测量的实际需求,设计了一种可集成于探针中的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)腔级联布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的光纤力传感器。首先,基于F-P腔的双光束干涉理论及光纤光栅传感理论并结合探针的悬臂梁结构,分析建立了植入在探针中光纤传感器的F-P腔和FBG传感模型,推导出F-P腔和FBG特征波长漂移量与施加力的映射关系,同时引入力与温度灵敏度矩阵,实现了探针力测量的同时有效避免了温度的交叉影响问题。接着,通过化学腐蚀的方法制备了光纤F-P腔并级联FBG形成传感器,并将传感器集成在手术探针中。最后,为了校准并检验本文所设计的F-P腔级联FBG光纤力传感器,对传感器进行了力与温度灵敏度的标定实验和稳定性测试实验。结果表明,该传感器的光纤F-P腔力灵敏度可达331.8 pm/N,FBG力灵敏度可达159.9 pm/N,线性度高于0.99,平均波长漂移为25 pm。本文设计的探针力传感器灵敏度高且线性度好,在微创外科穿刺手术机器人领域具有广阔的应用前景。