CN115413990B - 用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，包括用于与内镜集成的内镜套，分布于内镜套外表面的六个触须传感单元，每三个为一组布置于同一截面，两组交错布置，三根位于内镜套外表面折线槽的力感知光纤光栅传感器及一根位于内表面直线槽的温度解耦光纤光栅传感器，每根力感知光纤光栅传感器连接到不同截面上以60°交错分布的两触须传感单元，折线槽与直线槽对应光栅区的位置有孔；触须传感单元包括顶部连接的两支撑触须与一环形触须，支撑触须两端经毛细管固定在内镜套外表平行槽中，环形触须底端嵌入折线槽直线段安装的方块上表面槽中且力感知光纤光栅传感器由方块中的孔穿过。本发明能实时反馈内镜六个方向的径向力信息。

Description

用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器。

背景技术

近年来，经自然腔道内镜手术对癌症进行诊疗依靠其创伤小、恢复快、体表无瘢痕等优点得到了快速发展。在经自然腔道内镜手术治疗的癌症中，消化道癌症的发病率与死亡率始终较高，给患者家庭和社会都带来了不小的负担。其中消化内镜检查为消化道癌症诊疗的主要手段，可以对消化道疾病及早发现和治疗。然而检查过程中内镜需要根据消化道的形状进行弯曲，这给内镜介入带来了不小的困难。此外，如果操作力度过大，还容易引起出血、穿孔等一系列并发症。其中消化道的机械损伤主要是由内镜前端的接触力或弯曲部位的径向力过大造成的。内镜前端的接触力大小医生能够大致感知，但径向接触力信息几乎是完全缺失的。现有用于内镜检查的径向力传感器较少，其测量准确性低且刚度较大，难以保证检查过程中的安全性。此外，该类传感器大多为电子产品，容易受到电磁干扰且难以承受高温高压的循环灭菌。

发明内容

本发明的目的是针对上述的背景技术中所述的集成于内镜的径向力传感器测量精度低，易受电磁干扰，检查过程安全性难以保证等问题，而提供一种测量准确性高，可靠性、安全性兼备的用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，包括用于与内镜集成在一起的内镜套，安装于内镜套的外表面上的六个触须传感单元；所述内镜套的外表面均布三个由内镜套的一端延伸至另一端的折线槽、内表面具有一个与内镜套轴线平行的内镜套的一端延伸至另一端的直线槽，每个所述折线槽由两个直线槽段以及一个斜线槽段连接形成：直线槽段与内镜套轴线平行，位于中间的斜线槽段将外侧的两个直线槽段相接；所述内镜套外表面上沿径向方向形成与所述直线槽相通的第一矩形孔，每个所述直线槽段上沿径向方向形成一个与内镜套内侧相通的第二矩形孔，所述第二矩形孔中心有一个与内镜套内侧相通的方形孔，所述方形孔中布置方形块，所述方形块的上表面开槽，内部形成有与上表面所开槽的轴线一致的圆孔；所述内镜套的外周面上沿圆周方向形成多个平行槽；每个所述平行槽位于两个直线槽段之间；

每个所述折线槽中安装有一根力感知光纤光栅传感器，且所述力感知光纤光栅传感器从所述圆孔中穿过，采用折线配置方式连接到不同截面上以60°交错分布的两个触须传感单元；每个所述力感知光纤光栅传感器刻有两个光栅区，所述力感知光纤光栅传感器的两个光栅区的位置各自与一个第二矩形孔的位置对应；

所述直线槽中安装有一根温度解耦光纤光栅传感器，所述温度解耦光纤光栅传感器刻有两个光栅区，所述温度解耦光纤光栅传感器的两个光栅区位置各自与一个第一矩形孔的位置对应；

所述内镜套的同一截面的位置均布三个所述触须传感单元，两个不同截面的位置布置的触须传感单元交错分布；每个所述触须传感单元包括两个U形状的对称布置的支撑触须、位于两个支撑触须之间的一个环形触须；所述环形触须底部嵌入所述方形块的上表面的槽中固定，所述支撑触须与所述环形触须的顶部通过第二毛细钢管连接固定；所述支撑触须的两端各自装于第一毛细钢管中，所述第一毛细钢管嵌入所述平行槽中固定。

本发明的用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，是基于光纤光栅传感器的用于径向力检测的仿生触须传感器，采用新颖的光纤配置方式，能够实时反馈内镜六个方向的径向力信息，大幅提高内镜的介入效率；同时触须传感单元支持大变形，刚度较低，可以有效保证介入过程的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的仿生触须传感器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的仿生触须传感器的传感器单元的示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的C-C剖视图；

图5为图2的B-B剖视图；

图6为本发明实例的方形块结构图。

【附图说明】

1-触须传感单元；2-内镜套；3-温度解耦光纤光栅传感器；4-第一力感知光纤光栅传感器；5-第二力感知光纤光栅传感器；6-第三力感知光纤光栅传感器；7-第一毛细钢管；8-内镜；9-光纤光栅解调仪；10-数据采集和力解耦计算设备；11-显示设备；101-支撑触须；102-第二毛细钢管；103-环形触须；104-方形块；201-第一矩形孔；202-平行槽；203-螺纹孔；204-方形孔；205-第二矩形孔；1041-槽；1042-圆孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例的仿生触须传感器的整体示意图；该仿生触须传感器的传感器单元通过套筒结构的内镜套2集成到内镜8上，在内镜检查的过程中，可以获取内镜8与组织间的径向接触力信息。该仿生触须传感器的传感器单元与光纤光栅解调仪9连接，光纤光栅解调仪9与数据采集与力解耦计算设备10连接，数据采集与力解耦计算设备10连接显示设备11，所述显示设备，用于实时显示径向接触力信息。

检测时，所述数据采集与力解耦计算设备向所述光纤光栅解调仪发送检测指令，并接收所述光纤光栅解调仪返回的各个光栅区对应的波长进行分析和计算，得到实时的径向接触力信息，然后由所述显示设备实时显示径向接触力信息。所述光纤光栅解调仪向所述力感知光纤光栅传感器与温度解耦光纤光栅传感器发射激光，接收经过所述力感知光纤光栅传感器与温度解耦光纤光栅传感器返回的激光信号，并解调出各个光栅区所对应的波长给所述数据采集与力解耦计算设备，用于计算实时的径向接触力信息。

图2是本发明实例的仿生触须传感器示意图。

参阅图2，其中，第一力感知光纤光栅传感器4、第二力感知光纤光栅传感器5、第三力感知光纤光栅传感器6嵌入折线槽中，通过胶粘(如采用环氧树脂)贴在内镜套2外表面均布的折线槽内，每个力感知光纤光栅传感器的光栅区位置与第二矩形孔205的位置对应，用于测量径向力，每根力感知光纤光栅传感器采用折线配置方式连接到不同截面上以60°交错分布的两个触须传感单元。

其中，温度解耦光纤光栅传感器3嵌入直线槽中，并通过胶粘(如采用环氧树脂)贴在内镜套2内表面的直线槽内，温度解耦光纤光栅传感器3的光栅区位置与第一矩形孔201的位置对应，用于温度解耦，所述的第一矩形孔201与内镜套2内表面的直线槽的轴线一致，通向直线槽且与直线槽相通。

优选的，所述力感知光纤光栅传感器与温度解耦光纤光栅传感器为双光栅区布拉格光纤光栅传感器。

示例性的，所述内镜套2上分布有多个螺纹孔203，如六个，用于通过螺栓将内镜套2固定于内镜上，从而使仿生触须传感器固定于内镜上。

示例性的，仿生触须传感器的同一截面均布有三个触须传感单元1，两个截面的触须传感单元交错分布，即以一个横截面为主视方向看，六个触须传感单元1绕内镜套的中心均匀分布，通过交错分布，可以实现补偿另一截面对径向力不敏感的方向，参见图3至图4所示。

图5是本发明实例的触须传感单元示意图。请参见图5，每个触须传感单元的两个支撑触须101和一个环形触须103通过顶部的第二毛细钢管102连接并粘接固定。环形触须103的底部嵌入方形块104上表面的槽1041中并粘接固定。方形块104的中的圆孔1042中穿过力感知光纤光栅传感器，方形块104放入方形孔204中，其只有径向运动的自由度，以确保力感知光纤光栅传感器只对径向力敏感。

示例性的，U形状的支撑触须101底部装入第一毛细钢管7中，第一毛细钢管7粘贴在形成于内镜套2的外表面上的平行槽202中，以固定整个触须传感单元，参见图2，所述的平行槽202为多个，一个支撑触须101被配置有两个平行槽202，其中，平行槽202为沿内镜套的圆周方向开槽形成。

具体的，所述平行槽为十二个，每三个为一组，形成四组，每组所述平行槽均匀分布于内镜套的外周面上。

示例性的，所述的支撑触须与环形触须为热处理之后的镍钛合金丝，常温下保持预定形状并具有超弹性，能确保在后续的受力过程中支撑触须与环形触须在可恢复极限之内。

当有径向力作用于触须传感单元时，支撑触须101与环形触须103发生弹性变形，径向力通过环形触须103与方形块104传递至力感知光纤光栅传感器，使其产生应变，表现为中心波长变化。

当有其他方向的干扰力或力矩作用于触须传感单元时，方形孔204会限制方形块104的运动，力感知光纤光栅传感器不会有中心波长变化。当外力撤去时，支撑触须101与环形触须103依靠其超弹性可使整个触须传感单元恢复至初始状态。

其中，所述的力感知光纤光栅传感器的中心波长变化量与径向力之间存在特定的关系，通过获取的中心波长变化量与标定得到的标定矩阵做运算即可获取六个方向的径向力。

对于光纤光栅传感器，其中心波长变化量与应变之间的关系如下：

式中，Δλ和λ分别表示中心波长变化量和初始中心波长，其中初始中心波长为常数，Δε表示光纤光栅处的局部应变，ΔT表示温度变化，k_ε和k_T是对应的常数系数。其中局部应变Δε与径向力F之间存在如下关系：

式中,d为光纤的直径，l为光纤的悬挂长度，E为光纤的杨氏模量，I为光纤的惯性矩，K₁,K₂分别为支撑触须与环形触须的径向刚度，F为径向力。结合式(1)和(2)，中心波长变化量与径向力之间的关系可以重新表述为：

式中，触须传感单元装配完成之后其为常数，表明中心波长变化量Δλ与径向力F之间为线性关系。

为消除温度的影响，将同一截面的力感知光纤光栅传感器的中心波长变化量分别与温度解耦光纤光栅传感器的中心波长变化量相减，即可得到温度解耦之后的径向力；其中，每个触须传感单元对应获得一个径向力，共六个，分别为F₁，F₂，F₃，F₄，F₅，F₆。

其中，第一光栅区3_1、第二光栅区4_1、第三光栅区5_1、第四光栅区6_1位于同一截面，第二光栅区4_1、第三光栅区5_1、第四光栅区6_1分别对应三根力感知光纤光栅传感器的一个光栅区位置，第一光栅区3_1对应温度解耦光纤光栅传感器的一个光栅区位置，且四个光栅区的初始中心波长相同，用λ₁表示，前述四个不同光栅区对应的中心波长变化量分别表示为Δλ_{3_1}，Δλ_{4_1}，Δλ_{5_1}，Δλ_{6_1}；

其中，第五光栅区3_2、第六光栅区4_2、第七光栅区5_2、第八光栅区6_2位于同一截面，第六光栅区4_2、第七光栅区5_2、第八光栅区6_2分别对应三根力感知光纤光栅传感器的另一个光栅区位置，第五光栅区3_2对应温度解耦光纤光栅传感器的另一个光栅区位置，且四个光栅区的初始中心波长相同，用λ₂表示，前述四个不同光栅区对应的中心波长变化量分别表示为Δλ_{3_2}，Δλ_{4_2}，Δλ_{5_2}，Δλ_{6_2}；[s₁]_3×3与[s₂]_3×3为标定矩阵，可以通过标定实验得到。

本发明实施例提供的传感器，其主体为套筒结构，便于集成到内镜上；采用折线光纤配置方式，结构紧凑；其触须传感单元刚度低，支持大变形，可以保证内镜介入过程的安全性；具有毫牛级别的分辨率，测量准确，制作成本低，便于一次性使用，可以有效避免交叉感染。另外力检测装置无需其他外围的辅助设备，易消毒，不受电磁干扰，医疗兼容性良好，无放射射线。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，包括用于与内镜集成在一起的内镜套，安装于内镜套的外表面上的六个触须传感单元；所述内镜套的外表面均布三个由内镜套的一端延伸至另一端的折线槽、内表面具有一个与内镜套轴线平行的内镜套的一端延伸至另一端的直线槽，每个所述折线槽由两个直线槽段以及一个斜线槽段连接形成：直线槽段与内镜套轴线平行，位于中间的斜线槽段将外侧的两个直线槽段相接；所述内镜套外表面上沿径向方向形成与所述直线槽相通的第一矩形孔，每个所述直线槽段上沿径向方向形成一个与内镜套内侧相通的第二矩形孔，所述第二矩形孔中心有一个与内镜套内侧相通的方形孔，所述方形孔中布置方形块，所述方形块的上表面开槽，内部形成有与上表面所开槽的轴线一致的圆孔；所述内镜套的外周面上沿圆周方向形成多个平行槽；每个所述平行槽位于两个直线槽段之间；

每个所述折线槽中安装有一根力感知光纤光栅传感器，且所述力感知光纤光栅传感器从所述圆孔中穿过，采用折线配置方式连接到不同截面上以60°交错分布的两个触须传感单元；每个所述力感知光纤光栅传感器刻有两个光栅区，所述力感知光纤光栅传感器的两个光栅区的位置各自与一个第二矩形孔的位置对应；

所述直线槽中安装有一根温度解耦光纤光栅传感器，所述温度解耦光纤光栅传感器刻有两个光栅区，所述温度解耦光纤光栅传感器的两个光栅区位置各自与一个第一矩形孔的位置对应；

所述内镜套的同一截面的位置均布三个所述触须传感单元，两个不同截面的位置布置的触须传感单元交错分布；每个所述触须传感单元包括两个U形状的对称布置的支撑触须、位于两个支撑触须之间的一个环形触须；所述环形触须底部嵌入所述方形块的上表面的槽中固定，所述支撑触须与所述环形触须的顶部通过第二毛细钢管连接固定；所述支撑触须的两端各自装于第一毛细钢管中，所述第一毛细钢管嵌入所述平行槽中固定；

所述支撑触须与环形触须为热处理之后的镍钛合金丝，常温下保持预定形状并具有超弹性；

当有径向力作用于触须传感单元时，支撑触须与环形触须发生弹性变形，径向力通过环形触须与方形块传递至力感知光纤光栅传感器，使其产生应变，表现为中心波长变化；当有其他方向的干扰力或力矩作用于触须传感单元时，方形孔限制方形块的运动，力感知光纤光栅传感器不会有中心波长变化；当外力撤去时，支撑触须与环形触须依靠超弹性使整个触须传感单元恢复至初始状态。

2.根据权利要求1所述用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，所述力感知光纤光栅传感器为双光栅区布拉格光纤光栅传感器。

3.根据权利要求1所述用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，所述平行槽为十二个，每三个为一组，形成四组，每组所述平行槽均匀分布于内镜套的外周面上。

4.根据权利要求1所述用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，所述内镜套上沿径向方向形成有多个贯通的螺纹孔，用于将内镜套与内镜固定。

5.根据权利要求1所述用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，所述力感知光纤光栅传感器与温度解耦光纤光栅传感器连接光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪向所述力感知光纤光栅传感器与温度解耦光纤光栅传感器发射激光，接收经过所述力感知光纤光栅传感器与温度解耦光纤光栅传感器返回的激光信号，并解调出各个光栅区所对应的波长。

6.根据权利要求5所述用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，所述的光纤光栅解调仪与数据采集与力解耦计算设备通信连接，所述数据采集与力解耦计算设备向所述光纤光栅解调仪发送检测指令，并接收所述光纤光栅解调仪返回的各个光栅区对应的波长进行分析和计算，得到实时的径向接触力信息。

7.根据权利要求6所述用于自然腔道柔性内镜检查的仿生触须传感器，其特征在于，所述数据采集与力解耦计算设备连接显示设备，所述显示设备，用于实时显示径向接触力信息。