用于微創(chuàng)手術(shù)組織觸診中的FBG 傳感器研發(fā)

甘露，鄭甲紅

（陜西科技大學(xué)，陜西西安 710021）

隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，微創(chuàng)手術(shù)（MIS）逐漸實(shí)現(xiàn)[1]。但是，傳統(tǒng)手術(shù)中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題在MIS 中同樣存在。例如，在進(jìn)行微創(chuàng)外科手術(shù)期間，醫(yī)護(hù)人員會(huì)暴露在手術(shù)室中發(fā)現(xiàn)的放射線和整形外科危害中。機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)的技術(shù)成為了替代傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)更好的方案，然而，機(jī)器人輔助手術(shù)過(guò)程中卻是伴隨著外科醫(yī)生的觸覺(jué)喪失。外科醫(yī)生是過(guò)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)期間醫(yī)生無(wú)法直接接觸人體組織并且分析人體器官，因此無(wú)法保證所進(jìn)行的手術(shù)的可靠性。

眾所周知，在傳統(tǒng)手術(shù)過(guò)程中，醫(yī)生是通過(guò)觸覺(jué)去感知器官的異常情況，進(jìn)而判斷器官中是否存在腫瘤和腫塊。但隨著醫(yī)療機(jī)器人的普及，這種可獲得的觸覺(jué)信息尚未有效地集成到機(jī)器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)中。這便要求機(jī)器需要具有更高精確度和靈敏度的觸覺(jué)信息反饋。本文提出一種用于微創(chuàng)手術(shù)組織觸診中的高靈敏度FBG 傳感方案，與以往的電容式傳感方案不同，光纖傳感器與手術(shù)期間的磁共振（MR）系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兼容[2-3]。大量的文獻(xiàn)中都介紹了光纖傳感器在其各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用，例如，F(xiàn)BG 作為監(jiān)測(cè)儀中應(yīng)用和液體流量傳感器等[4-5]。國(guó)內(nèi)的研究人員也已經(jīng)逐漸提出用于醫(yī)療領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)[6]。屆時(shí)，F(xiàn)BG 傳感器技術(shù)也被應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)中很多場(chǎng)景中，例如人體的腔道手術(shù)、穿刺手術(shù)和腹腔鏡手術(shù)等。本文的目的是解決在微創(chuàng)手術(shù)中觸覺(jué)信息的丟失而研發(fā)的觸覺(jué)傳感器，根據(jù)FBG 的傳感器原理，當(dāng)傳感器承受軸向載荷時(shí)，其結(jié)構(gòu)鉸鏈發(fā)生應(yīng)變，從而使得光纖中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。并基于ANSYS 有限元法對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)性能分析，根據(jù)仿真結(jié)果判斷傳感器結(jié)構(gòu)的合理性和光纖應(yīng)變的有效性，最后經(jīng)過(guò)載荷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觸覺(jué)傳感器得可行性。通過(guò)上述步驟驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

1 FBG 傳感原理

光纖傳感技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在軍事、國(guó)防、航空航天、工業(yè)監(jiān)測(cè)和醫(yī)療等行業(yè)中。其中，傳感器技術(shù)中便使用了光纖傳感本身的敏感特性，而其體積小、質(zhì)量輕和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)使其可以被應(yīng)用在醫(yī)療器械的行業(yè)中。過(guò)去的研究中，學(xué)者采用的光纖類型基本為光強(qiáng)度調(diào)制型，其傳感方法簡(jiǎn)單因此被廣泛使用。但這種光纖技術(shù)存在較大的缺點(diǎn)，比如感精度低和受到光強(qiáng)度的限制等，所以已經(jīng)在醫(yī)療行業(yè)中被放棄使用。本文中所介紹的是布拉格光柵光纖（FBG）屬于波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感技術(shù)，通過(guò)外界待測(cè)物理量對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)，具有高靈敏的特性。下面便介紹FBG 的具體傳感器原理。

光纖的傳感原理[7]如圖1 所示，中心波長(zhǎng)漂移量主要受光纖纖芯有效折射率和光柵柵格周期的影響，F(xiàn)BG 反射中心波長(zhǎng)表達(dá)式為：

圖1 FBG 傳感原理

式（1）中：λB為光柵的中心波長(zhǎng)；neff為光纖纖芯有效折射率；Λ為光柵柵格周期。

當(dāng)外界載荷作用于傳感器結(jié)構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)中的FBG 將會(huì)受到影響，接著導(dǎo)致光柵中有效折射率neff和柵格周期Λ發(fā)生變化，進(jìn)而引起FBG 的中心波長(zhǎng)λB發(fā)生漂移，通過(guò)中心波長(zhǎng)的漂移量來(lái)檢測(cè)力的作用大小。因此FBG 的中心波長(zhǎng)漂移量ΔλB=（1－pe）ε·λB。

令Kε=（1－pe）·λB為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。本文中研究環(huán)境是處于假設(shè)的恒溫環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生任何的溫度變化。由于本文采用摻鍺的普通石英作為光纖纖芯，因此，pε≈0.22。因此可得到Kε是由FBG 的具體參數(shù)決定的，并且FBG 所受應(yīng)變與中心波長(zhǎng)漂移量呈良好的線性關(guān)系：ΔλB=Kε·ε。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出了一種螺旋結(jié)構(gòu)的傳感設(shè)計(jì)，螺旋彈性體具有高靈敏結(jié)構(gòu)特性，可用于傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。為了實(shí)現(xiàn)FBG 的快速響應(yīng)和靈敏率，將光纖緊密懸掛的封裝在傳感器結(jié)構(gòu)的中間位置。因此，文中采用膠水將FBG 的懸掛固定在結(jié)構(gòu)中，首先將光纖的一端固定在頂端零件的孔槽中，再通過(guò)施加預(yù)緊力的效果使得FBG 可以保持緊密懸掛在螺旋彈性體中間，并用膠水固定底端完成傳感器的組裝，如圖2所示。

圖2 FBG 傳感設(shè)計(jì)方案

本文中傳感器的結(jié)構(gòu)材料采用的是鋁合金材質(zhì)。當(dāng)傳感器受到中心載荷時(shí)，其中緊緊懸掛著的FBG 便在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。再根據(jù)上個(gè)章節(jié)中的介紹，就可以將力與FBG的中心波長(zhǎng)漂移量建立關(guān)系，從而達(dá)到本文的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)組織觸診中的力反饋效果。接下來(lái)基于有限元仿真去驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)變影響。

3 有限元仿真

基于ANSYS 對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。傳感器的具體材料性能如表1 所示。首先將傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，以便分析傳感器中的應(yīng)變情況。再將其結(jié)構(gòu)底端固定，以0.2 N為間隔施加0～1 N的軸向載荷對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，如圖3 所示。

圖3 靜態(tài)仿真分析

表1 傳感器結(jié)構(gòu)的材料性能

4 靜載荷實(shí)驗(yàn)

采用如圖4 所示的靜態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)本文中傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括FBG 詢問(wèn)器（Wave Capture of Bay Spec，USA）、六軸力/扭矩傳感器ATI（Nano43 SI-9-0.125，ATI Industrial Automation，Apex，North Carolina，USA）和NI 數(shù)據(jù)采集器（DAQ）。通過(guò)高精密線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行載荷測(cè)試。將波長(zhǎng)分辨率為1 pm、采樣頻率為100 Hz 的FBG 詢問(wèn)器連接到電腦端進(jìn)行采集記錄。本文中設(shè)定得傳感器受力范圍為0～1 N，此標(biāo)定過(guò)程重復(fù)4 次，得到的相應(yīng)的FBG 中心波長(zhǎng)漂移量和力之間的關(guān)系。將每個(gè)載荷下捕獲的平均值用于確定力與波長(zhǎng)漂移量之間的關(guān)系，并采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合。靜態(tài)載荷下校準(zhǔn)載荷-波長(zhǎng)曲線如圖5 所示，從中可以看出，F(xiàn)BG 可以滿足傳感器的性能要求，其傳感器具有較高的靈敏性，得到的傳感器的靈敏度為642.56 pm/N。而FBG 的非線性可能是由裝配過(guò)程中的誤差和結(jié)構(gòu)得自重引起的。

圖4 靜態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖5 靜態(tài)載荷下校準(zhǔn)載荷-波長(zhǎng)曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于MIS 組織觸診中的力傳感器。傳感器設(shè)計(jì)為高彈性的螺旋結(jié)構(gòu)和高靈敏度FBG，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)建立輸入量力與輸出量波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，目的是解決手術(shù)期間醫(yī)生無(wú)法直接接觸人體組織和缺乏精確的力反饋信息問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)理念的提出可達(dá)到醫(yī)護(hù)人員“觸診”的效果，從而保證所進(jìn)行的手術(shù)的可靠性。通過(guò)靜載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，傳感器可滿足力-波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系并得到較高的靈敏度和分辨率。但本實(shí)驗(yàn)中由于裝配制造和自重等造成的誤差導(dǎo)致傳感器存在線性偏差。在未來(lái)的研究中，我們將增強(qiáng)傳感器結(jié)構(gòu)的線性響應(yīng)。