光学精密工程·封面 | 光纤传感：探针末端力检测

微创手术是近年来医学领域发展起来的一种新型治疗手段，是指通过微小创伤或通路，完成对人体内病变、畸形、创伤的灭活、切除、修复或重建等外科手术操作。微创手术凭借着风险小、出血少、伤口小、疤痕细、恢复快等的特点，被广泛运用于外科手术之中。穿刺手术探针是微创手术中常用的器械，可以用在药物放置、组织活检和放射治疗等手术治疗过程中。

微创手术虽然具有众多的优点，但其缺失了开放性手术过程中医生直接接触患者组织的重要能力。而现有的穿刺手术机器人尚不具备力触觉信息反馈功能，使医生无法准确、有效地感知穿刺状态。穿刺过程中的探针力信息可以使医生准确感知穿刺效果，提高手术的安全性和成功率。

针对这一应用，近期，北京信息科技大学祝连庆与何彦霖等人在《光学 精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，2021中国国际影响力优秀学术期刊）上发表题为“用于微创手术探针的光纤力传感器设计”的文章并被选为当期封面文章。 

光纤力传感器设计

光纤传感技术因其灵敏度高、可靠性强、并且抗电磁干扰等诸多优点适合应用于医疗领域之中。针对手术探针的特殊结构，设计了一种光纤法布里-珀罗腔（Fabry-Perot，F-P）级联光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的力传感器结构，如图1所示。依据光纤F-P腔的双光束干涉理论、光纤FBG传感理论和探针悬臂梁结构，建立了基于光纤传感的探针末端力测量模型。

图1：F-P腔级联 FBG 结构

力传感器校准

在传感器使用过程中光纤F-P腔和光纤FBG均会同时受到温度和力的影响，为了使传感器能够准确测量到探针末端受力，分别对传感器的温度和受力做了校准，力校准系统如图2（a）所示、温度校准系统如图2（b）所示。在0~5.5 N内对传感器进行了力校准，光纤F-P腔和FBG的波长漂移如图3所示。在20 ℃~50 ℃内对传感器进行了温度校准，光纤F-P腔和FBG的波长漂移如图4所示。

图2：传感器校准验系

图3：传感器力校准

图4：传感器温度校准

应用前景

设计的光纤F-P腔级联FBG的力传感器，可以实现手术探针末端力测量。为手术探针力反馈技术奠定了基础，有望在微创外科穿刺手术机器人的穿刺针力反馈领域有广阔的前景。

| 论文信息 |

于昌新,何彦霖,何超江等.用于微创手术探针的光纤力传感器设计[J].光学精密工程,2022,30(20):2421-2429.

https://ope.lightpublishing.cn/thesis/65/31623468/zh/

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