光纤力传感器设计及其在组织类型和边界鉴定中的应用

摘要

在微创外科中，细长的手术器械和组织之间的相互作用力十分复杂且难以测量，精确获取手术器械远端的触觉力成了难点。而触觉力信息缺失导致的过大操作力和组织创伤，是目前微创外科的主要问题，开展相关研究具有重要意义。论文主要完成了以下的工作:
　　首先，根据针在穿刺过程中的受力模型，分析针尖所受的作用力，即在器官外膜刺穿之前，作用在针尖上的刚性力，及刺穿后撕裂组织的切割力。作用力引起针弯曲形变，利用有限元法对针进行应变分析，为后续力传感器设计及集成提供依据。
　　其次，根据法布里—珀罗干涉，阐述光纤力传感器设计原理，建立法—珀腔长与光强的调制解调关系，设计传感器的光纤光学链路，并依据有限元分析得到的针尖应变结果，确定激光光源及光纤传感器法—珀腔长相关参数，完成传感器封装后将其集成在穿刺针的针尖内腔中。
　　然后，搭建光纤力传感器的标定平台，对光纤力传感器进行标定，建立力与输出光功率信号的关系公式，对传感器的测量范围、精度和分辨率等进行分析。
　　最后，利用集成了光纤力传感器的穿刺针，对新鲜的猪肝脏组织和多层肌肉与脂肪的分层组织进行穿刺实验，采集穿刺过程中针尖的受力数据。基于小波变换理论，对数据进行模式分析，实现组织类型和边界鉴定。
　　论文研制了一类光纤力传感器，利用它采集穿刺过程中针尖的受力数据，实现组织类型和边界鉴定。根据肝脏组织和分层组织上的穿刺实验，证明了光纤力传感器的实用性以及其在组织类型和边界鉴定应用中的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微创手术中力传感器的研究现状

1．2．2 微创手术中组织类型和边界鉴定的研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 论文章节安排

1．5 小结

2 穿刺针受力应变分析

2．1 穿刺过程中针尖所受的力

2．1．1 基于针尾力测算的模型

2．1．2 基于实际测量的模型

2．2 针尖受力应变分析

2．2．1 针尖在刚性力作用下的应变

2．2．2 针尖在切割力作用下的应变

2．3 小结

3 光纤力传感器设计

3．1 光纤力传感器设计原理

3．1．1 法布里—珀罗干涉仪

3．1．2 光纤力传感器设计

3．1．3 力传感器的解调方法

3．2 传感器的光链路设计

3．3 传感器封装及其与穿刺针的集成

3．3．1 传感器封装

3．3．2 传感器与穿刺针的集成

3．4 小结

4 光纤力传感器的标定

4．1 传感器标定方法

4．2 标定数据预处理

4．3 标定结果及性能分析

4．4 小结

5 组织类型和边界鉴定

5．1 力信号模式分析方法

5．1．1 信号分析方法

5．1．2 力信号去噪

5．1．3 力信号特征提取

5．2 肝脏穿刺

5．2．1 第一类区域穿刺

5．2．2 第二类区域穿刺

5．2．3 与传统方式获取的力信号对比

5．3 分层组织穿刺

5．4 小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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