用于微创手术探针的光纤力传感器设计

摘要

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。