專利名稱：光學測力元件和顯微手術(shù)器械的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量在三個正交方向X、1、z的力F的顯微手術(shù)器械的光學測力元件，包括在χ-y平面中延伸的底面、z向軸線、圍繞z軸(即z向軸線)的圓柱表面以及與底面相對的適合吸收并傳輸待測量的力F頂面的單體式圓柱形結(jié)構(gòu)(monolithic cylinderstructure)ο
背景技術(shù)：
在微創(chuàng)顯微手術(shù)和治療領(lǐng)域，關(guān)于施加在器械或工具的稍端的接觸力的活體內(nèi)反饋信息(in-vivo feedback information)是外科醫(yī)生為改進其介入手術(shù)的結(jié)果所需的重要參數(shù)。減小的進入條件經(jīng)常影響器械與受到治療的組織或器官之間的相互作用力的感覺，而且所涉及的力在人的感覺閾值以下。應(yīng)用本發(fā)明的具體案例涉及中耳手術(shù)期間的觸診程序，用以估算聽骨鏈(ossicular chain)在鼓室成形術(shù)期間的移動性。關(guān)于聽骨移動性的知識對于決定手術(shù)程序以及改進聽力水平的(疾病的)預(yù)后(prognosis)而言至關(guān)重要。例如，用于估算鐙骨的移動性的顯微手術(shù)工具的典型接觸力小于10mN，在手術(shù)者的觸覺敏感度的閾值之下。目前還沒有用于中耳的三維測力工具。被報導的唯一器械是一種僅沿一個軸向方向進行測量的用于估算鐙骨的工具，如登載于International Journal ofAudiology2006;45:121-128(《國際聽力學雜志》2006年45期的121頁至128頁)上的TakujiKoike 等人的論文“An apparatus for diagnostics of ossicular chain mobility inhumans (用于診斷人的聽骨鏈的移動性的裝置)”所述。另一應(yīng)用本發(fā)明的具體案例涉及用于視網(wǎng)膜顯微手術(shù)的微力感測工具。視網(wǎng)膜顯微手術(shù)要求精細操縱視網(wǎng)膜組織，而且工具與組織的接觸力常常在人的感覺閾值之下。視網(wǎng)膜手術(shù)期間，顯微手術(shù)器械稍端上的典型接觸力小于7.5mN。目前還沒有用于視網(wǎng)膜手術(shù)的三維測力工具。在“International Journalof Computer Assisted Radiology and Surgery” (Int J CARS,《國際輔助放射學與手術(shù)雜志》)2009年4月15日網(wǎng)上出版的Iulian 1rdachita等人的論文“Asub-millimetri, 0.25mN resolution fully integrated fibre-optic force sensingtool for retinal microsurgery (亞毫米的、0.25mN分辨率全一體視網(wǎng)膜顯微手術(shù)的光纖測力工具)”中，報導了一種利用光纖布拉格光柵技術(shù)測量兩個側(cè)向方向上的微力的器械。因此，期望提供一種用于檢測并監(jiān)控顯微手術(shù)器械或工具的稍端與待探測和治療的組織或器官之間的三維接觸力的方法。用于導管應(yīng)用的已被報導的公知系統(tǒng)使用光纖測量技術(shù)，來測量導管的稍端處的接觸力，其中，測力元件被置于接近稍端處。眾所周知，用于導管應(yīng)用的這種顯微手術(shù)器械的測力元件包括單體式圓柱形結(jié)構(gòu)。通過在結(jié)構(gòu)的稍端上施加三維力，結(jié)構(gòu)即因結(jié)構(gòu)上的一組切口而按預(yù)定的方式變形。這些切口限定了幾個彈 性區(qū)，使得結(jié)構(gòu)沿x、y和/或z向上的一些方向呈柔性(可撓曲)。整合至結(jié)構(gòu)中的光纖允許確定結(jié)構(gòu)的單獨部件的位移，該位移與施加到稍端的力成正比。光纖從結(jié)構(gòu)的底部進入結(jié)構(gòu)，并被引入終止于結(jié)構(gòu)的切口之一中的通道內(nèi)。發(fā)自光纖的光被結(jié)構(gòu)上的與光纖端相對的表面逆反射。光進入光纖，并被估算以確定光纖端與反射光的那個表面的距離。在US20080009750中描述了之前公知的用以測量導管的稍端處的接觸力的系統(tǒng)，其涉及一種單體式結(jié)構(gòu)，這種單體式結(jié)構(gòu)設(shè)計上非常復(fù)雜，并需要在制造期間使結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。此外，該結(jié)構(gòu)是一種壁厚為0.5_、總直徑為5_的管。為了制造以及機械穩(wěn)定性的原因，不可縮小該結(jié)構(gòu)的尺寸。在US20090177095中示出具有三個相同的沿中心軸線彼此分隔開的切口的類似的管式結(jié)構(gòu)。每個切口均通過從一側(cè)(這一側(cè)與另兩側(cè)成120°旋轉(zhuǎn)角)進行切削來制成。在這三個切口中的每個切口內(nèi)，一個光纖端用于測量與該光纖端相對的結(jié)構(gòu)的距離。一些光纖在到達其目的地之前，不可避免地會穿過其他切口。光纖的固定非常苛刻。盡管這個結(jié)構(gòu)在每個單獨的切口如前所述的制造期間不得旋轉(zhuǎn)，但在各切口的切削之間卻仍然必須使結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。按要求的精度制造仍然非常昂貴。此外，該結(jié)構(gòu)沿軸向呈剛性，沿徑向呈柔性，所以其僅適合檢測接近于該結(jié)構(gòu)的稍端處的力。在W02009114955中給出另一結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是通過在χ-y平面、x_z平面或y-ζ平面中(這些平面限定所需柔性區(qū))任一個平面中切削限定葉片部的平面制成的。另外，由三個光纖確定切口處的間隙的距離以確定施加的力。這個結(jié)構(gòu)能夠制造得較小，具有小于
2.5mm、介于1.7mm與2mm之間的直徑。不幸的是,該結(jié)構(gòu)在z向上非常大,而且還復(fù)雜,包含7個切口。相同專利申請中示出的其他形式長度較小，并且只包括兩個或四個切口，但是它們被設(shè)計成在垂直于軸線的方向上非常柔軟(柔性過大)。這些結(jié)構(gòu)制造簡單，但是不能用于以上目的，即不能用于中耳手術(shù)或視網(wǎng)膜顯微手術(shù)。這類工具包括位于感測結(jié)構(gòu)的前部的具有稍端的細而長的軸，其中，由于轉(zhuǎn)動慣量，沿垂直于z軸的方向(沿 X向和y向)施加在遠稍端的力對結(jié)構(gòu)的影響，與沿相同方向但在接近于結(jié)構(gòu)處施加的力對結(jié)構(gòu)的影響相比，強5到20倍。此外，為了降低感染的風險，醫(yī)療器械越來越普遍地變成一次性使用的。因此，結(jié)構(gòu)必須盡可能簡單地以低成本制造。所有已知的結(jié)構(gòu)均與導管一起使用，因此被設(shè)計用于側(cè)向力Fx、Fy和軸向力Fz，其中，側(cè)向力施加在結(jié)構(gòu)的接近柔性區(qū)的頂部，與柔性區(qū)的距離不大于結(jié)構(gòu)的直徑d的三倍。這些結(jié)構(gòu)不能用于手術(shù)，手術(shù)中，側(cè)向力被施加到結(jié)構(gòu)的柔性區(qū)的遠端，其中距離D多達結(jié)構(gòu)的直徑d的20倍。已經(jīng)顯示出公知的結(jié)構(gòu)不能通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸而適合這種應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
所要解決的問題是提供一種用于顯微手術(shù)器械的光學測力元件，如本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域部分所述，其制造成本低，并且該結(jié)構(gòu)的z向軸線上的靈敏度比垂直于該軸線的x-y方向上的靈敏度高5到20倍。另一問題是提供一種用于中耳手術(shù)或視網(wǎng)膜顯微手術(shù)的顯微手術(shù)器械，以及用于制造所述元件的方法。感測元件的準確度必須高，且制造成本低。而且，該元件必須具有小直徑d。所述問題是通過下列方式特征解決的:根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種用于顯微手術(shù)器械的光學測力元件，用以測量三個正交方向X、1、Z上的力F ;該光學測力元件包括單體式圓柱形結(jié)構(gòu)，所述單體式圓柱形結(jié)構(gòu)具有在χ-y平面中延伸的底面、z向軸線、圍繞所述z向軸線的圓柱表面、以及與所述底面相對的適合吸收并傳遞待測量的力F的頂面，所述結(jié)構(gòu)的特征在于三個沖孔狀切口 ；所有切口均平行于y向，沿所述Z向軸線分隔開，并且在第一切口與第二切口之間以及第二切口與第三切口之間平行的χ-y表面中準確地形成兩個葉片部，所述結(jié)構(gòu)還包括三個通道；所述通道向所述圓柱表面敞開或封閉并且平行于所述z向軸線，從所述底面延伸到所述頂面并穿過所述第一切口，同時繞過所述結(jié)構(gòu)中的另兩個所述切口，所述測力元件還包括三個光纖；每個所述光纖固定在所述三個通道中的一個通道；所有所述光纖均從所述底面進入所述結(jié)構(gòu)，穿過所述第一切口并且在所述頂面處或靠近所述頂面終止，同時在所述第一切口中被中斷，通過限定出法布里-珀羅干涉腔來建立每個光纖的兩個表面。所述元件中，所述通道均可沿其在所述結(jié)構(gòu)中的長度向所述圓柱表面敞開。 所述元件中，所述光纖可由粘合劑固定在所述通道中。所述元件中，所述結(jié)構(gòu)可為鈦、陶瓷、聚合物、不銹鋼或耐蝕金屬的。所述元件中，所述切口可相對于中間的x-z平面鏡像對稱，而且所述切口根據(jù)中心I軸可具有180°旋轉(zhuǎn)對稱關(guān)系。

所述元件中，所述結(jié)構(gòu)可包含測溫裝置。所述元件中，在中性位置，位于每個被中斷的光纖的所述兩個表面之間的每個法布里-珀羅干涉腔的間隙可介于0.0lmm到0.1mm之間。所述元件中，所述第一切口可具有0.05mm到0.5mm的z向?qū)挾?。所述元件中，所述第一切口可包括機械限位器，用以保護所述光纖和光纖段兩者的端部。所述元件中，所述結(jié)構(gòu)可具有0.5mm到4mm的χ-y方向上的外徑。所述元件中，所述結(jié)構(gòu)可具有0.02mm到0.4mm的葉片部厚度。所述元件中，所述光纖和/或光纖段的表面可涂有半反射涂層。所述元件中，所述結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)可匹配所述光纖和/或光纖段的熱膨脹系數(shù)。所述元件中，光纖段的熱膨脹系數(shù)可匹配所述結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)。所述元件中，所述頂面可包含用于安裝軸的接頭。所述元件可包括沿所述z向軸線的中心通孔。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供一種顯微手術(shù)器械，其包括安裝在殼體中的根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件以及帶有連接器的包含光纖的纜線，其中，所述頂面上安裝有長軸，所述長軸伸出所述殼體之外并具有被限定的稍端。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，提供一種制造本發(fā)明的元件的方法，其中，使具有成0°角的劈開或拋光的光纖端的三個單獨連續(xù)的光纖從所述底面進入所述結(jié)構(gòu)的敞開或封閉的通道，到達所述第一切口 ；并且使具有成0°角的劈開或拋光的光纖端的三個光纖段從所述頂面進入所述通道，到達所述第一切口 ；而且其中，借助相互平行的所述光纖端的表面，并通過在所述光纖端之間限定出所述法布里-珀羅干涉腔，將所述光纖和所述光纖段被固定到所述結(jié)構(gòu)的所述第一切口的兩側(cè)。所述制造方法中，可使三個單獨連續(xù)的光纖從所述底面進入具有所述切口的所述結(jié)構(gòu)的敞開或封閉的通道內(nèi)，經(jīng)過所述第一切口并到達所述頂面或靠近所述頂面；而且其中，三個連續(xù)的光纖首先被在所述第一切口的兩側(cè)固定到所述結(jié)構(gòu)；而且其中，此后在所述第一切口的限定所述法布里-珀羅干涉腔并將所述連續(xù)的光纖分成光纖和光纖段的區(qū)域中，所述光纖優(yōu)選通過激光顯微機加工而被切割。所述方法中，所有三個切口均可通過放電加工(EDM)，通過在相對于所述結(jié)構(gòu)的x-z平面的平移運動期間沿y向切割所述結(jié)構(gòu)而制成。本發(fā)明的基本構(gòu)思是使單體式結(jié)構(gòu)包含有三個切口，所有切口均按照在這些切口之間形成兩個葉片部的方式從相同方向被制成呈沖孔狀；而且該結(jié)構(gòu)包含三個固定在與z軸平行的通道內(nèi)、進入底面并到達或靠近頂面的光纖；然而有光纖的通道僅穿過第一切口，同時繞過結(jié)構(gòu)中的另兩個切口，在第一切口內(nèi)所有光纖具有法布里-珀羅干涉腔(Fabry-Perot cavity)。上述三個切口優(yōu)選通過Wire-EDM (線割放電加工)制成。因為該結(jié)構(gòu)上的切口被設(shè)計成沖孔狀，所以在機加工切口的整個過程期間，該結(jié)構(gòu)不必轉(zhuǎn)動。這樣提高了結(jié)構(gòu)的精密度并降低了制造成本。


以下附圖示出本發(fā)明的多個優(yōu)選實施例:圖1是連接到估算單元的根據(jù)本發(fā)明的顯微手術(shù)器械的示意圖；圖2示出通過根據(jù)本發(fā)明的顯微手術(shù)器械的縱向剖切圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的光學測力元件的立體圖；圖4示出通過根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的光學測力元件的縱向剖切圖；圖5示出圖4的光學測力元件的截面圖；圖6a至圖6c示出三個優(yōu)選形式的帶有光纖的通道。其中，附圖標記說明如下:I光學測力元件2結(jié)構(gòu)，單體式，圓柱形3底面

4圓柱表面5頂面6切口7葉片部8通道9光纖10光纖的表面11光纖段12光纖段的表面
13法布里-珀羅干涉腔，距離，間隙14測溫裝置15機械限位器16接頭17軸18殼體19纜線20連接器21軸的稍端22顯微手術(shù)器械23估算單元24柔性接合件F力w第一 切口的寬度D從結(jié)構(gòu)的中心到軸的稍端的距離d外徑
具體實施例方式參照附圖描述本發(fā)明。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的顯微手術(shù)器械22的示意圖；顯微手術(shù)器械22通過連接器20與纜線19內(nèi)的光纖9，連接到估算單元23 ;估算單元23例如是光電單元，其由用于讀取法布里-拍羅干涉腔(Fabry-Perot-cavity)的間隙長度的白光干涉信號調(diào)節(jié)器(WLI signal conditioner)和用于計算力的向量的微處理器或計算機組成。顯微手術(shù)器械22能夠被外科醫(yī)生手持，或被自動機械手系統(tǒng)控制(自動機械手系統(tǒng)設(shè)在顯微手術(shù)器械的包含光學測力元件I的殼體18上)。顯微手術(shù)器械還包括細長的軸17，軸17具有稍端21，稍端21附接到殼體18中的光學測力元件I。光學測力元件(或稱感測元件)I的中心與軸17的稍端21之間的總距離為長度D。在使用期間，三維力Fxyz被施加在稍端21處，并被記錄在光學測力元件I中。測量信息通過纜線19中的光纖9，并經(jīng)由連接器20而被傳送到估算單元23。如圖2所示，光學測力元件I也可稱為力傳感器元件I或進一步簡稱為傳感器元件1，力傳感器元件I在殼體18中位于伸出殼體18之外的細長軸17之后。力傳感器元件I包括接頭16，軸17牢固地安裝在接頭16上。傳感器元件I的底面3牢固地固定到殼體18 ;然而傳感器元件I的剩余部分和軸17則保持自由，并根據(jù)被施加于稍端21的力的大小和方向而變形。傳感器元件用來測量軸的稍端21處的三維接觸力F，而此稍端21可形成筆直的形狀、45°角鉤狀、或適合手術(shù)的任何其他形狀。傳感器元件I安裝在殼體18內(nèi)，因此針對例如由外科醫(yī)生的手指施加的側(cè)向力，傳感器元件受到良好保護抵抗，并且傳感器元件更容易與流體或任何外部碎片隔離。殼體18與軸17之間安裝有柔性接合件24，用以密閉傳感器元件I和固定到傳感器元件上的光纖9。接合件24可以是橡膠墊圈(O形圈)、或由金屬或合成橡膠材料制成的波紋狀元件。柔性接合件24施加到軸17的力必須比稍端接觸力F小。
在殼體的與接合件24相對的另一端，光纖9離開殼體進入纜線19內(nèi)。在圖3和圖4中示出根據(jù)本發(fā)明的光學測力元件I的不同視圖。力傳感器元件I包括單體式圓柱形結(jié)構(gòu)2 ;單體式圓柱形結(jié)構(gòu)2具有在x-y平面中延伸的底面3、z向軸線、圍繞z軸(即所述z向軸線)的圓柱表面4和與底面3相對的頂面5，頂面5適合吸收并傳遞待測量的力F。頂面5優(yōu)選包含用于安裝軸17的接頭16。典型地，結(jié)構(gòu)2具有0.5mm到4mm的x-y方向上的外徑，并可被機加工成具有通孔或沒有通孔。該結(jié)構(gòu)的特征在于三個沖孔狀切口 6，全部切口平行于y向。這些切口沿z軸分隔開，并在平行的x-y平面中恰好形成兩個葉片部7。第一葉片部7位于第一切口 6與第二切口 6之間，第二葉片部7位于第二切口 6與第三切口 6之間。所有切口 6均為沖孔狀并且平行，使得它們看起來是由在多個x-z平面中延伸并沿y向穿過結(jié)構(gòu)2前進的多個沖孔形成的。典型地，葉片部7的z向厚度為0.02mm至0.4mm。在優(yōu)選實施例中，這些切口 6相對于中間的x-z平面鏡像對稱，而且這些切口根據(jù)中心I軸具有180°旋轉(zhuǎn)對稱關(guān)系·。第一切口 6和第三切口 6是沿X向和-X向形成的彼此平行的長開口 ；第一切口6和第三切口優(yōu)選沿X向和-X向具有相等的長度，相互重疊，并且具有相等的0.05mm到
0.5mm的z向?qū)挾萕。第二切口 6是一個位于結(jié)構(gòu)2的中心處的通孔。沿著x向,第二切口優(yōu)選在第一切口和第二切口的重疊區(qū)域上延伸，而沿著z向，第二切口幾乎在第一切口 6與第三切口 6之間的整個區(qū)域上延伸，只留下兩個薄的葉片部7。優(yōu)選地，重疊區(qū)域的寬度、且因此第二切口 6的X向?qū)挾戎辽偈墙Y(jié)構(gòu)2的直徑d的三分之一。第一切口 6和第三切口的延伸部分在X向上的剩余結(jié)構(gòu)相對地薄，而且當在軸的稍端21處施加側(cè)向力時，允許沿X向和I向彎曲。兩個平行的薄葉片部7使結(jié)構(gòu)2沿Z向呈柔性，而沿X向和y向呈剛性?？紤]在稍端21處沿X向和y向的作用力Fyx的影響因結(jié)構(gòu)的杠桿力的作用而被放大，而力Fz的影響卻沒有被放大，在所有三個方向(X向、y向和z向)上結(jié)構(gòu)變形形式的效應(yīng)是可比較的。結(jié)構(gòu)2還包括三個通道8 ;這三個通道8向圓柱表面4敞開或封閉，并平行于z軸。這些通道從底面3延伸至頂面5或者靠近頂面5，并且只穿過第一切口 6，而繞過結(jié)構(gòu)2內(nèi)的另兩個切口 6。測力元件I還包括三個光纖9，每個光纖9固定在三個通道8中的一個通道中。所有這些光纖9均從底面3進入結(jié)構(gòu)2，穿過第一切口 6并終止于或靠近頂面5，同時在限定光纖段11的第一切口 6中被中斷。在被中斷處，光纖9和光纖段11通過限定法布里-珀羅干涉腔13，建立起兩個平行的表面10、12。這兩個表面10、12是通過成0°角劈開、拋光或激光切割光纖端而獲得的。通道8用來使光纖9與光纖段11精確地對齊以形成腔13。如圖所示，第一切口 6可以是最靠近底面3的切口，或者也可以是最靠近結(jié)構(gòu)2的頂面5的切口。光纖段11和光纖9優(yōu)選由粘合劑固定在通道8中，位于法布里-珀羅干涉腔的兩側(cè)。這種力傳感器元件I適合在顯微手術(shù)器械22中用于測量力F沿三個正交方向X、
1、z的分量，尤其當力被遠距離地施加到感測元件時。優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)2是鈦、陶瓷、聚合物、不銹鋼或耐蝕金屬的。此外，結(jié)構(gòu)2的熱膨脹系數(shù)(TCE)應(yīng)盡可能地接近于光纖9和/或光纖段11的TCE，以降低對溫度變化的靈敏度。因為商用光纖由TCE非常低的熔融石英材料制成，所以為了降低溫度靈敏度，光纖段11可由TCE接近于結(jié)構(gòu)材料的TCE的不同材料制成。如果期望的話，結(jié)構(gòu)2可還包括測溫裝置14，以便為可能的校正的需要而監(jiān)控溫度。為了改善光的傳送，每個光纖在法布里-珀羅干涉腔13處的兩個表面10、12可涂有半反射涂層。干涉腔13的長度隨著柔性結(jié)構(gòu)因施加在軸的稍端處的力產(chǎn)生彈性變形而變化。在中性位置(neutral position),每個法布里-拍羅干涉腔13的處于光纖9的表面10與光纖段11的表面12之間的間隙長度典型地介于0.0lmm到0.1mm之間。腔的長度使用光學干涉測量法來測量，具體地，使用所謂的白光干涉(WLI)測量法(利用例如加拿大的FISO公司的信號調(diào)節(jié)器)來測量。最后，基于公知的校準程序計算力，其中，由光學腔的三個長度和校準矩陣來出計算力向量的大小和方向。為了防止光纖端10、12因過載導致這兩個光纖端機械接觸而破壞，第一切口 6可包括機械限位器15。當軸向力Fz施加到結(jié)構(gòu)2時，兩個葉片部7彎曲，導致結(jié)構(gòu)的平行于軸向的平移，使得所有的法布里-珀羅干涉腔經(jīng)受相同的長度改變。另一方面，當側(cè)向力Fxy施加到軸17的稍端21時，因為稍端21與結(jié)構(gòu)2之間相對長的距離，由于轉(zhuǎn)動慣量或轉(zhuǎn)矩大，所以整個結(jié)構(gòu)趨向于在兩個葉片部7的高度(level)以及由第一側(cè)向切口 6和第三側(cè)向切口 6產(chǎn)生的兩個撓曲部的高度產(chǎn)生側(cè)向彎曲。在此情況下，3個腔根據(jù)其位置和所施加的側(cè)向力的方向而經(jīng)受不同的改變。 結(jié)構(gòu)2適用于在距感測元件I的中心長距離D處施加的力。比值R=D/d典型地在5與20之間，其中，D是稍端21與感測元件I的中心之間的距離,而d是結(jié)構(gòu)2的直徑。本發(fā)明的主要優(yōu)點在于，根據(jù)本發(fā)明的元件I容易制造，根據(jù)本發(fā)明的元件I允許小尺寸的長度和直徑d，根據(jù)本發(fā)明的元件I能夠在有或沒有通孔的條件下制造，根據(jù)本發(fā)明的元件I能夠被安裝成遠離稍端21，而且因為光纖9和光纖段11均沿凹槽和孔(除了具有第一切口 6的柔性區(qū)之外)固定到結(jié)構(gòu)2中，所以根據(jù)本發(fā)明的元件I顯示出對溫度膨脹(temperature dilatation)只有非常小的影響。柱體結(jié)構(gòu)2的底面3及其任一橫截面均可呈圓形、正方形或任何其他形狀。如圖5所示，通過在x-y平面的中心剖切所述結(jié)構(gòu)，能夠在結(jié)構(gòu)2內(nèi)看到靠近第二切口 6處的帶有光纖的三個通道8?？赏ㄟ^選擇每個通道8在結(jié)構(gòu)2內(nèi)的位置，來優(yōu)化單個間隙長度因施加的力而產(chǎn)生的有效改變。如圖6a、圖6b和圖6c所示，光纖9可固定在不同種類的通道8中。在圖6a中，通道作為平行于結(jié)構(gòu)2的圓柱表面4的封閉通孔，是封閉的；而在圖6b和圖6c中，通道8向著圓柱表面4敞開。光纖可放置在圖6b所不的側(cè)向間隙通孔中，或圖6c所不的開口側(cè)向凹槽中。開口側(cè)向凹槽的優(yōu)點是在組裝期間，易于將光纖插入通道8，而且制造工藝簡易。光纖9和光纖段11例如利用環(huán)氧樹脂或UV固化粘合劑，而被固定在通道8內(nèi)。光纖9和光纖段11也可被釬焊或機械夾持就位。光學測力元件I能夠制造成小至足以裝配在典型的顯微手術(shù)器械22的把手中，典型地外徑d介于Imm與4_之間，并且能夠精確地測量在細長軸17的遠稍端21處施加的接觸力F。
手術(shù)器械22的典型的軸17的長度約為40mm，其對應(yīng)于感測元件I與軸17的稍端21 (接觸力F施加在稍端21處)之間的有效距離。對于手持器械22而言，把手典型地長為IOcm到15cm，直徑d為5mm。這些尺寸允許手術(shù)者舒適地手持并具有工具的精確度，而且在難以進入的小孔口中與顯微鏡一起工作時，例如在中耳手術(shù)或視網(wǎng)膜顯微手術(shù)的情況下，也具有工具軸和稍端的良好可視性。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)2的主要優(yōu)點在于，其僅沿一個方向進行機加工，這使得制造容易且廉價。不需要管狀結(jié)構(gòu)。光纖不但固定在結(jié)構(gòu)2的表面上或靠近結(jié)構(gòu)2的表面，而且處于結(jié)構(gòu)2的外形內(nèi)。柔性的結(jié)構(gòu)2優(yōu)選通過轉(zhuǎn)動(車削)或通過放電加工(EDM)來制造，或者通過轉(zhuǎn)動(車削)與通過放電加工二者的組合來制造。結(jié)構(gòu)2也可通過激光切割或鋸削來制造，或通過組合方式來制造。所述結(jié)構(gòu)可以是金屬材料、陶瓷或聚合物的。優(yōu)選地選擇鈦或不銹鋼。為了生產(chǎn)光學測力元件1，使三個光纖9 (這些光纖具有成0°角的劈開或拋光的光纖端10)從底面3進入結(jié)構(gòu)2的敞開或封閉的通道8，到達第一切口 6 ;并使三個光纖段11 (光纖段11具有成0°角的劈開或拋光的光纖端12)從頂面5進入通道8，到達第一切口 6。六個光纖/光纖段9、11固定到結(jié)構(gòu)2的第一切口 6的兩側(cè)，限定出具有相互平行的光纖端10、12表面的法布里-珀羅干涉腔13。在其他實施例中，為了生產(chǎn)光學測力元件1，使三個單獨連續(xù)的光纖9從頂面3進入具有切口 6的結(jié)構(gòu)2的敞開或封閉的通道8內(nèi)，經(jīng)過第一切口并到達頂面5或靠近頂面
5。這三個連續(xù)的光纖 9固定到結(jié)構(gòu)2的第一切口 6的兩側(cè)。隨后，在第一切口 6的一區(qū)域內(nèi)對光纖9進行激光切割，第一切口 6的該區(qū)域限定法布里-珀羅干涉腔13并將連續(xù)的光纖9分隔成光纖9和光纖段11。典型地，當例如借助于FISO信號調(diào)節(jié)器使用白光干涉儀時，為讀取法布里-珀羅干涉腔的長度13，柔性結(jié)構(gòu)2被設(shè)計成使得對于在稍端處沿任何方向施加的最大力F，腔13的變形量處于I μ mm到10 μ m的量級。施加的最大的力取決于期望的工具的應(yīng)用；施加的最大的力在中耳手術(shù)觸診程序中處于IN的量級，而在視網(wǎng)膜手術(shù)中處于0.1N的量級。
權(quán)利要求
1.用于顯微手術(shù)器械(22)的光學測力元件，用以測量三個正交方向x、y、z上的力F，該光學測力元件包括單體式圓柱形結(jié)構(gòu)(1)，所述單體式圓柱形結(jié)構(gòu)具有在χ-y平面中延伸的底面(3)、z向軸線、圍繞所述z向軸線的圓柱表面(4)、以及與所述底面(3)相對的適合吸收并傳遞待測量的力F的頂面(5)，所述結(jié)構(gòu)的特征在于三個沖孔狀切口(6);所有切口均平行于I向，沿所述z向軸線分隔開，并且在第一切口(6)與第二切口(6)之間的以及第二切口(6)與第三切口(6)之間的平行的x-y表面中準確地形成兩個葉片部(7)，所述結(jié)構(gòu)還包括三個通道(8);所述通道向所述圓柱表面(4)敞開或封閉并且平行于所述z向軸線，從所述底面(3)延伸到所述頂面(5)并穿過所述第一切口(6)，同時繞過所述結(jié)構(gòu)(2)中的另兩個所述切口(6)，所述測力元件還包括三個光纖(9);每個所述光纖固定在所述三個通道(8)中的一個通道中；所有所述光纖(9)均從所述底面(3)進入所述結(jié)構(gòu)(2)，穿過所述第一切口并且在所述頂面(5)處 或靠近所述頂面(5)終止，同時在所述第一切口(6)中被中斷，通過限定法布里-珀羅干涉腔(13)來建立每個光纖的兩個表面(10、12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述通道(8)均沿其在所述結(jié)構(gòu)(2)中的長度向所述圓柱表面(4)敞開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的元件，其中，所述光纖(9)由粘合劑固定在所述通道(8)中。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述結(jié)構(gòu)(2)是鈦、陶瓷、聚合物、不銹鋼或耐蝕金屬的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述切口(6)相對于中間的x-z平面鏡像對稱，而且所述切口根據(jù)中心I軸具有180°旋轉(zhuǎn)對稱關(guān)系。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述結(jié)構(gòu)(2)包含測溫裝置(14)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，在中性位置，位于每個被中斷的光纖(9)的所述兩個表面(10、12)之間的每個法布里-珀羅干涉腔(13)的間隙介于0.0lmm到0.1mm之間。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述第一切口(6)具有0.05mm到0.5mm的z向?qū)挾取?br> 9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述第一切口(6)包括機械限位器(15)，用以保護所述光纖(9)和光纖段(11)兩者的端部(10、12)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述結(jié)構(gòu)(2)具有0.5mm到4mm的χ-y方向上的外徑。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述結(jié)構(gòu)(2)具有0.02mm到0.4mm的葉片部厚度。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所 述的元件，其中，所述光纖(9)和/或光纖段(11)的表面(10、12)涂有半反射涂層。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述結(jié)構(gòu)(2)的熱膨脹系數(shù)匹配所述光纖(9)和/或光纖段(11)的熱膨脹系數(shù)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，光纖段(11)的熱膨脹系數(shù)匹配所述結(jié)構(gòu)(2)的熱膨脹系數(shù)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，其中，所述頂面(5)包含用于安裝軸(17)的接頭(16)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件，包括沿所述z向軸線的中心通孔。
17.顯微手術(shù)器械，包括安裝在殼體(18)中的根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的元件(I)以及帶有連接器(20)的包含光纖(9)的纜線(19)，其中，所述頂面(5)上安裝有長軸(17)，所述長軸伸出所述殼體(18)之外并具有被限定的稍端(21)。
18.制造根據(jù)權(quán)利要求1至16之一所述的元件(I)的方法，其中，具有成0°角的劈開或拋光的光纖端(10)的三個單獨連續(xù)的光纖(9)從所述底面(3)進入所述結(jié)構(gòu)(2)的敞開或封閉的通道(8)，到達所述第一切口(6);并且具有成0°角的劈開或拋光的光纖端(12)的三個光纖段(11)從所述頂面(5)進入所述通道(8)，到達所述第一切口(6);而且其中，借助相互平行的光纖端的表面(10、12)，并通過在所述光纖端(10、12)之間限定所述法布里-珀羅干涉腔(13)，所述光纖(9)和所述光纖段(11)被固定到所述結(jié)構(gòu)(2)的第一切口(6)的兩側(cè)。
19.制造根據(jù)權(quán)利要求1至16之一所述的元件(I)的方法，其中，三個單獨連續(xù)的光纖(9)從所述底面(3)進入具有所述切口(6)的所述結(jié)構(gòu)(2)的敞開或封閉的通道(8)內(nèi)，經(jīng)過所述第一切口(6)并到達所述頂面或靠近所述頂面(5);而且其中，三個連續(xù)的光纖(9)首先被在所述第一切口(6)的兩側(cè)固定到所述結(jié)構(gòu)(2);而且其中，此后在所述第一切口(6)的限定所述法布里-珀羅干涉腔(13)并將所述連續(xù)的光纖(9)分成光纖(9)和光纖段(11)的區(qū)域中，所述光纖(9)優(yōu)選通過激光顯微機加工而被切割。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其中，所有三個切口(6)均通過放電加工，通過在x-z平面中相對于所述結(jié)構(gòu)(2)的 平移運動期間沿I向切割所述結(jié)構(gòu)(2)而制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學測力元件和顯微手術(shù)器械，該用于顯微手術(shù)器械(22)的光學測力元件測量三個正交方向x、y、z上的力F并包括具有圓柱表面(4)、頂面(5)及沖孔狀切口(6)的單體式圓柱形結(jié)構(gòu)(1)。所有切口平行于y向，沿z軸分開并在這些切口間形成兩個葉片部(7)。該結(jié)構(gòu)還包括從底面延伸到頂面并穿過一個切口、而繞過另兩個切口的三個通道(8)。測力元件還包括固定在通道(8)中的三個光纖(9)，所有光纖從底面(3)進入結(jié)構(gòu)(2)，穿過第一切口并終止于或靠近頂面(5)，同時在第一切口中被中斷，通過限定法布里-珀羅干涉腔(13)來建立每個光纖的兩個表面(10、12)。本發(fā)明還涉及包括這種元件的顯微手術(shù)器械以及制造這種元件的方法。
文檔編號A61B5/22GK103239241SQ20121022356
公開日2013年8月14日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者阿克塞爾·貝特霍爾德斯, 佩爾·略薩斯, 西蒙·赫內(nèi)恩 申請人:森斯奧普蒂克股份公司