光學(xué)力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種力傳感器(10)，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、12)及多個(gè)光纖(13)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件是間隔開的，從而限定兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的間隙(101)，并且兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接至彼此，多個(gè)光纖固定至結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且多個(gè)光纖自由地懸置在間隙中。光纖構(gòu)造成響應(yīng)于兩個(gè)構(gòu)件之間的在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的相對(duì)位置中的變化而提供能檢測的光學(xué)特性中的變化。所述多個(gè)光纖(13)中的每個(gè)均固定至兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件并且在所述構(gòu)件之間是連續(xù)的，以使兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接至彼此。多個(gè)光纖基本上是在兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、12)之間形成連接的僅有的結(jié)構(gòu)，使得多個(gè)光纖的布置基本上限定兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的硬度，該硬度主要地，諸如至少95％，由多個(gè)光纖確定。
【專利說明】光學(xué)力傳感器
[0001]本發(fā)明涉及一種力傳感器，該力傳感器能夠根據(jù)一個(gè)或多個(gè)方向測量施加于其上的力和/或力矩。使用光纖，當(dāng)力作用在傳感器上時(shí)，這些光纖張緊且這些光纖構(gòu)造成響應(yīng)于張力而提供可檢測光學(xué)特性上的變化。特別地，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器構(gòu)造成在微創(chuàng)手術(shù)中使用，諸如用于測量作用于導(dǎo)管的遠(yuǎn)端處的力。
[0002]現(xiàn)在，外科手術(shù)的趨勢是在患者體內(nèi)以微創(chuàng)的方式進(jìn)行操作，以便減少外傷和可能的并發(fā)癥。在胃腸病學(xué)中，內(nèi)窺鏡的使用允許外科醫(yī)生在消化系統(tǒng)內(nèi)部使用一組醫(yī)療工具(刀、針等)進(jìn)行工作。
[0003]當(dāng)使用內(nèi)窺鏡時(shí)，操縱驅(qū)動(dòng)任何醫(yī)療工具的導(dǎo)管會(huì)受到寄生力的作用，諸如導(dǎo)管與內(nèi)窺鏡之間的摩擦力、由于導(dǎo)管及醫(yī)療工具本體的曲率的改變而引起的彈力。因此，外科醫(yī)生通過導(dǎo)管感覺到的力并不是由工具在患者身體上施加的力。因此，需要一種測力系統(tǒng)，以便反饋由醫(yī)療工具在患者身體上施加的力。這需要在工具上盡可能遠(yuǎn)地測量該力。
[0004]為了這個(gè)目的，從WO 2009/007857中已知一種力傳感器，該力傳感器包括兩個(gè)基部部分以及三個(gè)一組的應(yīng)變感測(應(yīng)變傳感)元件，該兩個(gè)基部部分通過一個(gè)或多個(gè)隔開構(gòu)件間隔開。應(yīng)變感測元件可包括密封在基部部分中的光纖，并且限定光纖的傳輸部分與接收元件之間的干涉間隙，該干涉間隙可用作非本征型法布里-珀羅(Fabry-Pe1t)干涉儀(光纖不被壓迫)。
[0005]隔開構(gòu)件可采用不同的形狀并用于基部部分之間的(弱)連接的目的，使得當(dāng)力作用在基部部分中的一個(gè)上時(shí)，改變干涉間隙并可執(zhí)行測量。隔開構(gòu)件所具有的熱膨脹系數(shù)與應(yīng)變感測元件的熱膨脹系數(shù)類似，以使對(duì)于整體溫度變化的測量不敏感，并且該隔開構(gòu)件可由相同的材料制成。然而，提供與光纖相同或相似材料且具有期望形狀的隔開構(gòu)件可能是困難和/或昂貴的。
[0006]與圖17至圖21相關(guān)，WO 2010/079418描述了上文類型的另一種力傳感器，該力傳感器包括由通過彎曲部分而彼此連接的段所限定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該彎曲部分在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中限定間隙的串聯(lián)布置。多個(gè)光纖附接至這些段，并且該多個(gè)光纖包括法布里-珀羅應(yīng)變傳感器或布拉格光柵應(yīng)變傳感器，以測量這些段之間的距離的變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過作用于其上的力而變形時(shí)，光纖被張緊，這可通過改變反射光的波長的應(yīng)變傳感器來感測。
[0007]這種力傳感器所具有的優(yōu)點(diǎn)為其可制造成非常小，具有幾毫米數(shù)量級(jí)的代表性尺寸，使得這種力傳感器可包含在導(dǎo)管的遠(yuǎn)端處并且在沒有任何問題的前提下插入穿過內(nèi)窺鏡的內(nèi)腔。
[0008]然而，一個(gè)缺點(diǎn)在于，光纖相對(duì)于每個(gè)光纖的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有不同的桿臂，這會(huì)使力測量變得復(fù)雜。此外，傳感器具有受限的尺寸，小于該受限的尺寸，則結(jié)構(gòu)構(gòu)件不存在合適的硬度以在微創(chuàng)手術(shù)中測量一般的力。
[0009]上文的力傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，考慮到小尺寸，這些力傳感器相對(duì)難以制造，并因此其制造是昂貴的。
[0010]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在微創(chuàng)手術(shù)中使用的力傳感器，該力傳感器克服了現(xiàn)有技術(shù)的力傳感器的缺點(diǎn)。
[0011]特別地，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種上文的類型的力傳感器，該力傳感器在多個(gè)預(yù)定的自由度中非常靈敏。
[0012]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種上文的類型的力傳感器，該力傳感器具有簡單的結(jié)構(gòu)且易于制造并因此是成本有效的。
[0013]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種上文的類型的力傳感器，該力傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的所需硬度基本上不會(huì)限制該傳感器的總尺寸。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，因此提供了一種如在所附權(quán)利要求中陳述的力傳感器。本發(fā)明的力傳感器包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及多個(gè)光纖。結(jié)構(gòu)構(gòu)件是間隔開的，從而在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間限定間隙，并且結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接至彼此。該多個(gè)光纖固定至結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并且該多個(gè)光纖自由地懸置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的間隙中。該光纖中的至少兩個(gè)構(gòu)造成響應(yīng)于兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的相對(duì)位置中的變化而提供能檢測的光學(xué)特性中的變化。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述多個(gè)光纖中的每個(gè)均固定至兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并且所述多個(gè)光纖中的每個(gè)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間是連續(xù)的，以使兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接至彼此。固定至兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件且橋接兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的間隙的光纖有利地至少有三個(gè)(有利地，至少有四個(gè))。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該多個(gè)光纖基本上是在兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間形成連接的僅有的結(jié)構(gòu)。這意味著，該多個(gè)光纖的組件(即，自由懸置部的數(shù)量、布置、尺寸和長度)基本上限定兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的硬度，該硬度主要地，諸如至少95%，由該多個(gè)光纖來確定。
[0016]因此，與現(xiàn)有技術(shù)(其中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過除了光纖之外的其他裝置而附接至彼此)不同，在本發(fā)明的力傳感器中，光纖不僅確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接的硬度而且用于執(zhí)行測量。因此，減小了力傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并由此降低了成本，然而可提高測量精度。
[0017]在從屬權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的其他有利方面。
[0018]現(xiàn)將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的各方面，在附圖中:
[0019]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的立體圖；
[0020]圖2示出了圖1中的力傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；
[0021]圖3示出了流體輸送導(dǎo)管的端部處的中空針的組件的立體圖，圖1中的力傳感器安裝至該流體輸送導(dǎo)管；
[0022]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的另一實(shí)施方式的立體圖；
[0023]圖5A示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的又一實(shí)施方式的立體圖；圖5B示意性地示出了施加于傳感器(工具)的末端上的力以及出現(xiàn)在圖5A中的力傳感器內(nèi)的彎矩(bending moment)；
[0024]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的又一實(shí)施方式的具有局部截面的立體圖；
[0025]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的透視圖，該力傳感器與圖1中的傳感器相比在構(gòu)造上稍有改變；
[0026]圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的另一實(shí)施方式的分解圖；圖88示出了圖7中所組裝的力傳感器的立體圖；
[0027]圖9示出了用于操作根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的光纖的方案；
[0028]圖10示出了用于針對(duì)圖3的情況評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接的硬度的方案。
[0029]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的所組裝的力傳感器。力傳感器10包括(至少)兩個(gè)單獨(dú)的且間隔開的構(gòu)件11和12。構(gòu)件11與構(gòu)件12之間的間距限定二者之間的間隙101。有利地，構(gòu)件11與構(gòu)件12僅通過多個(gè)光纖13而保持在一距離處，該多個(gè)光纖在構(gòu)件11與構(gòu)件12之間延伸并由此橋接間隙101。每個(gè)光纖13均固定至兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11和12，并且每個(gè)光纖均自由地懸置在該兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間。
[0030]構(gòu)件11和12用于結(jié)構(gòu)目的，這是因?yàn)榱⒆饔迷谶@些構(gòu)件中的一個(gè)上。這些構(gòu)件有利地設(shè)計(jì)成理想剛性的，這樣使得這些構(gòu)件在傳感器10設(shè)計(jì)成測量的力的范圍下基本上不變形。根據(jù)本發(fā)明，作用在構(gòu)件11、12中的一個(gè)上的力將在這兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11與12之間產(chǎn)生相對(duì)位移。因?yàn)楣饫w固定至兩個(gè)構(gòu)件11和12，所以該位移將使光纖13在與構(gòu)件11和12的附接點(diǎn)之間張緊。通過在那些附接點(diǎn)之間的光纖13中或沿著這些光纖提供應(yīng)變檢測裝置，則可進(jìn)行可與力相關(guān)的應(yīng)變測量。
[0031]因此，為了在力測量中提供高精確度，構(gòu)件11和12有利地制造成與幾何約束所允許的一樣的剛性。
[0032]根據(jù)本發(fā)明，只有光纖13在兩個(gè)構(gòu)件11與12之間提供實(shí)質(zhì)的連接。有利地，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的間隙101沿著結(jié)構(gòu)構(gòu)件11和12的整個(gè)周邊延伸，或者換句話說，構(gòu)件11、12貫穿其(重疊的)截面區(qū)域而間隔開。應(yīng)及時(shí)指出的是，這可僅應(yīng)用于那些自由度，傳感器沿著那些自由度構(gòu)造以執(zhí)行測量。根據(jù)本發(fā)明的力傳感器可構(gòu)造成沿著或圍繞一些但并非所有的運(yùn)動(dòng)軸線而測量力。此外，可在構(gòu)件11與構(gòu)件12之間提供適當(dāng)?shù)臋C(jī)械約束，以用于防止結(jié)構(gòu)元件之間沿著或圍繞那些將傳感器不構(gòu)造成用于執(zhí)行測量的軸線而產(chǎn)生的相對(duì)變形。因此，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器可具有小于六個(gè)自由度，并且不可將力測量構(gòu)造成用于所有自由度。
[0033]傳感器在測量方向上的整體剛度主要地且有利地為基本完全地歸因于光纖13。因此，可制造這樣的力傳感器，該力傳感器可為非常靈敏的，并且該力傳感器可提供非常精確的測量。此外，不提供特別弱的或可變形的結(jié)構(gòu)，這樣使得本發(fā)明的傳感器具有簡單的構(gòu)造并因此易于制造。
[0034]因此，根據(jù)本發(fā)明，光纖13的自由懸置部在構(gòu)件11與構(gòu)件12之間的長度131連同光纖13的數(shù)量、尺寸和布置一起，將在很大程度上確定力傳感器的兩個(gè)構(gòu)件11與12之間的連接在那些自由度中的剛度，力傳感器設(shè)計(jì)成根據(jù)那些自由度測量力。構(gòu)件11與12之間的連接沿著構(gòu)造用于力測量的那些自由度的剛度主要地(并且有利地至少95%，有利地至少97.5%，有利地至少99%，有利地至少99.9% )由光纖13的布置所確定。上文的剛度與兩個(gè)構(gòu)件11與12之間的連接的硬度相關(guān)。
[0035]固定至兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11，12且在其之間連續(xù)延伸的光纖13的數(shù)量至少是兩個(gè)，有利地至少是三個(gè)，有利地至少是四個(gè)。
[0036]為了避免兩個(gè)構(gòu)件11與12之間的連接過弱，光纖13的數(shù)量、尺寸和布置應(yīng)選擇成使得，在傳感器的力的可操作范圍內(nèi)，光纖基本上不偏轉(zhuǎn)并且不會(huì)出現(xiàn)光纖的翹曲?？赡芴峁┚哂斜Ｗo(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)或兩個(gè)構(gòu)件，以用于防止光纖過度變形(彎曲，翹曲)，甚至防止在誤用或過大的力的情況下出現(xiàn)破裂。
[0037]因此，構(gòu)件11和12有利地為剛性的并且可采用任何形狀。有利地，如圖2所示，這些構(gòu)件包括柱形外表面121，該柱形外表面設(shè)置有可能軸向的凹槽122，光纖配合在凹槽中，并且其中這些光纖是固定的。其他附接光纖的方式，諸如通過將該光纖密封在構(gòu)件中的孔中、通過夾緊等也是可能的。
[0038]構(gòu)件11、12可由任意適于期望用途的的材料制成，例如，生物相容材料:聚合物、金屬或陶瓷。這些構(gòu)件可通過傳統(tǒng)的機(jī)加工、激光加工、顯微注射、放電加工、化學(xué)加工、快速成型、擠出等方式來制造。
[0039]當(dāng)在圖1所示的構(gòu)造中使用時(shí)，構(gòu)件11將是最遠(yuǎn)的一個(gè)構(gòu)件并且其可布置成連接至醫(yī)療工具(諸如針、刀等)，待測量的作用力位于該醫(yī)療工具上。構(gòu)件12進(jìn)而將是最近的一個(gè)構(gòu)件并且其可布置成連接至連接體，以用于對(duì)例如內(nèi)窺鏡組件的近端提供連接。
[0040]取決于應(yīng)用，構(gòu)件11、12可呈現(xiàn)特定的特征(諸如孔、凹口等)，以便實(shí)現(xiàn)特殊功能。通過實(shí)例的方式，圖1至圖2中的構(gòu)件11、12設(shè)置有同軸的通孔123，這些通孔布置成用于通過近端與醫(yī)療工具(組件的遠(yuǎn)端)之間的管或其他管道。該管可用于注射流體和/或用于使線纜穿過。
[0041]根據(jù)本發(fā)明，光纖13在構(gòu)件11、12之間延伸，并且該光纖固定至這兩個(gè)構(gòu)件?？捎帽绢I(lǐng)域內(nèi)已知的任何裝置來進(jìn)行固定，諸如焊接頭、粘合劑、環(huán)氧樹脂密封件、夾具和螺紋件、卡扣等等。有利地，光纖13在近端構(gòu)件12的近端側(cè)124處進(jìn)一步延伸，這可允許將光纖13連接至控制單元，以用于如本領(lǐng)域內(nèi)已知的通過光纖發(fā)送和接收光。
[0042]多個(gè)以及可能所有光纖13構(gòu)造成響應(yīng)于自由懸置部分131中的應(yīng)變的變化而提供可檢測光學(xué)特性的變化。在能夠轉(zhuǎn)換可檢測光學(xué)信號(hào)中的應(yīng)變的光纖中或在該光纖處的任何設(shè)備或裝置132 (在下文中被稱為光學(xué)應(yīng)變檢測裝置)能夠在本發(fā)明中使用。通過實(shí)例的方式，這種光學(xué)應(yīng)變檢測裝置可為光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵、本征型法布里珀羅干涉儀、邁克爾遜干涉儀、布里淵散射以及強(qiáng)度干涉儀中的一個(gè)或組合。多個(gè)這種光學(xué)應(yīng)變檢測裝置可設(shè)置在單個(gè)光纖上的相同或不同位置處。為了增強(qiáng)傳感器輸出，不同的光纖可設(shè)置有不同的上述裝置?？赡艿?，應(yīng)變檢測裝置可構(gòu)造成利用結(jié)構(gòu)慢/快光、非線性相移增強(qiáng)或光的無序傳播。
[0043]有利地，力傳感器10包括在光纖的應(yīng)變檢測中的冗余信息。因此，力傳感器10優(yōu)選地包括裝配有應(yīng)變檢測裝置132的多個(gè)光纖13，這樣使得對(duì)于將傳感器10構(gòu)造用于測量力的每個(gè)自由度而言，至少兩個(gè)(有利地至少三個(gè))光纖13提供響應(yīng)。有利地，對(duì)于將傳感器10構(gòu)造用于測量力的每個(gè)自由度而言，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器包括與在技術(shù)上所需的用于執(zhí)行力測量的最小數(shù)量相比更多的具有應(yīng)變檢測裝置132的光纖13，該光纖有利地至少多于一個(gè)，有利地至少多于兩個(gè)。將方便地指出，一些光纖13可用于根據(jù)多個(gè)自由度的力測量。
[0044]因此，根據(jù)待測量力的一自由度的兩個(gè)構(gòu)件11與12之間的每個(gè)相對(duì)位移將有利地引起至少兩個(gè)(優(yōu)選地至少三個(gè)，優(yōu)選地至少四個(gè))光纖13中的可檢測的變化。這會(huì)引起所有光纖中的可檢測的變化。
[0045]本發(fā)明的力傳感器可設(shè)計(jì)成根據(jù)平移自由度和旋轉(zhuǎn)自由度兩者執(zhí)行力測量。有利地，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器構(gòu)造成用于至少在沿著兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的公共軸線14(中央線)的方向上執(zhí)行力測量，對(duì)應(yīng)于沿著軸線14的平移自由度。
[0046]可能地，盡管不是必須地，光纖13布置成平行于傳感器10的軸向定向。這些光纖有利地以規(guī)則的間隔設(shè)置，諸如設(shè)置在等邊多邊形的頂點(diǎn)處。
[0047]傳感器的軸向定向?qū)?yīng)于兩個(gè)構(gòu)件11、12的公共軸線14，在一般情況下，該傳感器的軸向定向?qū)?yīng)于近端-遠(yuǎn)端定向。
[0048]通過實(shí)例的方式，圖1示出了力傳感器10，該力傳感器包括八個(gè)平行的光纖13，這些光纖沿著傳感器10的軸線14定向，并且這些光纖規(guī)則地布置在八邊形的頂點(diǎn)處。這些光纖13的至少一部分(有利地為這些光纖的全部)可包括應(yīng)變檢測裝置132，該應(yīng)變檢測裝置構(gòu)造成如上文指出地響應(yīng)于光纖的自由懸置部分的應(yīng)變而提供可檢測光學(xué)特性的變化。
[0049]在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中可使用多種類型的光纖，諸如單模式和多模式二氧化硅和聚合物光纖、偏振保持光纖、光子晶體光纖、微結(jié)構(gòu)光纖或甚至硫族化物光纖。這些光纖可包括如本領(lǐng)域內(nèi)已知的芯部以及可能的保護(hù)殼。
[0050]如將說明的，兩個(gè)構(gòu)件11與12之間的連接可能不通過光纖13而存在，諸如通過穿過兩個(gè)構(gòu)件的開口 123并附接至該兩個(gè)構(gòu)件的管子。然而，這種連接應(yīng)是足夠彈性的，這樣使得構(gòu)件11與構(gòu)件12之間沿著構(gòu)造成用于力測量的那些自由度的連接的剛度基本上不受影響并保持主要?dú)w因于如上文指出的光纖。
[0051]因此，應(yīng)根據(jù)傳感器的規(guī)格來選擇自由懸置部分131的長度、懸置在構(gòu)件之間的光纖的尺寸和數(shù)量以及該光纖的布置。
[0052]有利地，(在光纖與構(gòu)件的附接位置之間測量的)自由懸置部分131的長度為至少Imm,可能為至少2_。自由懸置部分131的所述長度有利地小于或等于15mm,有利地小于或等于1mm,有利地小于或等于8mm。有利地,光纖13在結(jié)構(gòu)構(gòu)件11與結(jié)構(gòu)構(gòu)件12之間具有大約相同的自由懸置長度。有利地，光纖13的自由懸置部的長度出現(xiàn)在沿著傳感器10的軸線14的相同位置處，即，沿著軸線有利地不存在光纖的改變，這樣使得對(duì)于所有光纖而言受力的桿臂是大約相同的。
[0053]本發(fā)明的力傳感器有利地具有使其適于在微創(chuàng)手術(shù)中使用的整體尺寸。
[0054]有利地，光纖13不是預(yù)張緊的。
[0055]如圖9所示的系統(tǒng)90可用于操作傳感器并在光纖中執(zhí)行測量。對(duì)設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132的一個(gè)光纖13 (諸如光纖布拉格光柵)給出方案，但該方案可容易地外推用于對(duì)傳感器的所有光纖。光纖13連接至通過光纖發(fā)光的光源91 (諸如激光器)，所發(fā)出的光在布拉格光柵132中反射。輸出耦接器92沿著光纖路徑布置，并且該耦接器使反射的光束921偏離。偏離的光束921穿過分束器93，從而將光束921分成兩個(gè)部分。第一部分922穿過線性濾波器94，該線性濾波器降低發(fā)光強(qiáng)度(振幅，線性取決于光束922的波長)。第二部分923保持不被過濾，并且該第二部分用作光束921的能量含量的參考。光束922和923兩者隨后都穿過對(duì)應(yīng)的光檢測器95和96，這些光檢測器輸出電壓信號(hào)Vl和V2，這些電壓信號(hào)分別是光束強(qiáng)度的線性函數(shù)。隨后，可通過數(shù)據(jù)獲取裝置97來獲得電壓信號(hào)，以用于進(jìn)一步處理。光纖13的應(yīng)變將與比率V1/V2成比例。將方便地指出，可用如本領(lǐng)域內(nèi)已知的其他系統(tǒng)來測量光纖13的應(yīng)變。
[0056]本發(fā)明的力傳感器可包含溫度補(bǔ)償系統(tǒng)?？商峁┮粋€(gè)或多個(gè)額外的光纖(未示出)，其僅附接至構(gòu)件中的一個(gè)(通常是最近的一個(gè))而不是兩個(gè)。因此，額外的光纖不構(gòu)造成當(dāng)傳感器受力時(shí)而張緊。然而，該額外的光纖可設(shè)置有相同的光學(xué)應(yīng)變檢測裝置，該光學(xué)應(yīng)變檢測裝置的輸出將隨著溫度而變化。輸出的這個(gè)變化可用于由張緊的光纖所提供的輸出的溫度補(bǔ)償?？商鎿Q地，用于力測量的一個(gè)或多個(gè)光纖13可在這樣的位置處設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置，在這些位置處，當(dāng)力作用在傳感器上時(shí)該光纖不張緊，諸如在最近的構(gòu)件12的近端124(的近側(cè))處或上方。
[0057]通過考慮下文的理論因素，可用根據(jù)本發(fā)明的力傳感器來執(zhí)行測量。作用在傳感器(的構(gòu)件)上的力被傳送至光纖，因此使該光纖在軸向方向上張緊?；旧?，對(duì)于處于拉伸中的一個(gè)光纖而言，可具有以下關(guān)系:

\r
[0058]Fn = εΞΕ = SE
[0059]其中，F(xiàn)n是施加在光纖的一部分的末端處的法向力，S是光纖的截面，E是光纖的楊氏模量，ε是光纖的應(yīng)變，L是光纖的自由懸置部分的長度，以及Λ L是長度的變化。
[0060]光纖的硬度定義為:
Γ ? , Fn SE
[0061]k ==
AL L
[0062]根據(jù)力傳感器的每個(gè)自由度來考慮這種硬度?？蓮目紤]光纖數(shù)量及其布置等等的一組復(fù)雜的這種基本關(guān)系來估計(jì)每個(gè)光纖。
[0063]可從包括在每個(gè)光纖中的應(yīng)力來計(jì)算根據(jù)每個(gè)自由度的力?？苫诠鈱W(xué)特性的變化來計(jì)算這些應(yīng)力，該光學(xué)特性響應(yīng)于與應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。通過實(shí)例的方式，對(duì)于設(shè)置在光纖的自由懸置部分中的光纖布拉格光柵而言，光纖的伸長與波長改變成比例:AL =K Λ λ，其中，Κ是恒定比率，并且Λ λ是波長改變。因此，施加于光纖上的法向力是:Fn=k K Δ λ。
[0064]構(gòu)造成響應(yīng)于自由懸置部分(被稱為感測光纖)中的應(yīng)變而提供光學(xué)特性變化的光纖的數(shù)量至少等于(有利地，大于)待計(jì)算的力和彎矩的數(shù)量。提供過量的感測光纖將是有利的，其可提供冗余的信息，并產(chǎn)生更穩(wěn)定且更精確的測量。
[0065]可替換地或另外，過量的光纖有利地用于增加構(gòu)件11、12之間的連接的硬度。
[0066]考慮所有六個(gè)自由度，作用于傳感器上的這組力可表示為根據(jù)三個(gè)正交軸線(具有定向在傳感器的軸向方向上的軸線ζ以及兩個(gè)垂直的軸線X和y)的三個(gè)力以及通過形成作用于每個(gè)光纖上的法向力線性組合而獲得的三個(gè)彎矩。考慮η個(gè)光纖的構(gòu)造，用以下等式來重新得到力:
TT1 \ ?\
[rY I f αν1 …aYj …axn K、
f kxKxMx \
Fy a Vi...aVi....α,…a ^ …azn ? ^
[0067]λ = -—^KtAAi
Mx bxl -,-K1 …bxn.My bn …h(huán) …bpi _
A/f 7rr 、虻J
KMJ Kb=I...K ■■■ b=n )
[0068]可從來自結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析定律中或通過有限元方法來估計(jì)系數(shù)au和bijt)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)可用于確定這些系數(shù)。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的傳感器有利地使用在設(shè)計(jì)成對(duì)外科醫(yī)生提供力的反饋(或任何其他可能相關(guān)的反饋，諸如位移)的組件中。這可以許多種方式來實(shí)現(xiàn)，包括但不限于視覺方式、通過光或聲信號(hào)、通過使力重構(gòu)的觸覺感覺等等。由本發(fā)明的力傳感器測量的力可例如通過提供如在本領(lǐng)域內(nèi)已知的濾波器、放大器等而被預(yù)處理。
[0070]可通過使根據(jù)本發(fā)明的傳感器耦接至位置編碼器來改進(jìn)所測量的力的分析，特別是改進(jìn)力的突然變化的分析，諸如當(dāng)針穿透組織時(shí)，該位置編碼器例如測量導(dǎo)管與內(nèi)窺鏡或其他裝置之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中，傳感器固定至該導(dǎo)管，并且該導(dǎo)管相對(duì)于該內(nèi)窺鏡或其他裝置移動(dòng)。參考上文的情況，可通過這樣的事實(shí)來識(shí)別穿透組織的針，該事實(shí)為力水平的突然變化通過如由位置編碼器讀取的恒定位置所伴隨。相反，可通過由位置變化所伴隨的力水平的突然變化而識(shí)別沖擊。因此，所提供的位置編碼器允許在不同的情況之間進(jìn)行區(qū)分。
[0071]還可能使用自動(dòng)反饋回路中的傳感器輸出和編碼器的位置信息，以便自動(dòng)地調(diào)節(jié)導(dǎo)管相對(duì)于內(nèi)窺鏡或任何其他參考物的位置。裝配有人機(jī)接口的控制單元在導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)控制中可包括力反饋回路，該人機(jī)接口使外科醫(yī)生能夠控制導(dǎo)管的(機(jī)動(dòng))前進(jìn)。
[0072]可使用根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的醫(yī)療應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例是將液體聚合物插入胃部在賁門附近的外肌層中以減少反胃。根據(jù)本發(fā)明的力傳感器可用于測量力水平的突然變化，從而在插入針期間檢測多個(gè)組織層之間的轉(zhuǎn)換，這樣使得可確定針到達(dá)正確的組織層。
[0073]圖3中示出了力傳感器10的一個(gè)實(shí)現(xiàn)實(shí)施方式，該圖示出了組件30，該組件包括連接至流體輸送管32的中空針31。組件30可構(gòu)造成在內(nèi)窺鏡顯微外科手術(shù)中使用，諸如用于如上文描述地將液體注入外肌層中。
[0074]可使用根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的另一種可能的應(yīng)用是使用活檢針(抽吸針)。在管與針之間設(shè)置根據(jù)本發(fā)明的力傳感器允許在健康組織、病毒轉(zhuǎn)移瘤以及腫瘤之間進(jìn)行區(qū)分。
[0075]又一種可能的應(yīng)用是內(nèi)鏡下黏膜剝離術(shù)(ESD)，在該手術(shù)中切割位于黏膜平面中的腫瘤。通過由切割子黏膜組織使該黏膜平面與下層黏膜平面分開而實(shí)施這種切割。在定位腫瘤之后，在(健康組織中的)腫瘤位置周圍施加標(biāo)記。在標(biāo)記位置處，將生理血清或透明質(zhì)酸諸如通過針組件30而注射到子黏膜組織中。這在子黏膜組織中產(chǎn)生液體袋，使腫瘤位置從黏膜平面升高并分離。這允許在腫瘤位置周圍執(zhí)行輪廓清楚的切割而不損害黏膜平面。根據(jù)本發(fā)明的力傳感器10可在切割組件中使用，以用于當(dāng)執(zhí)行切割時(shí)定位正確的組織。這是可能的，因?yàn)椴煌慕M織層具有不同的彈性，使得力水平變化出現(xiàn)在組織層之間的界面處。
[0076]在針組件30中，力傳感器10安裝在針31與流體輸送管32之間的界面處。遠(yuǎn)端構(gòu)件11固定至針31。在本實(shí)例中，遠(yuǎn)端構(gòu)件11包括適當(dāng)?shù)嘏浜显卺?1周圍的中央通孔123。
[0077]近端構(gòu)件12固定至流體輸送管32的遠(yuǎn)端。中央通孔123同樣地設(shè)置在近端構(gòu)件12中，以用于配合在管道32周圍。彈性連接件33設(shè)置在針31與管32之間，以便保證水密性。連接件33相應(yīng)地布置在遠(yuǎn)端構(gòu)件11與近端構(gòu)件12之間。如可從圖3中看到的，光纖13圍繞連接件33而布置。
[0078]根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)件11和12之間的連接的剛度(硬度)主要?dú)w因于固定至構(gòu)件11和12兩者的光纖13。因此，連接件33和管道32制造成適當(dāng)?shù)貜椥缘?，以便不與在光纖上實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變測量產(chǎn)生干涉。如以下參考圖10，可對(duì)彈性連接件33對(duì)構(gòu)件11與12之間用于軸向載荷的連接的硬度的貢獻(xiàn)做出評(píng)估。構(gòu)件11與12之間的連接一方面由光纖13的組件形成，另一方面由管32、彈性連接件33以及針31之間的連接形成。對(duì)于小變形而言，根據(jù)等式F = kAx，可將這兩種連接類型模型化為兩個(gè)線性彈簧系統(tǒng)，其中，F(xiàn)是作用在系統(tǒng)上的力，k是硬度，并且ΛΧ是位移。對(duì)于同時(shí)有利于連接的硬度的η個(gè)光纖13的組件而言，合成等式是:F = nkf Λ X，其中，η是光纖的數(shù)量，并且kf是一個(gè)光纖的硬度。相反，在針31、管32以及連接件33的組件中，不同組成的彈簧系統(tǒng)如圖10所示串聯(lián)地布置。為了簡單而考慮這樣的情況，其中，連接件33與管32—體形成，并因此由與該管相同的材料制成，并且該連接件具有相同的截面面積。因此，二者可被認(rèn)為是具有位于構(gòu)件12與針31之間的部分的一個(gè)單個(gè)物品，該部分具有合成硬度kt。已知串聯(lián)的兩個(gè)彈簧的合成硬度knt可寫成:
[0079]knt =
k + k,
[0080]其中，剛度kn是針部分31在構(gòu)件11與連接件33之間的硬度?？上氲剑Y(jié)構(gòu)的硬度k可基于該結(jié)構(gòu)的幾何形狀和楊氏模量而計(jì)算為k = SE/L，其中，S是截面面積，E是楊氏模量，并且L是該結(jié)構(gòu)的長度。假設(shè)針31和管32具有相同的截面面積S，且針由金屬(諸如不銹鋼)制成，而且管由彈性材料(諸如聚氨酯)制成，則與管的材料相比，針材料將具有大不止上千倍的楊氏模量。在這種情況下，kn?kt并且knt可近似于kt。
[0081]參考圖10，光纖13與針31以及管道32與連接件33的兩個(gè)彈簧系統(tǒng)同時(shí)作用，以承受作用在針31上并由此作用在構(gòu)件11上的力F，并且由于力F，這兩者均經(jīng)歷構(gòu)件11與12之間的相同的位移Λχ。構(gòu)件11與12之間的連接的總硬度因此為K = nkf+knt，并且光纖對(duì)連接的總硬度的貢獻(xiàn)等于P f = nkf/K。
[0082]通過實(shí)例的方式，考慮構(gòu)件11和12間隔開3mm并且具有1.1mm直徑的內(nèi)孔的情況，其中，針31和管32附接至這些內(nèi)孔。連接件33與管32—體形成。針31伸入結(jié)構(gòu)構(gòu)件11與12之間的間隙2mm ;剩余部分通過管32 (以及連接件33)橋接。針31和管32兩者都是中空的，該針和該管具有0.8mm直徑的內(nèi)孔。針由不銹鋼制成，而管和連接件由聚氨酯(E=10MPa)制成。因此，硬度knt可近似于管道部分的硬度kt?？偣舶藗€(gè)光纖圍繞構(gòu)件11和12而布置。一個(gè)光纖13的硬度可計(jì)算為大約kf = 1600N/mm。管32具有的截面面積(固體材料)S = 1.79mm2?；谝陨蠑?shù)據(jù)可獲得:knt ^ kt = 179N/mm。
[0083]連接的總硬度是K = 8kf+knt = 12979N/mm。因此,光纖對(duì)連接的總硬度的貢獻(xiàn)等于:P f = 8kf/K = 0.986 或 98.6%。
[0084]在近端構(gòu)件12的近端處,光纖13朝向如圖9所示的測量獲取系統(tǒng)90進(jìn)一步延伸。纏繞管32及光纖13的保護(hù)殼34可設(shè)置在近端構(gòu)件12的近端處。
[0085]根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是測量不受體液影響，使得原則上不需要保護(hù)力傳感器不受環(huán)境的影響。然而，將方便的是，將力傳感器10封裝在柔性袋中，以便防止任何伸出部可能傷害身體。
[0086]在一個(gè)典型應(yīng)用中，本發(fā)明的傳感器構(gòu)造成測量的力的范圍在大約ON至大約1N之間。
[0087]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一力傳感器40。與力傳感器10 (其中，所有光纖13在軸向方向上是平行的)不同，力傳感器40包括與傳感器的軸線44傾斜地布置的光纖45。結(jié)構(gòu)構(gòu)件41和42通過間隙401間隔開，并且光纖45橋接間隙401，且該光纖固定至結(jié)構(gòu)構(gòu)件41和42兩者。光纖45可設(shè)置有布置于構(gòu)件41與42之間的光學(xué)應(yīng)變檢測裝置432。
[0088]傾斜布置的光纖45的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是還可測量橫向地作用于傳感器40( S卩，橫向于近端-遠(yuǎn)端方向)的力，當(dāng)僅使用軸向平行的光纖時(shí)并不總是(或至少較少)這種情況。光纖的傾斜定向允許橫向力在光纖中產(chǎn)生法向應(yīng)變。軸線44與傾斜光纖之間的角度(在平行于軸線44的平面上的投影中)有利地是至少10°，有利地為至少15°。所述角度有利地為至多45°，有利地為至多40°。
[0089]本發(fā)明的力傳感器可包括傾斜布置的光纖與平行布置的光纖的組合。
[0090]結(jié)構(gòu)構(gòu)件41、42中的分別接收光纖45的凹槽412、422平行地延伸，并且這些凹槽與傾斜光纖45對(duì)準(zhǔn)，因此這些凹槽也傾斜地定向。
[0091]在圖5中示出了另一種能有效地測量橫向力而不需要必須使光纖相對(duì)于傳感器的軸線傾斜地定向的可能性。力傳感器50包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件11和12，如在圖1中所示的力傳感器10。結(jié)構(gòu)構(gòu)件11是最遠(yuǎn)的一個(gè)構(gòu)件并且構(gòu)造成用于附接至遠(yuǎn)端醫(yī)療工具。結(jié)構(gòu)構(gòu)件12是最近的一個(gè)構(gòu)件并且構(gòu)造成用于附接至近端連接結(jié)構(gòu)，諸如內(nèi)腔管。光纖13連續(xù)地延伸以橫跨結(jié)構(gòu)構(gòu)件11與結(jié)構(gòu)構(gòu)件12之間的距離，并且該光纖固定至兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，例如，固定在凹槽122中。
[0092]力傳感器50與傳感器10的不同之處在于，第三結(jié)構(gòu)構(gòu)件55介于兩個(gè)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件11與12之間。結(jié)構(gòu)構(gòu)件55可具有與任一個(gè)或兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11和12相同的形狀和結(jié)構(gòu)。光纖13也固定至第三結(jié)構(gòu)構(gòu)件55，諸如固定在凹槽552中。因此，第三結(jié)構(gòu)構(gòu)件55連同光纖13 —起有利地在兩個(gè)外結(jié)構(gòu)構(gòu)件11與12之間形成自由懸置結(jié)構(gòu)，這意味著第三構(gòu)件55有利地既不附接至醫(yī)療工具也不附接至近端結(jié)構(gòu)。
[0093]構(gòu)件55有利地僅附接至光纖13。該構(gòu)件將光纖13的在構(gòu)件11與構(gòu)件12之間的橫跨部分成兩個(gè)部分，即，遠(yuǎn)端部分56和近端部分57。在兩個(gè)部分56和57中，光纖13自由地懸置。
[0094]光纖13設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132，光學(xué)應(yīng)變檢測裝置構(gòu)造成用于精確地測量兩個(gè)部分56和57中的應(yīng)變。在圖5A的實(shí)例中,光纖13被分成第一光纖531和第二光纖532，該第一光纖在遠(yuǎn)端部分56 (而不是近端部分57)中或沿著該遠(yuǎn)端部分設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132，該第二光纖在近端部分57 (而不是遠(yuǎn)端部分56)中或沿著該近端部分設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132。在這種情況下，也不需要必須將所有光纖13固定至所有三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11、12和55。第一光纖531可固定至兩個(gè)最遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件11和55,而不固定至近端構(gòu)件12。類似地，第二光纖532可固定至兩個(gè)最近的結(jié)構(gòu)構(gòu)件12和55，而不固定至遠(yuǎn)端構(gòu)件11。第二光纖甚至可不從插入的結(jié)構(gòu)構(gòu)件55向遠(yuǎn)端延伸。然而，在遠(yuǎn)端部分56和近端部分57兩者中具有大約相等的剛度可能是有利的，使得固定至兩個(gè)最遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件11和55的光纖13的數(shù)量等于固定至兩個(gè)最近的結(jié)構(gòu)構(gòu)件12和55的光纖13的數(shù)量。因此，所有光纖13固定至所有三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11、12和55是有利的。
[0095]在又一可替換的實(shí)施方式中，光纖13可在遠(yuǎn)端部分56和近端部分57兩者中設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132。然而，這種構(gòu)造將需要信號(hào)差異并且這種構(gòu)造導(dǎo)致稍微更復(fù)雜的系統(tǒng)。在這個(gè)情況下，光纖需要固定至所有三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件11、12和55。
[0096]將方便地指出，在三個(gè)構(gòu)件的實(shí)例中，光纖13有利地與傳感器的軸線平行地定向。
[0097]現(xiàn)將在圖5B的幫助下解釋力傳感器50的操作原理，該附圖示意性地示出了力傳感器50，醫(yī)療工具(諸如針51)安裝在該力傳感器上。可基于在兩個(gè)部分56和57中的光纖13中測量的應(yīng)變而計(jì)算作用在針51上的橫向力F。認(rèn)為光纖的遠(yuǎn)端部分56和近端部分57是整體結(jié)構(gòu)(諸如束)則可根據(jù)彈性理論構(gòu)造沿著傳感器的彎矩圖。在光纖13的遠(yuǎn)端部分56中的光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132的位置處的彎矩M1和在光纖13的近端部分57中的光學(xué)應(yīng)變檢測裝置的位置處的彎矩M2相對(duì)于F而與桿臂I和Ι+d成比例，這些桿臂分別位于F的發(fā)生點(diǎn)與遠(yuǎn)端部分56和近端部分57中的光學(xué)應(yīng)變檢測裝置132的位置之間?？苫谠趹抑貌糠?6和57兩者中的不同的光纖13中測量的應(yīng)變(差值)而計(jì)算乂和仏。當(dāng)認(rèn)為F是作用在沿著醫(yī)療工具的預(yù)定位置(例如，在其長度的一半處)上的合力時(shí)，可用以下公式計(jì)算F:
[0098]M1 = Fl
[0099]M2 = F(l+d)
[0100]從其中可推導(dǎo)出:
[0101]M2-M, = Fd
ΓH^ -M1
[0102]F = ~=-L

U
[0103]圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的又一力傳感器60，其中，近端構(gòu)件62包括近端622和中空柱體狀或管狀伸出部621,該伸出部從近端622向遠(yuǎn)端延伸以包繞遠(yuǎn)端構(gòu)件61,使得遠(yuǎn)端構(gòu)件61位于中空伸出部621的內(nèi)部。
[0104]此外，近端構(gòu)件62可包括通孔623，通過該通孔可從近端側(cè)到達(dá)遠(yuǎn)端構(gòu)件61。
[0105]光纖63在遠(yuǎn)端構(gòu)件61與近端構(gòu)件62的近端622之間延伸，并且這些光纖固定至該遠(yuǎn)端構(gòu)件和近端。在這種實(shí)施方式的前提下，醫(yī)療工具可固定在近端構(gòu)件62的伸出部621的遠(yuǎn)端處，并且導(dǎo)管或其他連接裝置可固定至遠(yuǎn)端構(gòu)件61同時(shí)自由地穿過孔623，從而使得光纖受到拉伸而不是壓縮。這所具有的優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)力將過高時(shí)不存在光纖翹曲的風(fēng)險(xiǎn)。因此，這種力傳感器是比前文描述的力傳感器更堅(jiān)固的力傳感器。
[0106]傳感器60的另一優(yōu)點(diǎn)是光纖63的位于遠(yuǎn)端構(gòu)件61與近端構(gòu)件62的近端622之間的遠(yuǎn)端被柱體狀伸出部621保護(hù)。
[0107]因此，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器中的光纖布置成使得當(dāng)待測量的力作用在傳感器上時(shí)光纖基本上不彎曲或偏轉(zhuǎn)。換句話說，用于力測量的光纖有利地這樣布置，而使得這些光纖僅在沿著傳感器構(gòu)造成用于測量的自由度作用的力的拉伸下受載。
[0108]圖7所示的力傳感器70包括與圖1的傳感器10相比稍微修改的構(gòu)造。結(jié)構(gòu)構(gòu)件71和72分別包括類似的軸向凹槽712、722以用于接收光纖73。然而，凹槽712、722分別終止在被光纖73穿過的孔715、725中的任一端或兩端處?？?15、725有利地延伸穿過對(duì)應(yīng)的構(gòu)件71、72，并且這些孔與凹槽712、722對(duì)準(zhǔn)。這個(gè)解決方案允許在組裝至結(jié)構(gòu)構(gòu)件71、72的過程中容易地將光纖保持就位，而不需要任何夾緊工具。實(shí)際上，為了組裝力傳感器70，將光纖插入并通過孔725和715，這樣使得光纖沿著凹槽722、712延伸。然后，在凹槽中施加粘合劑以將光纖固定至結(jié)構(gòu)構(gòu)件。然后，使粘合劑固化?？?15和725會(huì)防止光纖從凹槽滑出。
[0109]在根據(jù)本發(fā)明的力傳感器中，有利地，近端構(gòu)件和遠(yuǎn)端構(gòu)件中的任一個(gè)或兩者可包括機(jī)械限制器，以便限制兩個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)位移，并因此在極端負(fù)載或誤用的情況下保護(hù)光纖。該機(jī)械限制器可由從一個(gè)構(gòu)件朝向另一個(gè)構(gòu)件的伸出部形成，并且在正常情況下與該另一個(gè)構(gòu)件間隔開，以僅在過大的相對(duì)位移的情況下與該另一個(gè)構(gòu)件接合。
[0110]圖8A至圖SB中示出了上文類型的力傳感器的一個(gè)實(shí)例。力傳感器80包括僅兩個(gè)光纖83，這些光纖在兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件81和82之間延伸，并且這些光纖沿著在構(gòu)件81與構(gòu)件82之間延伸的自由懸置部分而設(shè)置有光學(xué)應(yīng)變檢測裝置832。光纖83固定在分別延伸穿過結(jié)構(gòu)構(gòu)件81、82的孔815、825中。在僅兩個(gè)光纖83的前提下，力傳感器80將能夠測量僅沿著軸向方向84和圍繞軸線85作用的力或力分量。
[0111]為了減小當(dāng)受到沿著或圍繞軸線85和86作用的力時(shí)光纖83翹曲的風(fēng)險(xiǎn)，如下所述，機(jī)械引導(dǎo)件設(shè)置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間。力傳感器80的兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件81、82中的一個(gè)(在圖8A至圖8B的實(shí)例中是最遠(yuǎn)的一個(gè)構(gòu)件81)包括朝向另一個(gè)構(gòu)件(最近的一個(gè)構(gòu)件82)延伸的伸出部816，該另一個(gè)構(gòu)件設(shè)置有接收伸出部816的孔826。伸出部816和孔826有利地布置在接收光纖的孔815、825之間?？?26所具有的深度使得當(dāng)組裝傳感器時(shí)伸出部816不會(huì)延伸直至孔826的底部，但伸出部816的伸出端817保持從孔826的底部稍微升高。伸出端817與孔826的底部之間的空隙可正好足夠設(shè)置機(jī)械限制器，以用于當(dāng)沿著軸線84的壓縮力變得過大時(shí)防止光纖83的翹曲。
[0112]可替換地或另外，孔826的尺寸可選擇成使得伸出部816配合滑動(dòng)接合。進(jìn)而可得到，允許兩個(gè)構(gòu)件81、82沿著軸線84而相對(duì)于彼此移動(dòng)，同時(shí)抑制沿著或圍繞軸線85和86的自由度。此外，伸出部816和孔826的截面可制成非圓形的，這也將防止圍繞軸線84的任何旋轉(zhuǎn)。在本情況中，光纖將構(gòu)造成僅測量沿著軸線84作用的力，這是因?yàn)闃?gòu)件之間圍繞軸線85的相對(duì)位移被伸出部816與孔826之間的滑動(dòng)接合所限制。
[0113]還在圖8A至圖8B的實(shí)例實(shí)施方式中方便地指出，結(jié)構(gòu)構(gòu)件81和82在其所有(重疊的)截面區(qū)域上間隔開，因此在構(gòu)件之間的通過光纖83橋接的間隙801以及伸出部816與孔826之間的空隙兩者中間隔開。
【權(quán)利要求】
1.一種力傳感器(10、40、50、60、70、80)，包括:兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、12、41、42、61、62、71、72、81、82)，所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件是間隔開的，因此所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在彼此之間限定間隙(101、401、801)，并且所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接至彼此；以及多個(gè)光纖(13、45、63、73、83)，所述多個(gè)光纖固定至所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并且所述多個(gè)光纖自由地懸置在所述間隙(101、401,801)中，所述光纖中的至少兩個(gè)構(gòu)造成響應(yīng)于所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的相對(duì)位置中的變化而提供能檢測的光學(xué)特性中的變化， 其特征在于，所述多個(gè)光纖(13、45、63、73、83)中的每個(gè)均固定至所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并且所述多個(gè)光纖中的每個(gè)在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間是連續(xù)的，以使得將所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接至彼此，并且其中，所述多個(gè)光纖基本上是在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間形成連接的僅有的結(jié)構(gòu)，使得所述多個(gè)光纖的自由懸置部的數(shù)量、布置、尺寸和長度(131)基本上限定所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接在所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的硬度，所述硬度主要地，諸如至少95%，由所述多個(gè)光纖來確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度至少包括沿著所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的公共軸線(14、44、84)的平移自由度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的力傳感器，其中，所述光纖(13、45、63、73、83)的自由懸置部的數(shù)量、布置、尺寸和長度選擇成使得在一力范圍中不會(huì)出現(xiàn)所述光纖的翹曲，所述力傳感器設(shè)計(jì)成在所述力范圍中操作。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器，其中，構(gòu)造成響應(yīng)于所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的在所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的相對(duì)位置的變化而提供能檢測的光學(xué)特性中的變化的光纖的數(shù)量大于所述預(yù)定自由度的數(shù)量。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器，所述力傳感器包括一光纖，所述光纖固定至所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最近者和最遠(yuǎn)者中的其中一者而不固定至另一者，并且所述光纖構(gòu)造成提供能操作用于溫度補(bǔ)償?shù)哪軝z測的光學(xué)特性中的變化。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器，其中，所述多個(gè)光纖不被預(yù)張緊在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器(10、50、60、70、80),其中,所述多個(gè)光纖中的至少部分彼此平行并且至少沿著所述自由懸置部的長度而平行于所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的公共軸線(14、84)。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器(40)，其中，所述多個(gè)光纖(45)中的至少一個(gè)相對(duì)于所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的公共軸線(44)傾斜地定向，所述多個(gè)光纖中的該至少一個(gè)至少沿著其自由懸置部的長度而傾斜地定向，并且有利地所述多個(gè)光纖中的該至少一個(gè)在相對(duì)于所述公共軸線至少10的角度下傾斜地定向。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的力傳感器(50)，所述力傳感器包括第三結(jié)構(gòu)構(gòu)件(55)，所述第三結(jié)構(gòu)構(gòu)件與所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、12)對(duì)準(zhǔn)且與所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件間隔開，以形成在這三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間限定間隙(56、57)的連續(xù)布置，其中，所述光纖(13)的第一組(531)固定至這三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的第一連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、55)，所述光纖的所述第一組自由地懸置在所述第一連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的所述間隙(56)中，并且所述光纖的所述第一組構(gòu)造成響應(yīng)于所述第一連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、55)之間的在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的相對(duì)位置中的變化而提供能檢測的光學(xué)特性中的變化，并且其中，所述光纖(13)的第二組(532)固定至這三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的第二連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(12、55)，其中，所述第二連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的一個(gè)與所述第一連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同，所述光纖的所述第二組自由地懸置在所述第二連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的所述間隙(57)中，并且所述光纖的所述第二組構(gòu)造成響應(yīng)于所述第二連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(12、55)之間的在相同的預(yù)定自由度中的相對(duì)位置中的變化而提供能檢測的光學(xué)特性中的變化，并且其中，所述光纖基本上是在這三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間形成連接的僅有的結(jié)構(gòu)，使得所述光纖(13)的自由懸置部的數(shù)量、布置、尺寸和長度基本上限定所述連接在所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)定自由度中的硬度，所述硬度主要諸如至少95%而由所述多個(gè)光纖來確定。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器，其中，所述多個(gè)光纖在一長度上自由地懸置，所述長度落在Imm與15mm之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選地落在2mm與15mm之間的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器，其中，所述多個(gè)光纖中的至少部分在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間設(shè)置有光纖布拉格光柵(132、432、832),所述布拉格光柵構(gòu)造成響應(yīng)于所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相對(duì)位置的變化而影響所述能檢測的光學(xué)特性。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器(80)，所述力傳感器包括機(jī)械限制器(816、826)，以用于限制所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的在至少一個(gè)自由度中的相對(duì)位移。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器(10、40、50、60、70)，其中，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括凹槽(122、412、422、552、712、722)，所述光纖(13、45、73)設(shè)置在所述凹槽中并固定至所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、12、41、42、55、71、72)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的力傳感器(70)，其中，至少一個(gè)構(gòu)件(71、72)包括孔(715、725)，所述孔布置在所述凹槽(712、722)的端部處并與所述凹槽(712、722)對(duì)準(zhǔn)，并且其中，接收在所述凹槽中的所述光纖(73)在所述孔中延伸。
15.一種醫(yī)療裝置(30)，構(gòu)造成在微創(chuàng)手術(shù)中使用，所述醫(yī)療裝置包括根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的力傳感器(10、40、50、60、70、80)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的醫(yī)療裝置(30)，所述醫(yī)療裝置包括外科手術(shù)工具(31)以及用于近端驅(qū)動(dòng)和/或維護(hù)所述外科手術(shù)工具的管(32)或管道，其中，所述外科手術(shù)工具(31)的近端附接至所述力傳感器(10)的所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(11、62)中的其中一個(gè)，并且所述管或所述管道的遠(yuǎn)端附接至所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(12、61)中的另一個(gè)。
【文檔編號(hào)】A61B5/22GK104244808SQ201380019013
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月4日
【發(fā)明者】讓-巴蒂斯特·瓦爾薩米斯, 尼古拉斯·科什, 雅克·德維埃, 克里斯托夫·科舍特爾, 瓦萊里·瓦贊 申請(qǐng)人:布魯塞爾大學(xué), 蒙斯大學(xué)