【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及穿刺手术传感，具体涉及一种穿刺针形状及交互力感知传感器及其标定方法。
技术介绍
1、在当代医疗领域，穿刺技术作为一项基础而重要的诊断与治疗方法，广泛应用于血管穿刺、组织活检、疼痛管理以及各种介入性手术中。然而，传统的穿刺操作高度依赖于操作者的经验和手感，不仅技术难度大，且容易受到人为因素影响，增加了手术风险和患者不适。随着微创手术技术的快速发展和精准医疗时代的到来，对于提高穿刺操作的精准性、安全性和效率的需求日益迫切。在此背景下，穿刺针的设计与传感器技术的融合成为研究热点。理想的穿刺针应当具备良好的穿透性能和操控灵活性，同时能够减少组织损伤。此外，交互力感知传感器的集成，使得穿刺过程中的力反馈成为可能，这对于操作者来说如同获得了“触觉”，能够在实时监测穿刺过程中针尖与组织间的相互作用力，从而指导操作，避免过度穿刺或误伤重要结构。
2、然而，要实现这一目标，不仅需要对穿刺针的形状进行精心设计以优化其力学性能，还需要开发高灵敏度、高稳定性的力感知传感器，以及配套的精确标定方法，确保传感器数据的准确性和可靠性。目前，市场上虽已出现了一些力感知穿刺针产品，但普遍存在传感器精度不足、穿刺针设计缺乏针对性优化、以及标定过程复杂耗时等问题，限制了其在临床中的广泛应用。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种穿刺针形状及交互力感知传感器及其标定方法，该传感器有利于提升穿刺操作的精确度和安全性，能够提高手术成功率，降低患者痛苦和恢复时间，满足精准医疗时代对于高精度、低侵袭性
2、本专利技术采用以下具体技术方案：
3、一种穿刺针形状及交互力感知传感器，该传感器包括传感器连接件、六维力感知柔性结构、传感器标定接触件、镍钛合金穿刺针以及三根光纤；
4、所述传感器连接件设置有连接件变形槽和贯穿轴向中心的第一穿刺针槽孔；
5、所述六维力感知柔性结构具有圆锥形衬底；所述圆锥形衬底的锥底端为柔性结构底端且固定连接有所述传感器连接件，锥顶端为柔性结构末端；所述圆锥形衬底设置有贯穿轴向中心的第二穿刺针槽孔；所述圆锥形衬底的表面设置有沿其周向均匀分布的三个螺旋槽，分别为螺旋槽一、螺旋槽二和螺旋槽三；
6、所述传感器标定接触件套接于所述柔性结构末端，并设置有用于安装所述镍钛合金穿刺针的第三穿刺针槽孔和用于通过变形夹紧所述镍钛合金穿刺针的接触件变形槽；所述第三穿刺针槽孔贯穿所述传感器标定接触件的轴向中心设置；
7、所述镍钛合金穿刺针具有依次穿过所述第一穿刺针槽孔、所述第二穿刺针槽孔以及所述第三穿刺针槽孔的穿刺针本体，并在所述穿刺针本体的外周面分布有与三个所述螺旋槽一一对应的三个穿刺针光纤槽，分别为穿刺针光纤槽一、穿刺针光纤槽二和穿刺针光纤槽三；
8、在对应的所述螺旋槽和所述穿刺针光纤槽内固定有同一根光纤；
9、在所述螺旋槽内的每根光纤上均嵌入两个不同波长的fbg传感器。
10、更进一步地，所述传感器连接件包括连接件安装部和连接件夹持部；
11、所述连接件安装部与所述柔性结构底端固定连接；
12、所述第一穿刺针槽孔贯穿所述连接件安装部与所述连接件夹持部的中心设置；
13、所述连接件变形槽开设于所述连接件安装部与所述连接件夹持部的侧壁。
14、更进一步地，所述连接件安装部设置有沿其径向延伸的连接件螺纹孔；
15、所述柔性结构底端设置有沿其轴向延伸的安装孔和沿其径向延伸的连接块连接孔；
16、所述连接件安装部插接于所述安装孔内，所述连接件螺纹孔与所述连接块连接孔沿径向相对设置；
17、连接件螺丝穿过所述连接块连接孔后与所述连接件螺纹孔螺纹连接，用于将所述六维力感知柔性结构与所述传感器连接件固定连接在一起。
18、更进一步地，所述传感器标定接触件的外表面为八角侧面。
19、更进一步地，还包括光纤固定柱；
20、所述光纤固定柱设置有贯穿其轴向中心的内孔，并在所述内孔的内壁沿周向均匀分布有三个光纤卡槽，分别为光纤卡槽一、光纤卡槽二和光纤卡槽三；在每个光纤卡槽内固定连接有一根光纤的末端。
21、另外，本专利技术还提供了一种用于上述传感器的标定方法，其特征在于，该标定方法采用标定平台进行，标定平台包括稳定平台、三自由度移动平台、标定件支架、固定曲率标定件、传感器固定件、六维力感知传感器旋转平台、六维力感知传感器、底部夹持装置、固定件旋转平台以及旋转平台夹持件；所述三自由度移动平台、所述标定件支架和所述六维力感知传感器旋转平台均固定安装于所述稳定平台上；所述固定件旋转平台固定安装于所述三自由度移动平台的顶部；所述固定件旋转平台的输出端固定连接有所述旋转平台夹持件或者所述传感器固定件；所述旋转平台夹持件和所述传感器固定件用于夹持所述传感器连接件；所述六维力感知传感器固定安装于所述稳定平台或者所述六维力感知传感器旋转平台上；所述底部夹持装置固定安装于所述六维力感知传感器，用于夹持所述传感器标定接触件或者所述镍钛合金穿刺针的末端；所述固定曲率标定件固定安装于所述标定件支架的顶部，用于夹紧所述镍钛合金穿刺针并使所述镍钛合金穿刺针按预定曲率弯曲；
22、该标定方法包括以下具体步骤：
23、传感器的径向穿刺力-力矩的标定；
24、传感器的轴向穿刺力-力矩标定；
25、传感器的形状感知标定。
26、更进一步地，传感器的径向穿刺力-力矩的标定过程为：所述固定件旋转平台的底端固定连接于所述三自由度移动平台；所述旋转平台夹持件固定安装于所述固定件旋转平台；所述旋转平台夹持件将传感器连接件夹紧固定；所述六维力感知传感器旋转平台固定安装在所述稳定平台上，所述六维力感知传感器安装于所述六维力感知传感器旋转平台；所述底部夹持装置安装于所述六维力感知传感器，并通将所述传感器标定接触件夹紧；在标定过程中，通过调整所述三自由度移动平台水平方向的移动，当所述传感器受到径向力和相应的力矩作用时，所述六维力感知传感器即可采集不同x、y轴径向力作用下的穿刺数据；
27、传感器的轴向穿刺力-力矩标定过程为：所述固定件旋转平台的底端固定连接于所述三自由度移动平台；所述旋转平台夹持件固定安装于所述固定件旋转平台；所述旋转平台夹持件将传感器连接件夹紧固定；所述六维力感知传感器水平安装在所述稳定平台上；所述底部夹持装置安装在所述六维力感知传感器的顶部，并将光纤固定柱卡紧；通过调整所述三自由移动平台z轴的移动，当所述传感器受到轴向力和相应的力矩时，所述六维力感知传感器即可采集不同z轴轴向力作用下的穿刺数据；
28、传感器的形状感知标定过程为：所述固定件旋转平台的底端固定连接于所述三自由度移动平台；所述传感器固定件固定安装于所述固定件旋转平台；所述传感器固定件将传感器连接件夹紧固定；所述固定曲率标定件将所述镍钛合金穿刺针夹紧；通过解调器读取光纤的波长，通过旋转所述镍钛合金穿刺针的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种穿刺针形状及交互力感知传感器，其特征在于，包括传感器连接件、六维力感知柔性结构、传感器标定接触件、镍钛合金穿刺针以及三根光纤；
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器连接件包括连接件安装部和连接件夹持部；
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述连接件安装部设置有沿其径向延伸的连接件螺纹孔；
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器标定接触件的外表面为八角侧面。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的传感器，其特征在于，还包括光纤固定柱；
6.一种用于如权利要求1-5中任意一项所述的传感器的标定方法，其特征在于，该标定方法采用标定平台进行，标定平台包括稳定平台、三自由度移动平台、标定件支架、固定曲率标定件、传感器固定件、六维力感知传感器旋转平台、六维力感知传感器、底部夹持装置、固定件旋转平台以及旋转平台夹持件；所述三自由度移动平台、所述标定件支架和所述六维力感知传感器旋转平台均固定安装于所述稳定平台上；所述固定件旋转平台固定安装于所述三自由度移动平台的顶部；所述固定件旋转平台的输出端
7.如权利要求6所述的标定方法，其特征在于，传感器的径向穿刺力-力矩的标定过程为：所述固定件旋转平台的底端固定连接于所述三自由度移动平台；所述旋转平台夹持件固定安装于所述固定件旋转平台；所述旋转平台夹持件将传感器连接件夹紧固定；所述六维力感知传感器旋转平台固定安装在所述稳定平台上，所述六维力感知传感器安装于所述六维力感知传感器旋转平台；所述底部夹持装置安装于所述六维力感知传感器，并通将所述传感器标定接触件夹紧；在标定过程中，通过调整所述三自由度移动平台水平方向的移动，当所述传感器受到径向力和相应的力矩作用时，所述六维力感知传感器即可采集不同X、Y轴径向力作用下的穿刺数据；
8.如权利要求6所述的标定方法，其特征在于，所述传感器固定件包括固定座和压板；
9.如权利要求6所述的标定方法，其特征在于，所述固定曲率标定件由对称设置的标定件上部和标定件下部构成；所述标定件上部设置有多对上部曲率定位孔、一对上部两端定位孔、一对上部支架连接孔、上部固定卡槽以及上部穿刺针曲率槽；每对所述上部曲率定位孔、一对所述上部两端定位孔、一对所述上部支架连接孔均对称分布于所述上部穿刺针曲率槽的两侧；所述上部固定卡槽与所述上部穿刺针曲率槽沿所述镍钛合金穿刺针的轴向连通且均设置于所述标定件上部的中心位置；所述标定件下部设置有下部曲率定位孔、下部两端定位孔、下部支架连接孔、下部固定卡槽以及下部穿刺针曲率槽；所述标定件上部与所述标定件下部通过穿过对应的所述上部曲率定位孔与所述下部曲率定位孔、以及对应的所述上部两端定位孔与所述下部两端定位孔的第一螺丝实现扣合连接；第二螺丝依次穿过对应的所述上部支架连接孔与所述下部支架连接孔后与所述标定件支架固定连接；
10.如权利要求9所述的标定方法，其特征在于，所述标定件支架设置有与所述下部支架连接孔一一对应的所述第三螺纹孔；
...【技术特征摘要】
1.一种穿刺针形状及交互力感知传感器，其特征在于，包括传感器连接件、六维力感知柔性结构、传感器标定接触件、镍钛合金穿刺针以及三根光纤；
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器连接件包括连接件安装部和连接件夹持部；
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述连接件安装部设置有沿其径向延伸的连接件螺纹孔；
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器标定接触件的外表面为八角侧面。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的传感器，其特征在于，还包括光纤固定柱；
6.一种用于如权利要求1-5中任意一项所述的传感器的标定方法，其特征在于，该标定方法采用标定平台进行，标定平台包括稳定平台、三自由度移动平台、标定件支架、固定曲率标定件、传感器固定件、六维力感知传感器旋转平台、六维力感知传感器、底部夹持装置、固定件旋转平台以及旋转平台夹持件；所述三自由度移动平台、所述标定件支架和所述六维力感知传感器旋转平台均固定安装于所述稳定平台上；所述固定件旋转平台固定安装于所述三自由度移动平台的顶部；所述固定件旋转平台的输出端固定连接有所述旋转平台夹持件或者所述传感器固定件；所述旋转平台夹持件和所述传感器固定件用于夹持所述传感器连接件；所述六维力感知传感器固定安装于所述稳定平台或者所述六维力感知传感器旋转平台上；所述底部夹持装置固定安装于所述六维力感知传感器，用于夹持所述传感器标定接触件或者所述镍钛合金穿刺针的末端；所述固定曲率标定件固定安装于所述标定件支架的顶部，用于夹紧所述镍钛合金穿刺针并使所述镍钛合金穿刺针按预定曲率弯曲；
7.如权利要求6所述的标定方法，其特征在于，传感器的径向穿刺力-力矩的标定过程为：所...
【专利技术属性】
技术研发人员：段星光，付雯，温浩，董君兰，荆海波，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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