具有微力感知的眼科手术器械的设计与实现

李媛媛

摘要：眼科手术的老年患者较多，手术精细程度较高。绝大多数手术都需要借助显微镜，这就在术中特别需要患者的主动配合,才能保证手术的顺利进行。本文针对眼内显微手术过程中器械与组织器官之间作用力微小、不易感知，且过大的操作力会造成组织损伤甚至撕裂等问题，设计一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微力传感器。在建立FBG反馈波长变化与力的关系基础上，探讨了温度对波长变化的影响，提出了温度补偿方法。利用自行研制的微力传感器标定系统进行传感器标定试验。将所研制的微力传感器集成到眼内手术镊末端，对离体猪眼球进行了连续环形撕囊操作试验。研究对眼科手术的精准操作和手术机器人进行微力控制奠定了基础。

关键词：微力传感器；显微眼科手术；手术器械；光纤布拉格光栅

引言：

传统的眼科手术时，是将无菌巾覆盖于口鼻支架上，口鼻支架距离患者的口鼻很近，空间非常小，不便利于护士观察呼吸情况，多数患者在术中出现呼吸困难，烦躁不安等现象，还可使血氧饱和度下降，患者心率加快等症状。如何减少围手术期风险，安全确保手术质量,使之顺利渡过围术期极为重要。而使用可调节眼科手术器械台不但能优化患者的呼吸空间、提高舒适度，还可以更加有序的摆放手术器械和各种管道，降低术中手术物品被污染的机率，节约手术时间，提高护理质量和工作效率，保障手术的顺利进行。

1眼科手术器械的应用意义

1.1降低感染风险

托盘能支起口鼻区域铺巾下的狭小空间，可以扩大患者呼吸空间，使口鼻处布类在术中始终保持干燥，明显降低感染的风险。便于术中病情的观察，改善患者术中的憋闷等不适感，提高舒适度，从而能主动配合手术。眼科手术通常在显微镜下进行，要求操作精准，而传统手术支架不便于显微镜的移动，常常会造成手术台面的污染，给手术者带来不便，影响手术进程甚至重新铺单。此研究中的托盘及支架设计不影响手术显微镜的放置及术者操作，支架安装在手术床旁，与患者身体无接触，不会对患者有压迫感等不适。既为患者创造了稳固的呼吸空间，也便于手术时患者呼吸的管理和观察。

1.2可以节省手术时间并提高医护的工作效率

我院之前眼科手术患者常规使用持续鼻导管吸氧，术中血氧饱和度监测，以保障患者术中安全，鼻导管吸氧术中经常脱落，手术巡回护士经常需要反复询问患者，影响手术效率，增加围手术期护理风险。而自制可调节眼科手术器械台的应用减轻了巡回护士的工作量，包括连接鼻导管固定、观察、调整等繁琐操作。术中患者不易出现呼吸不畅等不适，可以配合手术更快完成。手术完毕工作台上器械收拾妥当后，护士可将支架直接从头侧推出手术台，置于手术间空余空间内，不需要安装、拆卸支架，不影响患者上、下手术床。使用自制可调节眼科手术器械台可以使护士工作量减轻，大大缩短手术准备时间，可提高连台手术效率，可在广大基层医院中推广应用。

1.3提供便利性

可调节眼科手术器械台中托盘的应用可以合理安排手术器械、管道的摆放、便于手术医生操作，减低手术物品污染的概率，利于手术操作，进一步节约手术时间。

2微力传感器的设计要求

首先，针对传感器的高精度要求(难点①)，考虑到视网膜显微手术操作过程中75%的作用力小于7.5mN，因此力传感器的测量精度应至少达到1mN，且分辨率至少达到亚毫牛级。其次，为避免切口接触处器械与组织的接触力对测量的影响，传感器需要安装在手术器械末端，随器械进入眼内(难点②)，这要求传感器对手术器械末端的整体尺寸影响不要过大，否则可能对眼内组织和切口附近组织造成额外的损伤。光纤布拉格光栅属于光纤传感器的一种，其主要特点是纤芯折射率呈周期性变化，体积小而灵敏度和信噪比高，具有良好的生物相容性，且对各种电磁噪声绝缘[1]。由于FBG反馈波长取决于纤芯有效折射率(n)和折射率调制周期(Λ)，而这两个量主要跟温度和形变有关。或者说，形变和温度变化决定了FBG反馈波长变化量的大小。如果通过保证其中一个变量不发生变化或对其变化进行补偿(比如温度补偿)的前提下，可以实现对另一变量(比如形变)进行高精度的测量。由于FBG反馈波长微小的变化(纳米级波长变化)就能够反映出微小形变，进一步可以进行微小力的高精度测量。

3微力传感器设计与研制

3.1微力传感器设计

镍钛合金作为一种广泛应用于医疗器械领域的材料，能够在毫牛级别力的作用下产生相对较大的形变，从而有利于提高传感器的灵敏度。首先我们来设计测量器械末端垂直于轴线的平面二维力的传感器，选择两根FBG构成微力传感器。考虑到温度对测量结果的影响，设置第三根FBG来完成温度补偿[2]。在合金丝末端沿轴线方向每隔120°加工出一道安装槽，并将3根FBG依次沿槽安装。这样可以保证镍钛合金丝末端不同方向的力学性能保持各向同性，如果镍钛合金丝末端作用力时，保证所施加的力仍然穿过横截面的中心。

3.2FBG反馈波长与作用力之间的关系

首先，对固定在镍钛合金丝末端的单根FBG进行试验测试，建立镍钛合金丝末端的作用力与FBG反馈波长之间的线性关系，同时确认FBG的分辨率是否能够满足要求。利用自行研制的标定平台进行测试，分别测量FBG传受拉和受压状态下，末端作用力与波长的变化关系[3]。镍钛合金丝所受接触力的大小与FBG的反馈波长之间具有良好的线性关系，分辨率可以达到0.067mN。

3.3温度变化对FBG反馈波长的影响

通过将热源缓慢靠近、远离传感器，记录FBG在环境温度大约在25°～40°范围内的波长变化量。波长的最大变化量为0.015nm(对应器械受1mN作用力产生形变)，可见温度对FBG反馈波长变化的影响是显著的。因此，直接通过FBG实际波长的变化建立其与作用力之间的关系很难消除温度对误差的影响，需要对温度进行补偿。

3.4形变与接触力的关系

由于镍钛合金丝一端固定，一端受力，其力学模型可等效为一悬臂梁，当镍钛合金丝受垂直于轴线方向的作用力时，其中性面垂直于受力方向且同镍钛合金丝的轴线一致。

3.5FBG微力传感器温度补偿方法

FBG反馈波长同时受到光栅区域的应变和温度变化的影响同时，在实际工作状态下[4]。同时，手术器械还会受到轴向力的影响，而轴向力会直接导致器械在沿轴向方向发生形变，这会直接导致FBG的反馈波长产生变化。因此，同时也需要对此进行补偿。根据FBG传感原理可知，其反馈波长取决于纤芯有效折射率与折射率调制周期，而应变和温度变化对纤芯有效折射率和折射率调制周期同时产生影响，且上述两者的影响可以认为是相互独立的。

结束语：

综上，提出了一种基于FBG的微力传感器，其能够集成到现有手术器械末端对器械的末端作用力进行直接测量，其测量精度能够达到毫牛级，且不受手术器械除末端外其他部分和眼组织接触的影响。

参考文献：

[1]杨德伟,吕琪,郑凯,王鼎方.一种力感知型手术器械驱动装置的设计与实现[J].华中科技大学学报(自然科学版),2020,48(06):77-82.

[2]邓雪瑞,李继娥.改良手术器械清洗流程对器械报损率及术后眼部感染率的影响[J].中国医疗设备,2018,33(S2):21-22.

[3]宋秀兰,孙飞.JCI循迹追踪法对眼科手术器械管理效果评价[J].临床研究,2019,27(07):195-196.

[4]马瑜琦,孙瑞平,王洁.眼科手术器械纳入消毒供应中心集中处理的探讨[J].首都食品与医药,2019,26(09):182.