一种穿刺力检测传感器的制作方法

本发明专利涉及医疗器械检测技术领域，尤其涉及一种穿刺针穿刺力检测传感器。

技术背景

在微创外科手术中，主治医生进针操作完全凭借个人经验，难以通过语言和示范等形式传授给见习医生。通过技术方法实时检测进针过程的操作力，完整地记录和直观地显示进针操作力，对于微创外科临床实践具有重要应用价值和学术意义。机器人辅助针穿刺系统有利于医生进针过程稳定性，减轻医生劳动强度，减小创伤截面，加快患者手术恢复。由于不同组织层阶的力学性质不同，表现出不同进针特性，为了达到更好的进针效果，不同层阶应采用不同的力值，实现实时动态进针策略，需要实时识别进针力大小。

中国专利号为cn109431473a的发明专利基于压力场检测的静脉穿刺系统包括：固定于治疗室内的多个红外摄像头；探测装置，具有形状可变的探测面，探测面上矩阵排列垂直于探测面的三维压力传感器；加压装置，用于在穿刺静脉近心端一定位置对局部皮肤施加压力；主控装置；穿刺装置主控装置依据穿刺点、穿刺角度及穿刺路径控制穿刺装置操作穿刺针依次穿刺皮肤、皮下组织、静脉。实现对静脉定位的自动化操作，但不能充分实现对穿刺力大小较为精确的测量，测量力的传感器维度也不够充分。中国专利号为cn109431473a的发明专利用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器，包括有主动平台、柔性十字轴、从动平台、轴承组件、四个柔性p铰、八个万向铰、针、p铰支架、针座，形成对针刺针所受力/力矩进行检测的柔性并联机构。较好的针对中医的提、插、捻、转、摇力的提取，但是机构没有小型化，一体化不能随着操作者一起行动，不能与机器人充分连接使用，在自动化集成使用有明显的缺点，同时在传感器的维度上使用的是六维力，六维力解耦麻烦，解耦精度非常容易受影响，影响测量的精度。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中的穿刺针无法准确获得穿刺过程的力学参数的缺点，提供的一种穿刺力检测传感器。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种穿刺力检测传感器，其特征在于包括：

a.底座，底座中心设有供穿刺针通过的操作螺孔，底座中设有一组与机器人连接配合的固定孔；

b.与底座同轴线连接的外圈座，外圈座内腔中心设有下圆台，下圆台端面上设有两对正交的x向检测梁和y向检测梁，x向检测梁和y向检测梁的梁面与外圈座轴向平行，x向检测梁和y向检测梁的上端面设有上圆台，下圆台和上圆台中心设有与外圈座同轴线的供穿刺针通过的操作螺孔；

下圆台圆柱面上设有两对正交的mz力矩检测梁，mz力矩检测梁的梁面与外圈座轴线方向平行，每个mz力矩检测梁的另一端分别连接一个z向检测梁，z向检测梁的梁面与外圈座轴线垂直，并且每个z向检测梁另一端分别与外圈座内壁连接；

c.保护盖，其盖面与外圈座上端面连接配合，保护盖中心还设有保护筒，穿刺针从各操作螺孔连接固定后，其上部从保护筒中穿过并漏出保护筒端面外；

d.所述x向检测梁、y向检测梁、mz力矩检测梁以及z向检测梁，每个梁的两个梁面上分别粘贴有2-3块应变片。

在上述假发的基础上，有以下进一步的技术方案：

每个mz力矩检测梁的梁面分别与对应的x向检测梁的梁面成45度夹角。

mz力矩检测梁的梁面与z向检测梁的梁面相互垂直。

外圈座圆柱面上设有应变片电学连接线的导线孔。

所述操作螺孔为螺孔，穿刺针通过自身螺纹与操作螺孔连接。

保护盖通上的保护筒与穿刺针间隙配合。

底座的底面设有安装台，为连接机器人链接安装定位面并与机器人手抓连接配合

本发明上述技术方案中，x向检测梁用于检测x方向受力,在x向检测梁敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测x方向受力时力的变化。

所述y向检测梁与x向检测梁成90度夹角。y向检测梁用于检测y方向受力，在y向检测梁敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测y方向受力时力的变化。

所述z向检测梁与x向检测梁成45度夹角，z向检测梁用于检测z方向受力，在z向检测梁敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测z方向受力时力的变化。

所述mz力矩检测梁与x向检测梁成45度夹角。mz力矩检测梁用于检测mz力矩受力，mz力矩检测梁敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测mz方向受力时力的变化。

所述外圈座的导线孔为应变片供电输出和输出信号连接线与外部线路连接的孔。

刺针通过螺纹连接直接连接在传感器上下圆台，使穿刺针与传感器测量梁一体化，保证针受到的作用力可以传递到作用梁上。

所述保护盖通过四个连接螺钉与传感器外圈连接，用于密封传感器上部，中间的孔与穿刺针座留有间隙保，保护x方向检测梁、y向检测梁、z向检测梁、传感器mz力矩检测梁，避免外力破坏、电磁干扰、灰尘和湿气影响应力片的测量精度，保证针的作用力不会传递到保护盖上，影响测量精度。

本发明的优点在于，满足不影响穿刺这一过程的手术操作，识别穿刺力传感器与操作针一体化设计，满足为实现实时动态进针策略，实时识别进针力大小，满足在医生进行穿刺手术时，让实习医生可以知道穿过不同皮层需要的不同的穿刺力，形成更加直观量化感受。分析穿刺针的针的受力过程，总的合力可以分为x方向、y方向、z方向、mz力矩四个方向的力，传感器的维度为四维，有利于后期传感器的解耦，提高测量的精度。

附图说明

图1穿刺力检测传感器正面立体图；

图2是图1的反面立体图；

图3是图1去掉保护盖后显示的穿刺力检测传感器内部结构图；

图4是外圈座(2)所显示的穿刺力传感器本体的正面立体图；

图5是图4的反面立体图；

图6是图1中底座1的立体图；

图7是图1中穿刺针的立体图。

具体实施方式

本发明提供的一种穿刺力检测传感器，包括以下组成部分：

a.圆柱形的底座1，如图1、图2、图3及图6所示，底座的底面中心设有供穿刺针通过的操作螺孔15，底座的底面中心对称设有一组四个与机器人连接配合的固定孔14；

b.与底座1同轴线连接的外圈座2，外圈座通过螺钉连接于底座上；如图1、图3、图4及图5所示，外圈座内腔中心设有下圆台11，下圆台端面上设有两对正交的x向检测梁7和y向检测梁8，每对x向检测梁7以下圆台中心对称设置，y向检测梁8以下圆台中心对称设置，x向检测梁7和y向检测梁8的梁面沿外圈座2轴向平行，所有x向检测梁7和y向检测梁8的上端面设有上圆台6，下圆台和上圆台中心都设有与外圈座2同轴线的供穿刺针通过并连接的操作螺孔15；

外圈座13圆柱面上设有应变片电学连接线的导线孔5，x向检测梁7与导线孔在同一方向，在x向检测梁7梁面敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测x方向受力时力的变化。

y向检测梁8与传感器x7方向检测梁成90度夹角，在y向检测梁8梁面敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测y方向受力时力的变化。

下圆台11圆柱面上设有两对正交的mz力矩检测梁9，每对mz力矩检测梁分别以圆台11中心沿径向对称设置；mz力矩检测梁9的梁面与外圈座2轴线方向平行，每个mz力矩检测梁9的另一端分别连接一个过渡台9a，每个过渡台9a的另一端分别连接一个z向检测梁10，z向检测梁10的梁面与外圈座2轴线垂直，即mz力矩检测梁9与z向检测梁10的梁面相互垂直，并且每个z向检测梁另一端分别与外圈座2内壁连接；

结合图3、图4及图5所示，每个mz力矩检测梁9的梁面分别与对应的x向检测梁7的梁面成45度夹角。

z向检测梁10与x向检测梁7成45度夹角，在z向检测梁10梁面敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测z方向受力时力的变化。

传感器mz力矩检测梁9与传感器x方向7检测梁成45度夹角，与z向检测梁10相垂直,传感器mz力矩检测梁9梁面敏感区域正面和背面贴上应变片，用来检测mz方向受力时力的变化。

c.保护盖3，其盖面通过螺钉3b与外圈座2上端面的螺孔13连接配合，保护盖3中心还设有保护筒3a；如图7所示，穿刺针4柱体上设有螺纹，穿刺针4与各操作螺孔15连接固定后，其上部与保护筒间隙配合穿过并伸出保护筒端面外；穿刺针通过螺纹连接直接连接在上圆台6和下圆台11的螺孔中，使穿刺针与传感器测量梁一体化，保证穿刺针受到的作用力可以传递到作用梁上。

保护盖通3过四个连接螺钉与传感器外圈座连接，用于密封传感器上部，中间的孔与穿刺针座留有间隙保。x向检测梁7、y向检测梁8、z向检测梁10、传感器mz力矩检测梁9，避免外力破坏、电磁干扰、灰尘和湿气影响应力片的测量精度，保证针的作用力不会传递到保护盖上，影响测量精度。

d.所述x向检测梁7、y向检测梁8、mz力矩检测梁9以及z向检测梁10，每个梁的两个梁面上分别粘贴有2-3块应变片17。

e.如图2、图3、图5及图6所示，所述底座1通过四个螺钉16a连接在外圈座2底面的连接孔2a中；底座1正面凹槽1a为外圈座2的定位面；底座1背面凹槽16为连接机器人安装定位面，与机器人手抓连接；通孔为让植入针进入穿刺针中。

本发明提供的穿刺力检测传感器，具体的测量方法如下：

一、穿刺针接触得到皮层，皮层的阻力作用到穿刺针上；

二、穿刺针和上下凸台通过螺纹连接，成为一个整体，力作用到传感器本体上；

三、传感器本体发生形变，应变片电阻发生变化；

四、将电阻的变化转换为电压值的变化；

五、再将电压值变化转换为作用的力；测出力变化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。