Comment aide-t-il les médecins à percevoir de minuscules forces de perforation ?
En chirurgie mini-invasive et en chirurgie assistée par robot (telle que la chirurgie ophtalmique, la ponction neurochirurgicale, l’intervention vasculaire et la biopsie de tissus), les médecins perdent le retour tactile direct de leurs mains en raison de la finesse des instruments chirurgicaux ou de la manipulation à distance par des bras robotiques. La technologie de détection par réseau de Bragg dans les fibres optiques (FBG), en intégrant des guides d’ondes optiques de l’ordre du micromètre dans des sondes de ponction ou des instruments chirurgicaux, convertit avec précision de minuscules forces physiques en changements de signaux lumineux, fournissant ainsi une perception de la force de l’ordre du millinewton (mN) au médecin ou au système de contrôle robotique.
I. Mécanisme physique de la détection de minuscules forces de ponction par réseaux de Bragg dans les fibres optiques
Le cœur de la détection par réseau de Bragg dans les fibres optiques réside dans la très haute sensibilité de la longueur d’onde de réflexion de Bragg à la déformation axiale du milieu. Lorsque l’aiguille de ponction pénètre dans différents tissus corporels (tels que la peau, le fascia, les muscles, la paroi vasculaire ou les tissus tumoraux), la petite résistance rencontrée par la pointe et le corps de l’aiguille provoque une déformation élastique extrêmement minime de la structure de l’aiguille.
1. Effet photoélastique et équation de modulation de la longueur d’onde
La longueur d’onde de Bragg \lambda_B réfléchie par un réseau de Bragg dans une fibre optique dépend de l’indice de réfraction effectif n_{\text{eff}} du cœur et de la période du réseau \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Lorsque le corps de l’aiguille subit une déformation \varepsilon due à la résistance de ponction et que la température ambiante change de \Delta T , le décalage relatif de la longueur d’onde de Bragg est donné par :
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (1 - P_e) \varepsilon + (\alpha + \xi) \Delta T
Où P_e est le coefficient photoélastique de la fibre, \alpha est le coefficient de dilatation thermique, et \xi est le coefficient thermo-optique. En capturant le décalage de longueur d’onde \Delta \lambda_B en temps réel avec un démodulateur de fibre optique de haute précision (la résolution pouvant atteindre le picomètre, soit 1 \text{pm}), la minuscule déformation et la force physique correspondante pendant le processus de ponction peuvent être calculées avec précision.
2. Perception de la « courbe caractéristique de force » pendant la ponction
Les différents tissus biologiques du corps humain ont des modules d’élasticité et des ténacités à la rupture différents :
- Entrée dans les couches tissulaires : la résistance augmente linéairement.
- Pénétration de la capsule tissulaire / paroi vasculaire : la résistance chute brusquement (c’est-à-dire la « sensation de vide »).
Le système de détection par fibre optique peut capturer cette chute de l’ordre du millinewton à une fréquence d’échantillonnage allant jusqu’à plusieurs kilohertz (kHz), évitant ainsi les dommages tissulaires dus à une ponction excessive.
II. Découplage de la force de ponction multidirectionnelle et compensation de température
Dans les opérations de ponction réelles, la force agissant sur la pointe de l’aiguille est un vecteur tridimensionnel (comprenant la force de ponction axiale F_z et les forces de flexion latérales F_x, F_y ). Un réseau unique ne peut pas distinguer la direction de la force, et les fluctuations de la température corporelle peuvent provoquer des décalages de longueur d’onde qui interfèrent avec la mesure mécanique.
- Découplage par canaux multiples à symétrie spatiale :
Trois sections de réseau de Bragg dans des fibres optiques sont disposées longitudinalement avec un espacement de 120^\circ sur un substrat miniature ou la circonférence de l’aiguille. Lorsqu’une force axiale est appliquée, les trois sections de réseau subissent une compression ; lorsqu’une flexion latérale se produit, une section de réseau est en traction tandis que l’autre est en compression. En utilisant des algorithmes matriciels pour découpler les décalages de longueur d’onde des 3 canaux, les trois composantes de force F_x, F_y, F_z peuvent être séparées avec précision. - Compensation des décalages sensibles à la température :
En utilisant un segment de référence sans déformation dont les caractéristiques sensibles à la température correspondent, ou en associant un capteur de température externe à réseau de Bragg dans une fibre optique, la variation de longueur d’onde due à la température est déduite en temps réel, garantissant que le décalage physique de sortie reflète uniquement la réponse mécanique.
III. Solutions techniques officielles et produits de détection associés
OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.) a développé une structure de détection de force multidimensionnelle miniaturisée spécialisée à réseau de Bragg dans les fibres optiques pour les applications de détection de pression multidirectionnelle et de ponction médicale :
- Capteur de force 3D à réseau de Bragg dans fibre optique OFSCN®
- Caractéristiques structurelles : L’unité de détection est composée d’un substrat en carbure cémenté et de 3 sections de mesure à réseau de Bragg dans des fibres optiques disposées longitudinalement avec un espacement de 120^\circ autour de la circonférence.
- Personnalisation pour la ponction : L’extrémité arrière de l’unité de détection peut être traitée pour être effilée afin de répondre aux exigences de ponction. Les diamètres extérieurs courants incluent 1,5 mm, 2,0 mm, 4,0 mm, 6,0 mm, etc. (des diamètres extérieurs plus fins peuvent être personnalisés), et une conception de type stylo (diamètre extérieur de 4,0 mm) est disponible pour la préhension manuelle.
- Compensation de température : Prise en charge de capteurs de température intégrés ou externes à réseau de Bragg dans des fibres optiques pour la compensation de température.
