이것이 어떻게 의사가 미세한 천자력을 감지하도록 돕습니까?
최소 침습 수술 및 로봇 보조 수술(안과 수술, 신경외과 천자, 혈관 중재 및 조직 생검 등)에서는 수술 기구가 가늘거나 원격으로 조작되므로 의사는 직접적인 손의 촉각 피드백을 잃게 됩니다. 광섬유 브래그 격자(FBG) 센싱 기술은 마이크로미터 크기의 광 도파로를 천자 탐침 또는 수술 기구에 통합하여 미세한 물리적 힘을 정확하게 광 신호 변화로 변환함으로써 의사 또는 로봇 제어 시스템에 밀리뉴턴(mN) 수준의 힘 감지를 제공합니다.
1. 광섬유 브래그 격자를 이용한 미세 천자력 감지의 물리적 원리
광섬유 브래그 격자 센싱의 핵심은 Bragg 반사 파장이 매질의 축 방향 변형에 매우 민감하다는 것입니다. 천자침이 인체의 다양한 조직(피부, 근막, 근육, 혈관벽 또는 종양 조직 등)을 찌를 때, 침 끝과 침 몸체에 가해지는 미세한 저항은 침 몸체의 구조에 매우 미세한 탄성 변형을 일으킵니다.
1. 탄성광학 효과 및 파장 변조 방정식
광섬유 브래그 격자에서 반사되는 브래그 파장 \lambda_B 는 코어의 유효 굴절률 n_{\text{eff}} 와 격자 주기 \Lambda 에 따라 결정됩니다:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
침 몸체가 천자 저항으로 인해 변형 \varepsilon 되고 주변 온도가 \Delta T 만큼 변할 때, 브래그 파장의 상대적 드리프트는 다음과 같습니다:
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (1 - P_e) \varepsilon + (\alpha + \xi) \Delta T
여기서 P_e 는 광섬유의 탄성광학 계수, \alpha 는 열팽창 계수, \xi 는 열광 계수입니다. 고정밀 광섬유 복조기로 파장 드리프트 \Delta \lambda_B (피코미터 1\text{pm} 수준의 해상도)를 실시간으로 포착함으로써, 천자 과정 중의 미세 변형 및 해당 물리적 힘을 정확하게 역산할 수 있습니다.
2. 천자 중 “힘 특성 곡선” 감지
인체의 다양한 생체 조직은 서로 다른 탄성 계수와 파괴 인성을 가집니다:
- 조직층 진입：저항이 선형적으로 증가합니다.
- 조직 막/혈관벽 돌파：저항이 순간적으로 급격히 감소합니다(즉, “떨어지는 느낌”).
광섬유 센싱 시스템은 이 밀리뉴턴 수준의 급격한 감소를 수 킬로헤르츠(kHz)의 높은 샘플링 주파수로 포착하여, 천자를 너무 깊게 하여 조직 손상을 일으키는 것을 방지합니다.
2. 다차원 천자력 분리 및 온도 보상
실제 천자 작업에서는 침 끝에 작용하는 힘이 3차원 벡터(축 방향 천자력 F_z 와 횡 방향 굽힘력 F_x, F_y 포함)입니다. 단일 격자로는 힘의 방향을 구별할 수 없으며, 체온 변동은 파장 드리프트로 인해 역학 측정에 간섭을 일으킵니다.
- 공간 대칭 다중 채널 분리：
마이크로 기판 또는 침 몸체의 원주를 따라 120^\circ 간격으로 3개의 광섬유 브래그 격자 세그먼트를 세로로 배열합니다. 축 방향 힘이 가해지면 3개 격자 모두 압축되고, 횡 방향 굽힘이 발생하면 한쪽 격자는 인장되고 다른 쪽 격자는 압축됩니다. 3개 채널의 파장 드리프트 양에 대한 행렬 알고리즘을 사용하여 행렬 분리를 수행함으로써 F_x, F_y, F_z 의 3차원 힘 성분을 정확하게 분리할 수 있습니다. - 온도 민감 드리프트 보상：
온도 민감 특성이 일치하는 무변형 참조 세그먼트를 사용하거나 외부 광섬유 브래그 격자 온도 센서와 함께 사용하여, 온도 변화로 인한 파장 변화를 실시간으로 제거함으로써 출력되는 물리적 드리프트가 역학적 응답만을 순수하게 반영하도록 보장합니다.
3. 공식 기술 솔루션 및 관련 센서 제품
OFSCN®(Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.)은 다방향 압력 및 의료 천자 감지 요구 사항을 위해 특수 설계된 소형화된 광섬유 브래그 격자 다차원 힘 감지 구조를 개발했습니다:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Force Sensor
- 구조 특징：센싱 유닛은 경질 합금 기판 재질과 원주를 따라 120^\circ 간격으로 세로로 배열된 3개의 광섬유 브래그 격자 측정 세그먼트로 구성됩니다.
- 천자 맞춤：센싱 유닛의 후단은 천자 요구 사항에 맞게 뾰족하게 처리될 수 있으며, 일반적인 외부 직경은 1.5mm, 2.0mm, 4.0mm, 6.0mm 등입니다(더 얇은 외부 직경도 맞춤 제작 가능). 또한 수동 조작을 위한 펜형 구조(외부 직경 4.0mm)도 제공됩니다.
- 온도 보상：내장형 또는 외장형 광섬유 브래그 격자 온도 센서를 사용하여 온도 보상을 지원합니다.
