本發明屬于醫療器材領域，具體涉及一種微創手術夾鉗及基于其的三維力測量方法。
背景技術：
1、在傳統微創手術中，醫生將夾持儀器通過小切口深入患者體內，復雜的體內環境以及目標器官附近的其他組織都會對手術儀器施加一定大小的力，再加上傳統的微創手術夾持器械采用鋼絲繩傳動，夾持過程中力的變化較大，導致醫生手部感受到的力與儀器和組織之間相互作用的力有較大的偏差，進而可能導致組織損傷、夾取組織滑落、降低手術效率等后果。微創手術過程中手術夾鉗的力反饋和夾鉗平穩的傳動對于醫生進行高精度的操作是極為重要。
技術實現思路
1、本發明提供一種微創手術夾鉗及基于其的三維力測量方法，可以實現手術夾鉗的平穩傳動以及力的準確測量。
2、為實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案：
3、一種微創手術夾鉗，整體呈圓柱體，包括：接觸頭、夾鉗固定部、上夾面、齒條芯和傳動桿；
4、所述夾鉗固定部的前端為半圓柱形，沿軸向的切面構成下夾面；所述下夾面的后端形成為直圓型柔性鉸鏈；所述夾鉗固定部的后端為管狀的夾鉗殼體，所述上夾面和齒條芯均安裝設置于夾鉗殼體內；所述夾鉗固定部的內部沿軸向設置橢圓型柔性鉸鏈，該橢圓型柔性鉸鏈穿過夾鉗固定部的頂端并與接觸頭固定連接；
5、所述傳動桿與齒條芯固定連接，所述上夾面的后端通過設置齒輪以與齒條芯相配合；所述傳動桿由外力驅動前后運動，帶動齒條芯前后運動，促使上夾面繞齒輪旋轉以相對于下夾面之間進行開合運動；
6、所述橢圓型柔性鉸鏈內部沿軸向設置第三光纖，用于根據波長漂移來測量接觸頭沿軸向的受力情況；
7、所述下夾面內部沿軸向平行且對稱設置第一光纖、第二光纖，用于根據波長漂移來測量下夾面在軸向的垂直平面內的受力情況。
8、進一步地，所述夾鉗固定部的內部沿軸向設置通孔，該通孔的直徑大于橢圓型柔性鉸鏈的直徑；所述橢圓型柔性鉸鏈同軸設置于通孔內，且橢圓型柔性鉸鏈與通孔內壁之間的距離，大于橢圓型柔性鉸鏈的徑向最大形變量。
9、進一步地，所述橢圓型柔性鉸鏈通過在圓柱體上環切部分橢圓而形成，所述直圓型柔性鉸鏈通過在圓柱體上環切部分半圓而形成。
10、進一步地，所述上夾面在與下夾面相接觸的部位均帶鋸齒。
11、進一步地，所述上夾面后端的齒輪中心設置第一銷軸內孔，另外設置第一銷軸穿過該第一銷軸內孔，且兩端與夾鉗殼體上的第一銷軸外孔連接。
12、進一步地，所述齒條芯的中部設有第二銷軸內孔，另外設置第二銷軸穿過該第二銷軸內孔，且兩端設置于夾鉗殼體上的直槽口內；所述齒條芯的一個平面上布有直齒，用于與上夾面后端的齒輪嚙合。
13、一種上述微創手術夾鉗的三維力測量方法，以夾鉗固定部的中軸線與直圓型柔性鉸鏈前端面的交點o為原點，沿中軸線向后端的方向為z軸正向，垂直于下夾面向頂面的方向為y軸正向，并采用右手法則建立空間直角坐標系o-xyz；包括：
14、當所述微創手術夾鉗在接觸頭受到沿夾鉗軸向的作用力fz時，橢圓型柔性鉸鏈內的第三光纖產生波長漂移；
15、當所述微創手術夾鉗的下夾面受到垂直于軸向的平面的作用力fxoy時，第一光纖和第二光纖產生波長漂移分別為、；
16、根據第一光纖、第二光纖、第三光纖產生的波長漂移，計算微創手術夾鉗的受力：
17、；
18、式中，為第一光纖、第二光纖、第三光纖的初始中心波長，為有效彈光系數，分別是光纖材料的熱光系數以及膨脹系數，為第一、第二、第三光纖的懸掛長度；為下夾面受到的側向力，即受到x軸方向的作用力；為下夾面受到的壓力，即受到y軸方向的作用力；為接觸頭受到軸向力，即沿夾鉗軸向的作用力；為溫度變化值；分別表示直圓型和橢圓型柔性鉸鏈在方向上的結構幾何系數；表示材料的楊氏彈性模量。
19、進一步地，直圓型和橢圓型柔性鉸鏈在方向上的結構幾何系數，計算表達式為：
20、；
21、；
22、；
23、式中，在夾鉗固定部沿軸向并垂直于下夾面的縱切面上，以直圓型柔性鉸鏈的環切圓的圓心o1為原點，沿空間直角坐標系o-xyz的y軸和z軸同向，建立平面直角坐標系o1-y1z1；在夾鉗固定部沿軸向并垂直于下夾面的縱切面上，以橢圓型柔性鉸鏈的環切橢圓的中心o3為原點，沿空間直角坐標系o-xyz的y軸和z軸同向，建立平面直角坐標系o3-y3z3；所述直圓型柔性鉸鏈的橫切面，由一個大的半圓切去一個矩形和一個小的半圓組成，h表示矩形的高，2b表示矩形的長；
24、和是直圓微線段高度的兩種表達形式，有
25、；
26、式中，m為直圓型柔性鉸鏈頂面到下夾面中軸線的距離，為下夾面的底端到下夾面中軸線的距離；z表示沿z1軸的自變量，在公式中做積分變量；為直圓型柔性鉸鏈的環切圓的半徑，表示直圓微線段至圓心o1的連線與平面直角坐標系o1-y1z1的y1軸之間的夾角，所述直圓微線段是指：將直圓型柔性鉸鏈環切圓等分成無數份，其中的任意一段均為直圓微線段；
27、和為橢圓微線段直徑的兩種不同表達形式，且有
28、；
29、其中，表示橢圓型柔性鉸鏈的最短直徑，分別為橢圓型柔性鉸鏈環切橢圓的長軸和短軸的長度，為中間變量，且；表示橢圓微線段至圓心o3的連線與平面直角坐標系o3-y3z3的y3軸之間的夾角，所述橢圓微線段是指：將橢圓型柔性鉸鏈環切橢圓等分成無數份，其中的任意一段均為橢圓微線段。
30、與現有技術相比，本發明的有益效果為：
31、本發明的微創手術夾鉗，通過外力驅動傳動桿前后運動，可以控制齒條芯在夾鉗殼體內前后平移運動，從而推動上夾面同步張合。微創手術夾鉗中的齒輪齒條傳動所提供的運動和力都很平穩，不會隨著張合行程變化而發生變化，可以提供穩定的夾持力。本發明基于所設計的彈性體，包括直圓型柔性鉸鏈和橢圓型柔性鉸鏈及其內部的光纖，可以對手術過程中夾鉗前端的接觸力、夾面上的壓力以及夾面上的側向力進行測量，提高了手術的準確性，降低手術風險。
1.一種微創手術夾鉗，其特征在于，整體呈圓柱體，包括：接觸頭（10）、夾鉗固定部（20）、上夾面（30）、齒條芯（40）和傳動桿（80）；
2.根據權利要求1所述的微創手術夾鉗，其特征在于，所述夾鉗固定部（20）的內部沿軸向設置通孔，該通孔的直徑大于橢圓型柔性鉸鏈（27）的直徑；所述橢圓型柔性鉸鏈（27）同軸設置于通孔內，且橢圓型柔性鉸鏈（27）與通孔內壁之間的距離，大于橢圓型柔性鉸鏈（27）的徑向最大形變量。
3.根據權利要求1所述的微創手術夾鉗，其特征在于，所述橢圓型柔性鉸鏈（27）通過在圓柱體上環切部分橢圓而形成，所述直圓型柔性鉸鏈（25）通過在圓柱體上環切部分半圓而形成。
4.根據權利要求1所述的微創手術夾鉗，其特征在于，所述上夾面（30）在與下夾面（24）相接觸的部位均帶鋸齒。
5.根據權利要求1所述的微創手術夾鉗，其特征在于，所述上夾面（30）后端的齒輪（32）中心設置第一銷軸內孔（33），另外設置第一銷軸（60）穿過該第一銷軸內孔（33），且兩端與夾鉗殼體（26）上的第一銷軸外孔（28）連接。
6.根據權利要求1所述的微創手術夾鉗，其特征在于，所述齒條芯（40）的中部設有第二銷軸內孔（41），另外設置第二銷軸（70）穿過該第二銷軸內孔（41），且兩端設置于夾鉗殼體（26）上的直槽口（29）內；所述齒條芯（40）的一個平面上布有直齒，用于與上夾面（30）后端的齒輪（32）嚙合。
7.一種基于權利要求1-6任一項所述微創手術夾鉗的三維力測量方法，其特征在于，以夾鉗固定部（20）的中軸線與直圓型柔性鉸鏈（25）前端面的交點o為原點，沿中軸線向后端的方向為z軸正向，垂直于下夾面向頂面的方向為y軸正向，并采用右手法則建立空間直角坐標系o-xyz；包括：
8.根據權利要求7所述微創手術夾鉗的三維力測量方法，其特征在于，直圓型和橢圓型柔性鉸鏈在方向上的結構幾何系數，計算表達式為：