低侵襲外科穿刺手術用プローブの先端力測定は、その精密な制御と手術品質の向上を実現するための鍵であり、手術操作の安全性を確保する上で極めて重要である。本稿では、穿刺手術用プローブの先端力測定の実際の要求に応じて、プローブ内に統合可能なファブリ・ペロー（Fabry-Perot、F-P）腔と直列のファイバーブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating、FBG）を用いた光ファイバー力センサーを設計した。まず、F-P腔の二束干渉理論および光ファイバグレーティングセンシング理論に基づき、プローブの片持ち梁構造と組み合わせて、プローブに埋め込まれた光ファイバーセンサーのF-P腔とFBGのセンシングモデルを解析・構築し、F-P腔およびFBGの特性波長変位と加えられた力のマッピング関係を導出した。また、力および温度感度マトリックスを導入し、プローブの力測定時に温度の交差影響問題を効果的に回避した。次に、化学腐食法によって光ファイバーF-P腔を作製し、FBGと直列に連結してセンサーを形成し、センサーを手術用プローブに統合した。最後に、本設計のF-P腔直列FBG光ファイバー力センサーの較正と検証のために、力および温度感度の較正実験と安定性試験を実施した。結果は、本センサーの光ファイバーF-P腔力感度が331.8 pm/N、FBG力感度が159.9 pm/N、直線性が0.99以上、平均波長変位が25 pmであることを示した。本設計のプローブ力センサーは高感度かつ良好な直線性を有し、低侵襲外科穿刺手術ロボット分野で広範な応用展望を持つ。

光ファイバー力センサー；手術プローブ；ファブリ・ペロー腔（F-P腔）；ブラッググレーティング（FBG）；感度マトリックス