미세침습 수술 탐침 끝단에서의 힘 측정은 정확한 제어와 수술 품질 향상을 위한 핵심이며, 수술 조작의 안전성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 본 논문은 천자 수술 탐침 끝단 힘 측정의 실제 요구에 맞춰 탐침에 통합 가능한 파브리-페로(Fabry-Perot, F-P) 공동과 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG)를 직렬로 연결한 광섬유 힘 센서를 설계하였습니다. 먼저, F-P 공동의 이중광 간섭 이론과 광섬유 격자 센싱 이론을 바탕으로 탐침의 캔틸레버 구조와 결합하여 탐침에 삽입된 광섬유 센서의 F-P 공동 및 FBG 센싱 모델을 분석 및 구축하였고, F-P 공동과 FBG의 특성 파장 편이량과 인가된 힘 사이의 매핑 관계를 도출하였습니다. 또한 힘과 온도 감도 행렬을 도입하여 탐침 힘 측정 시 온도의 교차 영향 문제를 효과적으로 회피하였습니다. 그 후, 화학식 부식을 통해 광섬유 F-P 공동을 제작하고 FBG와 직렬 연결하여 센서를 형성하였으며, 센서를 수술 탐침에 통합하였습니다. 마지막으로, 설계한 F-P 공동 직렬 FBG 광섬유 힘 센서의 보정 및 검증을 위해 힘 및 온도 감도 교정 실험과 안정성 테스트 실험을 실시하였습니다. 결과는 본 센서의 광섬유 F-P 공동 힘 감도가 331.8 pm/N, FBG 힘 감도가 159.9 pm/N에 이르며, 선형도는 0.99 이상, 평균 파장 편이는 25 pm임을 보여줍니다. 본 논문에서 설계한 탐침 힘 센서는 감도가 높고 선형도가 우수하여 미세침습 수술 로봇 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가집니다.

광섬유 힘 센서; 수술 탐침; 파브리-페로 공동(F-P); 브래그 격자(FBG); 감도 행렬