CN108577977A - 穿刺针及穿刺针运动轨迹的三维重建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了穿刺针及穿刺针运动轨迹的三维重建方法及系统，包括下述步骤：穿刺针针芯缺口处一侧开槽，嵌入七芯光纤，并用环氧树脂胶固定。在七芯光纤上选取三处关键位置刻光栅，旁芯光栅用于应变感知，中芯光栅用于温度补偿。将解调得到的光纤光栅中心波长带入光栅温度应变解耦方程组，求得关键点处的应变与偏转角，进而计算得到曲率，通过插值算法得到针体连续曲率与挠率。将求解的曲率、挠率带人弗雷内公式，求解切向量，对弧长进行积分得到空间曲线，实现穿刺针三维重建。

Description

穿刺针及穿刺针运动轨迹的三维重建方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感与医学影像的交叉领域，特别是涉及穿刺针及穿刺针运动轨迹的三维重建方法及系统。

背景技术

靶向穿刺手术是一种比较典型的微创外科手术，在组织活检、靶向注射、近距离放射性治疗以及神经外科手术等方面有着极为重要的临床应用，特别是在癌症早期诊断和治疗领域的优异表现，使之成为机器人辅助微创手术系统研究的焦点与前沿。在穿刺时针尖受力不均匀和组织变形将导致针尖偏离预定目标，造成组织损伤、错误诊断、放射量不当等严重后果。因而，穿刺过程中常采用CT、MRI、B超等影像技术对穿刺针进行实时三维重建，为机器人辅助穿刺导航系统提供必要的针尖位置信息。采用CT、MRI、B超等影像技术虽然能追踪针尖位置，但无法确定针尖朝向，并且CT的X射线辐射量大；MRI速度较慢，不适合实时导航；回声、气阱、斑点等容易引起超声图像噪声，组织对比度较低。

光纤光栅存在温度和应变交叉敏感，即温度和应变都会影响光栅中心波长偏移量；基于光栅的穿刺针三维重构方法即是建立中心波长偏移量-穿刺针针体应变-穿刺针针体弯曲曲率的过程，环境温度、组织温度实际是不断变化的，而光栅对温度又是敏感的。因此对以检测应变来说，温度是干扰，现有技术大部分都忽略温度影响或将温度认为是一个没有变化的定值；这样导致的结果就是穿刺针运动轨迹三维重建的精确度低。

发明内容

本发明公开了穿刺针及穿刺针运动轨迹的三维重建方法及系统，克服了传统三维成像易受噪声干扰、辐射大、速度慢等不足，为穿刺针三维重建提供了新思路和方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种穿刺针，包括：针芯和七芯光纤；

所述针芯顶端设有缺口，所述针芯缺口处一侧设有轴向开槽，所述开槽用于嵌入七芯光纤；所述七芯光纤用环氧树脂胶固定在开槽内；所述七芯光纤上刻有光栅。

所述七芯光纤用于光传播，光栅用于应变感知。

穿刺针运动轨迹的三维重建方法，包括以下步骤：

步骤(1)：在穿刺针的针芯位置建立弗雷内标架；

以针芯末端的位置为起点，以针芯顶端的位置为终点，在七芯光纤上选择三个关键点，七芯光纤中中心点的光纤为中芯，在以中芯为圆心的同心圆上选择三个旁芯：第一旁芯、第二旁芯和第三旁芯；其中每个旁芯距离中芯的直线距离为L；

在第一个关键点、第二个关键点和第三个关键点上分别刻制不同中心波长的光栅，光栅通过扇出耦合器连接到FBG光纤光栅解调仪；

步骤(2)：利用FBG光纤光栅解调仪获取三个关键点处中芯和三个旁芯的中心波长偏移量；根据光纤光栅轴向应变传感模型和光纤光栅温度传感模型，建立光纤光栅温度应变解耦方程组；

步骤(3)：由材料力学平面应变关系公式，得指定关键点处的最大应变和偏转角，进而计算得到指定关键点处的曲率，对指定关键点处的曲率利用插值算法进行处理得到连续曲率函数与偏转角函数；根据挠率定义，对偏转角函数进行微分得到挠率；

步骤(4)：根据弗雷内公式，求解切向量，对弧长进行积分得到空间曲线，空间曲线就是穿刺针针尖的运动轨迹，从而实现穿刺针运动轨迹的三维重建。

进一步的，第一个关键点距离起点的距离是15毫米，第二个关键点距离起点的距离是75毫米，第三个关键点距离起点的距离是135毫米；

进一步的，所述光纤光栅温度应变解耦方程组：

式(1)中：Δλ_O表示指定关键点处中芯光纤光栅中心波长偏移量；Δλ_i，i＝1,2,3表示指定关键点处第i根旁芯光纤光栅中心波长偏移量；ε_i为指定关键点处第i根旁芯对应的应变量；ΔT代表指定关键点处温度变化量；K_ε为光纤光栅的应变灵敏度系数、K_T为温度灵敏度系数。

ΔT代表指定关键点处温度变化量，温度变化量是穿刺针指定关键点所处环境的温度变化量，包括：穿刺针所处空气温度变化量、穿刺针所处空气到组织之间的温度变化量或穿刺针在穿入肌肉组织内时，肌肉组织内部温度变化量；

七芯光纤的中芯位于轴上，假设穿刺针在弯曲时，中芯没有应变，因此通过检测的中芯的温度变化量作为穿刺针所处环境的温度变化量，从而对旁芯的应变检测作为温度补偿，消除温度变化量对光纤光栅中心波长-应变映射关系的影响，建立精确的应变-中心波长映射关系；

根据式(1)，指定关键点处第i根旁芯对应的应变量ε_i表示为：

进一步的，所述步骤(3)的材料力学平面应变关系公式：

式(3)，ε₁为指定关键点处第一旁芯上的应变；ε₂为指定关键点处第二旁芯上的应变；ε₃为指定关键点处第三旁芯上的应变；ε_max为指定关键点处的最大应变；α为指定关键点处偏转角。

利用式(3)中任意两个方程，求解得到指定关键点处的最大应变ε_max和偏转角α。同理，求得其他两处关键点的最大应变和偏转角。

所述指定关键点处的曲率表示为：

式中(4)中κ为关键点处的曲率；L为关键点处旁芯到中芯的距离。

所述插值算法为三次样条插值算法，对三处关键点的曲率和偏转角分别进行插值，得到连续曲率函数κ(s)与偏转角函数α(s)。

所述挠率τ(s)表示为：

所述步骤(4)的切向量：

式(6)中，T为切向量；N为主法向量；B为副法向量；

切向量T对弧长进行积分得到空间曲线r(s)：

r(s)＝∫T ds。

穿刺针运动轨迹的三维重建系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述任一方法所述的步骤。

本发明的有益效果：

结构简单、构思新颖，为穿刺针三维重建提供了新的方法和思路，具有较好的实时性和抗干扰能力，较准确的反映穿刺针针体形状与针尖位置，为手术机器人穿刺路径规划与靶点控制策略提供有价值的参考数据。

结合新型传感技术提出一种穿刺针三维重建方法，克服传统三维成像弊端，为机器人手术导航系统提供必要的针体形状与针尖位置信息，有效提高穿刺成功率，对降低并发症及提高治疗效果都至关重要。

七芯光纤的中芯位于轴上，弯曲时认为没有应变，因此通过检测的中芯的温度作为穿刺针所处环境的温度，对旁芯的应变检测作为温度补偿，消除温度对中心波长-应变映射关系的影响，建立精确的应变-中心波长映射关系，进一步实现精确的针体重构。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1(a)为穿刺针整体结构示意图；

图1(b)为穿刺针针尖结构示意图；

图2为基于多芯光纤光栅的穿刺针三维重建方法流程图；

图3多芯光纤结构示意图；

图4为基于多芯光纤光栅的穿刺针三维重建效果图。

图中：1针芯，2七芯光纤，3凹槽，4环氧树脂胶，5关键点A处的光栅，6关键点B处的光栅，7关键点C处的光栅，8中芯，9第一旁芯，10第二旁芯，11第三旁芯。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种基于多芯光纤光栅三维成像技术的穿刺针，如图1(a)，包括针芯1和七芯光纤2。

如图1(b)所示，穿刺针针芯1缺口处一侧开凹槽3，自身被用于穿刺生物组织，开槽3用于嵌入七芯光纤2。

七芯光纤2上刻有关键点A处的光栅5、关键点B处的光栅6和关键点C处的光栅7，七芯光纤2用于光传播，关键点A处的光栅5、关键点B处的光栅6和关键点C处的光栅7用于应变感知，七芯光纤2被嵌于穿刺针针芯开槽3内，并用环氧树脂胶4固定。

所述的七芯光纤2参数如下：中芯8和第一旁芯9、第二旁芯10、第三旁芯11的直径d＝8um，芯间距L＝40um，七芯光纤直径为D＝250um。

基于多芯光纤光栅的穿刺针三维重建方法流程如图2所示，具体的工作方法如下：

步骤1、如图1(b)所示，在穿刺针针芯位置建立弗雷内标架Ψ_t{r(s)；T,N,B}，其中r(s)表示空间曲线，T为切向量，N为主法向量，B为副法向量。

步骤2、图1(a)中关键点A、B、C处刻置栅区长度1cm，反射率95％，中心波长分别为1550nm、1545nm、1541nm的光栅。以关键点A处为例，如图3所示，利用FBG解调仪读取中芯8和第一旁芯9、第二旁芯10、第三旁芯11的FBG中心波长，分别为λ_O＝1550.02nm，λ_A＝1549.962nm，λ_B＝1550.049nm，λ_C＝1550.049nm。中心波长偏移量分别为Δλ_O＝0.02nm，Δλ_A＝-0.038nm，Δλ_B＝0.049nm，Δλ_C＝0.049nm。中芯8位于中性轴上，对弯曲不敏感，可以作为温度补偿。中心波长1550nm时，应变灵敏度系数K_ε＝1.22pm/uε，温度灵敏度系数K_T＝10.9pm/℃，带入光纤光栅传感器温度应变解耦方程组：

可求得第一旁芯9、第二旁芯10、第三旁芯11应变：

步骤3、将求解的应变ε_A、ε_B、ε_C带入材料力学平面应变关系公式，如图2所示：

可得针体最大应变ε_max＝4.78×10^-5和偏转角α₁＝59.7。

由七芯光纤参数得知芯间距L＝40um，进而计算得到曲率：

同理，可得关键点B、关键点C的曲率：κ₂＝7×10^-4mm^-1、κ₃＝1×10^-4mm^-1，偏转角α₂＝60.1、α₃＝60.2。

调用matlab的spline()函数进行插值运算，即可得到连续曲率κ(s)：

κ(s)＝1.03×10^-9(s-15)²+8.74×10^-6s-1.33×10^-3

与连续偏转角α(s)：

α(s)＝60

转角为常数，说明针体弯曲并未偏离平面，因而对转角函数进行微分求得挠率

步骤4、挠率τ(s)＝0，因而可对弗雷内公式进行化简。根据小挠度理论，对曲率κ(s)进行二次积分可求得空间曲线函数r(s)：

r(s)＝8.57×10^-11s⁴+1.45×10^-6s³-6.63×10^-4s²

利用Matlab绘制穿刺针三维重建效果图，如图4所示，针尖位置误差0.015mm，结果表明，本发明提出的三维重建方法具有较高的精度和实时性，为穿刺针三维重建提供了新思路和方法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿刺针，其特征是，包括：针芯和七芯光纤；

所述针芯顶端设有缺口，所述针芯缺口处一侧设有轴向开槽，所述开槽用于嵌入七芯光纤；所述七芯光纤用环氧树脂胶固定在开槽内；所述七芯光纤上刻有光栅。

2.如权利要求1所述的一种穿刺针，其特征是，所述七芯光纤用于光传播，光栅用于应变感知。

3.如权利要求1所述穿刺针运动轨迹的三维重建方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤(1)：在穿刺针的针芯位置建立弗雷内标架；

以针芯末端的位置为起点，以针芯顶端的位置为终点，在七芯光纤上选择三个关键点，

七芯光纤中中心点的光纤为中芯，在以中芯为圆心的同心圆上选择三个旁芯：第一旁芯、第二旁芯和第三旁芯；其中每个旁芯距离中芯之间的直线距离为L；

在第一个关键点、第二个关键点和第三个关键点上分别刻制不同中心波长的光栅，光栅通过扇出耦合器连接到FBG光纤光栅解调仪；

步骤(2)：利用FBG光纤光栅解调仪获取三个关键点处中芯和三个旁芯的中心波长偏移量；根据光纤光栅轴向应变传感模型和光纤光栅温度传感模型，建立光纤光栅温度应变解耦方程组；

步骤(3)：由材料力学平面应变关系公式，得指定关键点处的最大应变和偏转角，进而计算得到指定关键点处的曲率，对指定关键点处的曲率利用插值算法进行处理得到连续曲率函数与偏转角函数；根据挠率定义，对偏转角函数进行微分得到挠率；

步骤(4)：根据弗雷内公式，求解切向量，对弧长进行积分得到空间曲线，空间曲线就是穿刺针针尖的运动轨迹，从而实现穿刺针三维重建。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是，第一个关键点距离起点的距离是15毫米，第二个关键点距离起点的距离是75毫米，第三个关键点距离起点的距离是135毫米。

5.如权利要求3所述的法，其特征是，所述光纤光栅温度应变解耦方程组：

式(1)中：Δλ_O表示指定关键点处中芯光纤光栅中心波长偏移量；Δλ_i，i＝1,2,3表示指定关键点处第i根旁芯光纤光栅中心波长偏移量；ε_i为指定关键点处第i根旁芯对应的应变量；ΔT代表指定关键点处温度变化量；K_ε为光纤光栅的应变灵敏度系数、K_T为温度灵敏度系数；

ΔT代表指定关键点处温度变化量，温度变化量是穿刺针指定关键点所处环境的温度变化量，包括：穿刺针所处空气温度变化量、穿刺针所处空气到组织之间的温度变化量或穿刺针在穿入肌肉组织内时，肌肉组织内部温度变化量；

七芯光纤的中芯位于轴上，假设穿刺针在弯曲时，中芯没有应变，因此通过检测的中芯的温度变化量作为穿刺针所处环境的温度变化量，从而对旁芯的应变检测作为温度补偿，消除温度变化量对光纤光栅中心波长-应变映射关系的影响，建立精确的应变-中心波长映射关系；

根据式(1)，指定关键点处第i根旁芯对应的应变量ε_i表示为：

6.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(3)的材料力学平面应变关系公式：

式(3)，ε₁为指定关键点处第一旁芯上的应变；ε₂为指定关键点处第二旁芯上的应变；ε₃为指定关键点处第三旁芯上的应变；ε_max为指定关键点处的最大应变；α为指定关键点处偏转角；

利用式(3)中任意两个方程，求解得到指定关键点处的最大应变ε_max和偏转角α；

同理，求得其他两处关键点的最大应变和偏转角。

7.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述指定关键点处的曲率表示为：

式中(4)中κ为关键点处的曲率；L为关键点处旁芯到中芯的距离。

8.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述插值算法为三次样条插值算法，对三处关键点的曲率和偏转角分别进行插值，得到连续曲率函数κ(s)与偏转角函数α(s)；

所述挠率τ(s)表示为：

9.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(4)的切向量：

式(6)中，T为切向量；N为主法向量；B为副法向量；

切向量T对弧长进行积分得到空间曲线r(s)：

r(s)＝∫T ds。

10.穿刺针运动轨迹的三维重建系统，其特征是，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述权利要求3-9任一所述方法的步骤。