CN110926357B - 构建穿刺针形状变化标定模型的方法 - Google Patents

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Abstract

构建穿刺针形状变化标定模型的方法，涉及光纤光栅传感领域。解决了现有技术中构建的穿刺针形状变化标定模型，未考虑温度对穿刺针形状变化的影响，使得所构建的标定模型对穿刺针形状变化拟合精度低的问题。本发明首先构建穿刺针形状变化的初始模型，然后单独改变穿刺针的温度和穿刺针的形变，获得构建穿刺针形状变化的初始模型的校准矩阵，最后，根据校准矩阵获得穿刺针形状变化标定模型，从而完成对穿刺针形状变化标定模型的构建。本发明主要应用在医疗领域。

Description

构建穿刺针形状变化标定模型的方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感领域。
背景技术
1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人制造出了世界上第一根光纤布拉格光栅，布拉格光栅传感器具有体积小、灵敏度高、抗干扰性强和电磁兼容性好等优点，目前，在建筑、航空、医学等领域得到了广泛的应用，特别是在应变监测和温度监测方面。
近年来随着机器人技术的发展，布拉格光栅传感器开始应用于柔性机器人的形状传感方面，为了解决经皮穿刺手术中穿刺针刺入体内发生形变难以测量的问题，提出了在穿刺针表面粘贴布拉格光栅传感器的方法，基于欧拉伯努利梁理论，针的变形会导致粘贴在其表面的光纤发生拉伸或压缩应变，通过一定的方法建立应变量与布拉格光栅传感器中心波长偏移量的关系模型，进而由应变拟合出其形状的变化；
但是，布拉格光栅传感器的中心波长对温度和应力存在交叉敏感效应，上述方法构建的穿刺针形状变化模型时，没有考虑到温度变化对所构建模型的影响，利用上述的构建方法所构建的模型无法得到在温度变化的环境下，同样得到精确的穿刺针形状变化情况，这对于穿刺手术而言是难以接受的，因此，如何构建一种新的穿刺针形状变化标定模型，使其所构建的模型，考虑温度对穿刺针形状变化的影响，从而提高穿刺针形状变化的拟合精度，亟需解决，这对进一步提高医疗卫生水平有着巨大的意义。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中构建的穿刺针形状变化标定模型，未考虑温度对穿刺针形状变化的影响，使得所构建的标定模型对穿刺针形状变化拟合精度低的问题，本发明提供了一种构建穿刺针形状变化标定模型的方法。本发明所构建的标定模型考虑了温度对穿刺针形状变化的影响，穿刺针使用前，利用本发明方法构建该穿刺针形状变化标定模型，使用时，可利用所构建的标定模型对穿刺针在手术过程中的形态变化情况进行精确的拟合，获知穿刺针在手术过程中的实时状态变化。
一种构建穿刺针形状变化标定模型的方法，该方法是基于粘贴在穿刺针内针上3个光纤光栅实现，所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅；
步骤一、根据校准矩阵、由形变引起的中心波长偏移矩阵、由温度引起的中心波长偏移矩阵和曲率分量矩阵，构建穿刺针形状变化的初始模型，初始模型的表达式为：
Figure GDA0002703395520000021
其中，
Figure GDA0002703395520000022
表示校准矩阵，C1至C6分别为校准矩阵内的第一至第六个元素；
Figure GDA0002703395520000023
表示由形变引起的中心波长偏移矩阵，
Δλ1表示第一个光纤光栅的中心波长偏移量；
Δλ2表示第二个光纤光栅的中心波长偏移量；
Δλ3表示第三个光纤光栅的中心波长偏移量；
Figure GDA0002703395520000024
表示由温度变化引起的中心波长偏移矩阵；
λB1表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第一个光纤光栅的中心波长；
λB2表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第二个光纤光栅的中心波长；
λB3表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第三个光纤光栅的中心波长；
ΔT表示温度的变化量；
ξ表示热光系数；
κxy表示右手坐标系下的x轴和y轴所构成的xy平面的曲率分量；
κxz表示右手坐标系下的x轴和z轴所构成的xz平面的曲率分量；
右手坐标系下的x轴为光纤光栅的长度方向；
步骤二、使穿刺针处于预设的标准温度下，根据N个预设的曲率分量矩阵中的具体数值，改变穿刺针形状，使穿刺针由标准长条形形状弯曲成相应的预设形状，其中，每一个预设的曲率分量矩阵对应一种预设形状，从而获得穿刺针在每种预设形状下，由形变引起的中心波长偏移矩阵的数值；
步骤三、使穿刺针处于标准长条形形状，根据M个预设测试温度，改变穿刺针的温度，使穿刺针的温度由预设的标准温度上升或下降至相应的预设测试温度，从而获得穿刺针在每个预设测试温度下，由温度引起的中心波长偏移矩阵的数值；
步骤四、将步骤二中每种预设形状下由形变引起的中心波长偏移矩阵的数值、及步骤三中每个预设温度下由温度引起的中心波长偏移矩阵的数值均带入公式一，获得N+M个变形后的公式一，并对N+M个变形后的公式一进行处理，从而获得穿刺针的校准矩阵的具体数值；
步骤五、将步骤四中获得的穿刺针的校准矩阵的具体数值带入公式一中，从而获得穿刺针形状变化标定模型，从而完成对穿刺针形状变化标定模型的构建。
本发明带来的有益效果是，本发明所构建的标定模型考虑了温度对穿刺针形状变化的影响，集成有光纤光栅的穿刺针必须经过标定才能准确地计算出穿刺针变形后的形状，穿刺针使用前，利用本发明方法构建该穿刺针形状变化标定模型对穿刺针进行标定，使用时，可利用所构建的标定模型对穿刺针在手术过程中的形态变化情况进行精确的拟合，获知穿刺针在手术过程中的实时形态变化，提高穿刺针形态的拟合精度，促进其在医疗领域的进一步应用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施方式所述的构建穿刺针形状变化标定模型的方法，该方法是基于粘贴在穿刺针内针上3个光纤光栅实现，所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅；
步骤一、根据校准矩阵、由形变引起的中心波长偏移矩阵、由温度引起的中心波长偏移矩阵和曲率分量矩阵，构建穿刺针形状变化的初始模型，初始模型的表达式为：
Figure GDA0002703395520000041
其中，
Figure GDA0002703395520000042
表示校准矩阵，C1至C6分别为校准矩阵内的第一至第六个元素；
Figure GDA0002703395520000043
表示由形变引起的中心波长偏移矩阵，
Δλ1表示第一个光纤光栅的中心波长偏移量；
Δλ2表示第二个光纤光栅的中心波长偏移量；
Δλ3表示第三个光纤光栅的中心波长偏移量；
Figure GDA0002703395520000044
表示由温度变化引起的中心波长偏移矩阵；
λB1表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第一个光纤光栅的中心波长；
λB2表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第二个光纤光栅的中心波长；
λB3表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第三个光纤光栅的中心波长；
ΔT表示温度的变化量；
ξ表示热光系数；
κxy表示右手坐标系下的x轴和y轴所构成的xy平面的曲率分量；
κxz表示右手坐标系下的x轴和z轴所构成的xz平面的曲率分量；
右手坐标系下的x轴为光纤光栅的长度方向；
步骤二、使穿刺针处于预设的标准温度下，根据N个预设的曲率分量矩阵中的具体数值，改变穿刺针形状，使穿刺针由标准长条形形状弯曲成相应的预设形状，其中，每一个预设的曲率分量矩阵对应一种预设形状，从而获得穿刺针在每种预设形状下，由形变引起的中心波长偏移矩阵的数值；
步骤三、使穿刺针处于标准长条形形状，根据M个预设测试温度，改变穿刺针的温度，使穿刺针的温度由预设的标准温度上升或下降至相应的预设测试温度，从而获得穿刺针在每个预设测试温度下，由温度引起的中心波长偏移矩阵的数值；
步骤四、将步骤二中每种预设形状下由形变引起的中心波长偏移矩阵的数值、及步骤三中每个预设温度下由温度引起的中心波长偏移矩阵的数值均带入公式一，获得N+M个变形后的公式一，并对N+M个变形后的公式一进行处理，从而获得穿刺针的校准矩阵的具体数值；
步骤五、将步骤四中获得的穿刺针的校准矩阵的具体数值带入公式一中，从而获得穿刺针形状变化标定模型，从而完成对穿刺针形状变化标定模型的构建。
优选的实施方式为，步骤四中，对N+M个变形后的公式一进行最小二乘计算，从而获得穿刺针的校准矩阵的具体数值。
优选的实施方式为，穿刺针内针的内壁上沿周向设有3个槽，每个槽内粘贴有一个光纤光栅。
本发明具体建模过程中，采用一定的外部器械对穿刺针施加载荷，控制穿刺针弯曲变形到一定的形状，并保持穿刺针形状，不变改变其外部温度，当穿刺针发生弯曲时，光纤会受到拉应力或压应力，进而引起中心波长的偏移，可通过光纤光栅解调仪连续地采集各个光纤光栅的中心波长信号，建立每种弯曲形状下的三个光纤光栅中心波长偏移量和相应弯曲形状下的曲率分量之间的单因素模型，将温度对中心波长偏移量的影响剥离出来。
由于，穿刺针非常细，因此，可以认为三根光纤光栅在同一位置处的温度一致，理论上λB1、λB2、λB3应相等，但是由于加工误差的原因，难以保证其严格相等，因此，将预设的标准温度下无弯曲状态下的三个光纤光栅的实际中心波长代入，保证穿刺针的校准矩阵的获得精度，从而保证所建立的穿刺针形状变化标定模型的精度。
原理分析：本发明中在建模过程中，采集到的数据分为两类，分别是步骤二和步骤三中记载的内容，
步骤二是单独改变穿刺针形状时的中心波长偏移量和曲率分量的关系，步骤二中温度的变化量为0，则其对应关系应满足
Figure GDA0002703395520000051
步骤三是单独改变温度时的中心波长偏移量和曲率分量的关系，步骤三中由于光纤光栅的形态未发生变化，只有温度发生变化，则其对应关系应满足
Figure GDA0002703395520000061
最后，根据步骤二和三中得到的关系，利用最小二乘法求解
Figure GDA0002703395520000062
的具体数值，即可得到对温度不敏感的校准矩阵，实现在温度改变的情况下，穿刺针依旧保持一定精度的形状传感能力，其中，步骤二和步骤三中记载的测试条件，即为求解
Figure GDA0002703395520000063
的约束条件，便于高精度的穿刺针的校准矩阵
Figure GDA0002703395520000064
的具体数值。
本发明所构建的标定模型考虑了温度对穿刺针形状变化的影响，穿刺针使用前，利用本发明方法构建该穿刺针形状变化标定模型，使用时，可利用所构建的标定模型对穿刺针在手术过程中的形态变化情况进行精确的拟合，获知穿刺针在手术过程中的实时形态变化，提高穿刺针形态的拟合精度，促进其在医疗领域的进一步应用。
优选的实施方式为，步骤一中，Δλ1、Δλ2和Δλ3的获得过程，均可通过如下公式二实现；
Δλi＝λBi(1-Pe)ε (公式二)；
Δλi表示第i个光纤光栅的中心波长偏移量；i＝1,2,3；
λBi表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第i个光纤光栅的中心波长；
Pe表示光纤光栅应变系数；
ε表示应变。
优选的实施方式为，ε＝d·κ；
其中，d表示光纤光栅中轴线到穿刺针中轴线间的距离；
κ表示光纤光栅受到拉/压力后，穿刺针中轴线在三维空间内的曲率。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (5)

1.构建穿刺针形状变化标定模型的方法，其特征在于，该方法是基于粘贴在穿刺针内针上3个光纤光栅实现，所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅；
步骤一、根据校准矩阵、由形变引起的中心波长偏移矩阵、由温度引起的中心波长偏移矩阵和曲率分量矩阵，构建穿刺针形状变化的初始模型，初始模型的表达式为：
Figure FDA0002703395510000011
其中，
Figure FDA0002703395510000012
表示校准矩阵，C1至C6分别为校准矩阵内的第一至第六个元素；
Figure FDA0002703395510000013
表示由形变引起的中心波长偏移矩阵，
Δλ1表示第一个光纤光栅的中心波长偏移量；
Δλ2表示第二个光纤光栅的中心波长偏移量；
Δλ3表示第三个光纤光栅的中心波长偏移量；
Figure FDA0002703395510000014
表示由温度变化引起的中心波长偏移矩阵；
λB1表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第一个光纤光栅的中心波长；
λB2表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第二个光纤光栅的中心波长；
λB3表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第三个光纤光栅的中心波长；
ΔT表示温度的变化量；
ξ表示热光系数；
κxy表示右手坐标系下的x轴和y轴所构成的xy平面的曲率分量；
κxz表示右手坐标系下的x轴和z轴所构成的xz平面的曲率分量；
右手坐标系下的x轴为光纤光栅的长度方向；
步骤二、使穿刺针处于预设的标准温度下，根据N个预设的曲率分量矩阵中的具体数值，改变穿刺针形状，使穿刺针由标准长条形形状弯曲成相应的预设形状，其中，每一个预设的曲率分量矩阵对应一种预设形状，从而获得穿刺针在每种预设形状下，由形变引起的中心波长偏移矩阵的数值；
步骤三、使穿刺针处于标准长条形形状，根据M个预设测试温度，改变穿刺针的温度，使穿刺针的温度由预设的标准温度上升或下降至相应的预设测试温度，从而获得穿刺针在每个预设测试温度下，由温度引起的中心波长偏移矩阵的数值；
步骤四、将步骤二中每种预设形状下由形变引起的中心波长偏移矩阵的数值、及步骤三中每个预设温度下由温度引起的中心波长偏移矩阵的数值均带入公式一，获得N+M个变形后的公式一，并对N+M个变形后的公式一进行处理，从而获得穿刺针的校准矩阵的具体数值；
步骤五、将步骤四中获得的穿刺针的校准矩阵的具体数值带入公式一中，从而获得穿刺针形状变化标定模型，从而完成对穿刺针形状变化标定模型的构建。
2.根据权利要求1所述的构建穿刺针形状变化标定模型的方法，其特征在于，步骤四中，对N+M个变形后的公式一进行最小二乘计算，从而获得穿刺针的校准矩阵的具体数值。
3.根据权利要求1所述的构建穿刺针形状变化标定模型的方法，其特征在于，步骤一中，Δλ1、Δλ2和Δλ3的获得过程，均可通过如下公式二实现；
Δλi＝λBi(1-Pe)ε (公式二)；
Δλi表示第i个光纤光栅的中心波长偏移量；i＝1,2,3；
λBi表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第i个光纤光栅的中心波长；
Pe表示光纤光栅应变系数；ε表示应变。
4.根据权利要求3所述的构建穿刺针形状变化标定模型的方法，其特征在于，ε＝d·κ；其中，d表示光纤光栅中轴线到穿刺针中轴线间的距离；
κ表示光纤光栅受到拉/压力后，穿刺针中轴线在三维空间内的曲率。
5.根据权利要求1所述的构建穿刺针形状变化标定模型的方法，其特征在于，穿刺针内针的内壁上沿周向设有3个槽，每个槽内粘贴有一个光纤光栅。
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