CN114680831A - 基于fbg的血管狭窄感知系统 - Google Patents

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张天雪
高安柱
杨广中
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Abstract

本发明提供了一种基于FBG的血管狭窄感知系统，包括模拟血流的流量泵、多点可弯曲FBG传感器模块、弯曲血管狭窄模型、废液回收系统、信号检测系统及分析系统，流量泵、弯曲血管狭窄模型、废液回收系统依次连接；传感器FBG沿着血管弯曲方向伸入到弯曲血管狭窄模型中，多个均布的FBG布置在不同血管段；信号检测系统接收从FBG反射的波长，并且生成对应的时变输出信号。分析系统获得模拟血流的流量与流速，计算沿FBG各自位置处的波长变化，并转换为应变信号输出，从而判断血管狭窄、畸变区域位置与大小。本发明有利于用于快速扫描动脉血管以诊断狭窄区域,而无需依赖碘化造影剂的辐射性检查，能够获得血管狭窄疾病的检查高效结果。

Description

基于FBG的血管狭窄感知系统
技术领域
本发明涉及医疗检测领域，具体地，涉及一种基于FBG的血管狭窄感知系统。
背景技术
血管疾病死亡率居全球首位，全球每5例中2例死于心血管病。中国心血管病不完全统计病患人数3.30亿。传统血管畸变检测，一是碘化造影剂对人体和医生有害，而且需要相当复杂和耗时的侵入性过程；二是很难与介入机器人协同工作。血管畸变的无辐射、无毒、快速检测是全世界翘首以盼的技术，而低损伤、精确定位感知血管病变是当前介入医疗机器人的难点问题。
FBG具有好的磁兼容性、尺度小、柔性可变。本发明结合磁共振(MRI)与FBG传感优势，以“血管畸狭窄畸变的无辐射、无毒、精确检测”为目标。利用光纤布拉格光栅传感的磁兼容性、灵活尺度小的特点，使之医疗介入机器人在封闭血管腔道内精准定位。提出的科学问题属性“需求牵引、突破瓶颈”。
近年，国外知名机器人研究机构和龙头企业正加快布局高端医疗装备及传感技术。美国TSSC研制的FBG形状光纤传感检测系统可以实现空间三维形状感知，研制的线性连续形状传感器，在介入手术机器人导航等方面设备中商用化。美国美敦力公司研发的磁共振软体机器人已开始应用于临床；美国约翰斯霍普金斯大学开发的气动驱动磁共振兼容前列腺介入手术机器人系统已获得FDA认证；香港大学也研制了液压驱动的心血管介入手术机器人。在我国，相关技术系统的研发起步较晚，缺乏关键设备研发和核心技术。上海交通大学研制的多芯FBG传感器处于实验室试验阶段，心脏介入手术机器人也取得了进展。
本发明结合光纤FBG传感具有的尺度小、柔性可形变、磁兼容性的特点，提出了血管狭窄的FBG传感实时检测系统，突破传统血管狭窄、畸变检测中依赖碘化造影剂的辐射问题；探索FBG传感反射波长与心脏狭窄血流体征变化相关机理；发明无毒、无辐射血管检测系统，有望应用于血管介入机器人。在技术应用领域，将推进实现医疗机器人装备的“诊疗一体化系统”。对打破国外高端医疗装备的技术垄断，原始创新我国传感核心关键技术，具有重要的理论意义与科学价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于FBG的血管狭窄感知系统。
根据本发明提供的一种基于FBG的血管狭窄感知系统，包括模拟血流的流量泵、多点可弯曲FBG传感器模块、弯曲血管狭窄模型、废液回收系统、FBG信号检测以及分析系统，其中：
模拟血流的流量泵、弯曲血管狭窄模型、废液回收系统依次连接；
FBG传感器模块伸入在血管畸变模型中；
信号检测系统检测模拟血流的流量和应变；
信号分析系统接收FBG传感器模块和信号检测系统的数据，分析系统分析传感器FBG的应力应变信号与血管畸变、狭窄造成的血管应变关系。
优选地，还包括彩超，彩超对所述FBG传感器模块的探测结果复验。
优选地，所述多点可弯曲FBG传感器模块包括空间光纤形态FBG多点光栅阵列。
优选地，所述多点布拉格光栅设置有多个，能够进入直径为4mm-8mm的血管，FBG传感器模块的弯曲程度为±120°。
优选地，所述弯曲血管狭窄模型包括安装盒和多个弯曲血流通道，其中：所述安装盒的相对的两个侧面设置有多个安装孔，多个血流通道通过所述安装孔安装在所述安装盒内；
部分血流通道的中间浇筑有狭窄区域，不同的血流通道的中间浇筑的狭窄区域不同。
优选地，所述安装盒的侧面设置有三通接头，FBG传感器模块设置在其中一个接头内。
优选地，所述模拟血流的流量泵与弯曲血管狭窄模型之间、弯曲血管狭窄模型与废液回收系统通过丙烯酸管连通。
优选地，所述信号检测系统包括液体压力传感器和液体流量传感器，所述液体压力传感器检测模拟的血流在丙烯酸管内的压力；所述液体流量传感器检测模拟的血流在丙烯酸管内的流速。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明结构巧妙、操作方便且成本较低。
2、本发明的多点布拉格光栅可弯曲FBG传感器具有好的磁兼容性、尺度小、柔性可变的特性，使得医疗介入机器人能够在封闭血管腔道内精准定位。
3、本发明的空间弯曲血管狭窄模型，设置了不同直径和狭窄区域的血管，有效仿真了人类血管的狭窄畸变状况。
4、本发明基于FBG的血管狭窄感知系统突破传统血管狭窄、畸变CT检测中依赖碘化造影剂的辐射问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于FBG的血管狭窄感知系统示意图。
图2和3为基于FBG的血管狭窄感知系统的弯曲血管狭窄模型示意图。
图4为基于FBG的血管狭窄感知系统的多点弯曲FBG串传感器示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，根据本发明提供的一种基于FBG的血管狭窄感知系统，包括模拟血流的流量泵(PP)、多点可弯曲的传感器FBG、弯曲血管狭窄模型(XM)、废液回收系统(FH)、FBG信号检测以及分析系统(DA)，模拟血流的流量泵、弯曲血管狭窄模型以及废液回收系统依次连接；FBG传感器模块设置在弯曲血管狭窄模型中；信号检测系统检测模拟血流的流量和压力；信号分析系统接收FBG传感器模块和信号检测系统的数据，并分析FBG传感器模块的应力应变信号与血管畸变、狭窄造成的血管压力、流量、流速变化关系。多点可弯曲FB光纤沿着血管弯曲方向伸入到弯曲血管狭窄模型(XM)中，5个均布的光纤布拉格光栅(FBG)布置在不同的血管段；信号检测系统接收从(FBG)反射的波长，并且生成对应的时变输出信号。接收端(PP)将获得模拟血流的流量与流速(LS)。根据反射的波长(λ)和时间特性计算沿光纤(FB)的各自位置处的波长(λ)变化，并转换为应变信号输出(μ)，从而判断血管狭窄(XZ)、畸变(JB)区域位置与大小。模拟血流的流量泵可以是多普勒流量血流模拟系统，多普勒流量血流模拟系统模拟产生血液速度、方向、流量和灵敏度。还包括彩超，彩超对所述FBG传感器模块的探测结果复验。FBG传感器模块包括空间光纤形态FBG多点光栅阵列，FBG传感器模块能够进入直径为4mm-8mm的血管，FBG传感器模块的弯曲程度为±120°。所述弯曲血管狭窄模型包括安装盒和多个血流通道，其中：所述安装盒的相对的两个侧面设置有多个安装孔，多个血流通道通过所述安装孔安装在所述安装盒内；部分血流通道的中间浇筑有狭窄区域，不同的血流通道的中间浇筑的狭窄区域不同。所述安装盒的侧面设置有三通接头，FBG传感器模块设置在其中一个接头内。所述多普勒流量血流模拟系统与弯曲血管狭窄模型之间、弯曲血管狭窄模型与废液回收系统通过丙烯酸管连通。所述信号检测系统包括液体压力传感器和液体流量传感器，所述液体压力传感器检测模拟的血流在丙烯酸管内的压力；所述液体流量传感器检测模拟的血流在丙烯酸管内的流速。
进一步具体说明，本发明构建了一种集FBG传感器、信号分析系统、多普勒流量血流模拟系统、弯曲血管狭窄模型为一体的多模态试验系统。为了研究FBG传感器的应力应变信号与血管畸变、狭窄造成的血管压力、流量、流速变化关系，利用血流流动功能模拟系统改变液体的压力和粘度，模拟血压和流速等水平的变化。
构建与模拟弯曲血管狭窄模型共同使用的多普勒流量泵血流模拟系统，模拟产生血流速度、方向、流量和灵敏度的研究和工程测试。通过模拟血液材料的恒速流或脉动流产生的生理波形；选择配方可以模拟人类血液的物理特性，可靠、稳定且无害的多普勒液，与超声多普勒流模型系统结合使用，用于评估多普勒成像系统的系统性能。对比试验FBG传感器的信号响应。
弯曲血管狭窄模型是有效进行实验的基础。本发明的模型由基于橡胶基的组织模拟材料构成，这种材料可以避免熔化、冻结、脱水和脱落。包含4个模拟血管系统的血流通道，4个流动通道并分别浇筑一部分狭窄区域。例如：血管内径4mm,分别无狭窄、约50％狭窄，狭窄长度10mm；内径6mm约75％狭窄，狭窄长度20mm；内径8mm，约90％狭窄，长度30mm。一侧的外面都接三通接头，一个口加液体形成闭环循环，一个口可以进入FBG传感器。整体镶嵌在盒子里，便于试验。
根据血管空间姿态变化的感知需求，构建空间光纤形态FBG多点光栅阵列并集成到机器人的导管体内，设计导丝头部光纤的集成方法使之能多点感知畸变病灶。建立弯曲—应变模型，通过线性或三次插值来估计进行形状重建，将FBG应变读数转换为高精度和分辨率的力信息，形成多芯弯曲光纤连续的多光栅阵列。图3为血管空间弯曲变化的FBG光纤光栅串阵列。
由于人体年龄、性别、体态的不同，血管狭窄具有区域、尺度、病变程度的不确定性。人体血管及腔体多数细小且冗长，管内往往具有人体的体液或介质。在医疗诊治中，较长度的导丝工作在变化的环境中，体内管道的封闭性进一步加大了形态检测的难度。
本发明血管空间形态变化的FBG多芯光纤光栅阵列。可以进入直径为4mm-8mm的血管，弯曲程度±120度，本发明的FBG多芯光纤光栅阵列有一定的空间扭曲度；有好的空间柔度、强度，无金属配件，可以进入磁共振MRI环境试验。本发明可以通过光纤布拉格光栅波长变化获得血管畸变、狭窄造成的对应流量、流速变化的应变信号。有利于用于快速扫描动脉血管以诊断狭窄区域,而无需依赖碘化造影剂的辐射性检查。能够获得血管狭窄疾病的检查高效结果。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，包括模拟血流的流量泵、多点可弯曲FBG传感器模块、弯曲血管狭窄模型、废液回收系统、FBG信号检测以及分析系统，其中：
模拟血流的流量泵、弯曲血管狭窄模型、废液回收系统依次连接；
FBG传感器模块伸入在血管畸变模型中；
信号检测系统检测模拟血流的流量和应变；
信号分析系统接收FBG传感器模块和信号检测系统的数据，分析系统分析传感器FBG的应力应变信号与血管畸变、狭窄造成的血管应变关系。
2.根据权利要求1所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，还包括彩超，彩超对所述FBG传感器模块的探测结果复验。
3.根据权利要求1所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，所述多点可弯曲FBG传感器模块包括空间光纤形态FBG多点光栅阵列。
4.根据权利要求3所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，所述多点布拉格光栅设置有多个，能够进入直径为4mm-8mm的血管，FBG传感器模块的弯曲程度为±120°。
5.根据权利要求1所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，所述弯曲血管狭窄模型包括安装盒和多个弯曲血流通道，其中：所述安装盒的相对的两个侧面设置有多个安装孔，多个血流通道通过所述安装孔安装在所述安装盒内；
部分血流通道的中间浇筑有狭窄区域，不同的血流通道的中间浇筑的狭窄区域不同。
6.根据权利要求5所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，所述安装盒的侧面设置有三通接头，FBG传感器模块设置在其中一个接头内。
7.根据权利要求1所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，所述模拟血流的流量泵与弯曲血管狭窄模型之间、弯曲血管狭窄模型与废液回收系统通过丙烯酸管连通。
8.根据权利要求7所述的基于FBG的血管狭窄感知系统，其特征在于，所述信号检测系统包括液体压力传感器和液体流量传感器，所述液体压力传感器检测模拟的血流在丙烯酸管内的压力；所述液体流量传感器检测模拟的血流在丙烯酸管内的流速。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115624393A (zh) * 2022-12-21 2023-01-20 北京唯迈医疗设备有限公司 一种介入手术机器人系统、提供操纵提示的方法

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