CN115813338A - 一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针，包括：软体探测部件，在所述软体探测部件内布置多芯光纤，所述多芯光纤包括多根纤芯，并且多根所述纤芯环绕所述多芯光纤中心轴，均匀阵列在所述多芯光纤内，每根纤芯上等间距间隔阵列多个布拉格光栅；当所述软体探测部件发生形变时，通过采集每根纤芯的应变量进行三维重构。本发明将光纤光栅传感理论和运动学模型相结合、通过在探针中嵌入多芯光纤光栅传感器，利用探针结构各点的测量应变的物理量信息，拟合重构出柔性变形的三维结构形态，实时监测和调控探针，以保证手术的顺利和成功的进行。

Description

一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针。

背景技术

目前，医疗探针的传感测量方法主要包括视觉和主观触觉测量等。但是，受探针本体材料和应用环境的限制，现有方法存在难以解决的问题，如：受技术原理和仪器尺寸限制，大多数医生根据通过探针感觉到的阻力来确定探针的位姿。且由于探针本体柔软且细小，传统的刚性传感器难以集成到探针上；柔性电子传感器易受电磁干扰影响、与核磁共振引导系统不兼容、标定校准和可重复性差、测量误差大。因此，现有的传感方法和器件尚未实现探针的精确测量，未能实现闭环控制，这制约着该技术在微创手术中的应用。

近年来，光纤传感技术迅速发展，基于光纤传感器的软体结构测量技术成为医疗器械精密测量技术的研究发展方向。与传统传感方法不同，光纤传感器利用光纤传输光信号进行传感测量，具有柔韧性好、体积小、重量轻和抗电磁干扰能力强等优点，可嵌入探针中形成传感网络，测量位姿等参数，实现反馈闭环控制。这为探针的精确传感测量提供了新方法。但现有的光纤探针传感技术研究大部分使用了单芯光纤，鲁棒性较差，可弯曲形变范围较小，难以满足探针介入手术各向弯曲形变的测量需求

发明内容

为了解决现有技术中光纤探针鲁棒性较差、可弯曲形变范围较小、难以满足探针介入手术各向弯曲形变的测量需求的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针，所述探针包括：

软体探测部件，在所述软体探测部件内布置多芯光纤，所述多芯光纤包括多根纤芯，并且多根所述纤芯环绕所述多芯光纤中心轴，均匀阵列在所述多芯光纤内，每根纤芯上等间距间隔阵列多个布拉格光栅；

当所述软体探测部件发生形变时，通过采集每根纤芯的应变量进行三维重构。

在一些优选的实施例中，所述多芯光纤内包括三根纤芯，每根纤芯等间距间隔阵列四个布拉格光栅。

在一些优选的实施例中，每根纤芯的布拉格光栅与相邻纤芯的布拉格光栅位置对齐。

本发明提供的一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针，将光纤光栅传感理论和运动学模型相结合、通过在探针中嵌入多芯光纤光栅传感器，利用探针结构各点的测量应变的物理量信息，拟合重构出柔性变形的三维结构形态，实时监测和调控探针，以保证手术的顺利和成功的进行。

本发明提供的一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针，通过在探针中嵌入光纤传感器，灵敏快速地感知探针中的光栅波长变化，利用三维形状重构方法可以简单轻易得出探针的三维形状，实时调节探针的状态。该系统简单易实现，非常适合在介入手术中进行应用。

本发明提供的一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针，利用体植入式光纤光栅传感器，可以灵敏快速地感知探针结构形变产生的应变位移等信息，实现探针的三维形状重构。通过植入式光纤光栅实时传感、三维形变拟合重构和图形界面可视化方法等，可以实现术中的实时诊断、形变监测和智能调控，本发明结构简单，稳定性高，并可以根据要求实现不同结构的形状重构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了本发明一个实施例中一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针的结构示意图。

图2示出了本发明一个实施例中嵌入探针软体探测部件内的多芯光纤的结构示意图。

图3示出了本发明一个实施例中多芯光纤弯曲的示意图。

图4示出了本发明一个实施例中多芯付光纤弯曲的弯曲截面的示意图。

图5示出了本发明一个实施例中利用弗莱纳标架进行坐标变换的的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。

为了解决现有技术中光纤探针鲁棒性较差、可弯曲形变范围较小、难以满足探针介入手术各向弯曲形变的测量需求的技术问题，如图1所示本发明一个实施例中一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针的结构示意图，图2所示本发明一个实施例中嵌入探针软体探测部件内的多芯光纤的结构示意图。

根据本发明的实施例，提供一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针1，包括软体探测部件101。在软体探测部件101内布置多芯光纤2，多芯光纤包括多根纤芯，并且多根纤芯环绕多芯光纤2中心轴，均匀阵列在多芯光纤2内，每根纤芯上等间距间隔阵列多个布拉格光栅(FBG)。

实施例中，以多芯光纤2内布置三根纤芯为例，多芯光纤2内布置第一纤芯201、第二纤芯202和第三纤芯203。第一纤芯201、第二纤芯202和第三纤芯203环绕多芯光纤2中心轴，均匀阵列在多芯光纤2内，第一纤芯201上等间距间隔阵列4个布拉格光栅2011，第二纤芯202上等间距间隔阵列4个布拉格光栅2021，第三纤芯203上等间距间隔阵列4个布拉格光栅2031。

根据本发明的实施例，每根纤芯的布拉格光栅与相邻纤芯的布拉格光栅位置对齐。具体地，第一纤芯201的4个布拉格光栅2011分别与第二纤芯202的4个布拉格光栅2021对齐。第二纤芯202的4个布拉格光栅2021分别与第三纤芯203上的4个布拉格光栅2031。第三纤芯203上的4个布拉格光栅2031分别与第一纤芯201的4个布拉格光栅2011对齐。

在一些优选的实施例中，多芯光纤的每根纤芯由紫外曝光法刻写的布拉格光栅后，植入探针的软体探测部件101内。由于布拉格光栅刻写过程中受到的预紧力以及退火时间略有差异，所以布拉格光栅中心波长选择为1547.6037nm-1547.5910nm之间，栅区长度为10mm，反射率为90％，边模抑制比为20dB。

根据本发明的实施例，当软体探测部件101发生形变时，使植入软体探测部件101内的多芯光纤2发生弯曲变形，从而使多芯光纤2的每根纤芯发生弯曲变形，通过采集每根纤芯的应变量进行三维重构。

具体的实施例中，根据本发明的实施例一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针的三维重构方法，三维重构方法包括：

步骤S1、当软体探测部件101发生形变时，采集多芯光纤内每根纤芯的的布拉格光栅的波长。

当一定频率的入射光通过布拉格光栅(FBG)时，会在波长为λ_B附近的光波反射回来，其余波长的光波将透射过布拉格光栅(FBG)。λ_B为布拉格光栅(FBG)的波长，满足以下公式：

λ_B＝2n_eff·Λ

其中，n_eff为光纤的有效折射率，Λ为光栅周期。

步骤S2、对多芯光纤内的每根纤芯进行波长-应变曲线标定，通过标定的波长-应变曲线计算每根纤芯的的应变。

布拉格光栅波长与应变成成线性关系λ_B＝aε+b，通过标定的方式绘制波长-应变曲线，得到波长-应变曲线参数a和b。

多芯光纤2的布拉格光栅的波长-应变曲线按照如下方法标定：

对多芯光纤2进行弯曲，并记录每根纤芯的弯曲应变ε₁和布拉格光栅波长λ₁。

重复上述过程，并记录每根纤芯的弯曲应变ε₂、ε₃、…、ε_n和布拉格光栅波长λ₂、λ₃、…、λ_n。

对每根纤芯绘制波长-应变曲线：λ_B＝aε+b，其中a、b为波长-应变曲线参数。

步骤S3、通过每根纤芯的应变计算每根纤芯的的弯曲曲率，其中，每根纤芯弯曲曲率通过如下方式计算：

其中，k为每根纤芯的弯曲曲率，ε为每根纤芯的应变，δ为多芯光纤弯曲时，弯曲截面的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面的距离。

如图3所示本发明一个实施例中多芯光纤弯曲的示意图，图4所示本发明一个实施例中多芯付光纤弯曲的弯曲截面的示意图，以多芯光纤2的第一纤芯201为例，当多芯光纤2发生弯曲变形时，第一纤芯201也随之发生弯曲变形，对多芯光纤2的弯曲段剖切，在弯曲截面200内多芯光纤2的第一纤芯201的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205形成一段距离δ。

第一纤芯201的弯曲应变满足：

将上式转换为曲率-应变关系：

需要说明的是，多芯光纤中心弯曲面204是多芯光纤2发生弯曲时，多芯光纤2中心轴所在的弯曲曲面。当从弯曲段截取弯曲截面200时，弯曲截面200与多芯光纤中心弯曲面204的切面205垂直。

通过相同的方法可知，每根纤芯的弯曲曲率均可以通过测量每根纤芯的弯曲应变获得，而弯曲曲率通过测量布拉格光栅的波长，由布拉格光栅的波长-应变曲线得到。

在具体的实施例中，在不同方向的弯曲变形时，由于弯曲截面200的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205的距离δ的差别较小。忽略不同方向弯曲变形，导致的弯曲截面200的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205的距离δ的变化，将弯曲截面200的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205的距离δ设定为固定值，作为多芯光纤2的参数。

由此，通过测量布拉格光栅的波长，由布拉格光栅的波长-应变曲线得到获得应变量，继而曲率-应变关系得到每根纤芯的弯曲曲率。

在一些优选的实施例中，多芯光纤弯曲时，弯曲截面200的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205的距离相同。即在弯曲截面200，第一纤芯201、第二纤芯202和第三纤芯203的心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205的距离δ为相同的固定值，作为多芯光纤2的参数。

在一些优选的实施例中，多芯光纤弯曲时，弯曲截面200的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205距离不同。即在弯曲截面200，第一纤芯201、第二纤芯202和第三纤芯203的心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205的距离δ不同。弯曲截面200的每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205距离不同时，每根纤芯的中心与多芯光纤中心弯曲面204的切面205距离为三个不同的固定值，作为多芯光纤2的参数。

步骤S4、通过每根纤芯的弯曲曲率进行曲率拟合，通过弗莱纳标架进行三维重构。

根据本发明的实施例，每根纤芯的弯曲曲率的拟合，本领域技术人员选择合适的拟合方式，例如最小二乘法拟合，具体本发明不做具体限定。

对于三维重构，根据本发明的实施例，通过弗莱纳标架(Frenet标架)进行三维重构。如图5所示本发明一个实施例中利用弗莱纳标架进行坐标变换的的示意图，在一个实施例中，弗莱纳标架坐标变化按照如下方式计算：

局部坐标系{X_i-1，Z_i-1}到局部坐标系{x_i，z_i}的变化矩阵

为

将光栅点Oi+1看作在局部坐标系{x_i，z_i}中，有几何关系可知，点Oi+1相对于局部坐标系{x_i，z_i}的坐标

为：

最后通过齐次变换

来计算原点在全局坐标系中的位置

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种基于多芯光纤的主动形状感知手术探针，其特征在于，所述探针包括：

软体探测部件，在所述软体探测部件内布置多芯光纤，所述多芯光纤包括多根纤芯，并且多根所述纤芯环绕所述多芯光纤中心轴，均匀阵列在所述多芯光纤内，每根纤芯上等间距间隔阵列多个布拉格光栅；

当所述软体探测部件发生形变时，通过采集每根纤芯的应变量进行三维重构。

2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述多芯光纤内包括三根纤芯，每根纤芯等间距间隔阵列四个布拉格光栅。

3.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，每根纤芯的布拉格光栅与相邻纤芯的布拉格光栅位置对齐。

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