CN114795066A - 一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及内窥镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及内窥镜，光纤传感系统包括光纤形状传感器，其为光纤布拉格光栅传感器；FBG解调仪对光纤布拉格光栅的中心波长进行测量并发送给上位机；上位机用于接收FBG解调仪测量的光纤布拉格光栅的波长并对其分析处理，获取运动部件的实际的形状信息及前端部的实际的位置信息；上位机根据实际的形状信息及位置信息与发出的形状信息及位置信息进行比对；判断运动部件的前端部的实际的位置信息与应到的位置信息是否存在偏差；当判定存在偏差时，上位机对运动控制模块发出补偿信号，运动控制模块控制所述运动部件根据补偿信号运动至预期位置。增加内窥镜手术诊断及治疗的准确性及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及内窥镜技术领域，具体涉及一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及内窥镜。
背景技术
医用内窥镜是一种医疗器械，由可弯曲部分、光源及一组镜头组成，用于在内窥镜诊疗过程中提供通道、照明，并可以对体腔、中空器官和身体管道进行观察或操作，其经人体的天然孔道，或者是经手术做的小切口进入人体内。使用时将内窥镜导入预检查的器官，可直接窥视有关部位的变化，亦可用于手术或协助植入治疗性人工产品。
相较于传统医学，微创和无创的医学提高了诊治效率，减轻了患者痛苦，是医学技术发展的革命性进步，也预示着未来医学的发展方向。内窥镜设备常搭配内镜诊疗手术耗材使用，在内窥镜检查或手术中起到活检、止血、扩张、切除等作用。
医用内窥镜拥有一个庞大的产品体系，品类众多，按照镜体的软硬程度和应用场景，可以分为软性内窥镜和硬管内窥镜，按照应用领域划分，可以分为消化内镜、呼吸内镜、普通外科内镜、关节镜、脊柱内镜、泌尿外科内镜、胸外科内镜、妇科内镜、鼻咽喉科内镜等。其中，消化内镜主要包括胃镜、肠镜等。
医用内窥镜广泛应用于众多临床科室和应用场景，作诊疗用途。伴随着技术的进步，内窥镜的应用持续扩大至多个诊疗过程中，预期将推动全球对内窥镜的需求。
以内窥镜诊疗为代表的微创诊疗技术的出现，有效缓解了外科领域出血、疼痛和感染问题，现已成为我国医疗机构众多临床专业日常诊疗工作中不可或缺的重要技术手段。
对于软性内窥镜而言，多用于经人体自然腔道的诊断检测及治疗手术，其插入管(进入人体自然腔道的部分)由可调弯部分与被动形变部分组成，其中可调弯部分的控制是通过柔性丝传动技术来实现(钢丝传动)。但由于这种传动方式自身的限制，钢丝在受到拉力时会不可避免的产生一定的弹性形变，其形变程度无法量化，导致内窥镜插入管前端的成像模组实际的位置信息和姿态信息与主动控制机构输入的位置信息和姿态信息存在一定的偏差。由于内窥镜的使用场景多为人体自然腔道，其工作空间狭小，被动形变产生的误差对内窥镜的控制精度存在不可忽略的影响。因此，有必要开发一种新的内窥镜插入管以解决上述技术问题。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的是提供一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及具有其的内窥镜。
本发明的技术方案是：
本发明的其中一个目的在于提供一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及内窥镜，包括：
光纤形状传感器，其为光纤布拉格光栅传感器且其适于封装于具有可弯曲部分的运动部件内，至少所述可弯曲部分内设有所述光纤形状传感器；
FBG解调仪，其与所述光纤形状传感器连接且用于对光纤布拉格光栅的中心波长进行测量并发送给上位机；
上位机，其与所述FBG解调仪连接且用于接收所述FBG解调仪测量的光纤布拉格光栅的波长并对其分析处理，将光纤布拉格光栅的波长信号转化为形变的曲率信号，进而获取运动部件的实际的形状信息并得到运动部件的前端部的实际的位置信息；
所述上位机与用于控制所述运动部件运动的运动控制模块连接，并
根据获取的运动部件的前端部的实际的形状信息及位置信息与发出的形状信息及位置信息进行比对；
判断运动部件的前端部的实际的位置信息与应到的位置信息是否存在偏差；
当判定存在偏差时，所述上位机对所述运动控制模块发出补偿信号，所述运动控制模块控制所述运动部件根据补偿信号运动至预期位置。
优选地，所述运动部件为内中空的管状部件，所述光纤形状传感器包括多个传感光纤，所述传感光纤沿所述运动部件的内壁一周间隔分布并沿所述运动部件的轴线方向由所述运动部件的后端延伸至前端的可弯曲部分外。
优选地，所述传感光纤的数量为至少三个，至少三个传感光纤沿所述运动部件的内壁一周均匀间隔设置。
优选地，所述运动部件的内壁上形成有径向向内突出且沿所述运动部件的中心线方向延伸的凸起部，所述凸起部内形成有沿所述运动部件的中心线方向延伸并贯通的光纤通道，所述传感光纤封装于所述光纤通道内。
优选地，所述FBG解调仪根据检测到的形变前后的光纤布拉格光栅的波长，计算得到光纤布拉格光栅的波长偏移量ΔλB，公式如下：
ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (1)
(1)式中：Λ表示光栅周期、光栅栅距；neff表示光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率。
优选地，所述光纤布拉格光栅的波长信号转化为形变的曲率信号的转化公式为：
(2)式中：ρ表示曲率；
所述FBG解调仪根据(1)式计算得到形变后的多个传感光纤的波长偏移量ΔλB，所述上位机根据(1)式计算得到的波长偏移量ΔλB并通过(2)式计算得到形变后的传感光纤的曲率，进而分别得到每个传感光纤的形状信息；
所述上位机根据获取到的多个传感光纤的形状信息利用微分几何建立测量模型拟合得到运动部件的中心线的形状信息。
优选地，所述得到运动部件的前端部的实际位置信息中，因所述运动部件的总长度固定不变，所述上位机根据拟合得到的运动部件的中心线的形状信息与所述运动部件的总长度计算得到运动部件的前端部的实际的位置信息。
优选地，所述运动部件的前端部内设有摄像模组，所述摄像模组用于获取所述运动部件前方的图像并向所述上位机反馈获取的图像。
优选地，所述的运动部件为内窥镜插入管。
本发明的另一个目的在于提供一种内窥镜，包括上述任一项所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，利用形状传感器在发生形变时波长发生变化，通过FBG解调仪对波长的偏移进行测量并发送给计算机，由计算机内置的数据处理程序处理转化为曲率信号，从而得到运动部件的中心线的实际的形状信息及位置信息，再与发出的形状信息及位置信息比较，判断是否有偏差，如有偏差，计算机的数据处理程序对控制运动部件运动的运动控制模块发送补偿信号，通过补偿信号控制运动部件的前端运动到所需的位置，控制精度高，将该光纤传感系统封装到内窥镜插入管内，即可实现对应内窥镜插入管的前端部的摄像模组在人体腔道内发生形变时的位置信息和姿态信息在形变时发生偏差后进行补偿调整，也即实现了对内窥镜插入管的空间导航和位置追踪，解决了现有技术中无法量化形变的问题，达到控制精度高的目的，增加内窥镜手术诊断及治疗的准确性及可靠性。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明实施例的具有多通道同步采集的光纤传感系统的框架示意图；
图2为本发明实施例的内窥镜插入管的结构示意图；
图3为图2的内窥镜插入管省略了可弯曲部分的外层及可弯曲部分前端的摄像模组的结构示意图；
图4为本发明实施例的内窥镜插入管的轴向结构示意图(传感光纤数量为四个)；
图5为本发明实施例的内窥镜插入管的轴向结构示意图(传感光纤数量为三个)；
图6为本发明实施例的内窥镜插入管的轴向结构示意图(传感光纤数量为六个)；
图7为本发明实施例的内窥镜插入管的轴向结构示意图(传感光纤数量为八个)；
图8为本发明实施例的内窥镜插入管的轴向结构示意图(传感光纤数量为十二个)。
其中：1、光纤形状传感器；11、传感光纤；2、FBG解调仪；3、数据处理程序；4、内窥镜运动控制模块；5、内窥镜插入管；50、前端部；51、可弯曲部分；52、传动钢丝；53、凸起部；6、摄像模组。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参见图1至图8，本发明实施例的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，应用在内窥镜插入管中。具体的，如图1所示，包括光纤形状传感器1、FBG解调仪2(也即光纤光栅解调仪)和上位机(本发明实施例为计算机)。光纤形状传感器1为光纤布拉格光栅传感器，其连接FBG解调仪2，且光纤形状传感器1封装在运动部件(也即内窥镜插入管5)内。FBG解调仪2用于对光纤布拉格光栅的中心波长进行测量也即对波长进行解调(具体解调步骤不做具体描述，为现有技术)并发送给上位机。上位机与FBG解调仪3连接，且计算机内置有数据处理程序3，数据处理程序3接收FBG解调仪2测量的光纤布拉格光栅的波长也即上位机的数据处理程序3对波长进行读取并对波长信号进行分析处理(具体为数据处理程序3将光纤布拉格光栅的波长信号转化为形变的曲率信号)，进而获取内窥镜插入管5的实际的形状信息并得到内窥镜插入管5的前端部50的实际的位置信息。上位机还与用于控制运动部件运动的运动控制模块连接(本发明实施例为内窥镜运动控制模块4)，计算机数据处理程序3根据获取的内窥镜插入管5的前端部50的实际的形状信息及位置信息并与发出的形状信息及位置信息(此处发出的位置信息是指待处理的病灶位置，由摄像模组6获取图像后经图像处理算法识别并计算得到病灶的空间位置也即坐标)进行比对，判断内窥镜插入管5的前端部50的实际的位置信息与应到的位置信息是否存在偏差，若存在偏差，计算机数据处理程序3计算得到位置补偿数据，并对内窥镜运动控制模块4发出补偿信号，内窥镜运动控制模块4控制内窥镜插入管5根据补偿信号使得其的前端部50运动至预期位置。实现了内窥镜插入管5的形变的量化，解决了现有技术形变无法量化的问题，使得内窥镜插入管5前端的成像模组6的实际的位置信息及形态信息也即姿态与主控制机构也即计算机数据处理程序3输入的位置信息及姿态信息一致，提高了内窥镜的控制精度。
根据本发明的一些实施例，光纤形状传感器1包括多个传感光纤11，传感光纤11沿运动部件的内壁一周间隔分布并沿运动部件的轴线方向由运动部件的后端延伸至前端的可弯曲部分51外。可选的，传感光纤11的前端与可弯曲部分51的前端相平。本发明实施例中，传感光纤11的前端也即图2中的A伸出可弯曲部分51的前端外一定长度，具体不做限定，比如传感光纤11的前端与可弯曲部分51外围的外层(内窥镜插入管5径向由内向外依次包括内腔层、中间层和外层三层，其中中间层设于内腔层的前端外周并向前延伸且实施为可弯曲部分51，外层包覆中间层且外层的前端处于中间层的前端之前)的前端相平。可选的，传感光纤11的数量为至少三个，至少三个传感光纤11沿内窥镜插入管5的内壁一周均匀间隔设置。传感光纤11的数量越多也即采集通道越多(每个传感光纤11对应一个采集通道)，在计算机数据处理程序3拟合得到内窥镜插入管5的中心线的形状信息时更准确，但是其成本也更高，故而优选为采用如图4所示的四根传感光纤11。如图5至图8所示，传感光纤11的数量还可以为三个、六个、十二个等。具体不做限定和描述，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择设计。作为可选的实施例，传感光纤11也可以仅仅设置在可弯曲部分51的内壁，而在内窥镜插入管5的后端主体部分的内壁中不设置。
根据本发明的一些实施例，为了实现光纤形状传感器1的封装，如图4至图8所示，内窥镜插入管5的内壁上形成有径向向内突出且沿内窥镜插入管5的中心线也即轴线方向延伸的凸起部53，凸起部53内形成有沿内窥镜插入管5的中心线也即轴线方向延伸并贯通的光纤通道(未图示)，传感光纤11封装于光纤通道内。
根据本发明的一些实施例，FBG解调仪2用于测量光纤布拉格光栅的波长的偏移。具体的，光纤布拉格光栅是通过将单模光纤纤芯横向暴露在具有周期性图案的强紫外光下而制作而成的。强紫外光的曝光会永久增大光纤纤芯的折射率，根据曝光图案产生固定的折射率调制。这种固定的折射率调制被称为光栅。在每个空间周期性折射率变化处会有少量光发生反射。当光栅周期约为入射光波长的一半时，所有反射光相干组合成一束具有特定波长的大反射。这被称为布拉格条件。实现入射光发生反射的波长被称为布拉格波长。其它波长的光信号几乎不受布拉格光栅影响，将透过光纤光栅继续传输。
当FBG自身物理折射率周期在外界变量的影响下改变时，其中心波长也随之改变，且呈线性关系。利用中心波长的变量与外界力(温度等)的变量相对应的关系，可以实现应变、温度、位移、加速度等参量的测试。光纤光栅的布拉格波长是随光栅的周期和纤芯模的有效折射率变化的，因此布拉格波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响布拉格波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响布拉格波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，光纤布拉格光栅的波长的变化也即偏移量ΔλB可表示为：
ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (1)
(1)式中：Λ表示光栅周期、光栅栅距；neff表示光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率。
更具体的，计算机数据处理程序3根据光纤布拉格光栅的波长公式λBragg＝2Λneff分别计算得到形变前和形变后的Λ值和neff值，再将两个Λ值和neff值分别做差计算得到ΔΛ值和Δneff值，接着通过(1)式计算得到光纤布拉格光栅形变后的波长偏移量ΔλB。
光纤布拉格光栅的波长信号转化为形变的曲率信号的转化公式为：
(2)式中：ρ表示曲率；
FBG解调仪2根据(1)式计算得到形变后的多个传感光纤11的波长偏移量ΔλB，计算机数据处理程序3根据(1)式计算得到的波长偏移量ΔλB并通过(2)式计算得到形变后的传感光纤11的曲率，进而得到每个传感光纤11的形状信息(因为内窥镜插入管5的前端在传动钢丝52的传动下发生弯曲导致传感光纤11发生形变，故而计算机数据处理程序3处理得到的内窥镜插入管5的形状信息为一条曲线，也即每个传感光纤11的形状信息对应一条曲线，四个传感光纤11对应同一圆柱面的四条曲线)；计算机数据处理程序3利用微分几何建立测量模型拟合得到内窥镜插入管5的中心线的形状信息(也是一条曲线)。
根据本发明的一些实施例，得到内窥镜插入管5的前端部50的实际位置信息中，因内窥镜插入管5的总长度固定不变，计算机数据处理程序3根据拟合得到的内窥镜插入管5的中心线的形状信息与内窥镜插入管5的总长度计算得到内窥镜插入管5的前端部50的实际的位置信息。具体的，因内窥镜插入管5的前端(包括前端部50及可弯曲前部分51)弯曲，拟合得到的内窥镜插入管5的中心线也即曲线(曲线的总长度等于内窥镜插入管5的总长度)的前后两个端点的连线(为一条直线段)也即该段曲线对应的弦的长度(由于可弯曲部分的长度是已知的，故而知道曲率即可计算得到弦的长度)是要小于内窥镜插入管5的实际长度，根据两个长度(也即拟合得到的曲线的弦长与内窥镜插入管5的实际长度)的差值即可得到此时内窥镜插入管5的前端部50的空间位置(建立坐标系，以内窥镜插入管5的后端也即图2中的B为原点，根据内窥镜插入管5的总长度即可计算得到前端弯曲的内窥镜插入管5的前端部50的坐标值)，也即可得到内窥镜插入管5的前端部50的实际的位置信息，而两个长度的差值即为位置补偿数据。为了提高控制精度，计算机数据处理程序3将该位置补偿数据发送给内窥镜运动控制模块4，内窥镜运动控制模块4根据位置补偿数据控制内窥镜插入管5的前端部50运动至所需的预设位置。
根据本发明的一些实施例，如图2所示，内窥镜插入管5的前端部50内设有摄像模组6，摄像模组6用于获取内窥镜插入管5的前方的图像比如病灶位置并向上位机反馈获取的图像。
需要说明的是，运动部件不仅仅局限于上述描述的内窥镜插入管5，还可以为其他前端具有形变部分且需要前端部的实际位置信息与运动控制系统发出的应到位置信息保持一致也即控制精度要求较高的结构，具体不做限定和描述，本领域技术人员可以知晓并将其进行应用。
本发明实施例还提供了一种内窥镜，包括上述实施例的一种多通道同步采集传感系统。具体的，如图3至图8所示，光纤形状传感器1设置在内窥镜插入管5的内壁，多个传感光纤11沿内窥镜插入管5的内壁一周均匀分布且每个传感光纤11沿内窥镜插入管5的中心线也即轴线方向由内窥镜插入管5的后端也即图2中的B(与传动机构连接的一端)延伸至内窥镜插入管5的前端也即图2中的A也即可弯曲部分51的前端外，具体为延伸至可弯曲部分51与前端部50的连接处。对于内窥镜的其他结构比如插入管的具体结构以及传动钢丝52的具体数量(本发明实施例附图中示例的为两根传动钢丝52)以及其他常规部件的具体结构不做描述和限定，并非发明点。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，包括：
光纤形状传感器，其为光纤布拉格光栅传感器且其适于封装于具有可弯曲部分的运动部件内，至少所述可弯曲部分内设有所述光纤形状传感器；
FBG解调仪，其与所述光纤形状传感器连接且用于对光纤布拉格光栅的中心波长进行测量并发送给上位机；
上位机，其与所述FBG解调仪连接且用于接收所述FBG解调仪测量的光纤布拉格光栅的波长并对其分析处理，将光纤布拉格光栅的波长信号转化为形变的曲率信号，进而获取运动部件的实际的形状信息并得到运动部件的前端部的实际的位置信息；
所述上位机与用于控制所述运动部件运动的运动控制模块连接，并
根据获取的运动部件的前端部的实际的形状信息及位置信息与发出的形状信息及位置信息进行比对；
判断运动部件的前端部的实际的位置信息与应到的位置信息是否存在偏差；
当判定存在偏差时，所述上位机对所述运动控制模块发出补偿信号，所述运动控制模块控制所述运动部件根据补偿信号运动至预期位置。
2.根据权利要求1所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述运动部件为内中空的管状部件，所述光纤形状传感器包括多个传感光纤，所述传感光纤沿所述运动部件的内壁一周间隔分布并沿所述运动部件的轴线方向由所述运动部件的后端延伸至前端的可弯曲部分外。
3.根据权利要求2所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述传感光纤的数量为至少三个，至少三个传感光纤沿所述运动部件的内壁一周均匀间隔设置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述运动部件的内壁上形成有径向向内突出且沿所述运动部件的中心线方向延伸的凸起部，所述凸起部内形成有沿所述运动部件的中心线方向延伸并贯通的光纤通道，所述传感光纤封装于所述光纤通道内。
5.根据权利要求2所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述FBG解调仪根据检测到的形变前后的光纤布拉格光栅的波长，计算得到光纤布拉格光栅的波长偏移量ΔλB，公式如下：
ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (1)
(1)式中：Λ表示光栅周期、光栅栅距；neff表示光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率。
6.根据权利要求5所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的波长信号转化为形变的曲率信号的转化公式为：
(2)式中：ρ表示曲率；
所述FBG解调仪根据(1)式计算得到形变后的多个传感光纤的波长偏移量ΔλB，所述上位机根据(1)式计算得到的波长偏移量ΔλB并通过(2)式计算得到形变后的传感光纤的曲率，进而分别得到每个传感光纤的形状信息；
所述上位机根据获取到的多个传感光纤的形状信息利用微分几何建立测量模型拟合得到运动部件的中心线的形状信息。
7.根据权利要求6所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述得到运动部件的前端部的实际位置信息中，因所述运动部件的总长度固定不变，所述上位机根据拟合得到的运动部件的中心线的形状信息与所述运动部件的总长度计算得到运动部件的前端部的实际的位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述运动部件的前端部内设有摄像模组，所述摄像模组用于获取所述运动部件前方的图像并向所述上位机反馈获取的图像。
9.根据权利要求1所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统，其特征在于，所述的运动部件为内窥镜插入管。
10.一种内窥镜，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的一种具有多通道同步采集的光纤传感系统。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210522736.XA CN114795066A (zh) | 2022-05-13 | 2022-05-13 | 一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及内窥镜 |
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| CN114795066A true CN114795066A (zh) | 2022-07-29 |
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| CN202210522736.XA Pending CN114795066A (zh) | 2022-05-13 | 2022-05-13 | 一种具有多通道同步采集的光纤传感系统及内窥镜 |
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| CN (1) | CN114795066A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115420314A (zh) * | 2022-11-03 | 2022-12-02 | 之江实验室 | 一种基于布拉格光栅位姿传感的电子内窥镜测控系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104519803A (zh) * | 2012-08-04 | 2015-04-15 | 皇家飞利浦有限公司 | 用于改进的导管识别的量化探头检测 |
| CN112472007A (zh) * | 2016-09-30 | 2021-03-12 | 奥瑞斯健康公司 | 利用拉线的内窥镜的自动校准 |
| CN112826424A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-05-25 | 嘉兴学院 | 一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构及其使用方法 |
-
2022
- 2022-05-13 CN CN202210522736.XA patent/CN114795066A/zh active Pending
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