專利名稱：軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種內窺鏡形狀檢測裝置和方法，尤其涉及一種基于光纖光柵傳感網絡的三維曲線形狀檢測裝置和方法。
背景技術：
結腸鏡內窺檢查已成為最普遍應用、最準確定位定性診斷大腸腫瘤的檢查手段，在腫瘤病變的診斷方面具有重要價值?；谀壳暗募夹g，醫(yī)師不能了解內窺鏡在人體腸道內的形狀，只能憑借個人經驗來實施檢查手術，醫(yī)生也很難利用結襻進行內鏡的輔助介入，同時也容易造成結腸鏡在體內非預期的結襻現(xiàn)象發(fā)生，甚至穿孔，從而給病人帶來更大的痛苦和危險。目前通用的方式是通過X射線進行手術導引方法，但該方法對醫(yī)務人員以及病人身體存在較大的傷害。通過改造結腸內窺鏡，使之具有檢測結腸內窺鏡在病人體內的形態(tài)的能力，就可以為醫(yī)生實施檢查和治療提供很大的方便，可以進一步減少進鏡和退鏡過程對結腸組織的潛在損傷、減輕病人痛苦。
在內窺鏡形狀感知技術方面，已有技術僅為OLYMPUS公司基于美國專利6,059,718等，采用磁場定位原理，在被測目標上安裝電磁發(fā)射設備發(fā)射已知結構的空間磁場，根據傳感器在空間某點感應獲得的磁場強度信號與已知的發(fā)射磁場的空間分布規(guī)律，計算出該點的空間坐標位置和傳感器的姿態(tài)角。利用若干個同樣的設備，每隔一個采樣周期進行一次采樣，采樣數據反映連續(xù)磁場的變化，經計算得到每個傳感器的空間位置，然后用計算機將這些離散的點擬合成連續(xù)的曲線，就可以在計算機上進行三維顯示，實現(xiàn)柔軟體的空間定位和跟蹤，該技術容易受到手術室中的電磁干擾。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的，在于提供一種軟性內窺鏡三維曲線形狀實時檢測裝置和方法，利用光學檢測手段而避免采用磁場定位原理出現(xiàn)的電磁干擾。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置，包括一根柔性檢測桿(4)其特征在于裝置由所述柔性檢測桿(4)與一個光源(1)、一個光纖光柵解調裝置(2)和一個計算機(3)順序連接組成，在所述柔性檢測桿(4)上沿軸向設置兩根成一組的多組光纖光柵(5)，并且每根光纖光柵(5)分別沿軸向均布光柵檢測點，從而構成光纖光柵傳感網絡。
上述的多組光纖光柵為二組共四根光纖光柵，四根光纖光柵(5)沿周向均布地粘貼在柔性檢測桿(4)的外壁上，而兩組光纖光柵對稱分布在柔性檢測桿橫截面上，每組的兩光纖光柵相隔90°。
上述的計算機內設有將信號轉換成曲線形狀的軟件。
一種軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測方法，采用上述的軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置進行檢測，其特點是，該方法至少包括以下步驟①確定光纖光柵的比例系數在檢測開始前，首先用圓弧樣條曲線標定方法確定柔性檢測桿上各組光纖光柵的應變信號與曲線曲率間的比例系數K；②獲取應變信號將柔性檢測桿置于被測部位，柔性檢測桿的彎曲信號由光纖光柵實時感知，由此獲得柔性檢測桿表面多個離散點的應變信號；③采集應變信號多個離散點的應變信號經對應的多個光纖光柵解調儀器轉換成數字波長信號，由計算機實時采集；④計算曲率計算機根據實時采集的信號進行圓弧樣條曲線標定處理后得到波長信號變化值和柔性檢測桿曲率值之間的對應關系，并根據此關系計算出柔性檢測桿上多個離散點的曲率；⑤繪制形狀曲線計算機根據柔性檢測桿上多個離散點的曲率用遞推方法繪制出被測物體的形狀曲線。
上述三維曲線形狀檢測方法，其中，步驟①中所述的圓弧樣條曲線標定方法為對于每組光纖光柵，先測出柔性檢測桿在幾個己知曲率半徑ρ下的光纖光柵的中心波長λ，根據公式K＝λ×ρ求出每個曲率半徑ρ下的比例系數，然后取其平均值作為每一組光纖光柵的比例系數K。
上述三維曲線形狀檢測方法，其中，步驟⑤中所述的遞推方法為，根據以下曲線擬合方程求出曲線上各點的坐標值，然后擬合成連續(xù)的曲線x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθy＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ式中，θi-1≤θ≤θiθi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρ1。
本發(fā)明由于采用了以上技術，使其與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯的優(yōu)點和特點1.由于整個檢測系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感網絡、解調儀器和計算機組成，不需要額外的輔助檢測設備，所以整個系統(tǒng)的組成簡單，無放射線對人體發(fā)生傷害。
2.由于本發(fā)明三維曲線形狀檢測技術是在整個被測曲線上放置多個曲率檢測光纖光柵，對多點的曲率檢測是以并行方式同時進行的，因此整個形狀檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時檢測，這種檢測技術既能適用腔道內的曲線檢測，也能適用任意空間曲線的檢測，并且能夠達到很高的實時響應性。
3.光纖光柵傳感方式具有尺寸小，測量范圍大的優(yōu)點，可以在微小尺寸下進行動態(tài)的大應變的測量。
本發(fā)明的內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置組成簡單，檢測方法簡便，可以實現(xiàn)實時檢測。


圖1是本發(fā)明三維曲線形狀檢測裝置的結構示意圖，圖中圖(a)為裝置系統(tǒng)結，圖(b)為柔性檢測桿的光纖光柵傳感器布置示意圖以及“A”處的局部放大圖。
圖2是光纖光柵傳感網絡拓撲結構示意圖。
圖3是本發(fā)明的一實施例中一組光纖光柵檢測柔性檢測桿6種彎曲狀態(tài)下的曲率與中心波長變化值的關系曲線圖。
圖4是基于離散點曲率信息的重建原理圖。
圖5是本發(fā)明的一實施例的柔性檢測桿的實際形狀曲線照像圖。
圖6是本發(fā)明的一實施例的柔性檢測桿的實際形狀曲線的再顯圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結合

如下請參見圖1，本軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置由柔性檢測桿(4)、波長解調裝置(2)和計算機(3)通過光纖跳線、信號線順序連接組成。在柔性檢測桿(4)上沿軸向均勻設置兩組共四根光纖光柵組成的傳感網絡。光纖光柵(5)每組為兩根，每組的兩光纖光柵(5)對稱粘貼在柔性檢測桿(4)的兩側。在計算機(3)內設有將信號轉換成曲線形狀的軟件。
本發(fā)明三維曲線形狀檢測方法的檢測過程如圖2所示。該方法通過上述軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置實施，其步驟如下在檢測開始前，首先用圓弧樣條曲線標定方法確定柔性檢測桿(4)上各組光纖光柵(5)的比例系數K；圓弧樣條曲線標定方法為對于每組光纖光柵(5)，先測出柔性檢測桿(4)在幾個已知曲率半徑ρ下的光纖光柵中心波長λ，根據公式K＝λ×ρ求出每個曲率半徑ρ下的比例系數，然后取其平均值作為每一組光纖光柵(5)的比例系數K。
檢測時，將柔性檢測桿(4)置于被測部位，柔性檢測桿(4)的彎曲信號由光纖光柵(5)實時感知，由此獲得柔性檢測桿(4)表面多個離散點的應變信號；多個離散點的應變信號經對應的多個光纖光柵中心波長信號，由計算機(3)實時采集；計算機(3)根據實時采集的信號進行圓弧樣條曲線標定處理后得到中心波長信號和柔性檢測桿(4)曲率值之間的對應關系，并根據此關系計算出柔性檢測桿(4)上多個離散點的曲率；最后，計算機根據柔性檢測桿(3)上多個離散點的曲率用特定的遞推方法繪制出被測物體的形狀曲線。
本發(fā)明三維曲線形狀檢測裝置的檢測原理為粘貼在柔性檢測桿(4)上的每個光纖光柵(5)輸出中心波長λ與光纖光柵所在點的曲率半徑ρ成反比，與曲率n成正比λ＝K/ρ＝K×n其中K為比例系數。比例系數K用圓弧樣條曲線標定的方法求得。具體標定方法是，對于每一組光纖光柵(5)，先測出柔性檢測桿4在幾個己知曲率半徑ρ下的光纖光柵中心波長λ，根據公式λ＝K/ρ＝K×n求出每個已知曲率半徑ρ下的比例系數，以其平均值作為每一組光纖光柵(5)的比例系數K。這樣，就可以通過信號采集卡所測得的每個光纖光柵的輸出中心波長值λ和標定所得的系數K來計算柔性檢測桿4上的光纖光柵(5)所在點的曲率。
在{Bi}坐標系中對進行兩個曲率分量進行矢量合成，合成的曲率矢量ki，大小為|ki|=kai2+kbi2]]>ki與kai的夾角αiαi=π/2(kai=0,kbi>0)-π/2(kai=0,kbi<0)0(kai=0,kbi=0)tg-1(kbi/kai)(kai>0)tg-1(kbi/kai)+π(kai<0)]]>在獲得了柔性檢測桿(4)上若干離散點的曲率之后，便可以根據下列步驟獲得基于遞推方法的曲線擬合方程。
1.兩個曲率分量的合成2.求解i+1點在世界坐標系中的位置3.新的運動坐標系{Bi+1}的建立4.{Bi+1}和世界坐標系轉換關系的推導xi+1yi+1zi+11=[Ti]-1daidbidci1]]>求出曲線上各點的坐標值，然后擬合成連續(xù)的曲線，實現(xiàn)被測曲線的再顯，將柔性檢測桿(4)的形狀曲線繪出。
以下通過一個具體實施例對本發(fā)明三維曲線形狀檢測裝置和檢測方法的檢測原理和檢測過程作進一步的描述在一根長90厘米、外徑0.75毫米、柔性檢測桿1上均勻布置了10組型號為的光纖光柵5，各組光纖光柵5之間的間距為10厘米，如圖3所示。這樣4個通道的光纖光柵的輸出信號通過一個來實時采集解調儀器每個光纖光柵的輸出中心波長。對于每組光纖光柵5的比例系數K，通過標定柔性檢測桿(4)在ρ＝無窮大(直線)、90厘米、70厘米、50厘米、40厘米、30厘米、25厘米、20厘米彎曲狀態(tài)時的每個光纖光柵的輸出中心波長λ，按照公式K＝λρ，計算出各彎曲狀態(tài)時的比例系數，然后求平均值得到。圖4所示為其中某一組光纖光柵(5)檢測柔性檢測桿3的8種彎取狀態(tài)下的曲率與輸出中心波長λ之間的關系曲線圖，從而通過標定方法獲得比例系數K，其中的直線是按照求平均之后的K畫出的λ與1/ρ(曲率n)之間的關系圖。
解決空間曲線重構的基本思路是，在空間曲線上建立由曲線切線和曲率分量確定的運動坐標系，在運動坐標系中由曲率矢量確定密切平面，在密切平面中進行曲線的彎曲計算，并進行運動坐標系的運動分析。
接著根據柔性檢測桿(4)上10個點的曲率來重建形狀曲線。由于柔性檢測桿(4)的形狀曲線是連續(xù)的，因此在弧長段s足夠小的情況下，曲線可以看作是許多段半徑不等的圓弧段或直線段組成的，如圖5所示。其中以起始點的切線方向作為x軸。為了獲知足夠小s的曲率，可采用在已知曲率點(通過光纖光柵(5)檢測獲得)之間線性插入。本實例中在間隔為10厘米的兩點中插了9個點，組成10個圓弧段，即kai=mai*si+naikai+1=mai*si+1+naikbi=mbi*si+nbikbi=mbi*si+1+nbi]]>這樣就可以方便地計算出每一段圓弧的曲率。在已知s和各個圓弧段的曲率半徑后，就可以用圖5所示的基于離散點曲率的曲線重建遞推方法將圓弧段的圓心坐標求出，從而將整個被測曲線再顯出來。圖6所示即為本實施例的柔性檢測桿(3)的實際形狀曲線的重建圖。
權利要求
1.一種軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置，包括一根柔性檢測桿(4)其特征在于裝置由所述柔性檢測桿(4)與一個光源(1)、一個光纖光柵解調裝置(2)和一個計算機(3)順序連接組成，在所述柔性檢測桿(4)上沿軸向設置兩根成一組的多組光纖光柵(5)，并且每根光纖光柵(5)分別沿軸向均布光柵檢測點，從而構成光纖光柵傳感網絡。
2.根據權利要求1所述的軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置，其特征在于所述的多組光纖光柵(5)為二組共四根光纖光柵，四根光纖光柵(5)沿周向均布地粘貼在柔性檢測桿(4)的外壁上，而兩組光纖光柵對稱分布在柔性檢測桿橫截面上，每組的兩光纖光柵相隔90°。
3.根據權利要求1所述的軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置，其特征在于所述的計算機(3)內設有將信號轉換成曲線形狀的軟件。
4.一種軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測方法，采用權利要求1所述的軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置進行檢測，其特征在于該方法至少包括以下步驟①確定光纖光柵的對應曲率的比例系數在檢測開始前，首先用圓弧樣條曲線標定方法確定柔性檢測桿(4)上各組光纖光柵(5)的應變信號與曲線曲率間的比例系數K；②獲取應變信號將柔性檢測桿(4)置于被測部位，柔性檢測桿(4)的彎曲信號由光纖光柵(5)實時感知，由此獲得柔性檢測桿(4)表面多個離散點的應變信號；③采集應變信號多個離散點的應變信號經對應的光纖光柵解調儀器(2)轉換成數字信號；由計算機(3)實時采集；④計算曲率計算機(3)根據實時采集的信號進行圓弧樣條曲線標定處理后得到波長變化信號和柔性檢測桿(4)曲率值之間的對應關系，并根據此關系計算出柔性檢測桿(4)上多個離散點的曲率；⑤繪制形狀曲線計算機(3)根據柔性檢測桿(4)上多個離散點的曲率用遞推方法繪制出被測物體的形狀曲線。
5.根據權利要求4所述的軟性內窺鏡三維曲線形狀檢測方法，其特征在于步驟①中所述的圓弧樣條曲線標定方法為對于每組光纖光柵(5)，先測出柔性檢測桿(4)在幾個已知曲率半徑ρ下的解調儀器的輸出波長變化值，根據公式K＝u×ρ求出每個曲率半徑ρ下的比例系數，然后取其平均值作為每一組光纖光柵(5)的比例系數K。
6.根據權利要求4所述的軟性內窺鏡三維形狀擬合方程求出曲線上各點的坐標值，然后擬合成連續(xù)的曲線x=o(i-1)x+(ρi-1+ρ1)cosθi-1+ρicosθ]]>y=o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ]]>式中，θi-1≤θ≤θiθi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρ1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軟性內窺鏡三維形狀檢測裝置和方法。本檢測裝置由柔性檢測桿、光纖光柵解調設備和計算機連接組成，在柔性檢測桿上沿軸向設置兩根成一組的多組光纖光柵，并且每根光纖光柵分別沿軸向均布光柵檢測點，從而構成光纖光柵傳感網絡。檢測方法包括確定光纖光柵的比例系數、獲取波長信號、采集曲率信息、繪制形狀曲線等步驟。本發(fā)明的內窺鏡三維曲線形狀檢測裝置組成簡單、檢測方法簡便，可以實現(xiàn)實時檢測。
文檔編號A61B1/00GK1692871SQ20051002585
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權日2005年5月17日
發(fā)明者錢晉武, 張倫偉, 沈林勇, 吳家麒, 章亞男 申請人:上海大學