基于光纤光栅传感的智能内窥镜形状感知系统

摘要

随着新型传感技术、机械电子技术、生物医学工程、智能材料和计算机图形学等相关学科的发展、融合，临床上新型智能医疗器械不断出现，有效地拓展了传统医疗器械的功能和诊疗领域。结肠内窥镜是结肠疾病诊疗的重要医疗器械，由于工作环境的复杂性和自身形状不可视等不足，传统内窥镜在介入过程中会发生镜体缠绕、非预期结襻等情况，给病人带来痛苦和危险。基于迫切的临床需求和良好的市场前景，用智能传感器技术、自动化技术及可视化技术对传统内窥镜系统进行改进和创新研究已经在世界范围内展开。其中，新型的内窥镜形状感知系统是该领域的一个研究热点。 论文对基于光纤光栅传感的内窥镜形状感知系统进行了探索和研究，特别对微小尺寸的光纤光栅大曲率传感器及传感网络的关键技术进行了深入探讨，结合机械电子技术和计算机图形学技术，研制了全新的基于光纤光栅传感网络的实时形状感知系统以及渐进式形状感知系统，实现了内窥镜检查过程中镜体的可视化。 论文首先概述了医用内窥镜的发展历程，结合人体结肠特性，归纳了传统结肠内窥镜检查存在的问题，就内窥镜形状感知技术研究现状以及光纤光栅在智能结构中的应用现状进行了综述，通过对现有各种形状重建的方法和传感元器件的对比分析，提出了系统的总体研究方案，并讨论了各个功能模块的研究和设计技术路线。 随后，论文结合光纤光栅传感器的温度及应变传感特性实验研究，探讨了光纤光栅传感的关键技术，包括传感机理、传感网络拓扑设计以及光纤光栅解调原理选择等。针对内窥镜形状感知的具体限制与要求，对光纤光栅大曲率传感的原理、设计、封装及标定等关键技术进行了研究，研究工作主要集中在以下三个方面：①为了实现大曲率变形检测，论文研究了光纤光栅空间曲率传感原理，选择了合适的基材，设计了传感器布置方式，并通过设计专用封装设备和工艺，研制了微小尺寸的大曲率传感器；②针对光纤光栅在机械性能上受拉、受压的能力不均衡，通过封装时在基材上施加预拉应变，扩大了光纤光栅的有效测量范围；③对曲率传感器在各种封装条件下的灵敏度进行了实验和分析，在较大的范围内实现了光纤光栅大曲率传感器灵敏度的可调。 在光纤光栅大曲率传感器研究的基础上，论文设计并搭建了基于光纤光栅传感网络的实时和渐进式两种内窥镜形状感知系统：①设计了网络规模为20个光纤光栅的四通道空分/波分复用形状感知网络，并按设计的几何关系封装在细长的SMA基材上，研制了微小外径尺寸的光纤光栅传感柔性杆。基于两种实时性能不同的解调仪器，利用形状重建算法及相关的数据处理、融合方法，搭建了内Ⅰ窥镜形状实时感知系统。②基于降低系统成本的考虑，论文研究了用两个光纤光栅组成的双通道空分复用传感网络实现对内窥镜钳道变形的逐点测量的方案。这种渐进式形状感知系统假设内窥镜介入人体后形状基本上不再发生变动，基于简单的解调仪器和空分复用传感柔性杆，利用自动推进装置，将柔性杆间歇介入到内窥镜的钳道中，渐进获得传感头经过内窥镜的手术钳道的介入轨迹，间接重建出内窥镜在人体内的形状。 在上述两种形状感知系统成功搭建的基础上，论文进行了必要的分析及实验研究，主要包括温度变化对形状感知的影响及补偿、误差分析和精度试验、形状感知系统的临床适应性试验研究等三个方面。①曲率传感器的信号中包含了温度变化的影响，论文通过试验得出了在不同曲率半径下对应的温度系数，进而获得了曲率传感器的温度与应变的耦合系数的取值范围。通过仿真研究，给出了实时形状感知系统和渐进式形状系统各自的温度响应情况，并进行了初步的温度补偿实验。②形状感知系统的误差决定了该系统的实用性，论文研究了形状感知系统的误差定义、组成及减少误差的方法，对各种误差对系统的总误差的贡献进行了试验和仿真分析，并实验获得了两种形状感知系统的精度，为进一步提高内窥镜形状感知系统的精度提供了理论与试验依据。③论文研究中在玻璃硬管、动物模拟肠道两种试验平台上进行了形状感知系统适应性试验。在模型试验的基础上，对活体成年猪肠道进行了两次内窥镜检查验证，获得了活体动物肠道中内窥镜形状信息。验证了光纤光栅形状感知系统的有效性，为整个系统的实用化进行了前期试验准备工作。 总之，论文通过对微小尺寸的空间大曲率光纤光栅传感器及其网络的原理、设计、封装及相关试验研究，利用自动推进装置、数据处理与形状重建软件，研制了基于光纤光栅传感网络的实时和渐进式形状感知原理样机系统，并实验获取了活体动物体内内窥镜的形状。系统具有较高的安全性和抗电磁干扰能力，经进一步发展后，形状感知系统可望应用于临床内窥镜诊疗。据国内外文献检索，论文研究的两种新型的实验样机以及在此基础上进行的分析和动物试验等研究工作未见其它相同报道。论文部分研究成果已经在ICRA04、ICMA05以及其它国内外期刊和会议发表。“软性内窥镜三维曲线形状检测装置和方法”，已被受理发明专利申请。 本研究工作得到了国家自然科学基金、国家863计划以及教育部优秀青年教师资助计划的支持。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1医用内窥镜的发展现状

1.1.2人体肠道的环境特性

1.1.3本课题的研究意义

1.2智能内窥镜诊疗技术研究概况

1.2.1内窥镜形状感知及相关研究现状

1.2.2其他相关研究

1.3光纤光栅传感在智能结构中的研究应用概况

1.3.1光纤光栅传感概述

1.3.2光纤光栅在结构变形检测中的应用

1.3.3光纤光栅在结构大变形检测中的应用分析

1.4论文的任务及目标

1.5本章小结

第二章内窥镜空间形状感知总体设计及系统方案设计

2.1总体方案研究

2.1.1传感和检测技术方案对比

2.1.2实时形状感知系统

2.1.3渐进式形状感知系统

2.1.4内窥镜形状感知系统概念示意

2.2系统总体参数设计

2.2.1形状感知系统对传感的制约条件

2.2.2系统对推进装置的要求

2.2.3系统主要参数确定

2.3传感单元技术设计方案

2.3.1曲率、扭转测量方法

2.3.2传感元件的选择

2.3.3光纤光栅的布置方案

2.4基于离散点曲率信息形状重建方法

2.4.1曲线形状拟合的已知条件

2.4.2曲率及活动坐标系的定义

2.4.3密切平面上的曲线拟合

2.4.4坐标系的运动

2.5本章小结

第三章FBG传感机理验证及形状感知网络拓扑设计

3.1光纤光栅基本光学特性

3.2 光纤光栅传感机理验证

3.2.1光纤光栅传感原理

3.2.2光纤光栅对轴向应变的响应

3.2.3光纤光栅对温度变化的响应

3.2.4光纤光栅传感特性试验研究

3.3光纤光栅形状感知网络拓扑结构和分析

3.3.1光纤光栅传感网络主要结构

3.3.2形状感知传感网络设计

3.3.3形状感知FBG传感网络解调方案

3.4本章小结

第四章：FBG空间大曲率传感器的研制

4.1 FBG曲率传感器原理

4.1.1 FBG平面曲率传感

4.1.2 FBG空间曲率传感

4.2 FBG 曲率传感器封装研究

4.2.1设计要求

4.2.2基材选择设计

4.2.3粘结剂的选择试验

4.2.4预压封装设计

4.2.5封装夹具设计

4.2.6封装步骤

4.3光纤光栅大曲率检测试验

4.3.1传感器标定方法

4.3.2实验结果和分析

4.4 FBG传感器减敏研究

4.4.1 FBG曲率传感器灵敏度

4.4.2曲率传感器减敏封装试验

4.5本章小结

第五章基于混合复用FBG网络的内窥镜形状实时检测

5.1实时形状感知系统组成

5.2 FBG传感网络设计

5.2.1波分复用

5.2.2波分/空分复用

5.3形状感知传感网络标定

5.4基于多波长计的形状感知系统

5.4.1仪器的接口设计

5.4.2内窥镜形状感知软件系统

5.4.3利用反射率进行量程扩大

5.4.4系统组成与试验结果

5.5基于FBG传感网络分析仪的实时形状感知系统

5.5.1信号滤波

5.5.2数据平滑模块

5.5.3初值校准模块设计

5.5.4系统组成及试验结果

5.6本章小结

第六章渐进式形状感知系统设计与实验

6.1渐进式形状感知系统总体设计

6.2传感网络的研制与标定

6.3自动推进装置的研制

6.3.1自动推进装置整体方案设计

6.3.2传送头设计

6.3.3自动推进装置性能测试

6.3.4介入长度检测

6.4解调接口设计

6.4.1单通道仪器接口设计

6.4.2光开关切换单元

6.5渐进式形状检测系统控制单元

6.5.1控制方案

6.5.2下位机程序设计

6.6渐进式形状感知系统及部分试验结果

6.7本章小结

第七章温度变化对形状感知的影响及补偿方法

7.1温度变化对应变测量的影响

7.2温度变化对曲率测量的影响

7.2.1温度变化对曲率灵敏度系数K的影响

7.2.2曲率传感器温度、应变的耦合试验

7.2.3温度变化对曲率测量影响分析

7.3温度变化对形状感知结果的影响

7.3.1渐进式形状感知系统的温度响应

7.3.2实时形状感知系统的温度响应

7.3.3两种形状感知系统的温度响应比较

7.4形状感知系统的温度补偿方法及试验

7.4.1曲率测量温度补偿原理

7.4.2形状感知系统温度补偿方式

7.4.3温度在线测量的方法

7.4.4采用独FBG温度传感器的温度补偿系统

7.5本章小结

第八章误差分析及精度研究

8.1误差的定义

8.2误差的组成

8.2.1测量误差

8.2.2曲线拟合方法的误差

8.3局部误差对系统总误差的贡献

8.3.1周向封装角度误差对总误差的影响

8.3.2轴向封装误差对总误差的影响

8.3.3基准误差对总误差的影响

8.3.4算法误差对总误差的影响

8.3.5误差作用位置对系统总误差的影响

8.3.6各种误差对形状感知系统总误差的贡献

8.4系统精度试验

8.4.1实时形状感知系统精度

8.4.2渐进式内窥镜形状感知系统精度

8.5本章小结

第九章内窥镜形状感知系统实用化的前期试验研究

9.1玻璃硬管中内窥镜形状感知试验

9.1.1玻璃硬管模型的制备

9.1.2玻璃硬管模型试验

9.2动物肠道标本中内窥镜形状感知试验

9.2.1动物肠道标本模型制备

9.2.2动物肠道标本模型试验

9.3活体动物肠道中内窥镜形状感知试验

9.3.1试验动物准备

9.3.2主要试验过程

9.3.3试验结果及数据分析

9.4本章小结

第十章结论与展望

10.1结论

10.2展望

参考文献

附录一:水平检索报告

附录二:攻读博士学位期间的科技成果

附录三发明专利申请受理通知书复印件

致谢