[發明專利]細長柔性桿的空間形狀檢測裝置和方法

無效

• 申請號: 200710043767.2
• 申請日: 2007-07-13
• 公開（公告）號: CN101099657A
• 公開（公告）日: 2008-01-09
• 發明（設計）人: 錢晉武;易新華;章亞男;沈林勇;張震
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: A61B1/00
• 分類號: A61B1/00;A61B5/06;G06F19/00;G06F17/16
• 代理公司: 上海上大專利事務所
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種細長柔性桿的空間形狀檢測裝置和方法，其中涉及的重點是以光纖光柵傳感器陣列為基礎的空間柔性桿的形狀檢測裝置和方法。

背景技術

這個裝置主要用來對細長柔性桿的三維形狀進行檢測，這里，主要以結腸內窺鏡為背景，考慮結腸鏡在插入人體后，利用細長柔性桿的彎曲信息來重現結腸的形狀信息。目前，結腸鏡檢查是診斷直腸、乙狀結腸疾病的重要方法之一，大約70％左右的大腸癌都位于直腸和乙狀結腸，因此結腸鏡檢查對直腸和乙狀結腸早期癌變的發現和確診有重要的意義。結腸鏡在插入檢查的過程中，要經過一段很復雜的路徑，其中包括三維曲線的彎曲與扭轉，主要走向為直腸、乙狀結腸、降結腸和橫結腸。由于插入的過程中不穩定因素的存在，在外力作用下很容易造成內窺鏡在腸內結襻，以及結腸鏡的前端會頂住腸壁，稍有不慎會造成穿孔，因而在檢查時對病人產生巨大的心理壓力，而且只有經驗豐富的醫師才能夠完成這種檢查。為了幫助醫生很好的掌握好進境過程中的情況，目前常用的方法是在進境前進行對病人進行X光檢查，以便醫生了解結腸的結構，然而這種方法并不能實時對進境檢查的過程進行監控，因此有必要提出一種能夠實時顯示內窺鏡柔性桿形狀，并幫助醫生在進鏡時進行導航。

在內窺鏡的形狀顯形方面，已有的技術包括OLYMPUS公司基于美國專利6059718，利用磁場定位原理，通過在檢測目標周圍空間內設定一個已知的空間磁場，然后利用柔性桿上的磁感線圈對其所在的位置磁場進行感知，測得每個感應線圈的位置和方向，利用檢測設備對感應線圈進行周期的采樣，從而利用這些實時數據進行內窺鏡柔性桿的重建，該方法易受到外界電磁信號的影響。另外德國SIEMENS?AG公司基于美國專利6470205，利用光纖光柵設計了一種醫療器具的定位裝置，該裝置采用多節連桿進行連接，連桿之間通過兩自由度的旋轉關節進行連接，利用光纖光柵對每個自由度旋轉角度的測定，就能夠得到每個關節的旋轉角度，利用各個連桿之間的位姿關系，從而得到最后一個連桿前端的位置和方位。而該方法利用了多連桿機構，對于醫療器具前端的定位精度較高，對于插入式醫療裝置機構的缺點是檢測的范圍比較小，而且該方法不能實時顯示插入腔道的形狀。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種細長柔性桿的空間形狀檢測裝置和方法，利用柔性桿上各個點的彎曲程度與波長的變化關系及空間曲線的重建算法，通過網絡化測試技術對數據進行實時的采集，從而重構出整個柔性桿的形狀。

為了達到上述目的，本發明采用下述技術方案：一種細長柔性桿的空間形狀檢測裝置，包括一根柔性細長桿，其特征在于所述的柔性細長桿外表面上粘貼光纖光柵傳感器陣列，而依次連接一個光纖光柵調制解調儀、一個局域網路由器、一個數據采集與形狀重建模塊及顯示設備。上述的光纖光柵傳感器陣列，每組為四根光纖光柵沿周向均布在柔性檢測桿上，每根光纖上有五個光柵點，且相鄰的光纖在細長柔性桿的截面上的夾角互為90度。上述的光纖光柵陣列中兩個光柵點在圓形截面上成180度分布，使兩個傳感器采集到的數據進行差值，消除溫度對數據的影響。

上述裝置的工作原理為：光纖光柵傳感陣列(2)由四根光纖均布在細長柔性桿(1)上，且鄰近光纖的夾角為90度，每四個對應的光柵點組成一組檢測點。利用光纖光柵調制解調器(3)和局域網路由器(4)對解調后的數據通過TCP/IP協議傳送到形狀重建模塊進行數據分析與重建，將重建的結果發送到顯示設備，以便觀察。

一種細長空間柔性桿的空間形狀檢測方法，采用上述的細長柔性桿的空間形狀檢測裝置進行檢測，其特征在于檢測步驟如下：

一種細長柔性桿的空間形狀檢測方法，采用權利要求1所述的細長柔性桿的空間形狀檢測裝置進行檢測，其特征在于檢測步驟如下：

①光柵點的波長與曲率的比例因子的標定：曲率與光柵的波長的變化關系表示為：