[發明專利]用于確定相關聯對象的位置和/或形狀的光學感測系統

有效

• 申請號: 201380014555.5
• 申請日: 2013-03-11
• 公開（公告）號: CN104169678B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: G·W·T·霍夫特;M·D·萊斯蒂科;J·J·L·霍里克斯;M·J·H·馬雷爾
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 劉瑜,王英

技術領域

本申請涉及光學感測，更具體地，涉及用于確定相關聯對象的位置和/或形狀的光學感測系統和方法。

背景技術

在許多微創醫療保健程序中，跟蹤諸如導絲和導管的醫學設備是有利的。光學形狀感測通過測量并分析從內置在細長醫學設備中的多芯光纖的全部位置反射的光，實現了該功能。在使用干涉儀時，獲得沿纖維的完整應變分布，其能夠被轉化成形狀。對方法的描述能夠在題為“Optical position and/or shape sensing”的專利申請US 2011/0109898中找到。光在光纖中的反向散射能夠被歸類為兩個不同的類：1)內在現象，也就是瑞利散射，以及2)外在現象，也就是布拉格光柵。注意，人們則無視了第三種散射機制，也就是布里淵散射。布里淵散射在干涉儀測量技術中不能被采用，并且導致差的空間分辨率。光學形狀感測的一種實施方式采用瑞利散射。這具有使用光纖而在拉纖之后無需制作中的額外步驟的優點。

瑞利散射的信號強度

遠程通信纖維的制造商多年來已使他們的產品的質量增加到這樣的程度，使得傳輸損耗小且主要由于瑞利散射。針對形狀感測，這有以下缺點，即信號強度相當低。在附錄I中，其量級與隨后的信噪比一起計算。小的信噪比促使人們在干涉儀測量系統中采取額外的預防措施：

纖維的遠端的反射淹沒了所有其他信號，其太大并且必須被減小至少80dB。為了這么做，將吸收玻璃融合拼接到遠端。然而，該終端脆弱且容易破碎，使得纖維在醫學設備中的集成產量低。此外，這種終端具有以下副作用，即纖維的最后5-10mm不能被形狀跟蹤。

形狀感測纖維包含至少4芯。這些芯中的每個均被連接到單獨的干涉儀。因此，該系統包含這樣的元件，其中，個體單芯纖維被附接到一個多芯纖維：扇出。在扇出處以及在感測纖維的終端處出現串擾：在特定芯中沿纖維傳播的光在這些點處被散射回到朝向檢測器的其他芯中的一個中。能夠通過交錯對齊地配置四個干涉儀，減輕該串擾。參見題為“Interferometric measurement with crosstalk suppression”的專利申請US 2011/0310378。干涉儀的交錯需要在每個干涉儀臂中并入大量纖維。總體上，該系統將包含500-600m的額外纖維，使得其對溫度變化和機械振動更為敏感。

每個干涉儀均具有內置的光學循環器單元。利用該3-端口設備，將來自源(端口1)的光朝著感測纖維(端口2)導向，并且將從感測纖維反向散射的信號朝著檢測器(端口3)導向。進入端口1的光不應泄漏到端口3中，否則其將淹沒真實瑞利信號并使檢測器飽和。大多數循環器的抑制比對于使用瑞利散射的感測而言太低。測試每個循環器，并且約10％滿足適當規格。

在微創醫療保健應用中，干涉儀將被內置于特殊的振動和溫度穩定箱中。具有其內置式形狀感測纖維的醫學設備(導管、導絲)將被用于導管實驗室的無菌部分。兩者之間將是至少一個光學轉接線。這意味著，將存在至少兩個光學多芯連接器。在這些連接器處的反射使瑞利信號劣化，并且容易產生串擾效應。當前的系統(例如Luna 3代)將不能以多于一個多芯連接器正常運行。

在干涉儀盒與形狀感測纖維之間，將存在額外的引線。那些引線也將產生瑞利散射，其將與來自感測纖維的瑞利信號為相同量級。結果是，那些引線必須也被詢問，并且僅在從光譜(其為光學頻率的函數)到信號(其為延遲，即光纖位置的函數)的轉化之后，才能夠丟棄來自引線的信息。給定光源的有限采樣頻率和頻率掃掠速率，這得出引線的長度的上限。

瑞利散射的相位復原

除了因小的信號強度造成的影響以外，瑞利散射具有對機械振動增強的靈敏度，如將在下文解釋的。