（精密仪器及机械专业论文）基于单点光纤光栅传感头的内窥镜形状感知和重建系统(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 传统的内窥镜检查中，存在病人个体差异而引起的肠道缠绕现象，给内窥镜 检查带来诸多不便。若能显示内窥镜在人体中的形状，将非常有助于医生的判断。 8 6 3 计划项目“介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”是针对上述目的而提出的。 本论文“基于单点光纤光栅传感头的内窥镜形状感知和重建系统”是这个研究项 目的研究内容之一。本文研究的目的，在于通过对基于单点光纤光栅传感头的内 窥镜形状感知和重建系统的研究，来实现内窥镜检查的自动化、智能化、可视化， 提高内窥检查的安全性。 内窥镜形状感知和重建系统由传感杆、推进装置和显示部分等组成。传感柔 性杆由两根各刻有一小段光栅的光纤成9 0 。封装在细径记忆合金基材上而成，总 长约为1 0 0 0 m m 。推进装置将传感柔性杆沿内窥镜的工作钳道推进，在推进过程 中光栅传感头在内窥镜的等距点上，逐点采集光栅的波长值。根据波长变化值推 出各个离散点的空问曲率值，并运用一定的曲线拟合方法逐点地拟合出整个内窥 镜的形状。本文主要讨论以下三个部分：传感网络子系统，推进传感杆机械子系 统，系统控制子系统。 本文的第一章介绍了本课题的研究背景以及国内外内窥镜技术的研究进 展。第二章介绍了组成传感网络的各个单元，包括光纤光栅解调仪的选择和传 感杆的封装等。第三章对介入传感杆的机械装置进行设计并试验。机械装置采 用摩擦轮传动，配以光电码盘检测推进距离。对此机构进行了推进距离验证， 取得了良好的效果。第四章介绍控制系统的设计，包括电路板的设计和制作， 以及上下位机通讯软件的编制等。第五章中介绍对系统的实验测试并给出了重 建效果。对引起重建误差的多种主要因素比如封装误差引起的，机械结构推进 距离精度引起的误差等作了详细地分析。最后一章是对全文的总结，根据所取 得的主要进展，提出了对今后研究工作的设想。为了增加本文的可读性，附录 中增加了空间曲线重建方法的介绍。 关键词：内窥镜单点光纤光栅传感杆曲率曲线拟合形状重建 f ：海大学硕士学位论文 a b s t r a ct c o l o n l o o p i n gc a r lb r i n gt h ed i 佑c u l t yt ot h et r a d i t i o n a le n d o s c o p yi f t h es h a p eo f t h ee n d o s c o p ei nt h ep a t i e n t sb o d yc a nb es h o w f lo nt h es c r e e n ，i tw i l lh e l pt h e p h y s i c i a ni n s e r t t h ee n d o s c o p es u c c e s s f u l l yt ot h ee n do fc o l o n t h ep r o j e c t r e s e a t c ho fk e yt e c h n o l o g yo fi n s e r t e de n d o s c o p i cr o b o t s p o n s o r e db yn a t i o n a l h i g h - t e c hr & dp r o g r a mi sp u tf o r w a r dt os o l v e 也ea b o v ep r o b l e m t h i st h e s i s t i t l e d “d e f o r m a t i o ns e n s i n ga n ds h a p er e c o n s t r u c t i o nw i t hs i n g l e p o i n tf b g s e n s o r sf o ri n t e l l i g e n te n d o s c o p e i sao n ep a r to ft h ea b o v ep r o j e c t i ta i m sa t d e v e l o p i n gt h ek e yt e c h n i q u e st oa u t o m a t ea n dv i s b a l i z et h ei n t e l l i g e n tc o l o n s c o p y 砀h si m p r o v i n gi t sr e l i a b i l i t ya n ds a f e t t h es y s t e md e v e l o p e di sm a i r d ym a d eu po faf i e x i b l es e n s i n gr o d ap u s h i n g d e v i c ea n das u b s y s t e m t w of i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o r sm o u n t e do nas l i m c y l i n d r i c a ls u b s t r a t ea t 9 0 0a r eu s e dt om e a s u r ec u r v a t u r e t h ed e m o d u l a t o rg e t s t h ed a t u mo f t h ef b g w a v e l e n g t h , w h i l et h es e n s o ri sb e i n gp u s h e da l o n gt h eb i o p s y c h a n n e lo ft h ec o l o n s c o p eb yt h ep u s h i n gd e v i c e d i s c r e t ec u r v a t u r ec a nb ec o u n t e d w i t ht h e s ed a t aa n ds h a p eo ft h ec o l o n o s c o p ec a nb er e c o n s t r u c t e dw i t hs o m ec u r v e f i t t i n gm e t h o d t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gt h r e es u b s y s t e m s ：t h e s e n s i n gs u b s y s t e m t h ed e v i c es u b s y s t e mf o rp u s h i n gt h es e n s o rh e a da n dt h ec o n t r o l s u b s y s t e m ， t h ef i r s tc h a p t e ri n t h i st h e s i so v e r v i e w st h ep r e s e n tr e s e a r c ho ni n t e l l i g e n t e n d o s c o p yh o m ea n da b r o a d n l es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u e e st h ec o m p o n e n t sw h i c h m a k eu pt h es e n s i n gs u b s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e m o d u l a t o ro ff b gs e n s o ra n dt h e p a c k a g i n go ft h es e n s o r n ed e s i g na n dt e s to fp u s h i n gd e v i c ei sp r e s e n t e di nt h e m i r dc h a p t e r e n c o d e rd e t e c t st h ep u s h e dd i s t a n c eo ft h es e n s o rw h e nt h ea p p a r a t u s p u s h e st h es e n s o rw i t ht w of r i c t i o nw h e e l s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t 西v e r e a s o n a b l ep r o o ff o rt h ed e s i g n t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h e c o n t r o ls u b s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n dt h es e t u po ft h ec i r c u i tb o a r da n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ec o m m a n i c a t i o ns o f t w a r e i nt h ef i f t hc h a p t e re x p e r i m e n t sa n d e r r o ra n a l y s i sa r ei n t r o d u c e d t h er e s u l to fs h a p er e c o n s t r u c t i o ni sm e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n t sa n dt h ef a c t o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i lw h i c hi n t r o d u c ea - l - o r s t h ef a c t o r s s t e mf r o mt h ep a c k a g i n go fs e n s o r , t h ep u s h i n gd i s t a n c ea n ds oo n f i n a l l y , t h el a s t c h a p t e rs u m m a r i z e st h ew h o l er e s e a r c hw o r ka n dc o n e e i y e st h ef u t u r ew o r k i no r d e r t oi n c r e a s et h er e a d a b i l i t yo ft h et h e s i s ，t h em e t h o df o rc u r v ef i t t i n gb a s e do nt h e d i s c r e t ec u r v a t u r ei si n t r o d u c e di nt h ea p p e n d i x k e y w o r d ：e n d o s c o p e s i n g l e - p o i n tf b g s e n s o rc u r v a t u r e c u r v ef i t t i n g s h a p er e c o n s t r u c t i o n e 海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：肄也姜日期型配! 一 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的发展与人类的进步，人们对医疗水平和方法的要求越来越 高。微创外科( m i s ) 正是应这种要求而产生的一种新型外科手段，它是利用人 体天生宫腔或手术d , ：f l 来插入具有诊断、治疗、监测等功能的医疗器械，以减少 手术期间对病人体内其他组织的伤害。【l 2 】 作为符合当今国际生物医学工程领域微创外科手术要求的典型医疗仪器 一一医用内窥镜近年来发展非常快。传统内窥镜技术与现代计算机技术、自动控 制技术等高新技术的不断发展和融合，使人类追求的微创甚至无创外科诊疗和治 疗技术已经成为了可能。医生通过内窥镜不仅能直接观察到人体内脏器官的组织 形态，体内病变情况，而且能对病变组织直接加以切除，也可将上述图像进行输 出和存储以进一步的诊疗和处理，其诊疗优势已为医学界所目睹。 内窥镜器械已由光导纤维内窥镜时代发展到当今的电子内窥镜和超声内窥 镜时代。光导纤维内窥镜朝细小化及采用各种传感器等方向发展，而电子视频内 窥镜朝采用微型的c c d 及实现周围图像实时高速处理等方向发展，超声内窥镜则 向超声探头细径化和多扫描方式发展。 不同型号的内窥镜结构不完全相同，但均由8 个部件构成：目镜部、操作部、 活检孔、导光束、软管部、弯睦部、前端部和吸引送气送水阀哺1 。内窥镜后部有 两个旋钮，通过钢丝牵引内窥镜前端，实现内窥镜前端一小段的俯仰和偏摆。检 查医生通过目镜或图显系统的显示屏可以观察到从内窥镜中的光纤束传出的有 色差信息的二维图像，利用二维图像的色差信息同时也凭手感来插入内窥镜。 目前内窥镜是利用操作人员的外部推力介入到人体被检腔道中的，是一种被 动方式。带有一定柔性的装置在腔道组织上滑行时，会对腔道壁面产生压力，这 可能会擦伤和拉伤人体内部软组织。一旦这个压力超过一定的阂值，还可造成组 织破损( 穿孔) 。同时人体腔道结构比较复杂，如图卜1 所示”1 ，仅凭手感要把 内窥镜顺利插入到深处并非易事。同时由于无法在插入过程中了解体内的内窥镜 的形状，有时会发生缠绕的情况，如图卜2 所示哺1 。同时，在介入过程中，还可 能对体内的组织造成拉扯，增加患者的不适，如图卜3 所示。 传统内窥镜的这些缺陷与人体内部腔道的结构有关。人体肠道直径及形状变 化很不规则，有较强的柔软性、脆弱性和滑动性，且不停的蠕动，增加了插入内 窥镜的困难。 上海大学硕士学位论文 图卜1 结肠的正面形状 图卜2 纤维镜在体内缠绕的x 光照片 蝴0 够 图卜3 内窥镜介入过程中对人体组织的拉扯 如果改造内窥镜并使之具有检测其在病人肠道内的形态能力，就可以为医生 实施检查和治疗提供很大的方便，避免内窥镜在体内缠绕现象，同时进一步减少 进镜和退镜过程对肠道组织造成的潜在损伤，从而减轻病人痛苦。 基于以上原因，世界各国先后展开了对机器人内窥镜的理论研究和开发工 作，以图将机器人技术应用于人体肠腔的诊断和治疗。 1 2 国内外智能内窥镜技术的研究现状 在机器人技术、计算机技术和自动化技术飞速发展的基础上，改造传统内窥 镜或开发新型内窥镜是医学工程中的热点问题，国内外研究机构在智能化内窥镜 技术方面的研究，主要集中在内窥镜介入机构学方面的探索和内窥镜形状可视化 方面的研究。 1 2 1 内窥镜机构学方向 i k u t a 在1 9 8 8 年最早提出了以微小机器人代替传统内窥镜的设想盯1 。他提出 用医用机器人“m e d i w o r m ”检查大肠。机器人由形状记忆合金驱动，并集成了形 状记忆合金驱动的微夹持器。这种主动式内窥镜机器人原型的直径是1 3 m m ，长度 是2 1 5 m m 。 s m a e d a 等人提出了一种主动式的内窥镜( 4 2 0 0 像素的图像传输纤维和光传 输纤维) ，外径是2 m ，最大弯曲角达到6 0 0 。”1 2 上海大学硕士学位论文 k r i s h m a ns m 等人研制的用于智能内窥镜系统的微小机器人，机器人尺寸 为3 0 m m x 4 0 m m x 8 5 m m ，其路径规划通过图像和触觉传感器参数的融合实现。 9 d r e y n a e r t s 等人研制了基于尺蠖运动原理的机器人内窥镜，它有2 个弯曲 自由度，最大外径为1 5 m m 。1 图卜4 带电池的胶囊式视频内窥镜m 2 a 以色列g i v e ni m a g i n g 公司研制了一种带电池的胶囊式视频内窥镜- - - m 2 a ( 图卜4 ) “”。2 0 0 1 年8 月，m 2 a 获得美国f d a 批准，正式投入生产。胶囊直径 约为l l m m ，长2 6 m m ，重约4 9 。内部装置有c m o s 传感器，4 个光源，1 个微型射频 发射器，氧化银电池及天线。胶囊体积小，患者用一杯水就能轻松服用，通过肠 道的蠕动和收缩来向前驱动胶囊。胶囊经过2 4 小时的巡航后，所有的图像信 息上传到一台存储记录装置上，医生通常在检查的第二天会利用计算机看到这些 图像。后来此公司在此基础上改进后生产了m 2 a + ，配合专门设计的r a p i d 软件一 同使用，增加了图像重放时对病变部位图像进行定位的功能。 日本r fs y s t e m 公司研制了不带电池的胶囊式内窥镜“翔一一一n o r k i av 3 ( 图卜5 ) ，它的直径约为l o m m ，长2 3 m m ，比m 2 a 体积减少了近1 3 。在相机镜 头上安装有4 个光源( 2 个白色，1 个红外线，1 个可变波长) 。调整每个光源的 亮度，为病变区域加亮或加阴影，红外线光源协助得到深度的三维图像。胶囊电 容充电后能量迅速释放给用作旋转线圈的胶囊，外部定子线圈产生强大的磁场， 从而驱使胶囊旋转。它的电源能量由体外发射的射频信号产生。电量通过体外的 监视器及时得到显示，同时显示出胶囊的位置和方向，c c d 找出来的图像通过微 波传输显示在外部一台监视器上。 r 海大学硕士学位论文 n o r i i c l av 3 内部原理图 图卜5不带电池的胶囊式视频内窥镜n o r k i av 3 中国科技大学研制了s m a 内窥镜“引。把内窥镜设计成多竹节结构( 图卜6 ) ， 每一个竹节上都布上s m a 元件，使每一个竹节在空间三维方向上都可以实现偏转 与弯曲。当它通过人体大肠时，根据获得的图像，掌握大肠的弯曲方向，控制内 窥镜的相关部分，使其朝着吻合大肠形状逐渐发生偏转与弯曲，相邻的不同竹节 部分偏转与弯曲部分可以不同。在通过同一个大肠弯道时，前面吻合好的形状， 在穿越弯道的过程中会逐渐向后面的竹节传递，这样整个内窥镜就相对容易通过 复杂的肠道。 帆冬l ， 攫鑫2 - 赣蠢3 l 犍毫4 压k a ( 觚 五) _ 匠) 栅 h = h 碉 图卜6 多竹节结构s m a 内窥镜 图1 7 全方向蠕动内窥镜驱动示意图 上海交通大学进行了全方向蠕动机器人驱动内窥镜系统的研究( 图卜7 ) “”。 通过改变c h l ，c h 2 ，c h 3 这三路激励脉冲的时序，从而使微驱动器做前进后退运 动。 在上述的几种机器人内窥镜的研究中，使用形状记忆合金驱动，蠕动式和气 流驱动方式的研究占主要地位。目前各种内窥镜机构学方面的研究大都采用主动 方式，旨在改良内窥镜的结构，使其微小化或柔性化，有利于减小对人体肠壁的 伤害，从而提高内窥检查手术的微创化。 4 上海大学硕十学位论文 1 2 2 内窥镜形状检测方向 通过改造结肠内窥镜，引入计算机图形学，增加手术过程的可视性、可比 性、重复性及准确性，使之具有检测结肠内窥镜在病人体内的形态的能力，就可 以为医生实旌检查和治疗提供很大的方便。在这一方面，较为典型的是采用磁场 定位、超声定位以及应变片、光纤传感等方法。 英国的b l a d e n 等人在1 9 9 3 年提出内窥镜磁场空间定位系统“”。如图卜8 所示，一个变化的磁场能使其中的金属线圈产生电压，该电压值可以精确的描述 线圈相对磁场的相对位置信息。三个大的威磁线圈放在病人下面，用以产生低频 电磁脉冲，在内窥镜钳道中内置了1 2 个传感线圈，每隔一个采样周期进行一次 采样采样数据反映连续磁场的变化，经计算机计算得到每个传感器的空间位置， 然后用计算机将这些离散的点拟合成连续的曲线，并在计算机上进行三维显示。 图卜8 三维磁场空间定位系统图卜9 三维超声波定位系统示意图 目本大阪大学开发了一种超声技术体内定位系统”( 图卜9 ) 。该系统能够直 接测量和显示超声内窥镜端部探针的空间位置和运动轨迹。如图所示，在人体表 面放置一个发射超声波脉冲的标志超声传感器，内窥镜探针发出用于扫描图像的 超声波，并接收回波。同时标志传感器发射与扫描信号同步的超声波，被探针接 收后叠加到扫描超声波的回波上。观察标志传感器在扫描图像中的位置，就可以 得到探针相对于标志传感器的方向和距离。该系统只需在现有的超声内窥镜的基 础上，增加体外标志传感器，容易实现。 o l y m p u s 公司发明了利用磁场定位方式来确定在临床检查中结肠的形状的专 利如图1 1 0 所刹”】。其主要是将可以产生磁场的特殊传感器植入内窥镜的镜体 里，在临床检查时，利用磁场接收天线和数据与图像处理系统将内窥镜的3 d 形 状重建在屏幕上。 福州大学所研究的超声定位系统“( 图卜11 ) 。身体内外各放置一个超声传 感器。其中体内的为扫描探测器，而体外为位置标志器，且二者为同步的。根据 超声定位，确定在探测图像上的位置标志器的相对位置，而体外的探测器的位置 超声定位，确定在探测图像上的位置标志器的相对位置，| 面体外的探测器的位黄 上海大学硕士学位论文 则由光学定位系统确定。 图卜1 0o l y m p u s 专利系统 图卜11 三维超声定位系统 国外有利用应变片进行腔道形状检测的专利“卯，其方法是通过应变片检测 细长杆头部点的曲率，用头部点的轨迹来形成形状曲线。医生在利用内窥镜进行 检查时，若想获得内窥镜在人体内的形状曲线，就可以将细长杆从内窥镜的钳道 口插入，直至末端，从而建立在插入状态下内窥镜的形状曲线( 图卜1 2 ) 。 图卜1 2 头部轨迹成形的腔道检测图卜1 3形状带重建效果 加拿大一家m e a s u r a n d 公司发明了一种形状带( s h a p et a p e ) 的形状检测器 件。，利用布置在带子上的多组光纤光强传感器来检测多个点处的曲率信号， 然后根据这些曲率信号将带子的形状曲线拟合出来，从而实现了空间形状的实时 检测( 如图卜1 3 所示) 。但经研究分析，这种技术在尺寸微小化方面存在明显的不 足，主要是由于该技术采用的光纤传感器，每一个传感器均需要一条光纤回路， 传感器必须贴附在一定宽度的基带上，因此利用现有的技术，使得基带的尺寸无 法进一步缩小，不能适用于细长弹性柔软体。此外，由于尺寸限制，传感器布置 的数量不能太多，所以获取的数据不够精确，而且这种技术难以精确测出大范围 内的形状和位置。这项研究虽不是用于内窥镜形状显示，但其形状重建方法可供 参考。 国内上海大学利用应变片对内窥镜的变形进行了形状感知和重建。具体方法 是利用应变片作为传感元件，通过应变片电桥电路的输出电压和曲率之间关系用 标定方法完成了细长柔性基杆形变曲率的实时检测，然后通过离散曲率拟合重建 出曲线形状，并实时显示出来【2 1 】( 图1 - 1 4 ) 。 6 上海人学硕士学位论文 图卜1 4基于应变片形状感知系统 上海大学医疗机器人研究小组利用多个光纤光栅传感器，制作了一个可以实 时检测内窥镜空间形状的内窥镜形状感知系统( 图卜1 5 a ) ，主要是利用细小空间 圆柱体表面曲率变化跟光栅中心波长成正比的基本原理。具体是利用在其若干等 距离点上刻有光栅的两根光纤沿圆柱形基材母线布置( 截面夹角成9 0 0 ) 并粘贴 在基材上做成一根柔性杆，形成传感网络，并利用解调仪读取光波信息。利用这 个传感网络来采集各个点的曲率数据，然后根据一定的算法拟合重建出整个内窥 镜的空间形状。由于实时性的要求，这个系统对光纤光栅波长解调仪器检测范围 和精度要求比较高。虽然重建效果良好( 如图卜1 5 b ) ，但整个系统的成本较高【2 2 】。 ( a )( b ) 图卜1 5基于多点内窥镜形状感知系统 上海大学医疗机器人研究小组还研制了渐进式内窥镜形状的感知和重建 系统。此系统利用两根光纤，每根光纤上只刻有一个光栅。将这两根光纤沿 圆柱形基材母线布置( 截面夹角成9 0 0 ) 并粘贴在基材上做成一根柔性杆，利 用单通道解调仪读取光波信号。推进装置将带有一个光栅传感头的传感柔性 杆，沿内窥镜的工作钳道渐进式推进，在推进过程中光栅传感头在内窥镜的 等距点上，逐点采样传感头的波长变化值。根据波长变化值推出各个点的曲 率值。根据已经测得的各个点的空间曲率，运用一定的曲线拟合方法逐点地 拟合出整个内窥镜的空间形状。此系统中的推进装置如图卜1 6 a ，利用直流电 机和同步带带动安放在导轨上的传送头，传送头模仿人手夹紧传感器并送进。 此系统虽不能实时重建内窥镜形状，但系统成本较低。重建效果如图卜1 6 b 【2 3 。 7 上海大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图卜1 6 渐进式内窥镜形状的感知和重建系统 以上几种形状检测方面的研究为内窥镜的形状检测提供了尝试。特别是上海 大学医疗机器人研究小组研制的以光纤光栅为传感器的内窥镜形状感知和重建 系统，以微小的曲率信号传感器为基础，较电磁场定位系统、超声定位系统检测 方法相比，省去了庞大的空间位置检测设备，降低了设备成本，简化了检测过程， 提高了检测效率和可靠性。较应变片系统相比，抗干扰能力强，不要求对内窥镜 进行改造，不会使内窥镜镜体的直径增大。 1 3 课题总体情况与本论文的研究内容 1 3 1 课题总体情况 “介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”是国家自然科学基金( 编号 5 0 0 7 5 0 5 0 ) 、8 6 3 计划( 编号2 0 0 1 a a 4 2 2 1 8 0 ) 、上海市启明星跟踪计划( 编号 o o q m h l 4 0 2 ) 的资助项目。 本项目拟采用智能控制的介入方式，在人体外用一个辅助介入装置，代替检 查医师的手上动作，将内窥镜送入病人体内。同时，利用多个传感器的反馈信号 来实现主动避障，并且通过计算机屏幕来显示在人体内的内窥镜形状以及肠道组 织的图像。此外，检查医师还可以通过对疆示的镜体形状和肠道组织图像的分析， 来决定是否对自动介入过程进行人工干预。 “介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”项目包括三个子系统： 1 智能内窥镜辅助介入系统：凭借介入装置和多传感器反馈信号，实现对 内窥镜的推进、后退和旋转等自动操作，同时负责检测内窥镜推进距离 和旋转角度等信息。 2 智能内窥镜主动避障系统：借助驱动旋转装置和对内窥镜头部压力传感 器的信号检测或借助驱动旋转装置和视觉导航，实现对内窥镜头部的偏 摆动作的自动控制，以避开肠壁，指向内腔。 上海大学硕士学位论文 3 智能内窥镜形状检测与可视化系统：实时检测内窥镜在入体肠道内的曲 线形状，显示于计算机屏幕。同时还包括开发控制智能内窥镜的人机操 作界面系统。 完成后的系统具有以下特点： 1 保存了原有纤维镜的系统性能( 光、气、水、钳等通道和接口) ； 2 与以往的机器人内窥镜技术相比，增加了机器人自动介入功能，减少了 检查时间和难度，增加了舒适性( 介入体内的尺寸没有大的变化) ； 3 在前端实施了主动避障控制，减少了穿孔发生的概率； 4 监视内窥镜镜体在人体内的空间形状和位置，增加操作的直观性； 5 减少对内窥镜医师的插入技术依赖性，改善工作条件，提高内窥检查的 普及程度。 1 3 2 本论文的主要研究内容 作为“介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”中的一项研究内容，本文主要 是对单点光纤光栅传感器用于形状检测与重建的技术进行继续研究。 针对课题的需要，对光纤光栅传感器封装方法以及必要性进行研究。同时， 为了使整个系统能t j 动化，本课题设计了推进传感器的机械装置和控制子系统。 为便于能手持推进装置，机械装置必须结构简单、体积小、重量轻。在搭建了整 个系统之后，还必须做实验看其重建效果并对整个系统进行误差分析。 本课题主要研究内容如下： 1 、光纤光栅传感器的封装； 2 、介入传感器的手持式机械机构的设计及研制； 3 、传感网络的选择及搭建； 4 、控制系统设计及研制； 5 、内窥镜形状重建试验： 6 、形状重建误差分析。 1 4 小结 针对传统内窥镜检查中存在医生不能顺利把内窥镜插入肠道深处的不足，本 章从内窥镜机构学方向和内窥镜形状检测方向两个方面介绍了国内外改造内窥 镜技术的各种现状，分析并指出了各个技术的优缺点。根据课题组项目“介入式 内窥诊疗机器人关键技术研究”的整体研究目标，确定了本文的研究内容是利用 光纤光栅传感器感知和重建内窥镜形状。 9 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章传感网络子系统设计 光纤光栅传感器是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，有很广阔的应 用领域。光纤不受电磁场及电流等的影响，波长变化与信号幅度无关，因此稳定 性高。为了重建内窥镜形状，本课题利用光纤光栅传感器来组建传感网络子系统。 传感网络包括：光纤光栅传感器和采集处理数据的辅助单元。 2 2 光纤光栅传感器 光纤光栅按照其空间周期和折射率分布的不同，分为长周期光纤光栅、相移 光纤光栅、均匀周期布拉格光纤光栅、啁啾光纤光栅、t a p e r e d 光纤光栅、闪耀 光纤光栅等种类。“。经过比较后，选布拉格光纤光栅。 布拉格光纤光栅传感器传感原理是：当一束光送进b r a g g 光纤光栅时，根据 光栅理论，在满足b r a g g 条件的情况下就会发生全反射，其反射光谱在b r a g g 波 长 处出现峰值。光栅受到外部物理场( 如应力、应变温度等) 的作用时，其栅距 人随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长 。根据九变化的大小就可以确 定待测部位相应物理量的变化。 布拉格光纤光栅内部结构图如图2 1 ，它的基本光学特性就是以共振波长为 中心的窄带光学滤波，满足如下光学方程“”： 如= 2 a ( 2 - 1 ) 芯 图2 - 1b r a g g 光纤光栅结构图 其中：九：b r a g g 波长；a ：光栅栅距或光栅周期；锄：光纤模式的有效折射率 用于光纤光栅的被测物理量( 如温度，应力等) 发生变化时，会引起n 矿和a 的 相应改变，从而导致凡的漂移。反过来，通过检测如的漂移可得知被测物理量 0 上海大学硕士学位论文 的信息。b r a g g 光纤光栅传感器的研究工作主要集中在温度和应力的准分布式测 量上。温度和应力的变化所引起的五。的漂移可表示为： 以2 2 a ”a 十2 锄a ( 2 2 ) 该式表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。当光纤光 栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，心，和a 都会发生变化。本系统的应 用环境温度变化很小，在此忽略温度对波长变化的影响，而只考虑应变对波长变 化的影响。 当光栅仅受应变时，一方面因外界施加在它上面的应力作用而被机械性的拉 长导致改变其光栅常数，可以表示为： a 一2 f a ( 2 3 ) 同时，弹光效应使得光纤光栅折射率发生变化： i an - e f f = 一丁1 聍。2 ( 1 一) p 旷p t 】占( 2 - 4 ) 定义有效弹光系数见为： p 。= ，2 一) p 1 2 一】 ( 2 则式( 2 4 ) 可以表示为： 竺生止：一p 。s ( 2 6 ) n e f | 以上两种作用的总贡献为： 华：警+ 垃：占一p 。s ：( 1 一尸。) ( 2 - 7 ) 五a ”。， 。 、 上述式子中：s 是轴向应变，是泊松比，p l ，( j 2 1 ，2 ) 为p o c k e 系数。 光纤光栅传感器的优点：传感头结构简单、尺寸小、重量轻、反应灵敏。抗 腐蚀能力强、能在恶劣的化学环境下工作。测量结果具有良好的重复性、耐温性 好( 工作温度上限达4 0 0 。c 一6 0 0 ) 、传输距离远( 传感器到解调端可达几公里) 。 t 海大学硕士学位论文 2 3 封装光纤光栅传感器 2 3 1 光纤结构 光纤的结构一般包括纤芯、包层、涂敷层与护套。纤芯和包层为光纤结构的 主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套则主要用于隔离杂光，提高 光纤强度，保护光纤。最里层为高折射率玻璃芯，芯径一般为5 0 或6 2 5 um 。 第二层为低折射率硅玻璃包层，最外层是加强用的树脂涂层。 包层为紧贴纤芯的材料层，其中光学折射率稍小于纤芯材料的折射率。根据 需要包层可以是一层，也可以折射率稍有差异的二层或多层。包层材料一般是二 氧化硅，其中也会有微量参杂物( 一般参杂三氧化二硼或四氧化硅) 以降低包层 的光学折射率。 涂敷层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐，用于隔离杂光。在光纤中写入光栅时 候，一般要去除保护层和涂敷层，因此其机械强度大为降低。 2 3 2 传感器封装 为了精确反映内窥镜的弯曲信息，必须要求传感头具有能良好的反映内窥镜 弯曲信息的能力。光纤光栅本身尺寸细小、柔软、易断。因此，课题必须选用一 种能将应变准确的传给光纤光栅的基材，这种基材必须要有足够的弹性，以保证 变形后能够恢复原状。同时，本系统中要求传感器不仅能测小变形曲线形状信息 而且能测大变形曲线形状信息，这就要求传感器减敏。基于以上考虑，必须对光 纤光栅进行封装。 为了方便使用光纤光栅传感器，本系统以形状记忆合金( s m a ) 丝为基材， 用胶结剂将刻有光栅的光纤胶结在记忆合金上。形状记忆合金( s m a ) 是指具 有形状记忆效应的金属材料。形状记忆合金不仅具有神奇的形状记忆能力，而且 具有超强的相变超弹性及优良的耐蚀性，弹性能力与加工工艺有关。目前具有医 用开发前景的有t i n i 形状记忆合金，在临床各科和医疗器械等方面获得了广泛 的应用。 在光纤光栅传感器应用过程中，用于胶结光纤光栅的胶结剂会对曲率检测的 精确性和稳定性产生影响。因为在整个内窥镜形状重建过程中，传感器会反复弯 曲，所以要求胶结剂必须具备高强度和柔韧性的特点。 因为内窥镜中供传感器伸入的腔道直径不超过3 m m ，所以要求封装之后的 传感器外径不能超过3 m m ，不然就不能顺利插入内窥镜中。光纤直径大约为 海大学硕士学位论文 0 2 m m ，涂敷的胶厚度大约为1 1 5 m m ，最外层套的保护套管厚度大约为 0 5 m m ，因此选用基材直径大约为0 8 m m 。 本课题中利用空间点的曲率来重建曲线形状。曲率是一个矢量，既有方向也 有大小，矢量的方向决定了曲线的弯曲方向，矢量的大小决定了曲线的弯曲程度。 为了确定空间曲线上某点的曲率矢量，需测出该点处两个已知方向上的蓝率矢量 的大小值，从而合成出曲率矢量的方向和大小值。而一根光纤光栅在某一点只能 反映出一个方向的曲率大小值。因此，必须要两根光纤光栅。为了简化两个方向 的曲率合成，本课题采用如下方法：两根光纤沿圆柱形基材轴向布置并在基材截 面两点呈9 0 0 分布( 图2 2 ) 。下面介绍这种封装方法测空间曲率的可行性。 少纤光 t ， 、 ， 弋矿 彳 。 图2 2光纤粘贴截面示意图 根据材料力学，对于圆截面弹性梁，应变、曲率之间存在以下关系： ( 2 - 8 ) 其中：占为应变值，p 为传感器感测点的曲率半径，c 为对应的曲率，r 为光纤 光栅安装位置到中性面的距离。在给定点位置的情况下，光栅应变值固定。而应 变与光纤光栅的波长变化成f 比。由此可以得出： 如。k c ( 2 9 ) 其中k 值为标定系数，必须通过标定得出。对于光纤光栅1 的k l 、光纤光 栅2 的k 2 ，其标定方法一样。对k 进行标定的具体方法如下： 让传感器呈自然状态放在标定板上半径为2 0 0 m m 4 0 0 0 m m 的一系列标准圆 的槽内，分别记录与之相对应的解调仪测得的波长数据。得到第一组数据a 旋转定位块9 0 0 ，重复以上步骤，得到第二组数据。 运用m a t l 如最小二乘法处理数据，分别得到k i ( i = l ，2 ) 。 h 海大学硕 学位论文 下面具体分析合成曲率的方向。 封装后，截取某一截面来分析( 图2 2 ) 。当柔性杆在o m z 平面内( z 轴垂 直于o x y 平面) 绕轴作曲率半径为p 。的弯曲时：设定n n 轴为中性层， 分析可知x 、y 方向的光纤光栅到中性层的距离分别为： d x = l p p i = ( 惶村十纤) c o s f l ( 2 - l o ) d v = 1 0 0 l = ( 任材+ 纤) s i n f l ( 2 - 1 1 ) 根据式( 2 8 ) x 、y 方向光纤光栅的应变量分别为： ：! 垒丝垒! ! ! ! 旦 ( 2 1 2 ) 最：! 堑纽生垫曼 ( 2 1 3 ) pu 根据以上分析，可以得知x 、y 方向的光纤光栅测得的波长偏移量各为： 丑= ( 1 一只) z 5 2 ”学 ：( 1 一只) z ! 女l 学( 2 - 1 4 ) 其中：型为曲率x 方向分量，兰坐为曲率y 方向分量。 p m p m 所以，合成曲率与x 轴的夹角为： f l = a r c t a n ( a ； ( 2 - 1 5 ) a 。丑可以由光纤光栅解调仪测得的x ，y 方向的波长值分别减去相应原 始波长得到。通过胶结在基材表面的光纤光栅的中心反射波长值的变化，可以推 算出某离散点处的曲率大小。 因为基材和光纤的直径都很小，要求两根光纤沿圆柱形基材轴向布置并在基 材截面两点呈9 0 。胶结是非常困难的，为此，本系统利用一套专门胶结光纤光栅 的夹具夹持光纤进行胶结。封装之后的传感杆见图2 - 3 。 1 4 上海大学硕士学位论文 图2 3 封装好的传感杆 对光纤光栅进行粘贴时，如果是使用环氧胶，制作周期就比较长，传感头的 机械性能好，检测范围大。如果使用快速硬化胶，传感头的制作周期就比较短， 传感头容易变脆，在检测大曲率时传感头容易发生断裂，检测范围变小。经过比 较，选用环氧胶。 由于光纤光栅的受压能力高于受拉能力，而在本系统中其受拉和受压机会相 近，所以在封装的时候必须对其进行预压封装。在基材上施加预应变，待光纤光 栅粘结并固定在基材上后，释放预应力使基材回复。以下理论证明了预压封装能 扩大其在受拉情况下的测量范围【2 6 j 。 蟛地 lj o + 丑 皿眦6+mq e 以 ! i 一 。 p r 一卜 盯。 g 。 k 2 划 图2 - 4预压封装对光纤传感特性的影响 图2 4 中d 点为光纤光栅自由状态的应变。规定光纤光栅受拉情况下的应变 为正，受压时应变为负。s 。，q 一分别为光纤光栅能够承受的最大压应变和 最大拉伸应变，根据试验及经验数据，光纤光栅固有的机械性能，受压的能力高 于受拉的能力，即k m 缸i k m 缸l 。对于拉压机会均等的应用场合，其预压前实际 测量范围为卜一，q 。】。超过这个范围，则会超过光纤光栅应力测量能力， 产生不可恢复的破坏。 在预压应变的基础上进行弯曲试验，此时光纤光栅实际上受的是拉和弯曲的 上海大学硕士学位论文 组合变形，在此假设应变可以迭加。测量得到的中心反射波长值的变化对应的线 应变分为两部分，即预压引起的线应变和基材弯曲时引起的线应变，后者是曲率 传感器需要的信息。如果以预压前的中心反射波长为基准，理论上可以在测得应 变后，剔除施加的预应变，但在实际的传感器封装过程中由于存在蠕变等影响因 素很难确定预压应变的精确值。所以以预压后的中心反射波长为参考波长，剔除 预压的线应变对传感器数据的影响。 采用了预压封装后，光纤光栅的中心反射波长发生了变化。此时光纤光栅的 应变响应特性没有改变( 线段4 b ：如= ( 1 一) 如为光纤光栅应变特性曲线) ， 曲率测量范围发生了变化。对光纤光栅传感器来说，在施加占预压应变后，可 以认为其光学性能平移了一个区间，坐标系以0 6 变换为厶0 1 占，初始状态平 移到o 。 当旌加预压应变时，光纤光栅的中心反射波长发生了变化，变化量为： 五o = ( 1 一只) 如- 占 ( 2 1 2 ) 对应图2 4 中直线段a b 上的任意一点，中心反射波长变化变为： 厶= t + 砧o = 以+ ( 1 一只) 九- a e ( 2 - 1 3 ) 由公式( 2 - 5 ) ，此时对应的曲率测量范围变化为： c ：丝：一些一+ 竺 ( 2 1 4 ) ，( 1 一见) 厶r ( 卜只) 厶r r 由图2 4 可以看出经过预压封装后，受拉情况下可测应变范围可以扩大。当 占= 丘粤一q 。删= 堡毕时， 此时的量程为 h 。i + t a 占i ，t 一+ 蚓 。 2 4 数据采集单元 要采集光纤光栅的波长变化值，需要一台波长解调仪。下面详细介绍： 2 4 1 波长解调仪 现在市场上的解调仪有多通道和单通道之分。单通道光栅解调仪最大的优点 是价格便宜，体积也相对来讲比较小，便于携带。缺点是只有一个通道，如果要 测多个通道，必须借助光开关来切换光回路。多通道解调仪能同时解调多个通道， 1 6 上海大学硕士学位论文 而且每通道同时可设置双判据，在实际工程测量监测中，可以有效的杜绝光栅双 峰问题带来的数据紊乱，全面而真实的反映出被测量的变化。最大的缺点是价格 昂贵，体积相对比较大。经过分析比较，本课题采用单通道光栅解调仪( 如图 2 5 ) 。 图2 5 光纤光栅解调仪 下面介绍光纤光栅解调仪计算被测光栅波长值的工作原理：解调器上通道为 测量通道，不设标准光栅；下通道为标定通道，预先在解调器内部设置被恒温的 光栅，光栅的波长值已知，测量时进行实时插值。仪器本身对自带的标准光栅进 行了标定，标定数据固化在仪器数据库中。固化在仪器内部数据库中有一系列的 插值系数( 对应于不同波长范围) ，波长检测仪内的两个通道对进入本通道的反 射光的中心波长进行检测并且与其通道两端的标准光栅的中心波长进行比较，根 据被测光纤与标准光纤的比值利用插值法推算出被测量的光栅的波长值，并且把 波长值在显示屏上