[发明专利]细长柔性杆的空间形状检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种细长柔性杆的空间形状检测装置和方法，其中涉及的重点是以光纤光栅传感器阵列为基础的空间柔性杆的形状检测装置和方法。

背景技术

这个装置主要用来对细长柔性杆的三维形状进行检测，这里，主要以结肠内窥镜为背景，考虑结肠镜在插入人体后，利用细长柔性杆的弯曲信息来重现结肠的形状信息。目前，结肠镜检查是诊断直肠、乙状结肠疾病的重要方法之一，大约70％左右的大肠癌都位于直肠和乙状结肠，因此结肠镜检查对直肠和乙状结肠早期癌变的发现和确诊有重要的意义。结肠镜在插入检查的过程中，要经过一段很复杂的路径，其中包括三维曲线的弯曲与扭转，主要走向为直肠、乙状结肠、降结肠和横结肠。由于插入的过程中不稳定因素的存在，在外力作用下很容易造成内窥镜在肠内结襻，以及结肠镜的前端会顶住肠壁，稍有不慎会造成穿孔，因而在检查时对病人产生巨大的心理压力，而且只有经验丰富的医师才能够完成这种检查。为了帮助医生很好的掌握好进境过程中的情况，目前常用的方法是在进境前进行对病人进行X光检查，以便医生了解结肠的结构，然而这种方法并不能实时对进境检查的过程进行监控，因此有必要提出一种能够实时显示内窥镜柔性杆形状，并帮助医生在进镜时进行导航。

在内窥镜的形状显形方面，已有的技术包括OLYMPUS公司基于美国专利6059718，利用磁场定位原理，通过在检测目标周围空间内设定一个已知的空间磁场，然后利用柔性杆上的磁感线圈对其所在的位置磁场进行感知，测得每个感应线圈的位置和方向，利用检测设备对感应线圈进行周期的采样，从而利用这些实时数据进行内窥镜柔性杆的重建，该方法易受到外界电磁信号的影响。另外德国SIEMENS AG公司基于美国专利6470205，利用光纤光栅设计了一种医疗器具的定位装置，该装置采用多节连杆进行连接，连杆之间通过两自由度的旋转关节进行连接，利用光纤光栅对每个自由度旋转角度的测定，就能够得到每个关节的旋转角度，利用各个连杆之间的位姿关系，从而得到最后一个连杆前端的位置和方位。而该方法利用了多连杆机构，对于医疗器具前端的定位精度较高，对于插入式医疗装置机构的缺点是检测的范围比较小，而且该方法不能实时显示插入腔道的形状。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种细长柔性杆的空间形状检测装置和方法，利用柔性杆上各个点的弯曲程度与波长的变化关系及空间曲线的重建算法，通过网络化测试技术对数据进行实时的采集，从而重构出整个柔性杆的形状。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种细长柔性杆的空间形状检测装置，包括一根柔性细长杆，其特征在于所述的柔性细长杆外表面上粘贴光纤光栅传感器阵列，而依次连接一个光纤光栅调制解调仪、一个局域网路由器、一个数据采集与形状重建模块及显示设备。上述的光纤光栅传感器阵列，每组为四根光纤光栅沿周向均布在柔性检测杆上，每根光纤上有五个光栅点，且相邻的光纤在细长柔性杆的截面上的夹角互为90度。上述的光纤光栅阵列中两个光栅点在圆形截面上成180度分布，使两个传感器采集到的数据进行差值，消除温度对数据的影响。

上述装置的工作原理为：光纤光栅传感阵列(2)由四根光纤均布在细长柔性杆(1)上，且邻近光纤的夹角为90度，每四个对应的光栅点组成一组检测点。利用光纤光栅调制解调器(3)和局域网路由器(4)对解调后的数据通过TCP/IP协议传送到形状重建模块进行数据分析与重建，将重建的结果发送到显示设备，以便观察。

一种细长空间柔性杆的空间形状检测方法，采用上述的细长柔性杆的空间形状检测装置进行检测，其特征在于检测步骤如下：

一种细长柔性杆的空间形状检测方法，采用权利要求1所述的细长柔性杆的空间形状检测装置进行检测，其特征在于检测步骤如下：

①光栅点的波长与曲率的比例因子的标定：曲率与光栅的波长的变化关系表示为：