[发明专利]介入环境内光纤形状感测的集成

说明书

此公开涉及医学设备和方法，并且更具体地涉及用于将光学形状感测结构集成到介入环境中以在医学处置期间进行可靠和灵活的使用的系统和方法。

基于纤维光学的形状感测等同于具有特征瑞利散射图案的光纤中的分布式应变测量。作为纤芯中折射率的随机波动的结果，发生瑞利散射，纤芯中折射率的随机波动是光纤制造工艺中固有的。这些随机波动也能够被建模为布拉格光栅，其中所述随机波动沿光栅长度具有幅度和相位的随机变化。如果应变或温度改变施加于光纤，则特征瑞利散射图案发生改变。能够首先在没有对光纤施加应变/温度刺激的情况下执行光学测量，以产生参考散射图案，并且然后在感生应变/温度之后再次执行光学测量。应变/非应变状态下光纤的瑞利散射谱的自相关确定源自施加的应变的谱移动。背散射图案的归因于温度改变ΔT或沿光纤轴的应变ε的此波长Δλ或频移Δv非常类似于光纤布拉格光栅的响应：其中，温度系数K_T是热膨胀和热光系数的和。应变系数K_ε是群折射率n、应变光学张量的分量p_i,j以及泊松比的函数：从而，温度的移动或应变仅是谱波长移动Δλ的线性比例。

光学频域反射计（OFDR）本质上执行沿光纤的空间位置的频率编码，这使得能够进行局部瑞利反射图案的分布式感测。在OFDR中，激光波长或光学频率随时间受到线性调制。对于相干探测，在探测器处将背散射波与相干参考波混合。由于扫描波长时相长至相消干涉的改变以及相消至相长干涉的改变，探测器接收调制的信号。其频率Ω标记光纤上的位置s并且其幅度与局部背散射因子以及经过距离s的前向加后向传播的总的幅度衰减因子成比例。通过使用例如谱分析器来执行探测器信号的傅立叶变换，此方法容许来自沿光纤的所有点s的背散射波的同时恢复。从而，能够通过结合OFDR使用任意数量的移动探测或图案匹配方法（例如，利用互相关或其它类似性度量的块匹配、信号相位改变的计算等）来测量特征瑞利散射图案的谱移动以确定光纤的不同部分上的应变。

当两根或更多光纤处于已知空间关系时，诸如当被集成到多芯形状感测光纤中时，能够使用上述分布式应变测量方法学来构建形状感测设备。基于参照瑞利散射图案的参考形状或位置（或参考应变），能够使用处于已知/给定/固定空间关系的光纤之间的相对应变来重建新的形状。

当基于OFDR和形成许多光学形状感测原型系统的基础的瑞利散射询问来设计分布应变测量系统时，考虑数个参数。给定以下等式，能够计算样品尺寸Δs、最大光纤长度L_max和待获取的样本的数量N_max：

其中，λ_s和λ_f是开始/最后波长，n是群折射率，R_s是采样率，且是扫描频率。

扫描期间源的相干长度应当大于2×n×L_max。这给定了线宽δv＝c/(2×n×L_max)的上限。对应于大于10m的相干长度，激光可以具有10MHz以下的线宽。对于1-2m的合理绳（tether）长度，相干长度足够了。绳是连接至医学仪器的光纤的长度。调度塞绳（patch cord）将仪器联接至询问单元。

在实践中，L_max将大于绳长度以适应询问单元和绳之间的合理量的调度塞绳。光纤长度的最小尺寸设定为波长步长的上限。对最大光纤长度保持10m的相同数量给出了波长的约0.040pm的最大步长尺寸。需要注意，当应用需要控制台与绳之间具有大于10m的距离时，能够总是增大干涉仪中的参考臂的长度。然而，此参考臂光纤长度应当不超过连接至绳的调度塞绳的长度。

步长尺寸确定监控波长扫描的光学时钟的精度。该时钟的自由谱范围不超过最小步长尺寸的数百倍，比如300倍，因为难以确保比度好的相位测量结果。在以上范例中，这将意味着时钟的自由谱范围不应超过12pm。这设定从一个扫描至下一扫描，激光器的波长重复性的限度。如果激光器不满足此要求，则人们被迫每一次扫描时利用已知标准进行校准（例如，低压HCN细胞的吸收线）。这将以消极方式影响询问系统的刷新率。

为了具有尽可能快的数据处理方案，应当采取达2的幂的许多数据点，并且扫描不应当是对波长线性的，而是对波矢（波长的倒数）线性的。这容许时间优化的快速傅里叶变换。由绳长度确定从线性的偏离。对于1m，这将意味着从线性的偏离应当小于100MHz。不存在满足此要求的激光器，并且必需对数据进行重新采样。