[发明专利]用于稳定的形状感测的温度控制机构

说明书

技术领域

本公开涉及医学仪器，更具体而言，涉及医学应用中的形状感测光纤，其具有针对温度梯度区域的改进温度控制。

背景技术

基于光纤的形状感测利用了常规光纤中的固有反向散射。所涉及的原理通常使用特征瑞利反向散射模式来利用光纤中的分布式应变测量。光纤的实际长度和折射率内在地对环境参数、温度、应变敏感，并且在低得多的程度上对压力、湿度、电磁场、化学暴露等敏感。由于温度变化ΔT或者沿光纤轴的应变ε的原因导致的反相散射模式的波长偏移Δλ或频率偏移Δυ为：

Δλ/λ＝-Δυ/υ＝K_TΔT+K_εε，其中，

温度系数K_T是热膨胀系数和热光系数之和，其典型值为0.55×10-6℃^-1，并且对于掺杂了氧化锗的二氧化硅芯光纤而言为6.1x10-6℃^-1。应变系数K_ε是分组指数n、应变光学张量的分量P_ij和泊松比μ的函数。对于掺杂了氧化锗的二氧化硅而言，针对n、p₁₂、p₁₁和μ给定的典型值将得到大约0.787的K_ε值。因而，温度或应变当中的偏移只是谱频移Δυ的线性缩放(对于适中的温度和应变范围而言)。如果应变接近了纤维的弹性极限或者温度接近了纤维的玻璃态转化温度，那么这一线性模型自然不再适用。

就一个芯位于截面中央的四芯或更多芯的纤维系统而言，只要不施加轴向应变(张力)，或者假设存在轴向应变但轴向应变已知可控(因此其能够被校准出)，就能够分出由于弯曲和温度效应导致的应变。

光学形状感测(OSS)对于环境温度中的变化极为敏感。参考必须在位置和取向中固定的初始发射(launch)点执行所有的形状感测测量。与参考测量的相关和相移的跟踪假设固定发射点。测得相位当中的偏移是由光纤几何结构的变化而引起的。发射点附近的即使大约2℃的环境温度提高也能够导致纤维的膨胀(或收缩)，其将改变有效发射点。在极端情况下其能够导致跟踪丢失和OSS故障。例如，对于以20微米截距的六自由度测量而言，1.5m长的纤维可能具有数万个数据样本。在发射点处导致多节偏移的纤维膨胀或压缩能够造成形状跟踪的中断。

发明内容

根据这些原理，一种光纤形状观测系统包括具有近端区域和远端区域的细长光纤形状感测设备。所述远端区域包括第一温度，在所述第一温度上执行形状感测。温度控制设备被配置为控制所述形状感测设备的所述近端区域处的第二温度，以匹配所述第一温度。所述近端区域包括用于将光发射到所述光纤形状感测设备的至少一条光纤中的发射区域。

在一个实施例中，一种用于光学形状感测系统的系统包括处理器、耦合至所述处理器的存储器以及具有近端区域和远端区域的细长光纤形状感测设备。所述远端区域包括第一温度，在所述第一温度上执行形状感测。温度控制器被存储在所述存储器中并被配置为监测并调整发射区域处的第二温度，所述发射区域用于将光发射到所述光纤形状感测设备的至少一条光纤中。所述发射区域处于所述形状感测设备的所述近端区域中。至少一个温度控制元件响应于所述温度控制器以及来自一个或多个温度传感器的反馈以将所述第二温度与所述第一温度匹配。

在另一实施例中，一种用于光纤形状感测的方法包括：提供具有近端区域和远端区域的细长光纤形状感测设备以及位于所述形状感测设备的所述近端区域处的温度控制设备，所述近端区域包括将光发射到所述光纤形状感测设备的至少一条光纤中的发射区域；测量执行形状感测的所述远端区域处的第一温度；测量所述发射区域所处的所述近端区域处的第二温度；以及控制所述第二温度以匹配所述第一温度，从而为光学形状感测提供准确的发射区域参考。

通过下文结合附图阅读的对本公开的说明性实施例的详细描述，本公开的这些以及其他目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

本公开将结合下面的附图详细介绍下述对优选实施例的描述，其中：

图1是示出了根据一个实施例的采用处于发射区域的受到温度控制的区域来匹配参考温度的形状感测系统的框图/流程图；

图2是示出了根据一个实施例的采用工作站控制和监测发射点区域中的温度以匹配参考温度的另一形状感测系统的框图/流程图；

图3是示出了根据一个实施例的其中集成了温度传感器和温度控制设备的形状感测设备的截面图；