[发明专利]构建穿刺针形状变化标定模型的方法

说明书

构建穿刺针形状变化标定模型的方法，涉及光纤光栅传感领域。解决了现有技术中构建的穿刺针形状变化标定模型，未考虑温度对穿刺针形状变化的影响，使得所构建的标定模型对穿刺针形状变化拟合精度低的问题。本发明首先构建穿刺针形状变化的初始模型，然后单独改变穿刺针的温度和穿刺针的形变，获得构建穿刺针形状变化的初始模型的校准矩阵，最后，根据校准矩阵获得穿刺针形状变化标定模型，从而完成对穿刺针形状变化标定模型的构建。本发明主要应用在医疗领域。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域。

背景技术

1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人制造出了世界上第一根光纤布拉格光栅，布拉格光栅传感器具有体积小、灵敏度高、抗干扰性强和电磁兼容性好等优点，目前，在建筑、航空、医学等领域得到了广泛的应用，特别是在应变监测和温度监测方面。

近年来随着机器人技术的发展，布拉格光栅传感器开始应用于柔性机器人的形状传感方面，为了解决经皮穿刺手术中穿刺针刺入体内发生形变难以测量的问题，提出了在穿刺针表面粘贴布拉格光栅传感器的方法，基于欧拉伯努利梁理论，针的变形会导致粘贴在其表面的光纤发生拉伸或压缩应变，通过一定的方法建立应变量与布拉格光栅传感器中心波长偏移量的关系模型，进而由应变拟合出其形状的变化；

但是，布拉格光栅传感器的中心波长对温度和应力存在交叉敏感效应，上述方法构建的穿刺针形状变化模型时，没有考虑到温度变化对所构建模型的影响，利用上述的构建方法所构建的模型无法得到在温度变化的环境下，同样得到精确的穿刺针形状变化情况，这对于穿刺手术而言是难以接受的，因此，如何构建一种新的穿刺针形状变化标定模型，使其所构建的模型，考虑温度对穿刺针形状变化的影响，从而提高穿刺针形状变化的拟合精度，亟需解决，这对进一步提高医疗卫生水平有着巨大的意义。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中构建的穿刺针形状变化标定模型，未考虑温度对穿刺针形状变化的影响，使得所构建的标定模型对穿刺针形状变化拟合精度低的问题，本发明提供了一种构建穿刺针形状变化标定模型的方法。本发明所构建的标定模型考虑了温度对穿刺针形状变化的影响，穿刺针使用前，利用本发明方法构建该穿刺针形状变化标定模型，使用时，可利用所构建的标定模型对穿刺针在手术过程中的形态变化情况进行精确的拟合，获知穿刺针在手术过程中的实时状态变化。

一种构建穿刺针形状变化标定模型的方法，该方法是基于粘贴在穿刺针内针上3个光纤光栅实现，所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅；

步骤一、根据校准矩阵、由形变引起的中心波长偏移矩阵、由温度引起的中心波长偏移矩阵和曲率分量矩阵，构建穿刺针形状变化的初始模型，初始模型的表达式为：

其中，

表示校准矩阵，C₁至C₆分别为校准矩阵内的第一至第六个元素；

表示由形变引起的中心波长偏移矩阵，

Δλ1表示第一个光纤光栅的中心波长偏移量；

Δλ2表示第二个光纤光栅的中心波长偏移量；

Δλ3表示第三个光纤光栅的中心波长偏移量；

表示由温度变化引起的中心波长偏移矩阵；

λ_B1表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第一个光纤光栅的中心波长；

λ_B2表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第二个光纤光栅的中心波长；

λ_B3表示温度为预设的标准温度，且穿刺针处于非形变状态下时，第三个光纤光栅的中心波长；

ΔT表示温度的变化量；