[发明专利]一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置和方法

说明书

本发明涉及一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置和方法。可通过一束组合多芯光纤同时实现两种功能，一种是空间形状感知，本发明的外层螺旋光栅光纤束可以通过光纤变形检测出光纤的曲率和挠率，再根据空间曲线重构算法进行空间形状的重建。另一种是三维成像，传统的内窥镜成像通常只能进行二维成像，而本发明借助计算成像技术，根据接收到的衍射图像通过迭代计算直接恢复目标组织相位信息，并且通过波前反衍技术，可以对目标组织实现三维成像。同时将不同时刻空间信息与成像信息进行数据融合，达到可视化表达。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置和方法。

背景技术

随着医疗检测技术的进步，医护工作者可以借助各种先进仪器为患者进行检测，精确诊断病症，提前阻断病情发展以减轻患者各种症状。但是由于食道，肠道等部位包含气体、食物残留物等，不能使用体外成像方法，导致医护工作者必须使用医疗工具借助人体自然通道实现体内成像。内窥镜便是一种常用的医疗仪器，它可以借助人体自然通道，使得医护工作者直接观察到患者体内组织以及病变情况。

而内窥镜在进给过程中很可能由于人体自然通道壁的影响，从而产生缠绕或者扭曲，这样不但会导致内窥镜检查部位错位，同时会增加患者的不适感。为检测内窥镜在人体内的形状，同时获取内窥镜在进给过程中在不同时刻不同位置的状态，有效判断病变位置，常用方法是将光纤集成进内窥镜管道中，由光纤进行形状传感从而获取内窥镜形态。这样无疑增大的内窥镜管道的直径，对患者影响较大。

同时内窥镜通常只能进行二维成像，无法判断目标组织的深度或者厚度信息。而目标组织的三维信息能够极大地帮助医护工作者检测病人状况，有助于对病情的研判。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置和方法，空间形状感知可以实时感知光纤在进给过程中不同时刻的位置以及状态，三维成像可以对目标组织进行定量相位成像。本发明通过一束组合光纤同时实现这两种功能，组合光纤中的螺旋光栅光纤通过应变测量实现对光纤三维形状的重构，达到空间形状感知的目的；组合光纤中的直光纤束通过采集衍射强度图实现对体内组织进行三维成像。本发明只需要一束经过设计的光纤束，即可实现空间形状感知和目标组织三维成像，所设计的光纤束直径在微米量级。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置，包括：光源模块、光纤扇入扇出模块、组合多芯光纤探头模块、形状传感模块、成像模块以及数据处理模块。

其中，光源模块为光纤输送光信号，同时为成像提供照明光；

光纤扇入扇出模块用于整合不同功能的光纤使之聚合为一束，同时连接形状传感模块和成像模块；

组合多芯光纤模块包括两部分。第一部分由外层多根螺旋光纤和中心一根独立光纤组成，该部分光纤内刻有光栅，外层螺旋光纤用于应变及空间形状感知，中心独立光纤用于温度以及应变补偿；第二部分为包裹中心独立光纤的两层直光纤束，无光栅刻写，其中第一层为发射光纤用于发射照明光，第二层为接收光纤用于接收目标组织物反射回的物光；

形状传感模块包含光栅解调仪，通过光纤扇入扇出模块和多芯光纤模块的外层螺旋光纤连接，将接收到的中心波长漂移量转化为应变；

成像模块包含CCD相机，通过光纤扇入扇出模块和多芯光纤模块直光纤束的接收光纤连接，将接收经过多芯光纤调制的衍射图像；

数据处理模块包含计算机，将形状传感模块检测到的应变转换为三维形状，以实现空间形状感知的目标；将成像模块接收的衍射图像进行定量相位恢复，以达到目标组织成像的目的。同时将不同时刻光纤位置与三维成像进行数据融合，以达到实时可视化表达的目的。

一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像方法，具体实施步骤如下：