基于光纖光柵傳感的智能內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng).pdf

1、隨著新型傳感技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、智能材料和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展、融合，臨床上新型智能醫(yī)療器械不斷出現(xiàn)，有效地拓展了傳統(tǒng)醫(yī)療器械的功能和診療領(lǐng)域。結(jié)腸內(nèi)窺鏡是結(jié)腸疾病診療的重要醫(yī)療器械，由于工作環(huán)境的復(fù)雜性和自身形狀不可視等不足，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過程中會(huì)發(fā)生鏡體纏繞、非預(yù)期結(jié)襻等情況，給病人帶來痛苦和危險(xiǎn)?；谄惹械呐R床需求和良好的市場(chǎng)前景，用智能傳感器技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及可視化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新研究已

2、經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。其中，新型的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 論文對(duì)基于光纖光柵傳感的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)進(jìn)行了探索和研究，特別對(duì)微小尺寸的光纖光柵大曲率傳感器及傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入探討，結(jié)合機(jī)械電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，研制了全新的基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)形狀感知系統(tǒng)以及漸進(jìn)式形狀感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺鏡檢查過程中鏡體的可視化。 論文首先概述了醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷程，結(jié)合人體結(jié)腸特性，歸納了傳統(tǒng)結(jié)腸

3、內(nèi)窺鏡檢查存在的問題，就內(nèi)窺鏡形狀感知技術(shù)研究現(xiàn)狀以及光纖光柵在智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，通過對(duì)現(xiàn)有各種形狀重建的方法和傳感元器件的對(duì)比分析，提出了系統(tǒng)的總體研究方案，并討論了各個(gè)功能模塊的研究和設(shè)計(jì)技術(shù)路線。 隨后，論文結(jié)合光纖光柵傳感器的溫度及應(yīng)變傳感特性實(shí)驗(yàn)研究，探討了光纖光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感機(jī)理、傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)以及光纖光柵解調(diào)原理選擇等。針對(duì)內(nèi)窺鏡形狀感知的具體限制與要求，對(duì)光纖光柵大曲率傳感的原理、設(shè)計(jì)

4、、封裝及標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研究工作主要集中在以下三個(gè)方面：①為了實(shí)現(xiàn)大曲率變形檢測(cè)，論文研究了光纖光柵空間曲率傳感原理，選擇了合適的基材，設(shè)計(jì)了傳感器布置方式，并通過設(shè)計(jì)專用封裝設(shè)備和工藝，研制了微小尺寸的大曲率傳感器；②針對(duì)光纖光柵在機(jī)械性能上受拉、受壓的能力不均衡，通過封裝時(shí)在基材上施加預(yù)拉應(yīng)變，擴(kuò)大了光纖光柵的有效測(cè)量范圍；③對(duì)曲率傳感器在各種封裝條件下的靈敏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析，在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光纖光柵大曲率傳感器靈敏

5、度的可調(diào)。 在光纖光柵大曲率傳感器研究的基礎(chǔ)上，論文設(shè)計(jì)并搭建了基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)和漸進(jìn)式兩種內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)：①設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為20個(gè)光纖光柵的四通道空分/波分復(fù)用形狀感知網(wǎng)絡(luò)，并按設(shè)計(jì)的幾何關(guān)系封裝在細(xì)長的SMA基材上，研制了微小外徑尺寸的光纖光柵傳感柔性桿?；趦煞N實(shí)時(shí)性能不同的解調(diào)儀器，利用形狀重建算法及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合方法，搭建了內(nèi)Ⅰ窺鏡形狀實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)。②基于降低系統(tǒng)成本的考慮，論文研究了用兩個(gè)光纖光柵

6、組成的雙通道空分復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)窺鏡鉗道變形的逐點(diǎn)測(cè)量的方案。這種漸進(jìn)式形狀感知系統(tǒng)假設(shè)內(nèi)窺鏡介入人體后形狀基本上不再發(fā)生變動(dòng)，基于簡(jiǎn)單的解調(diào)儀器和空分復(fù)用傳感柔性桿，利用自動(dòng)推進(jìn)裝置，將柔性桿間歇介入到內(nèi)窺鏡的鉗道中，漸進(jìn)獲得傳感頭經(jīng)過內(nèi)窺鏡的手術(shù)鉗道的介入軌跡，間接重建出內(nèi)窺鏡在人體內(nèi)的形狀。 在上述兩種形狀感知系統(tǒng)成功搭建的基礎(chǔ)上，論文進(jìn)行了必要的分析及實(shí)驗(yàn)研究，主要包括溫度變化對(duì)形狀感知的影響及補(bǔ)償、誤差分析和精度試

7、驗(yàn)、形狀感知系統(tǒng)的臨床適應(yīng)性試驗(yàn)研究等三個(gè)方面。①曲率傳感器的信號(hào)中包含了溫度變化的影響，論文通過試驗(yàn)得出了在不同曲率半徑下對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)，進(jìn)而獲得了曲率傳感器的溫度與應(yīng)變的耦合系數(shù)的取值范圍。通過仿真研究，給出了實(shí)時(shí)形狀感知系統(tǒng)和漸進(jìn)式形狀系統(tǒng)各自的溫度響應(yīng)情況，并進(jìn)行了初步的溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。②形狀感知系統(tǒng)的誤差決定了該系統(tǒng)的實(shí)用性，論文研究了形狀感知系統(tǒng)的誤差定義、組成及減少誤差的方法，對(duì)各種誤差對(duì)系統(tǒng)的總誤差的貢獻(xiàn)進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真分

8、析，并實(shí)驗(yàn)獲得了兩種形狀感知系統(tǒng)的精度，為進(jìn)一步提高內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)的精度提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。③論文研究中在玻璃硬管、動(dòng)物模擬腸道兩種試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了形狀感知系統(tǒng)適應(yīng)性試驗(yàn)。在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)活體成年豬腸道進(jìn)行了兩次內(nèi)窺鏡檢查驗(yàn)證，獲得了活體動(dòng)物腸道中內(nèi)窺鏡形狀信息。驗(yàn)證了光纖光柵形狀感知系統(tǒng)的有效性，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)行了前期試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。 總之，論文通過對(duì)微小尺寸的空間大曲率光纖光柵傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的原理、設(shè)計(jì)、封裝

9、及相關(guān)試驗(yàn)研究，利用自動(dòng)推進(jìn)裝置、數(shù)據(jù)處理與形狀重建軟件，研制了基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)和漸進(jìn)式形狀感知原理樣機(jī)系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)獲取了活體動(dòng)物體內(nèi)內(nèi)窺鏡的形狀。系統(tǒng)具有較高的安全性和抗電磁干擾能力，經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展后，形狀感知系統(tǒng)可望應(yīng)用于臨床內(nèi)窺鏡診療。據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索，論文研究的兩種新型的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析和動(dòng)物試驗(yàn)等研究工作未見其它相同報(bào)道。論文部分研究成果已經(jīng)在ICRA04、ICMA05以及其它國內(nèi)外期刊和會(huì)議發(fā)表?！败?/p>