基于光纖光柵傳感的智能內窺鏡形狀感知系統(tǒng).pdf

1、隨著新型傳感技術、機械電子技術、生物醫(yī)學工程、智能材料和計算機圖形學等相關學科的發(fā)展、融合，臨床上新型智能醫(yī)療器械不斷出現，有效地拓展了傳統(tǒng)醫(yī)療器械的功能和診療領域。結腸內窺鏡是結腸疾病診療的重要醫(yī)療器械，由于工作環(huán)境的復雜性和自身形狀不可視等不足，傳統(tǒng)內窺鏡在介入過程中會發(fā)生鏡體纏繞、非預期結襻等情況，給病人帶來痛苦和危險。基于迫切的臨床需求和良好的市場前景，用智能傳感器技術、自動化技術及可視化技術對傳統(tǒng)內窺鏡系統(tǒng)進行改進和創(chuàng)新研究已

2、經在世界范圍內展開。其中，新型的內窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領域的一個研究熱點。 論文對基于光纖光柵傳感的內窺鏡形狀感知系統(tǒng)進行了探索和研究，特別對微小尺寸的光纖光柵大曲率傳感器及傳感網絡的關鍵技術進行了深入探討，結合機械電子技術和計算機圖形學技術，研制了全新的基于光纖光柵傳感網絡的實時形狀感知系統(tǒng)以及漸進式形狀感知系統(tǒng)，實現了內窺鏡檢查過程中鏡體的可視化。 論文首先概述了醫(yī)用內窺鏡的發(fā)展歷程，結合人體結腸特性，歸納了傳統(tǒng)結腸

3、內窺鏡檢查存在的問題，就內窺鏡形狀感知技術研究現狀以及光纖光柵在智能結構中的應用現狀進行了綜述，通過對現有各種形狀重建的方法和傳感元器件的對比分析，提出了系統(tǒng)的總體研究方案，并討論了各個功能模塊的研究和設計技術路線。 隨后，論文結合光纖光柵傳感器的溫度及應變傳感特性實驗研究，探討了光纖光柵傳感的關鍵技術，包括傳感機理、傳感網絡拓撲設計以及光纖光柵解調原理選擇等。針對內窺鏡形狀感知的具體限制與要求，對光纖光柵大曲率傳感的原理、設計

4、、封裝及標定等關鍵技術進行了研究，研究工作主要集中在以下三個方面：①為了實現大曲率變形檢測，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，設計了傳感器布置方式，并通過設計專用封裝設備和工藝，研制了微小尺寸的大曲率傳感器；②針對光纖光柵在機械性能上受拉、受壓的能力不均衡，通過封裝時在基材上施加預拉應變，擴大了光纖光柵的有效測量范圍；③對曲率傳感器在各種封裝條件下的靈敏度進行了實驗和分析，在較大的范圍內實現了光纖光柵大曲率傳感器靈敏

5、度的可調。 在光纖光柵大曲率傳感器研究的基礎上，論文設計并搭建了基于光纖光柵傳感網絡的實時和漸進式兩種內窺鏡形狀感知系統(tǒng)：①設計了網絡規(guī)模為20個光纖光柵的四通道空分/波分復用形狀感知網絡，并按設計的幾何關系封裝在細長的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實時性能不同的解調儀器，利用形狀重建算法及相關的數據處理、融合方法，搭建了內Ⅰ窺鏡形狀實時感知系統(tǒng)。②基于降低系統(tǒng)成本的考慮，論文研究了用兩個光纖光柵

6、組成的雙通道空分復用傳感網絡實現對內窺鏡鉗道變形的逐點測量的方案。這種漸進式形狀感知系統(tǒng)假設內窺鏡介入人體后形狀基本上不再發(fā)生變動，基于簡單的解調儀器和空分復用傳感柔性桿，利用自動推進裝置，將柔性桿間歇介入到內窺鏡的鉗道中，漸進獲得傳感頭經過內窺鏡的手術鉗道的介入軌跡，間接重建出內窺鏡在人體內的形狀。 在上述兩種形狀感知系統(tǒng)成功搭建的基礎上，論文進行了必要的分析及實驗研究，主要包括溫度變化對形狀感知的影響及補償、誤差分析和精度試

7、驗、形狀感知系統(tǒng)的臨床適應性試驗研究等三個方面。①曲率傳感器的信號中包含了溫度變化的影響，論文通過試驗得出了在不同曲率半徑下對應的溫度系數，進而獲得了曲率傳感器的溫度與應變的耦合系數的取值范圍。通過仿真研究，給出了實時形狀感知系統(tǒng)和漸進式形狀系統(tǒng)各自的溫度響應情況，并進行了初步的溫度補償實驗。②形狀感知系統(tǒng)的誤差決定了該系統(tǒng)的實用性，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，對各種誤差對系統(tǒng)的總誤差的貢獻進行了試驗和仿真分

8、析，并實驗獲得了兩種形狀感知系統(tǒng)的精度，為進一步提高內窺鏡形狀感知系統(tǒng)的精度提供了理論與試驗依據。③論文研究中在玻璃硬管、動物模擬腸道兩種試驗平臺上進行了形狀感知系統(tǒng)適應性試驗。在模型試驗的基礎上，對活體成年豬腸道進行了兩次內窺鏡檢查驗證，獲得了活體動物腸道中內窺鏡形狀信息。驗證了光纖光柵形狀感知系統(tǒng)的有效性，為整個系統(tǒng)的實用化進行了前期試驗準備工作。 總之，論文通過對微小尺寸的空間大曲率光纖光柵傳感器及其網絡的原理、設計、封裝

9、及相關試驗研究，利用自動推進裝置、數據處理與形狀重建軟件，研制了基于光纖光柵傳感網絡的實時和漸進式形狀感知原理樣機系統(tǒng)，并實驗獲取了活體動物體內內窺鏡的形狀。系統(tǒng)具有較高的安全性和抗電磁干擾能力，經進一步發(fā)展后，形狀感知系統(tǒng)可望應用于臨床內窺鏡診療。據國內外文獻檢索，論文研究的兩種新型的實驗樣機以及在此基礎上進行的分析和動物試驗等研究工作未見其它相同報道。論文部分研究成果已經在ICRA04、ICMA05以及其它國內外期刊和會議發(fā)表?！败?/p>