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制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术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，而本发明专利技术借助计算成像技术，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。达到可视化表达。达到可视化表达。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于光纤传感
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]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。
[0008]其中，光源模块为光纤输送光信号，同时为成像提供照明光；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]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：
[0015]步骤1：光源模块作为光纤稳定的信号来源和照明光，光纤扇入扇出模块将所设计的多功能组合光纤进行整合；光信号穿过整个组合多芯光纤探头模块，同时照射目标组织；
[0016]步骤2：当光纤发生弯曲扭转时，光纤会发生形变，外层螺旋光栅光纤的光栅栅距会发生相应的变化，导致经光栅反射的信号其中心波长发生漂移，而波长变化量会被形状传感模块的光栅解调仪探测到；
[0017]步骤3：通过中心波长漂移量计算光纤应变，中心波长漂移量Δλ与应变ε之间有如下关系：
[0018][0019]其中P
e
是与光纤材料有关的光弹性系数，λ是光栅光纤的中心波长；由于组合多芯光纤模块中心的独立光栅光纤在弯曲过程中不发生形变，同时被包裹在光纤束中间也受温度影响较小，所以作为应变和温度的补偿，从而消除环境影响和系统误差；
[0020]步骤4：通过光纤应变量计算光纤曲率；光纤应变与其曲率κ(s)之间也存在着定量关系，有如下表达：
[0021][0022][0023]上式中ε
i
为第i根光纤的轴向应变，r
i
是第i根光纤到光纤中心的距离，θ
b
是光纤弯曲方向到y轴的角度，θ
i
是第i根光纤到y轴的角度，θ
avg
是均匀分布的光纤之间的夹角，ρ为曲率半径；通过公式(2)(3)即得到离散的光纤曲率，通过将其在光纤弯曲方向差值拟合，得到连续曲率函数κ(s)；
[0024]步骤5：通过光纤应变量计算光纤挠率；光纤应变与其挠率τ(s)之间也存在着定量关系，有如下表达：
[0025][0026]上式中L
p
为光纤节距，L为螺旋光纤节距对应的原长度，L
ε
为扭转后的长度，θ为扭转角，r为螺旋光纤到光纤中心的距离。
[0027]通过公式(4)即可得到离散的光纤扭转角，通过将其在光纤弯曲方向差值拟合，可
得到关于弧长s的连续挠率函数θ(s)。
[0028]τ(s)＝θ'(s)
ꢀꢀ
(5)
[0029]根据公式(5)对θ(s)微分，即可得到光纤的挠率函数τ(s)。
[0030]步骤6：通过曲率和挠率求解Frenet
‑
Serret方程。将曲率κ(s)和挠率τ(s)代入Frenet
‑
Serret方程：
[0031][0032]其中，T(s)表示切向量，N(s)表示法向量，B(s)表示副法向量。之后通过各点的曲率和挠率，数值求解的方式获得切向量函数T(s)。
[0033]步骤7：通过切向量函数求解光纤形状。通过对切向量函数T(s)计算即可得到曲线关于弧长s的函数，如下式：
[0034]r(s)＝∫T(s)ds+r0ꢀꢀ
(7)
[0035]通过公式(7)，即可得到光纤的形状分布，从而实现空间形状感知的功能其中，r0表示光纤起点在本坐标系下的初始位置。
[0036]步骤8：在光纤进给过程中，组合多芯光纤探头模块的直光纤束中的发射光纤一直处于光信号发射状态，到达目标组织附近，组合多芯光纤探头模块的直光纤束中的接收光纤会接收经目标组织反射回的光信号，经不同光纤调制最终被成像模块的CCD采集到衍射强度图。
[0037]步骤9：使用计算成像方法进行迭代计算从而进行定量相位恢复。CCD采集面捕获的衍射强度为光强I，初始猜测采集面的相位为迭代过程如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置，其特征在于，所述装置包括：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，用于整合不同模块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，主要分为两部分，其中一部分通过光纤扇入扇出模块与形状传感模块相连，用于形状感知；另一部分通过光纤扇入扇出模块与成像模块相连，用于三维成像；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。2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置，其特征在于，所述组合多芯光纤包括两部分，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，其中一层为发射光纤用于发射照明光，另一层为接收光纤用于接收目标组织物反射回的物光。3.一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像方法，其特征在于，具体实施步骤如下：步骤1：光源模块作为光纤稳定的信号来源和照明光，光纤扇入扇出模块将所设计的多功能组合光纤进行整合；光信号穿过整个组合多芯光纤探头模块，同时照射目标组织；步骤2：当光纤发生弯曲扭转时，光纤会发生形变，外层螺旋光栅光纤的光栅栅距会发生相应的变化，导致经光栅反射的信号其中心波长发生漂移，而波长变化量会被形状传感模块的光栅解调仪探测到；步骤3：通过中心波长漂移量计算光纤应变，中心波长漂移量Δλ与应变ε之间有如下关系：其中P
e
是与光纤材料有关的光弹性系数，λ是光栅光纤的中心波长；由于组合多芯光纤模块中心的独立光栅光纤在弯曲过程中不发生形变，同时被包裹在光纤束中间也受温度影响较小，所以作为应变和温度的补偿，从而消除环境影响和系统误差；步骤4：通过光纤应变量计算光纤曲率；光纤应变与其曲率κ(s)之间也存在着定量关系，有如下表达：
上式中ε
i
为第i根光纤的轴向应变，r
i
是第i根光纤到光纤中心的距离，在本发明中光纤围绕光纤中心均匀排布，所以r
i

【专利技术属性】
技术研发人员：林星羽，陈相艳，于瀛洁，魏庆永，柴璇煜，应志军，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：