渐进式内窥镜形状的感知和重建

　　1　引　言

　　结肠癌占现代工业化国家癌症发病率的第二位,而90%的结肠癌是由良性息肉发展而来,据统计结肠息肉的发病率约为10%左右[1-2]。因此及 早地发现及切除息肉是预防和治疗结肠癌的重要措施。然而大多数的结肠息肉并无特殊的症状,诊断主要依靠临床检查。采用内窥镜进行诊疗则是最重要、最精确的 诊疗方法。内窥镜师可以通过目镜或图显系统的显示屏观察到二维图像。检查过程中,利用二维图像的色差信息和手感来控制插入。内窥镜通过结肠的弯曲部分时, 会产生称为“∝”环的现象。由于“∝”环现象,使得传统内窥镜发生扭转和倒转,进一步增大了内窥镜和结肠壁之间的作用力,由于无法在插入过程中了解体内的 纤维镜的形状,有时会发生缠绕的情况,如图1所示[3]。

　　如果能够显示内窥镜在人体内的形状,可以有效地防止肠镜缠绕的发生。目前国内外内窥镜形状重建研究主要有以下几种方式:内窥镜磁场空间定位系 统,超声定位系统等。内窥镜磁场空间定位系统具体方法如下:一个变化的磁场能使其中的金属线圈产生电压,该电压值可以精确的描述线圈相对磁场的相对位置信 息。3个大的励磁线圈放在病人下面,用以产生低频电磁脉冲,在内窥镜钳道中内置了12个传感线圈,每隔一个采样周期进行一次采样,采样数据反映连续磁场的 变化,经计算机计算得到每个传感器的空间位置,然后用计算机将这些离散的点拟合成连续的曲线,并在计算机上进行三维显示[4]。超声定位系统具体方法是身 体内外各放置一个超声传感器,其中体内的为扫描探测器,而体外为位置标志器且二者为同步的。根据超声定位,确定在探测图像上的位置标志器的相对位置,而体 外的探测器的位置则由光学定位系统确定[5]。但是内窥镜磁场空间定位系统,超声定位系统要求使用环境比较严格。

　　本文研究的是基于单点光纤光栅传感器,运用推进机构沿着内窥镜工作钳道渐进地推进传感头并等距离采集数据,然后根据采样数据重建出内窥镜的空间曲线形状感知系统。

　　2　系统组成

　　一个自由的圆柱柔性杆各个点的曲率与其圆柱表面的应变值成正比关系,所以对各个点的曲率测量可以转换为对各个点的应变测量。因此在选用传感器来 测量各个点的曲率时,可以用测量应变的传感器。于是可以光纤光栅应用于曲率检测,这方面的工作已经在上海大学进行了研究[6-7]。对于空间曲线而言,就 需要测得离散点上两个方向(一般是两个正交方向)上的曲率,然后引进运动坐标系和密切平面,在运动坐标系和密切平面中进行曲线位置分析和坐标系的递推,从 而确定整条空间曲线的位置表达式[8-9]。要重建出内窥镜的空间曲线,就要知道内窥镜上一些离散点的空间曲率。应用光栅传感头来检测各点的曲率有以下2 种方法:多点光栅传感检测和单点光栅检测。其中多点的光栅传感检测方法是将两根具有多光栅的光纤张贴在基材上做成一个具有分布式传感头的传感柔性杆,在检 测工程中传感柔性杆直接插入内窥镜工作钳道中,通过光纤光栅解调仪一次性检测出各个光栅传感头的波长变化值,然后推出各点的空间曲率,从而拟合出整个内窥 镜的空间曲线。这种多点的做法具有实时性的优点,但是成本高,对光纤光栅解调仪的测量频率和检测范围的要求也比较高的不足。单点光纤光栅检测基本上可以避 免多点光纤光栅检测的不足,但是它的实时性存在限制,运用的前提条件是内窥镜的形状保持不变,以轨迹代替形状。具体方案是:针对两根有单点光栅的光纤设计 一个微小的传感头和介入装置。该推进机构沿内窥镜工作钳道渐进等距地推进传感头,并在各个等距点应用光纤光栅解调仪采集这些点传感头的数据。将这些数据进 行处理转换成这些点的空间曲率,然后根据各点空间曲率重建出内窥镜的空间曲线形状。整个系统如图2和实际工作图3所示。其中各个部分作用分别为: