一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构及其使用方法

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，特别涉及一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构及其使用方法。

背景技术

自20世纪六十年代末结肠镜检查术问世以来，无论是其操作手法还是器械改革均得到飞速发展，并广泛应用于临床，使直视病灶、实现活检及治疗成为可能。虽然，结肠镜检查为结直肠疾病的诊断及治疗带来了巨大的帮助，并成为结直肠癌诊断的金标准，但其局限性也日渐明显。当前现有的结、肠镜内窥镜均不具备力感知能力，医生只能通过影像中器械与器官组织的作用效果大致估计末端执行器在检查过程中的施力和受力信息，从而预判末端的走向，这对医生的经验要求很高。并且现有末端大多是刚性结构，在通过人体肠内如S型、L型通道时，易与肠壁产生过分的接触，导致结肠黏膜的损失出血甚至肠穿孔。作为一种侵入性操作，结肠镜检查无法避免的肠胃疼痛、难以预知的并发症以及可能存在的漏诊率限制了其临床应用，不仅在一定程度上降低了患者的依从性，增加了操作的困难度，且使一部分具有畏惧心理的患者错失早期诊断及治疗的最佳时间。

近十余年以来，随着微创手术机器人的普及和应用，世界范围内的多家研究机构陆续展开了手术机器人力感知系统的设计与研发工作。在诸多研究方法和传感手段中，又以基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器所设计的力感知系统最具代表性。由于光纤传感器体积小、柔韧性好、对电磁场不敏感，因此非常适合应用于连续体柔性机器人。通常，每根传感光纤都包含几个光纤光栅，以特定的间隔沿光纤长度写入。因此，它们允许在那些有限的预定位置测量仪器的曲率。这样，这些传感器的空间分辨率将由记录在传感光纤中的每个FBG之间的距离给出。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

现有利用FBG技术的连续柔性机器人在无障碍环境中用相对较小曲率弯曲时的精确形状重构，然而，目前光纤传感中FBG传感点数量有限，空间分辨率有限，由于其有限的空间分辨率，基于FBG的传感器很难解决曲率沿仪器长度变化很大的复杂形状。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构及其使用方法。

根据本发明实施例的第一个方面，提供一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构，其特征在于，包括软体末端主体、三个姿态感知光纤、导管、扇入扇出器、光源、耦合器、参考光纤、解调仪、上位机和显示器；

其中，所述软体末端主体内设有三个独立气腔，且相邻两个独立气腔与所述软体末端主体中心分别呈120°分布，对于每个独立气腔，所述独立气腔分别通过导管与对应的外部气动回路连接； 每个姿态感知光纤的一端分别对应单个独立气腔设于所述软体末端主体内，另一端通过所述扇入扇出器扇为三个姿态感知子光纤；所述耦合器分别与每个姿态感知光纤对应的三个姿态感知子光纤、所述参考光纤相连接，所述耦合器的输入端与所述光源的输出端相连接，所述耦合器的输出端与所述解调仪的光信号通信端相连接，所述解调仪的解调信号输出端与所述上位机的输入端相连接，所述上位机的输出端与所述显示器的输入端相连接；

所述医用内窥镜结构采用光频域反射计OFDR分布式传感进行姿态感知，所述光源的光线波长为1310mm。

优选的，所述外部气动回路包括四通接头，所述四通接头的一端通过导管与对应的独立气腔相连通，另外三端分别与气泵、电磁阀、压力传感器相连通；

其中，所述气泵的输入端与第一继电器的输出端电信号连接，所述第一继电器的输入端与微控制器的输出端电信号连接；

所述电磁阀的输入端与第二继电器的输出端电信号连接，所述第二继电器的输入端与所述微控制器电信号的输出端电信号连接，所述电磁阀的一端还与节流阀相连接；

所述压力传感器的输出端与所述微控制器的输入端相连接；

所述微控制器用于接收各个外部气动回路中各压力传感器发送的压力数值，并将各个压力数值与对应的目标压力数值进行比较后，通过各个第一继电器、各个第二继电器分别控制各个气泵、各个电磁阀连通的节流阀的闭合，从而控制各个独立气腔内的气压数值分别达到对应的目标压力数值，实现所述软体末端主体的运动控制。

优选的，所述医用内窥镜结构还包括三指控制手套，所述三指控制手套包括手套主体，分别设于所述手套主体上预设三个指套位置的弯曲传感器，每个弯曲传感器封装于柔性材料内，每个弯曲传感器的输出端分别与所述微控制器的输入端电信号连接；

所述三指控制手套用于实时将各个弯曲传感器弯曲产生的电压变化数值发送至所述微控制器，并通过所述微控制器将各个电压变化数值计算为三个指套对应的角度变化数值，再将对应的角度变化数值计算为各个外部气动回路内对应的目标压力数值。

优选的，各个姿态感知光纤具有随机光栅。

优选的，所述姿态感知光纤的制备方法包括：

将单模光纤表面的纤维涂层去除后，使用具有相位掩膜的塔尔伯特干涉仪，以随机的电信号施加至所述塔尔伯特干涉仪的压电元件对所述单模光纤进行随机光栅的刻写，得到所述姿态感知光纤。

优选的，所述软体末端主体的材质为Ecoflex 0030硅胶。

优选的，所述软体末端主体中心处还设有插入管，所述插入管内设有摄像头。

根据本发明实施例的第二个方面，提供一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构的使用方法，其特征在于，所述医用内窥镜结构为上述任意所述的医用内窥镜结构，所述方法包括：

开启所述医用内窥镜结构；

通过所述医用内窥镜结构的光源发射光线，所述光线经所述耦合器后分为两路，一路进入各个姿态感知光纤内，并在各个姿态感知光纤各位置上不断地产生瑞利散射信号，信号光是背向反射的，与另一路与所述参考光纤的参考光发生干涉，两者产生拍频信号经所述解调仪接收后，拍频与姿态感知光纤位置成正比，计算得到各个姿态感知光纤中各位置瑞利散射信号频移，所述解调仪将各个瑞利散射信号频移传输至所述上位机；

通过所述上位机对各个姿态感应光纤对应的瑞利散射信号频移转化为对应的各个姿态感知光纤应变信息，并继续利用三维形态还原算法将各个姿态感知光纤的应变信息还原为三个姿态感知光纤坐标信息，同时所述上位机将由三个姿态感知光纤坐标信息得出的软体末端主体可视图像显示于所述显示器；

根据所述显示器上所述软体末端主体可视图像，通过外部气动回路控制所述三个独立气腔内气压变化，从而通过所述三个独立气腔内气压变化控制所述软体末端主体进行目标方向及目标角度上的弯曲。

与现有技术相比，本发明提供的一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构及其使用方法具有以下优点：

本发明提供的一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构，包括软体末端主体、三个姿态感知光纤、导管、扇入扇出器、光源、耦合器、参考光纤、解调仪、上位机和显示器；软体末端主体内设有三个独立气腔，且相邻两个独立气腔与软体末端主体中心分别呈120°分布，对于每个独立气腔，独立气腔分别通过导管与对应的外部气动回路连接； 每个姿态感知光纤的一端分别对应单个独立气腔设于软体末端主体内，另一端通过扇入扇出器扇为三个姿态感知子光纤；耦合器分别与每个姿态感知光纤对应的三个姿态感知子光纤、参考光纤相连接，耦合器的输入端与光源的输出端相连接，耦合器的输出端与解调仪的光信号通信端相连接，解调仪的解调信号输出端与上位机的输入端相连接，上位机的输出端与显示器的输入端相连接；医用内窥镜结构采用光频域反射计OFDR分布式传感进行姿态感知，光源的光线波长为1310mm。本发明通过在软体末端主体内设置三个互相呈120°分布的独立气腔和姿态感知光纤，并结合光频域反射计OFDR分布式传感方式对三个姿态感知光纤进行姿态感知，从而使得对软体末端主体的运动状态监测及控制更加精准有效。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种外部气动回路的示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种软体末端主体的截面示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构的使用方法的方法流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)与附图详细描述本发明，本实施例的具体方法仅供说明本发明，本发明的范围不受实施例的限制，本发明在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本发明基础上的等价形式同样处于本发明申请权利要求保护范围。

图1是根据一示例性实施例示出的一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构的结构示意图，如图1所示，该具有姿态感应功能的医用内窥镜结构，包括软体末端主体1、三个姿态感知光纤2、导管3、扇入扇出器4、光源5、耦合器6、参考光纤7、解调仪8、上位机9和显示器10；

其中，所述软体末端主体1内设有三个独立气腔11，且相邻两个独立气腔11与所述软体末端主体1中心分别呈120°分布，对于每个独立气腔11，所述独立气腔11分别通过导管3与对应的外部气动回路连接； 每个姿态感知光纤2的一端分别对应单个独立气腔11设于所述软体末端主体1内，另一端通过所述扇入扇出器4扇为三个姿态感知子光纤；所述耦合器6分别与每个姿态感知光纤2对应的三个姿态感知子光纤、所述参考光纤7相连接，所述耦合器6的输入端与所述光源5的输出端相连接，所述耦合器6的输出端与所述解调仪8的光信号通信端相连接，所述解调仪8的解调信号输出端与所述上位机9的输入端相连接，所述上位机9的输出端与所述显示器10的输入端相连接；

所述医用内窥镜结构采用光频域反射计OFDR分布式传感进行姿态感知，所述光源5的光线波长为1310mm。

在一个优选的实施例中，三个姿态感知光纤同样与所述软体末端主体1中心分别呈120°分布。

需要说明的是，本发明提出的医用内窥镜结构的姿态感知方法采用OFDR分布式传感，光源的波长为1310mm，在此波长下，瑞利背向散射率最高，光源发出光经耦合器后分为两路，一路进入姿态感知光纤中，在姿态感知光纤各位置上不断地产生瑞利散射信号，信号光是背向反射的，与另一路参考光纤的参考光发生干涉，两者产生拍频信号被解调仪检测到，拍频与姿态感知光纤位置成正比，就可以得到各个姿态感知光纤中各位置瑞利散射信号频移，此瑞利散射信号频移传输给上位机，上位机对各个姿态感应光纤对应的瑞利散射频移转化为对应的各个姿态感知光纤应变信息，并继续利用三维形态还原算法将各个姿态感知光纤的应变信息还原为三个姿态感知光纤坐标信息，同时上位机将由三个姿态感知光纤坐标信息得出的软体末端主体可视图像显示在显示器上。

优选的，所述外部气动回路包括四通接头，所述四通接头的一端通过导管3与对应的独立气腔11相连通，另外三端分别与气泵、电磁阀、压力传感器相连通；

其中，所述气泵的输入端与第一继电器的输出端电信号连接，所述第一继电器的输入端与微控制器的输出端电信号连接；

所述电磁阀的输入端与第二继电器的输出端电信号连接，所述第二继电器的输入端与所述微控制器电信号的输出端电信号连接，所述电磁阀的一端还与节流阀相连接；

所述压力传感器的输出端与所述微控制器的输入端相连接；

所述微控制器用于接收各个外部气动回路中各压力传感器发送的压力数值，并将各个压力数值与对应的目标压力数值进行比较后，通过各个第一继电器、各个第二继电器分别控制各个气泵、各个电磁阀连通的节流阀的闭合，从而控制各个独立气腔11内的气压数值分别达到对应的目标压力数值，实现所述软体末端主体1的运动控制。

为了进一步说明本发明实施例中外部气动回路的结构，示出如图2所示一种外部气动回路的示意图。

进一步的，本发明还示出如图3所示的一种软体末端主体的截面示意图。

在上述实施方式中，上述目标压力数值的确定可以是计算机结合三个姿态感知光纤坐标信息、软体末端主体可视图像、以及医用内窥镜结构所处目标环境对应的目标路径情况数据等信息实时计算得到。

优选的，所述医用内窥镜结构还包括三指控制手套，所述三指控制手套包括手套主体，分别设于所述手套主体上预设三个指套位置的弯曲传感器，每个弯曲传感器封装于柔性材料内，每个弯曲传感器的输出端分别与所述微控制器的输入端电信号连接；所述三指控制手套用于实时将各个弯曲传感器弯曲产生的电压变化数值发送至所述微控制器，并通过所述微控制器将各个电压变化数值计算为三个指套对应的角度变化数值，再将对应的角度变化数值计算为各个外部气动回路内对应的目标压力数值。

在上述实施方式中，目标压力数值的确定是工作人员通过结合三个姿态感知光纤坐标信息、软体末端主体可视图像、以及医用内窥镜结构所处目标环境对应的目标路径情况数据等信息，通过三指控制手套上对应三指的弯曲产生电压变化数值发送至所述微控制器，并通过所述微控制器将各个电压变化数值计算为三个指套对应的角度变化数值，再将对应的角度变化数值计算为各个外部气动回路内对应的目标压力数值。

优选的，各个姿态感知光纤2具有随机光栅。

优选的，所述姿态感知光纤2的制备方法包括：

将单模光纤表面的纤维涂层去除后，使用具有相位掩膜的塔尔伯特干涉仪，以随机的电信号施加至所述塔尔伯特干涉仪的压电元件对所述单模光纤进行随机光栅的刻写，得到所述姿态感知光纤2。

需要说明的是，本发明采用单模光纤，除去单模光纤表面的纤维涂层后，可避免纤维涂层吸收用于刻写随机光栅的紫外光，使用具有相位掩膜的塔尔伯特干涉仪，若将电锯齿波施加到驱动相位掩摸的压电元件上，以使条纹图案与移动的光纤同步移动，就会产生同相位的光纤布拉格光栅，同相光栅会导致反射带宽非常窄，所得的信噪比过低将影响末端的运动监测精度， FBG由于其传感器数量受限，所以在肠内环境中存在空间分辨率不足的缺点，无法应对复杂肠内环境的情况。优选地，为了增加光栅的反射，本发明采用随机的电信号替换锯齿波，由于此时系统噪声的增大，紫外线的照射变得不均匀，光纤中出现连续随机光栅（光栅长度振幅和相位随机变化），其反射的特定波长各不相同，从而导致由不均匀紫外光确定的随机光栅在一定带宽上的反射率提高，显著提高信噪比。

相较FBG传感技术，由于FBG传感受传感点数量的限制，传感点以特定的间隔沿光纤长度写入，因此它们仅允许在有限的预定位置测量仪器的曲率。这样，这些传感器的空间分辨率将由记录在传感光纤中的每个FBG之间的距离给出。然而，由于这样的空间分辨率是有限的，基于FBG的传感器很难解决曲率沿长度变化很大的复杂形状，软体末端在肠内环境运动明显比在自由空间中复杂得多，过程中必定会遇到障碍物，或是S型弯曲，依靠FBG有限的空间分辨率难以通过这些复杂环境。而本发明采用OFDR分布式传感技术，通过测量瑞利散射频移量，可以实现对某一位置的应变测量，其分布式测量的机理使光纤中任一段都可以作为传感单元，突破了FBG解调复用传感单元数量限制和空间分辨率限制，其自身调解机理决定的高分辨率特性将得到很好的应用，保证末端在曲折的检测环境中顺利工作。

优选的，所述软体末端主体1的材质为Ecoflex 0030硅胶。

Ecoflex 0030硅胶材料有良好的延展性、抗压特性，以及良好的可塑性决定了该装置拥有无限自由度和分布式连续变形能力的可能性。

优选的，所述软体末端主体中心处还设有插入管，所述插入管内设有摄像头。

需要说明的是，所述插入管还可以用于插设其他医疗设备，比如穿刺针等。

在一种可能的实施方式中，软体末端主体1由Ecoflex 0030硅胶筑成，制备方法可以如下：首先在三维建模软件中建模模具，模具的设计预留出三个独立气腔位置、三个姿态感知光纤位置、一个插入管位置，之后利用3D Printer打印模具，在真空机营造的负压环境中，将Ecoflex 0030材料缓缓注入模具中，等待凝固，然后将姿态感知光纤置于预留处，在槽与姿态感知光纤的间隙中注入紫外线固化胶，在紫外光照射下使紫外线固化胶凝固，以保证光纤的位置保持不变。

需要说明的是，由于医用内窥镜结构在实际使用过程中，软体末端主体需要经常发生弯曲，频繁的弯曲作业很容易使得固定于软体末端主体的姿态感知光纤因大量弯曲形变而在弯曲部产生损伤，从而影响姿态感知光纤的感知精确性，为了避免上述问题，在一个可能的实施方式中，所述姿态感知光纤的下段部分固定于所述软体末端主体内部，所述姿态感知光纤的上段部分可活动设于所述软体末端主体的缓冲通道内。上述对软体末端主体的结构改进通过缓冲通道的设计，使得固定于软体末端主体前端的姿态感知光纤在发生弯曲后，缓冲通道内的姿态感知光纤可以缓解姿态感知光纤整体因弯曲形变产生的内部应力，从而减小医用内窥镜结构在作业时对姿态感知光纤自身的损害，进一步提高医用内窥镜结构的检测精度。

综上所述，本发明提供的一种具有姿态感应功能的医用内窥镜结构，包括软体末端主体、三个姿态感知光纤、导管、扇入扇出器、光源、耦合器、参考光纤、解调仪、上位机和显示器；软体末端主体内设有三个独立气腔，且相邻两个独立气腔与软体末端主体中心分别呈120°分布，对于每个独立气腔，独立气腔分别通过导管与对应的外部气动回路连接；每个姿态感知光纤的一端分别对应单个独立气腔设于软体末端主体内，另一端通过扇入扇出器扇为三个姿态感知子光纤；耦合器分别与每个姿态感知光纤对应的三个姿态感知子光纤、参考光纤相连接，耦合器的输入端与光源的输出端相连接，耦合器的输出端与解调仪的光信号通信端相连接，解调仪的解调信号输出端与上位机的输入端相连接，上位机的输出端与显示器的输入端相连接；医用内窥镜结构采用光频域反射计OFDR分布式传感进行姿态感知，光源的光线波长为1310mm。本发明通过在软体末端主体内设置三个互相呈120°分布的独立气腔和姿态感知光纤，并结合光频域反射计OFDR分布式传感方式对三个姿态感知光纤进行姿态感知，从而使得对软体末端主体的运动状态监测及控制更加精准有效。

进一步的，本发明实施例还提供如图4所示的具有姿态感应功能的医用内窥镜结构的使用方法的方法流程图，如图4所示，所述使用方法包括：

步骤100，开启所述医用内窥镜结构。

步骤200，通过所述医用内窥镜结构的光源发射光线，所述光线经所述耦合器后分为两路，一路进入各个姿态感知光纤内，并在各个姿态感知光纤各位置上不断地产生瑞利散射信号，信号光是背向反射的，与另一路与所述参考光纤的参考光发生干涉，两者产生拍频信号经所述解调仪接收后，拍频与姿态感知光纤位置成正比，计算得到各个姿态感知光纤中各位置瑞利散射信号频移，所述解调仪将各个瑞利散射信号频移传输至所述上位机。

步骤300，通过所述上位机对各个姿态感应光纤对应的瑞利散射信号频移转化为对应的各个姿态感知光纤应变信息，并继续利用三维形态还原算法将各个姿态感知光纤的应变信息还原为三个姿态感知光纤坐标信息，同时所述上位机将由三个姿态感知光纤坐标信息得出的软体末端主体可视图像显示于所述显示器。

步骤400，根据所述显示器上所述软体末端主体可视图像，通过外部气动回路控制所述三个独立气腔内气压变化，从而通过所述三个独立气腔内气压变化控制所述软体末端主体进行目标方向及目标角度上的弯曲。

虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。