一种医用内窥镜形状光纤实时传感系统及一种医用内窥镜的制作方法

[0001]
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种医用内窥镜形状光纤实时传感系统及一种医用内窥镜。


背景技术：

[0002]
随着我国人口老龄化趋势加深、环境问题加重，呼吸道、消化道疾病的发病率不断提高。此类疾病的诊治高度依赖医用内窥镜，医用内窥镜可经由人体天然孔道或微创手术切口进入体内，沿人体腔道网络抵达目标位置以获取体内器官病变情况。人体内腔道网络复杂多变，医用内窥镜在人体内的行进路径与形状决定其能否正确抵达目标位置，因而需要一种内窥镜形状实时传感系统。现有的医用内窥镜大部分不具备形状测量功能，需要依赖使用者经验判断内窥镜行进路径，少数医用内窥镜具备形状测量系统，但系统结构繁琐复杂，且与人体相容性差，不能进行实时测量，不适合在多变的人体腔道网络内使用，给医疗工作带来诸多不便。内窥镜形状传感系统主要基于光纤传感技术，适用于狭窄、多变、敏感的人体内环境，且具有本质安全、结构简单的优势。传统的光纤形状传感多基于光纤光栅应变传感和光频域反射技术，光纤光栅传感为准分布式传感，仅能依据较少的离散点应变进行形状传感，造成测量结果不准确，空间分辨率低下的问题，且光纤光栅成本较传统单模光纤较高；光频域反射技术作为分布式光纤传感，具有更好的空间分辨率，但后向瑞利散射信号功率较弱，且随传感光纤延伸而进一步减弱，传统光频域反射技术基于内调制扫频光源和单干涉系统，使用单模光纤作为传感光纤，存在因扫频光源非线性和偏振衰落带来的相位噪声，导致系统信噪比恶化，影响传感精度和实时性。在实际应用中，则存在传感光纤布设方式不合理、不明确的问题。


技术实现要素：

[0003]
本发明提供了一种医用内窥镜形状光纤传感系统，基于光频域反射技术、iq外调制、四波混频、双干涉相位噪声补偿和偏振分集接收的优势，通过合理的系统融合，提高系统检测的准确性与实时性。在内窥镜于人体内行进过程中测量其各位置的三维弯曲角度，还原镜体弯曲形状，实现高精度实时形状监测。
[0004]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种医用内窥镜形状光纤传感系统，包括：稳频激光器、光iq调制器、任意波形发生器、电桥、第一连续光放大器、光非线性介质、光带通滤波器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤环形器、第一偏振分束器、第一平衡光电探测器、第四光纤耦合器、第一法拉第旋转镜、延迟光纤、第二法拉第旋转镜、第二偏振分束器、第二平衡光电探测器、光开关、第一待测光纤、第二待测光纤、脉冲信号发生器和计算机；其中，稳频激光器的输出端连接光iq调制器的光信号输入端a，任意波形发生器的输出端连接电桥的输入端b，电桥的输出端c和输出端d分别连接光iq调制器的i相位与q相位电
信号输入端；光iq调制器的输出端依序经由第一连续光放大器、光非线性介质和光带通滤波器连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的输出端e连接第二光耦合器的输入端，第一光耦合器的输出端f连接第四光耦合器的输入端；第二光耦合器的输出端i连接光纤环形器的第一端口j，第二光耦合器的输出端g连接第三光纤耦合器的输入端h；光纤环形器的第二端口k连接光开关的输入端，第三端口l连接第三光纤耦合器的输入端m；第三光纤耦合器的输出端连接第一偏振分束器的输入端，第一偏振分束器的两个输出端分别连接第一平衡光电探测器的输入端n和输入端o，第一平衡光电探测器的输出端连接计算机的输入端p；第四光纤耦合器的q端口连接第一法拉第旋转镜，第四光纤耦合器的r端口经延迟光纤连接第二法拉第旋转镜，第四光纤耦合器的s端口连接第二偏振分束器的输入端；第二偏振分束器的两个输出端分别连接第二平衡光电探测器输入端t和输入端u，第二平衡光电探测器的输出端连接计算机的输入端v；光开关为单刀双掷开关，切换刀头通过输出端y连接第一待测光纤或通过输出端z连接第二待测光纤；第一待测光纤和第二待测光纤之间互相连接。
[0005]
其中，第二光纤耦合器的输出端g与第三光纤耦合器的输入端h连接的线路上设置第一偏振控制器；第四光纤耦合器的输出端q端口与第一法拉第旋转镜连接的线路上设置第二偏振控制器。
[0006]
其中，第二光纤耦合器的输出端i端口与光纤环形器的第一端口j连接的线路上设置第二连续光放大器，光纤环形器的第三端口l与第三光纤耦合器的输入端m端口连接的线路上设置第三连续光放大器。
[0007]
其中，脉冲信号发生器的一个输出端连接任意波形发生器的同步输入端x，脉冲信号发生器另一输出端连接计算机的w端口。
[0008]
此外，本发明提供了一种医用内窥镜，包括如前述技术方案所述的医用内窥镜形状光纤实时传感系统，还包括：柔性内包层，柔性外包层，设置于柔性内包层上的第一内凹槽、第二内凹槽，以及设置于柔性外包层上的第一外凹槽、第二外凹槽；其中，所述柔性内包层与柔性外包层均为空心圆柱形，柔性内包层的外径等于柔性外包层的内径，柔性内包层的内径与医用内窥镜圆柱形镜体的外径相等；第一内凹槽与第二内凹槽在柔性内包层所处的位置与医用内窥镜圆柱形镜体截面圆心连线成90
°
，当柔性外包层包覆于所述柔性内包层外侧时，第一外凹槽和第二外凹槽的位置分别与第一内凹槽和第二内凹槽的位置对应重合，且对应凹槽的开口相对设置；将第一待测光纤放置于第一内凹槽和第一外凹槽形成的腔体中，将第二待测光纤放置于第二内凹槽和第二外凹槽形成的腔体中。
[0009]
其中，第一待测光纤和第二待测光纤通过环氧树脂固定于凹槽口相对所形成的腔体中。
[0010]
区别于现有技术，本发明的医用内窥镜形状光纤测量系统采用光频域反射技术，在高精度、高空间分辨率的基础上，可实时获取内窥镜三维形状，便于医生及时精确调整内窥镜行进方向，提高医疗效率同时减少病患痛苦，解决了现有医用内窥镜形状传感系统中，传感精度不足的问题；本发明同时采用光iq调制扫频技术、四波混频技术、双干涉系统软件相位噪声补偿和偏振分集接收技术，融合后的系统兼具四者优势并弥补主要缺点，能实现高速、大范围的扫频激光，进而优化系统空间分辨率与测量速度，同时提高系统信号功率，并对相位噪声进行补偿，提高信噪比，进而提升系统测量准确度，更好实现高精度实时形状
传感；本发明在设计的实时形状传感系统基础上，给出了具体的传感光纤布设方式，增强了系统的适用性与可操作性，避免了分布式光纤传感系统在实际应用中存在的布设方式不合理导致传感效果恶化的问题。
附图说明
[0011]
图1是本发明提供的一种医用内窥镜形状光纤实时传感系统的结构示意图。
[0012]
图2是本发明提供的一种医用内窥镜中内外包层沿医用内窥镜镜体布设的横截面示意图。
[0013]
图3是本发明提供的一种医用内窥镜的柔性内包层及其上凹槽的示意图。
[0014]
图4是本发明提供的一种医用内窥镜的柔性外包层及其上凹槽的示意图。
[0015]
图5是本发明提供的一种医用内窥镜整体布设的示意图。
[0016]
图中，1、稳频激光器；2、光iq调制器；3、任意波形发生器；4、电桥；5、第一连续光放大器；6、光非线性介质；7、光带通滤波器；8、第一光纤耦合器；9、第二光纤耦合器；10、第三光纤耦合器；11、第二连续光放大器；12、光纤环形器；13、第三连续光放大器；14、第一偏振控制器；15、第一偏振分束器；16、第一平衡光电探测器；17、第四光纤耦合器；18、第二偏振控制器；19、第一法拉第旋转镜；20、延迟光纤；21、第二法拉第旋转镜；22、第二偏振分束器；23、第二平衡光电探测器；24、光开关；25、第一待测光纤；26、第二待测光纤；27、脉冲信号发生器；28、计算机；29、柔性内包层；30、第一内凹槽；31、第二内凹槽；32、柔性外包层；33、第一外凹槽；34、第二外凹槽。
具体实施方式
[0017]
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0018]
参阅图1，本发明提供了一种医用内窥镜形状光纤实时传感系统，包括：稳频激光器1、光iq调制器2、任意波形发生器3、电桥4、第一连续光放大器5、光非线性介质6、光带通滤波器7、第一光纤耦合器8、第二光纤耦合器9、第三光纤耦合器10、第二连续光放大器11、光纤环形器12、第三连续光放大器13、第一偏振控制器14、第一偏振分束器15、第一平衡光电探测器16、第四光纤耦合器17、第二偏振控制器18、第一法拉第旋转镜19、延迟光纤20、第二法拉第旋转镜21、第二偏振分束器22、第二平衡光电探测器23、光开关24、第一待测光纤25、第二待测光纤26、脉冲信号发生器27和计算机28。
[0019]
其中，稳频激光器1的输出端连接光iq调制器2的光信号输入端a，任意波形发生器3的输出端连接电桥4的输入端b，电桥4的输出端c和输出端d分别连接光iq调制器2的i相位与q相位电信号输入端；光iq调制器2的输出端依序经由第一连续光放大器5、光非线性介质6和光带通滤波器7连接第一光耦合器8的输入端，第一光耦合器8的输出端e连接第二光耦合器9的输入端，输出端f连接第四光耦合器17的输入端；第二光耦合器9的输出端i连接光纤环形器12的第一端口j，输出端g连接第三光纤耦合器10的输入端h；光纤环形器12的第二端口k连接光开关24的输入端，第三端口l连接第三光纤耦合器10的输入端m；第三光纤耦合器10的输出端连接第一偏振分束器15的输入端，第一偏振分束器15的两个输出端分别连接第一平衡光电探测器16的输入端n和输入端o，第一平衡光电探测器16的输出端连接计算机的输入端p；第四光纤耦合器17的q端口连接第一法拉第旋转镜19，r端口经延迟光纤20连接
第二法拉第旋转镜21，s端口连接第二偏振分束器22的输入端；第二偏振分束器22的两个输出端分别连接第二平衡光电探测器23的输入端t和输入端u，第二平衡光电探测器23的输出端连接计算机的输入端v。
[0020]
其中，第二光纤耦合器9的输出端g与第三光纤耦合器10的输入端h连接的线路上设置第一偏振控制器14；第四光纤耦合器17的输出端q端口与第一法拉第旋转镜19连接的线路上设置第二偏振控制器18。
[0021]
其中，第二光纤耦合器9的输出端i端口与光纤环形器12的第一端口j连接的线路上设置第二连续光放大器11，光纤环形器12的第三端口l与第三光纤耦合器10的输入端m端口连接的线路上设置第三连续光放大器7。
[0022]
其中，脉冲信号发生器27的两个输出端分别连接任意波形发生器3的同步输入端x和计算机28的w端口。
[0023]
具体的，稳频激光器1发出波长1550nm的稳频窄带激光，该稳频激光输出到光iq调制器2的光输入端a，作为光iq调制器2的光载波；任意波形发生器3在脉冲发生器27的同步信号控制下，周期性发出幅度恒定、相位连续、频率随时间线性变化的扫频信号，该信号输出到电桥4的输入端b，经电桥4转换为两个频率、幅度相同，相位相互正交的信号，分别从输出端c和输出端d输出到光iq调制器2，分别作为光iq调制器2的i、q相位调制电信号；光iq调制器2在调制电信号控制下，将稳频光载波调制为两个频率分别位于稳频光载波频率前后，与稳频光载波频率等距，且频率随时间反向变化的扫频边带激光；这两个扫频边带激光经第一连续光放大器5放大，并通过光非线性介质6，两个扫频边带激光在光非线性介质6中发生四波混频，输出3倍扫频范围的大范围扫频光；该大范围扫频光经光带通滤波器7滤除噪音后输出到第一光纤耦合器8的输入端，经第一光纤耦合器8分为90%主干涉光与10%辅助干涉光。
[0024]
其中，主干涉光经第一光纤耦合器8的e端口输出到第二光纤耦合器9的输入端，经第二光纤耦合器9分为90%探测光与10%参考光，探测光经第二连续光放大器11放大后输出到光纤环形器12的第一端口j，并从光纤环形器12的第二端口k输出到光开关24的输入端，参考光经偏振控制器14输出到第三光纤耦合器10的输入端口h。光开关24交替连接y端口和z端口，从而实现交替正向、逆向连接第一待测光纤25、第二待测光纤26，通过分别获取正向、逆向连接待测光纤25、26所得的信号，进行功率叠加平均，可以减少因光功率衰减带来的信噪比恶化。待测光纤后向散射光经光开关24输出到光纤环形器12的第二端口k，并从光纤环形器12的第三端口l经第三连续光放大器13输出到第三光纤耦合器10的输入端口m。在第三光纤耦合器10，来自输入端口m的经第三连续光放大器13放大的待测光纤后向散射光与来自输入端口h的参考光以50:50的比例结合为主干涉结合光，并输出到第一偏振分束器15。主干涉结合光在第一偏振分束器15中分为偏振态相互正交的快轴分量与慢轴分量，其中，主干涉结合光的快轴分量由待测光纤后向散射光的快轴分量和参考光的快轴分量结合而成，输出至第一平衡光电探测器16的输入端口n；主干涉结合光的慢轴分量由待测光纤后向散射光的慢轴分量和参考光的慢轴分量结合而成，输出至第一平衡光电探测器16的输入端口o。在第一平衡光电探测器16中，待测光纤后向散射光的快轴分量与参考光的快轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到主干涉快轴拍频信号；待测光纤后向散射光的慢轴分量与参考光的慢轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到主干涉慢轴拍频信号。通过调整第
一偏振控制器14，使主干涉快轴拍频信号与主干涉慢轴拍频信号的功率接近后，第一平衡光电探测器16将主干涉快轴拍频信号和主干涉慢轴拍频信号的差分信号输出至计算机28的p端口，实现对两个正交偏振光的偏振分集接收，减少因偏振衰落带来的信噪比恶化，提高了系统信噪比。计算机28从输入端口p接收到来自主干涉系统的信号进行解调分析以获得待测光纤的分布式应变信息。
[0025]
其中，辅助干涉光经第一光纤耦合器8的f端口输出到第四光纤耦合器17的输入端口，经第四光纤耦合器17以50:50的比例分为标准光和延迟光。其中，标准光由第四光纤耦合器17的q端口经第二偏振控制器18输出到第一法拉第旋转镜19，第一法拉第旋转镜19将标准光反射回到第四光纤耦合器17的q端口。延迟光由第四光纤耦合器17的r端口经延迟光纤20输出到第二法拉第旋转镜21，第二法拉第旋转镜21将延迟光反射回第四光纤耦合器17的r端口，标准光和延迟光在第四光纤耦合器17再次以50:50的比例结合为辅助干涉结合光。辅助干涉结合光由第四光纤耦合器17的s端口输出到第二偏振分束器22的输入端，并分为偏振态相互正交的快轴分量与慢轴分量，其中，辅助干涉结合光的快轴分量由标准光快轴分量和延迟光快轴分量组成，输出至第二平衡光电探测器23的输入端口t，辅助干涉结合光的慢轴分量由标准光慢轴分量和延迟光慢轴分量组成，输出至第二平衡光电探测器23的输入端口u。在第二平衡光电探测器23中，标准光的快轴分量与延迟光的快轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到辅助干涉快轴拍频信号；标准光的慢轴分量与延迟光的慢轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到辅助干涉慢轴拍频信号。通过调整第二偏振控制器18，使辅助干涉快轴拍频信号与辅助干涉慢轴拍频信号的功率接近后，第二平衡光电探测器23将辅助干涉快轴拍频信号和辅助干涉慢轴拍频信号的差分信号输出至计算机28的v端口，实现对两正交偏振态信号的偏振分集接收，减少因偏振衰落带来的信噪比恶化，提高了系统信噪比。计算机28从输入端口v接收到来自辅助干涉系统的信号并分析，获得系统相位噪声信息，以补偿来自主干涉系统信号的相位噪声，可实现对系统相位噪声的减小。
[0026]
其中，脉冲信号源27周期性发出同步脉冲信号，该同步脉冲信号同时分别输出到任意波形发生器3的x端口和计算机28的w端口，作为任意波形发生器3发出扫频电信号的起始触发信号和计算机28的信号采集起始触发信号，实现激光扫频与信号采集的时间同步。
[0027]
图2、图3、图4和图5是本发明所述一种医用内窥镜形状光纤实时传感系统在医用内窥镜镜体上的具体布设方式。包括柔性内包层29和位于其上的第一内凹槽30、第二内凹槽31，柔性外包层32和位于其上的第一外凹槽33、第二外凹槽34。图2为布设方式的截面图，图3为柔性内包层29及其上凹槽的示意图，图4为柔性外包层32及其上凹槽的示意图，图5为系统整体布设示意图。
[0028]
具体的，柔性内包层29与柔性外包层32均为空心圆柱形，其中柔性内包层29的内径与医用内窥镜圆柱形镜体的外径相等，柔性外包层32的内径与柔性内包层29的外径相等，从而保证柔性内包层29能无缝隙的布设于医用内窥镜的圆柱形镜体外侧，柔性外包层32能无缝隙的布设于柔性内包层29的外侧；在柔性内包层29外侧刻下第一内凹槽30和第二内凹槽31，其中第一内凹槽30与第二内凹槽31的位置与镜体截面圆心连线成90
°
，在柔性外包层32的内侧刻下第一外凹槽33和第二外凹槽34，并使其位置能分别与第一内凹槽30和第二内凹槽31一一对应。在圆柱形的医用内窥镜镜体外布设柔性内包层29，在柔性内包层29上刻下的第一内凹槽30中放置第一待测光纤25，在第二内凹槽31中放置第二待测光纤26，
用环氧树脂将各待测光纤分别固定于各凹槽中；之后在固定了待测光纤的柔性内包层29外布设柔性外包层32，并使第一待测光纤25和第二待测光纤26分别位于柔性外包层的第一外凹槽33和第二外凹槽34之中。
[0029]
系统布设完成后，医用内窥镜镜体的任意弯曲均会导致布设于其外的柔性内包层29、柔性内包层32及位于其中的第一待测光纤25和第二待测光纤26的同步弯曲。以医用内窥镜圆柱体镜体截面圆心为原点，镜体截面圆心与第二内凹槽31中心的连线作为x轴，镜体截面圆心与第一内凹槽30中心的连线作为y轴建立直角坐标系，则医用内窥镜镜体任意部位向任意方向的弯曲均可分解为x轴与y轴的两个弯曲分量，其中x轴的弯曲分量会使固定于第一内凹槽30中的第一待测光纤25处于局部拉伸或局部压缩状态并产生局部应变，该局部应变由x轴弯曲分量的曲率半径和弯曲方向决定；y轴的弯曲分量会使固定于第二内凹槽31中的第二待测光纤26处于局部拉伸或局部压缩状态并产生局部应变，该局部应变由y轴弯曲分量的曲率半径和弯曲方向决定。由此，即可通过基于光频域反射技术的应变传感，获得因医用内窥镜镜体弯曲而带来的位于医用内窥镜镜体外柔性内包层29上第一内凹槽30中的第一待测光纤25和位于第二内凹槽31中的第二待测光纤26上的应变，并根据获得的应变，还原医用内窥镜镜体各位置的弯曲情况，进而还原内窥镜整体的形状，实现分布式形状传感。
[0030]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。