一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法与流程

1.本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法。


背景技术：

2.心血管病是城乡居民死亡的首要因素。目前，传统图像指导的介入治疗中，操作人员会受到辐射照射伤害，血管内机器人系统允许操作者在辐射屏蔽的工作空间或手术室外进行介入手术。近年来，具有柔性好、本质安全、成像速度快以及电磁兼容的光纤形状传感方法逐渐成为介入手术导航定位的研究热点。
3.光纤形状传感是近年来新兴的一种传感技术，具有体积小、重量轻、灵敏度高以及响应时间短等特点，并且对磁场不敏感，具有优异的抗电磁干扰性能。其通过多路光纤在同一形变下的不同应变响应，来测量和确定光纤本身或者与之紧密接触的物体的位置和形状。
4.近年来，光纤形状传感技术在医疗领域中都得到了广泛关注和研究，如探针、软体操作器、内窥镜等。同时，光纤形状传感可应用于防火工程、电力、核能、铸造工业、航空航天等领域的变温环境监测，实现对高超声速外部表面参数的原位、实时测量，提供实时可靠的实测数据。需要解决温度和应变解耦的问题。
5.fbg多芯光纤传感器同时对应变和温度敏感。通常情况下，此类光纤传感器应用于单一变化环境(只有温度变化或应变变化)中进行形状传感。然而，在微创介入手术导航环境中，手术室温度通常在22℃～24℃，人体温度在36.5℃～37.5℃；手术过程中，约有50％～70％的患者会出现低体温症状，体温降低约0.1℃～2℃。这种环境同时存在温度和应变的变化，所以，将fbg多芯光纤传感器应用于微创介入手术形状传感中，需要解决温度和应变解耦的问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中手术环境中温度自解耦的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法，所述方法包括：
7.采集多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量，以及多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量，
8.利用多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量，与多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量做差，对手术环境温度自解耦。
9.优选地，多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量表述为：
10.δλ＝(1-p
ε
)ε+(α
t
+ζ)δt，其中，δλ为旁轴纤芯的波长漂移量，p
ε
为应力光学系数，ε为应变，α
t
为热膨胀系数，ζ为热光系数，δt为温度变化；
11.多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量表述为：
12.δλ’＝(α
t
+ζ)δt，其中，α
t
为热膨胀系数，ζ为热光系数，δt为温度变化。
13.本发明提供的一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法，利用多芯光纤的中心纤芯的传感单元对弯曲和扭转应变不敏感的特性，测量得到环境中的温度和拉压应变信息，并以此作为基准，校正旁轴纤芯上的温度应变信息，从而实现温度和应变的解耦。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1示意性示出了本发明一种手术环境温度自解耦的多芯光纤传感系统的示意图。
16.图2示出了本发明多芯光纤的截面示意图。
17.图3示出了本发明一个实施例中多芯光纤的旁轴纤芯和中心纤芯的灵敏度示意图。
18.图4示出了本发明一个实施例中多芯光纤形状重构的示意图。
19.图5示出了本发明环境温度变化引起的多芯光纤传感系统的应变测量误差。
具体实施方式
20.为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
21.如图1所示本发明一种手术环境温度自解耦的多芯光纤传感系统的示意图，图2所示本发明多芯光纤的截面示意图，根据本发明的实施例，提供手术环境温度自解耦的多芯光纤传感系统，包括：多芯光纤100。多芯光纤100包括中心纤芯101和三根旁轴纤芯，即旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c。
22.多芯光纤100的中心纤芯101和三根旁轴纤芯分别蚀刻布拉格光栅(fiber with bragg grating,fbg)。
23.多芯光纤100连接扇入扇出模块300，扇入扇出模块300连接分别连接宽带光源400和解调仪500，解调仪500连接上位机600。
24.通过采集三根旁轴纤芯(旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c)的波长漂移和中心纤101芯的波长漂移进行手术环境的温度自解耦。
25.当外界环境温度发生改变时，对光纤光栅的作用有两个方面：分别为热光效应引起的折射率变化和热膨胀效应导致的光栅周期改变。光栅周围的温度场变化对光栅周期λ和有折射率n
eff
均有影响，引起λb的改变：
[0026][0027]
因此，温度灵敏度系数为：
[0028][0029]
根据本发明的实施例，提供一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法，包括：
[0030]
采集多芯光纤100的旁轴纤芯的波长漂移量，以及多芯光纤100的中心纤芯101的波长漂移量。
[0031]
多芯光纤100的旁轴纤芯(旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c)的波长漂移受温度和应变的影响。多芯光纤100在弯曲扭转或温度变化的作用下，旁轴纤芯(旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c)的中心波长会产生漂移。多芯光纤100的旁轴纤芯(旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c)的波长漂移量表述为：
[0032]
δλ＝(1-p
ε
)ε+(α
t
+ζ)δt，其中，δλ为旁轴纤芯的波长漂移量，p
ε
为应力光学系数，ε为应变，α
t
为热膨胀系数，ζ为热光系数，δt为温度变化；
[0033]
多芯光纤100的中心纤芯101对于应变不敏感，多芯光纤100的中心纤芯101的波长漂移量表述为：
[0034]
δλ’＝(α
t
+ζ)δt，其中，α
t
为热膨胀系数，ζ为热光系数，δt为温度变化。
[0035]
利用多芯光纤100的旁轴纤芯的波长漂移量，与多芯光纤100的中心纤芯101的波长漂移量做差，对手术环境温度自解耦。
[0036]
将旁轴纤芯(旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c)的波长漂移量δλ分别与中心纤芯101的波长漂移量δλ’做差，实现温度自解耦，即δλ-δλ’＝(1-p
ε
)ε。
[0037]
多芯光纤100的纤芯材料以及几何结构相同，并且空间排列紧凑。由于多芯光纤100的中心纤芯101处于中性层，中性层的应变量始终不受弯曲形变的影响。因此，多芯光纤100的中心纤芯101中心波长漂移量可以认为是由温度变化所导致的波长漂移。将多芯光纤100的旁轴纤芯的中心波长漂移量减去中心纤芯101的中心波长漂移量就可以得出由应变变化导致的中心波长漂移量，再将由应变导致的波长漂移量带入相关公式求解出应变值。
[0038]
本发明采取自差分补偿的方法，将旁轴纤芯与中心纤芯101分别做差，从而在多芯光纤100中减小或者消除温度对光栅中心波长漂移量的影响，达到温度自补偿的效果。
[0039]
在一个实施例中，对本发明一种手术环境温度自解耦的多芯光纤传感系统的温度灵敏度进行测试，如图1所示，将多芯光纤100置于应变加载装置200上，同时将多芯光纤100置于温度控制箱中。对光纤光纤100施加应变载荷，同时控制温度控制箱的温度变化，实施例中温度从18℃～44℃间隔2℃变化。宽带光源400发出光，经多芯光纤100的中心纤芯101、旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c反射，解调仪500采集中心纤芯101、旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c的发射波的中心波长漂移。如表1所示，得到中心纤芯101、旁轴纤芯a、旁轴纤芯b和旁轴纤芯c的中心波长漂移的各纤芯18℃～44℃下的中心波长漂移量。
[0040]
表1各纤芯18℃～44℃下的中心波长漂移量
[0041][0042]
经过计算，得到多芯光纤所用四个纤芯的温度灵敏度，如图3所示本发明一个实施例中多芯光纤的旁轴纤芯和中心纤芯的灵敏度示意图，如表2所示旁轴纤芯和中心纤芯的的灵敏度。
[0043]
表2旁轴纤芯和中心纤芯的的灵敏度
[0044][0045]
在弯曲状态下，测量值和理论值的平均误差不大于0.33mm，测量值和理论值的最大误差不大于5.61mm，测量值相对于传感长度的相对误差最大不大于3.50％，如图4所示本发明一个实施例中多芯光纤形状重构的示意图。
[0046]
在一个实施例中，通过本发明一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法，对多芯光纤传感系统进行温度自补偿后，通过仿真分析了环境温度变化引起的多芯光纤传感系统的应变测量误差。
[0047]
如图5所示本发明环境温度变化引起的多芯光纤传感系统的应变测量误差，经温度补偿后，环境温度变化引起的曲率κ和方向角φ误差很小，在10-18量级。
[0048]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法，其特征在于，所述方法包括：采集多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量，以及多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量，利用多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量，与多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量做差，对手术环境温度自解耦。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量表述为：δλ＝(1-p
ε
)ε+(α
t
+ζ)δt，其中，δλ为旁轴纤芯的波长漂移量，p
ε
为应力光学系数，ε为应变，α
t
为热膨胀系数，ζ为热光系数，δt为温度变化；多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量表述为：δλ’＝(α
t
+ζ)δt，其中，α
t
为热膨胀系数，ζ为热光系数，δt为温度变化。

技术总结
本发明提供了一种多芯光纤传感系统的手术环境温度自解耦方法，包括：采集多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量，以及多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量，利用多芯光纤的旁轴纤芯的波长漂移量，与多芯光纤的中心纤芯的波长漂移量做差，对手术环境温度自解耦。本发明利用多芯光纤的中心纤芯的传感单元对弯曲和扭转应变不敏感的特性，测量得到环境中的温度和拉压应变信息，并以此作为基准，校正旁轴纤芯上的温度应变信息，从而实现温度和应变的解耦。从而实现温度和应变的解耦。从而实现温度和应变的解耦。


技术研发人员：孙广开 张兴硕 祝连庆 何彦霖 周康鹏 祝航威
受保护的技术使用者：广州市南沙区北科光子感知技术研究院
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/4