光纤光栅曲线重建算法中的曲率连续化研究.pdf

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1、第３７卷第５期仪器仪表学报Ｖｏｌ３７Ｎｏ５２０１６年５月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＭａｙ．２０１６光纤光栅曲线重建算法中的曲率连续化研究肖海，章亚男，沈林勇，钱晋武（上海大学机电工程与自动化学院上海２０００７２）摘要：在医疗内窥镜形状检测方面，传感器的定位精度对病灶的诊断和手术方案的制定起到了关键性的作用。本文在基于利用大长度的光纤光栅曲率传感器进行形状重建的方法上，对抛物、正弦和反正切形式下的理论曲线和实际曲线弧段中的曲率连续化方法进行了优化性研究，提出了三次样条曲

2、率连续化方法。经过实验数据分析得出在算法优化后，对接近光纤光栅弯曲极限的实际曲线弧段中，Ｘ、Ｙ方向上使用三次样条曲率连续化法后的坐标点平均拟合精度能够相对提升４．８％和２．２％，成功对二维曲线重建进行了精度改进。同时，曲线的重建响应时间为１９ｍｓ，能够满足实时性要求。关键词：光纤光栅；形状重建；曲率连续化；算法优化中图分类号：ＴＰ２１２ＴＨ７３文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．４０２０Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｕｒｖａｔｕｒｅｓｅｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｕｒｖｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔ

3、ｈｍｂａｓｅｄｏｎｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓＸｉａｏＨａｉ，ＺｈａｎｇＹａ′ｎａｎ，ＳｈｅｎＬｉｎｙｏｎｇ，ＱｉａｎＪｉｎｗｕ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｍｅｄｉｃａｌｅｎｄｏｓｃｏｐｅｓｈａｐｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｈａｓａｋｅｙｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｌｅｓ

4、ｉｏｎｓａｎｄｓｕｒｇｉｃａｌｐｌａｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｕｒｖａｔｕｒｅｓｅｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｐａｒａｂｏｌａ，ｓｉｎｅ，ａｒｃｔａｎｇｅｎｔｓｈａｐｅａｎｄｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｃｕｒｖｅｓｅｇｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎａｌｏｎｇＦＢＧｃｕｒｖａｔｕｒｅｓｈａｐｅｓｅｎｓｏｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｃｕｂｉｃｓｐｌｉｎｅｃｕｒｖａｔｕｒｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｅｘｐｅ

5、ｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅｆｉｔｔｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｐｏｉｎｔｓｉｎｔｈｅＸａｎｄＹａｘｉｓｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ４．８％ａｎｄ２．２％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｅｎｔｈｅｓｔｒａｉｎｏｆＦＢＧｓｅｎｓｏｒｏｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｃｕｒｖｅｓｅｇｍｅｎｔｉｓｍｏｖｅｄｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔ．Ｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｕｒ

6、ｖｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｃｕｒｖｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓ１９ｍｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ；ｓｈａｐｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｕｒｖａｔｕｒｅｓｅｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ机器人研究课题组曾较早利用基于离散曲率的平面和空１引言间曲线重建方法，制作出了光纤光栅曲线形状重建传感［５］器，将其直接伸入猪肠道中，并成功检测了肠道

7、形状。在无创微创医疗方面，不少场合需要对内窥镜或导传感器的原理是通过采集栅点光学波长信号的变化，经［１］管的末端位置进行定位，定位的精度高低将直接影响处理转换为曲率，再通过重建算法将曲率转换为坐标点手术计划的制定及手术质量。由于人体内部器官管道以从而最终显示出细长管道形状。近年来，国外的研究机［６７］及病症定位的特殊性要求对医疗内窥镜的定位精度有极构也采用了类似的方法对活检探针检测、心脏手术导［８］［９］高的要求。针对医疗内窥镜形状重建及定位方面，各研管形状显示、脊柱形状检测等方面进行了基础性的［２］究机构进行了诸多

8、实验，诸如使用磁场定位法、射频定研究。结果表明光纤光栅曲线形状传感器检测系统能够［３］［４］位法、应变片镜体定位法等等。以上方法均存在精有效地对人体诸多器官的形状进行重建，同时可以在进度低、可靠性差、传感器尺寸过大等问题。上海大学医疗一步研究的基础上使精度得到提高。收稿日期：２０１５１１ＲｅｃｅｉｖｅｄＤａｔｅ：２０１５１１