[发明专利]用于确定相关联对象的位置和/或形状的光学感测系统

说明书

技术领域

本申请涉及光学感测，更具体地，涉及用于确定相关联对象的位置和/或形状的光学感测系统和方法。

背景技术

在许多微创医疗保健程序中，跟踪诸如导丝和导管的医学设备是有利的。光学形状感测通过测量并分析从内置在细长医学设备中的多芯光纤的全部位置反射的光，实现了该功能。在使用干涉仪时，获得沿纤维的完整应变分布，其能够被转化成形状。对方法的描述能够在题为“Optical position and/or shape sensing”的专利申请US 2011/0109898中找到。光在光纤中的反向散射能够被归类为两个不同的类：1)内在现象，也就是瑞利散射，以及2)外在现象，也就是布拉格光栅。注意，人们则无视了第三种散射机制，也就是布里渊散射。布里渊散射在干涉仪测量技术中不能被采用，并且导致差的空间分辨率。光学形状感测的一种实施方式采用瑞利散射。这具有使用光纤而在拉纤之后无需制作中的额外步骤的优点。

瑞利散射的信号强度

远程通信纤维的制造商多年来已使他们的产品的质量增加到这样的程度，使得传输损耗小且主要由于瑞利散射。针对形状感测，这有以下缺点，即信号强度相当低。在附录I中，其量级与随后的信噪比一起计算。小的信噪比促使人们在干涉仪测量系统中采取额外的预防措施：

纤维的远端的反射淹没了所有其他信号，其太大并且必须被减小至少80dB。为了这么做，将吸收玻璃融合拼接到远端。然而，该终端脆弱且容易破碎，使得纤维在医学设备中的集成产量低。此外，这种终端具有以下副作用，即纤维的最后5-10mm不能被形状跟踪。

形状感测纤维包含至少4芯。这些芯中的每个均被连接到单独的干涉仪。因此，该系统包含这样的元件，其中，个体单芯纤维被附接到一个多芯纤维：扇出。在扇出处以及在感测纤维的终端处出现串扰：在特定芯中沿纤维传播的光在这些点处被散射回到朝向检测器的其他芯中的一个中。能够通过交错对齐地配置四个干涉仪，减轻该串扰。参见题为“Interferometric measurement with crosstalk suppression”的专利申请US 2011/0310378。干涉仪的交错需要在每个干涉仪臂中并入大量纤维。总体上，该系统将包含500-600m的额外纤维，使得其对温度变化和机械振动更为敏感。

每个干涉仪均具有内置的光学循环器单元。利用该3-端口设备，将来自源(端口1)的光朝着感测纤维(端口2)导向，并且将从感测纤维反向散射的信号朝着检测器(端口3)导向。进入端口1的光不应泄漏到端口3中，否则其将淹没真实瑞利信号并使检测器饱和。大多数循环器的抑制比对于使用瑞利散射的感测而言太低。测试每个循环器，并且约10％满足适当规格。

在微创医疗保健应用中，干涉仪将被内置于特殊的振动和温度稳定箱中。具有其内置式形状感测纤维的医学设备(导管、导丝)将被用于导管实验室的无菌部分。两者之间将是至少一个光学转接线。这意味着，将存在至少两个光学多芯连接器。在这些连接器处的反射使瑞利信号劣化，并且容易产生串扰效应。当前的系统(例如Luna 3代)将不能以多于一个多芯连接器正常运行。

在干涉仪盒与形状感测纤维之间，将存在额外的引线。那些引线也将产生瑞利散射，其将与来自感测纤维的瑞利信号为相同量级。结果是，那些引线必须也被询问，并且仅在从光谱(其为光学频率的函数)到信号(其为延迟，即光纤位置的函数)的转化之后，才能够丢弃来自引线的信息。给定光源的有限采样频率和频率扫掠速率，这得出引线的长度的上限。

瑞利散射的相位复原

除了因小的信号强度造成的影响以外，瑞利散射具有对机械振动增强的灵敏度，如将在下文解释的。