一种复合光学导航穿刺定位针及针尖位姿检测方法与流程

1.本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种复合光学导航穿刺定位针及针尖位姿检测方法。

背景技术：

2.现有的一种穿刺定位针由外针管，外针座，和外针管同轴的内针管和内针座组成。在刺入人体病灶部位时需要定位针尖所在位置，以实时反馈穿刺病灶的精确性，在穿刺定位针准确到达病灶部位后拔出内针管再将活检针插入外针管进行取样。现有的穿刺活检针定位导航大多采用单一的光学导航或者电磁导航。其中，光学导航的实现方式是通过在穿刺活检针末端设置若干个光学跟踪球，通过光学导航相机跟踪这些光学跟踪球位置，进而获取活检针末端在空间中位置信息，进而根据活检针生产时尖端到末端的结构信息推算出尖端在空间中位置信息，这种方式是在穿刺活检针杆没有形变的理想状态下推算出来的，而穿刺活检针进入人体组织后往往会发生形变，因而根据穿刺活检针末端位置推算出来的理想尖端位置不准确。而电磁导航虽然可以直接将电磁传感器集成到穿刺活检针外管尖端，直接获取穿刺活检针尖端位置信息，测量结果准确，但是电磁导航的工作范围相对光学导航较小，容易受附近磁场和金属影响导致使用受限。

技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种复合光学导航穿刺定位针及针尖位姿检测方法，以解决上述的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的一种复合光学导航穿刺定位针及针尖位姿检测方法的具体技术方案如下：
5.一种复合光学导航的穿刺定位针，包括针杆，针杆包括内针管和外针管，所述内针管和外针管内部中空，所述内针管套设在外针管内与外针管同轴设置，所述内针管顶端为针尖，末端为针尾，所述外针管外部具有光学导航标记架，外部光学导航相机通过光学导航标记架获取针杆基准位置，内针管和外针管一同穿刺进入病灶部位，所述内针管内部具有多芯光纤，所述多芯光纤连接至外部光纤形变传感控制系统，所述光纤形变传感控制系统根据光纤形变传感器反馈的信号计算内针管的弯曲曲率和方向，进而可以根据光学导航标记架的基准位置计算出针尖的位姿。
6.进一步的，所述内针管内的多芯光纤与内针管相对固定设置。
7.进一步的，所述多芯光纤从内针管的针尖到针尾贯穿整根内针管，并由内针管的针尾引出通过光纤冷接头连接至外部光纤形变传感控制系统，所述内针管的针尖到针尾部分多芯光纤设置有多个布拉格光栅组成的光纤形变传感器，所述光纤形变传感控制系统根据多个布拉格光栅反射的不同波长计算内针管的弯曲曲率和方向信息。
8.进一步的，所述内针针尾开始到光纤形变传感控制系统的多芯光纤为无布拉格光栅的无形变传感能力的多芯光纤。
9.进一步的，所述外针管针尾的外壁上具有安装位标记，光学导航标记架夹持固定在外针管针尾的外壁上的安装位标记处，所述安装位标记对准内针管针尾最后一个布拉格光栅。
10.进一步的，所述光学导航标记架上设有至少3个可以反光的光学导航标记。
11.进一步的，所述外针管末端与中空的外针座的一端固定连接，所述外针座的另一端具有内螺纹，所述内针管末端与中空的内针座固定连接，所述内针座具有与外针座的内螺纹配合的外螺纹，所述内针管穿入外针座进入外针管内部，与外针管同轴设置，所述内针管末端的内针座与外针管的外针座螺纹固定连接；所述内针座内具有固定卡环，所述固定卡环用于固定多芯光纤。
12.进一步的，所述内针管内的光纤形变传感器外面包裹一层折射率比光纤低的包层，所述包层外涂敷一层涂覆层，所述涂覆层外与内针管内壁之间用灌封胶灌封固定，所述灌封胶用于将光纤形变传感器与内针管固定。
13.进一步的，所述多芯光纤为七芯光纤mcf，每根光纤芯具有不同温度和应变响应灵敏度，所述布拉格光栅为布拉格光栅fbg，每个布拉格光栅的波长均不相同，每个布拉格光栅的长度l1为0.5～1.5cm，波长落在1500～1600nm之间，彼此反射波长间距5～20nm；每个布拉格光栅之间的间隔为形变间隔l2，l2长度为0.5cm～2cm。
14.本发明还公开了一种针尖位姿检测的方法，包括如下步骤：
15.步骤1：光学导航相机根据光学导航标记架上光学标记获得光学导航标记架在光学导航相机坐标系空间中位姿矩阵其中r0为3x3的旋转矩阵，t0是3x1的平移向量；
16.步骤2：针尖弯曲形变后的位姿用多个长度为l3的直线线段旋转一定角度来近似表示，l3＝l1+l2，l1为单个布拉格光栅51的长度，l2为形变部分相邻两个布拉格光栅51之间的间隔；
17.步骤3：用n0，n1，n2
……
nj表示j+1个相邻的直线线段近似模拟穿刺针弯曲，nj末端是针尖所在位置，n0末端是光学导航标记架所在的位置，每个线段长度由l3组成；
18.步骤4：获得n1相对于n0的相对姿态矩阵a1，n2相对于n1的相对姿态矩阵a2，
……
，nj相对于nj-1的相对姿态矩阵aj，进而得到nj末端相对于n0末端的相对姿态矩阵a
t
：
19.a
t
＝a1*a2*
……
*aj20.最终得到针尖相对光学导航标记架的相对姿态矩阵at；
21.步骤5：针尖位姿由以下公式得出：
22.a
x
＝a
t
*a0。
23.本发明的一种复合光学导航穿刺定位针及针尖位姿检测方法具有以下优点：本发明通过将多芯光纤贯穿针尖到针尾，从针尖到针尾部分的多芯光纤设置有多个监测光纤形变的布拉格光栅，以每个布拉格光栅反射的不同波长计算针杆的不同部位的形变信息，进而根据光学导航标记架的基准位置和内针管形变信息计算出针尖的位姿。本发明考虑了针杆进入人体后的形变，利用光纤形变传感器的形变信息拟合针杆的形变，从而根据光学导航标记架的基准位置推算出针尖的实际位姿，测量位置更精确，且光纤形变传感器不受磁场干扰，应用在热能量消融针上时还具有测温功能，集测温、定位与一体，结构简单，应用性
强。
附图说明
24.图1为本发明的复合光学导航的穿刺针定位针的外部结构示意图；
25.图2为本发明的穿刺针定位针的外针管结构示意图；
26.图3为本发明的穿刺针定位针的内针管结构示意图；
27.图4为本发明的光纤形变传感器结构示意图；
28.图5为本发明的光纤形变传感器的光栅位置结构示意图；
29.图6为本发明的用相邻的直线线段近似模拟穿刺针弯曲结构示意图；
30.图7为本发明的针尖位姿矩阵表示示意图；
31.图中标记说明：1、针杆；11、内针管；12、外针管；121、安装位标记；13、外针座；14、内针座；141、固定卡环；2、光学导航标记架；21、光学导航标记；4、光纤冷接头；5、光纤形变传感器；51、布拉格光栅；6、包层；7、涂覆层；8、灌封胶。
具体实施方式
32.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种复合光学导航穿刺定位针及针尖位姿检测方法做进一步详细的描述。
33.如图1-3所示，本发明的一种复合光学导航的穿刺定位针，包括针杆1，针杆1包括内针管11和外针管12，内针管11和外针管12内部中空，外针管12末端与中空的外针座13的一端固定连接，外针座13的另一端具有内螺纹，内针管11末端与中空的内针座14固定连接，内针座14具有与外针座13的内螺纹配合的外螺纹，内针管11穿入外针座13进入外针管12内部，与外针管12同轴设置，内针管11末端的内针座14与外针管12的外针座13螺纹固定连接。内针管11顶端为针尖，裸露于外针管12外，用于穿刺，末端为针尾，内针座14内具有固定卡环141，固定卡环141用于固定光纤形变传感器5。多芯光纤从内针管11针尖到针尾贯穿内针管11，并通过内针座14的固定卡环141引出通过光纤冷接头4连接至外部光纤形变传感控制系统，固定卡环141用于固定多芯光纤。外针管12针尾的外壁上具有安装位标记121，光学导航标记架2夹持固定在外针管12针尾的外壁上的安装位标记121处，光学导航标记架2上设有至少3个可以反光的光学导航标记21，光学导航标记21为反光贴或反光球，外部光学导航相机通过光学导航标记架2获取针杆1的基准位置。多芯光纤与内针管11相对固定设置，多芯光纤从内针管11针尾到针尖部分为由多个布拉格光栅51组成的光纤形变传感器5，光纤形变传感控制系统根据多个布拉格光栅51反射的不同波长计算内针管11的形变信息(包括内针管11的弯曲曲率和方向)，进而根据光学导航标记架2的基准位置和针杆1形变信息计算出针尖的位姿。从内针管11末端到光纤形变传感控制系统的部分为无布拉格光栅的无形变传感能力的普通多芯光纤，因此实际操作时此部分的弯曲不会被探测到。
34.如图4所示，内针管11内的光纤形变传感器5外面包裹一层比光纤折射率低的包层6，包层6优选为玻璃封套包层，包层6外涂敷一层涂覆层7，涂覆层7优选为特氟龙涂覆层，用来进一步保护包层，涂覆层7外与内针管11内壁之间用灌封胶8灌封固定，灌封胶8用于将光纤形变传感器5与内针管11固定，因此光纤形变传感器5的弯曲信息即反应了内针管11的弯曲信息，弯曲信息包括弯曲方向和弯曲程度。由于湿气对光纤内部影响较大，因此灌封胶采
用环氧树脂x280，可固定光纤同时进一步保护光纤。
35.如图5所示，多芯光纤为七芯光纤mcf，每根光纤芯具有不同温度和形变响应灵敏度，每根光纤芯受到温度与形变时都会引起光纤布拉格光栅51反射波长移动，由此反应出形变大小。布拉格光栅51为布拉格光栅fbg。如图5所示，多个布拉格光栅51在针尖到针尾之间分布，每个布拉格光栅51的波长均不相同，以识别不同位置的形变信息，每个布拉格光栅51的长度l1为0.5～1.5cm，波长落在1500～1600nm之间，彼此反射波长间距为5～20nm，每个布拉格光栅51之间的间隔为形变间隔距离为l2，l2长度为0.5cm～2cm。
36.当内针管11中间部分在人体内部受力形变导致内部光纤形变传感器5跟着形变时，内针管11内部同一位置的不同光纤芯应变响应灵敏度系数不同导致外部光纤传感控制系统测得的反射波长也略有不同，外部光纤传感控制系统利用每个光纤芯测得的数据建立多个方程组或者出厂标定的数据就可以确定弯曲程度以及弯曲方向。由于内针管11内部的光纤形变传感器5和内针管11是通过灌封胶紧固的，因此通过光纤形变传感器5的形变信息进而可以获得内针管11的形变信息，结合光学导航标记获得的基准位置，再根据基准位置与针尖结构对应关系，进而获取针尖在人体中的真实位姿。
37.实施例：
38.外针管12直径采用18g，内针管11直径采用17g，外针管12和内针管11按常规穿刺针设计可以同轴插入并锁定。距针尖1mm处设置长度为1cm的布拉格光栅51，该布拉格光栅51的中心反射波长是1500nm，经过1cm间隔设置长度为1cm的形变布拉格光栅51，该光栅的中心反射波长是1520nm，然后分别经过1cm、2cm、3cm间隔后依次设置波长为1540nm，1560nm，1580nm的布拉格光栅51，从针尖到最后一个布拉格光栅51长度为11cm，外针管12和内针管11插入并锁定后最后一个布拉格光栅51对应外针管12外壁的安装位标记121，该位置为光学导航标记架2启始安装位置。
39.光学导航相机根据光学导航标记架2上光学标记获得光学导航标记架2在光学相机坐标系空间中位姿矩阵其中r0为3x3的旋转矩阵，t0是3x1的平移向量，由于穿刺定位针布拉格光栅长度l1为1cm，形变部分相邻布拉格光栅之间的间隔为l2，因此针尖弯曲形变后的位姿可以用若干个长度为l3(l3＝l1+l2)的直线线段旋转一定角度来近似，用n0，n1，n2
……
nj表示j+1个相邻的直线线段近似模拟穿刺针弯曲，nj末端是针尖所在位置，n0末端是光学导航标记架2所在的位置，每个线段长度由l1+l2组成；如图6所示，n0，n1，n2是3个相邻的直线线段近似模拟穿刺针弯曲，n2末端是针尖所在位置，n0末端是光学导航标记架2所在的位置。
40.由于光纤传感控制系统可获得每个形变部分的布拉格光栅的形变信息，因而获得n1相对于n0的相对姿态矩阵a1，n2相对于n1的相对姿态矩阵a2，
……
，nj相对于nj-1的相对姿态矩阵aj，进而得到nj末端相对于n0末端的相对姿态矩阵a
t
，表示为：
41.a
t
＝a1*a2*
……
*ai42.以两段为例：
43.a
t
＝a1*a244.最终可以得到针尖相对光学导航标记架2的相对姿态矩阵a
t
，如图7所示。
45.则新的针尖位姿可以由以下公式得出
46.a
x
＝a
t
*a0。
47.使用时，首先将内针管11穿入外针管12并将内针管11末端的内针座14与外针管12的外针座13螺纹固定连接。穿刺时，将内针管11和外针管12一同插入人体病灶组织，光学导航相机根据外针管12上的光学导航标记架2上光学标记获得基准位置，光纤形变传感控制系统根据内针管11内的光学形变传感器5获取内针管11的形变信息，从而计算出针尖的位姿，穿刺过程实时监测跟踪针尖位姿，直至穿刺定位针准确到达病灶组织位置。穿刺到位后，将内针管11从外针管12内取出，将活检针插入外针管12对病灶部位进行常规取样活检。
48.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：

1.一种复合光学导航的穿刺定位针，包括针杆(1)，针杆(1)包括内针管(11)和外针管(12)，所述内针管(11)和外针管(12)内部中空，所述内针管(11)套设在外针管(12)内与外针管(12)同轴设置，所述内针管(11)顶端为针尖，末端为针尾，所述外针管(12)外部具有光学导航标记架(2)，外部光学导航相机通过光学导航标记架(2)获取针杆(1)基准位置，内针管(11)和外针管(12)一同穿刺进入病灶部位，其特征在于，所述内针管(11)内部具有多芯光纤，所述多芯光纤连接至外部光纤形变传感控制系统，所述光纤形变传感控制系统根据光学导航标记架(2)的基准位置和多芯光纤反馈的信号计算内针管(11)的弯曲曲率和方向，进而计算出针尖的位姿。2.根据权利要求1所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述内针管(11)内的多芯光纤与内针管(11)相对固定设置。3.根据权利要求1所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述多芯光纤从内针管(11)的针尖到针尾贯穿整根内针管(11)，并由内针管(11)的针尾引出通过光纤冷接头(4)连接至外部光纤形变传感控制系统，所述多芯光纤从内针管(11)的针尖到针尾部分为由多个布拉格光栅(51)组成的光纤形变传感器(5)，所述光纤形变传感控制系统根据多个布拉格光栅(51)反射的不同波长计算内针管(11)的弯曲曲率和方向信息。4.根据权利要求1所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述针尾到光纤形变传感控制系统的部分为无布拉格光栅的无形变传感能力的多芯光纤。5.根据权利要求3所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述外针管(12)针尾的外壁上具有安装位标记(121)，光学导航标记架(2)夹持固定在外针管(12)针尾的外壁上的安装位标记(121)处，所述安装位标记(121)对准内针管(11)针尾最后一个布拉格光栅(51)。6.根据权利要求1所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述光学导航标记架(2)上设有至少3个可以反光的光学导航标记(21)。7.根据权利要求1所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述外针管(12)末端与中空的外针座(13)的一端固定连接，所述外针座(13)的另一端具有内螺纹，所述内针管(11)末端与中空的内针座(14)固定连接，所述内针座(14)具有与外针座(13)的内螺纹配合的外螺纹，所述内针管(11)穿入外针座(13)进入外针管(12)内部，与外针管(12)同轴设置，所述内针管(11)末端的内针座(14)与外针管(12)的外针座(13)螺纹固定连接；所述内针座(14)内具有固定卡环(141)，所述固定卡环(141)用于固定光纤形变传感器(5)。8.根据权利要求1所述的复合光学导航的穿刺定位针，其特征在于，所述内针管(11)内的光纤形变传感器(5)外面包裹一层折射率比光纤低的包层(6)，所述包层(6)外涂敷一层涂覆层(7)，所述涂覆层(7)外与内针管(11)内壁之间用灌封胶(8)灌封固定，所述灌封胶(8)用于将光纤形变传感器(5)与内针管(11)固定。9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的复合光学导航的穿刺定位针进行针尖位姿检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：光学导航相机根据光学导航标记架(2)上光学标记获得光学导航标记架(2)在光学导航相机坐标系空间中位姿矩阵其中r0为3x3的旋转矩阵，t0是3x1的平移向量；
步骤2：针尖弯曲形变后的位姿用多个长度为l3的直线线段旋转一定角度来近似表示，l3＝l1+l2，l1为单个布拉格光栅51的长度，l2为形变部分相邻两个布拉格光栅51之间的间隔；步骤3：用n0，n1，n2
……
nj表示j+1个相邻的直线线段近似模拟穿刺针弯曲，nj末端是针尖所在位置，n0末端是光学导航标记架(2)所在的位置，每个线段长度由l3组成；步骤4：获得n1相对于n0的相对姿态矩阵a1，n2相对于n1的相对姿态矩阵a2，
……
，nj相对于nj-1的相对姿态矩阵a
j
，进而得到nj末端相对于n0末端的相对姿态矩阵a
t
：a
t
＝a1*a2*......*a
j
最终得到针尖相对光学导航标记架(2)的相对姿态矩阵at；步骤5：针尖位姿由以下公式得出：a
x
＝a
t
*a0。

技术总结

本发明属于医疗器械技术领域，公开了一种复合光学导航的穿刺定位针及针尖位姿检测方法，包括内针管和外针管，内针管套设在外针管内与外针管同轴设置，内针管顶端为针尖，末端为针尾，外针管外部具有光学导航标记架，外部光学导航相机通过光学导航标记架获取基准位置，内针管内部具有多芯光纤，多芯光纤连接至外部光纤形变传感控制系统，光纤形变传感控制系统根据基准位置和多芯光纤反馈的信号计算内针管的弯曲曲率和方向，进而计算出针尖的位姿。本发明利用光纤形变传感器的形变信息拟合针杆的形变，从而根据光学导航标记架的基准位置推算出针尖的实际位置，测量位置更精确，且不受磁场干扰。结构简单，应用性强。应用性强。应用性强。