基于混合自适应滤波器的螺旋光纤布拉格光栅传感器三维形状重建——面向经皮手术中温度与扭转耦合补偿的实时导航方法

《IEEE Transactions on Materials for Electron Devices》：3-D Shape Reconstruction for a Flexible Needle Considering Temperature and Torsion Compensation Using FBG Sensors

　　

摘要：

针刺干预技术使得在微创手术中能够安全地穿越复杂解剖结构进行导航。对于三维针形感知，光纤布拉格光栅（FBG）因其柔韧性、高灵敏度和无需直视的操作方式而备受青睐。然而，许多方法依赖于预先标定的应变-温度系数进行补偿，而数据驱动方法在FBG布局发生变化时通常需要重新训练。此外，很少有方法能同时处理温度和扭转——这种耦合的补偿对于提高精度至关重要——从而限制了实际适应性。我们提出了一种基于滤波器的新颖框架，用于螺旋形FBG传感器的三维形状重建，同时考虑了温度变化和扭转载荷。我们采用了一种混合自适应滤波器，结合了无迹卡尔曼滤波器和粒子滤波器，用于直接估计轴向应变、扭转变形和温度引起的应变。然后，为了提高预测效果，我们采用贝叶斯优化来调整滤波器中的超参数，而无需耗时的训练。我们通过模拟和实验（包括静态和动态任务）验证了我们的方法。结果表明，与现有技术相比，我们的方法在鲁棒性和精度方面具有显著优势。我们的框架能够稳健地估计三维形状，将为经皮手术中自主非线性针道轨迹操作提供精确的实时引导。