近日，华中科技大学纤上智感实验室、光谷实验室闫志君教授团队在《Photonics Research》发表了题为Three-dimensional endoscopic navigation based on an MC-DFBG array shape sensor的研究论文。该成果在光谷实验室概念验证项目支持下完成。研究团队提出了一种基于多芯密集光纤布拉格光栅阵列形状传感器的三维内窥镜导航框架，实现了内窥镜插入段的高精度、无辐射、实时三维形状重建，为提升微创介入操作的安全性、稳定性与智能化水平提供了新的技术路径。

内窥镜已成为精准医疗和微创诊疗中的重要工具，广泛应用于疾病早筛、病灶观察、组织活检和治疗监测等场景。然而，现有内窥镜操作高度依赖医生经验。在复杂腔道中，内窥镜可能出现过度弯曲、打结或成环等现象，不仅会增加患者不适，还可能降低操作成功率，严重时甚至带来医疗风险。因此，如何实时获取内窥镜插入段的三维形状与位姿信息，是发展智能微创手术和内窥镜导航技术的关键问题。

图1. 基于多芯密集光纤光栅阵列形状传感器的三维内窥镜导航研究成果

面向内窥镜导航的光纤形状感知

光纤形状传感技术具有体积小、柔性好、抗电磁干扰、可实时重建三维形状等优势，特别适用于内窥镜、导管和连续体机器人等柔性医疗器械。研究团队采用多芯密集光纤布拉格光栅阵列作为核心传感单元，通过多通道波长漂移信息获取局部应变，再进一步解算曲率、弯曲角和三维中心线，实现内窥镜插入段的实时形状重建。

不过，在实际应用中，多芯光纤形状传感仍面临多重挑战：一是封装和操作过程中容易引入随机扭转，影响弯曲方向判断；二是传感器封装后芯间距、芯角等几何参数会偏离设计值，导致重建误差；三是内窥镜插入长度不断变化，形状重建的参考零点难以固定；四是在大曲率弯曲下，相邻光栅反射谱可能发生重叠，导致波长解调失败。

针对这些问题，研究团队构建了集成化三维内窥镜导航方案，提出了扭转消除封装结构、扭转补偿与参数标定方法、插入段匹配算法以及光谱形状匹配算法，从传感器封装、算法补偿、插入长度估计和大曲率解调等方面系统提升了导航可靠性。

图2. 多芯光纤形状传感原理及内窥镜导航面临的关键挑战

扭转消除封装与参数标定提升重建精度

在内窥镜应用中，光纤传感器需要与柔性内窥镜结构紧密集成，同时又要避免封装过程中的扭转累积。研究团队设计了一种扭转消除封装结构，将多芯密集光纤光栅阵列、PTFE 套管、弹簧管和胶黏材料进行组合封装，使传感区域能够在弯曲时保持良好的柔性和稳定性，并有效抑制随机扭转对测量结果的影响。

同时，团队提出了扭转补偿与参数标定方法。通过直线槽和已知曲率圆弧槽对传感器进行标定，提取传感器封装后的内部扭转、芯间距和芯角等实际几何参数，再用于后续曲率和弯曲角解算。实验结果表明，采用该方法后，曲率估计误差由0.809 m⁻¹降低至0.327 m⁻¹，弯曲角误差由22.67 rad 降低至 0.123 rad，显著改善了内窥镜形状重建精度。

图3. （a）曲率半径为 220 mm 的二维弯曲条件下，第 10 个传感点处 2–4 号纤芯的应变。（b）采用 TC-PC 方法后，2–4 号纤芯在 27 个传感点处的芯间距和芯角波动情况。（c, d）未采用和采用 TC-PC 方法时，曲率半径为 280 mm 的二维圆弧的曲率和弯曲角分布。（e）采用 TC-PC 方法后，不同弯曲角度下二维圆弧的形状重建结果。（f）（e）在 XY 平面上的投影。

大曲率光谱重叠解调突破复杂腔道限制

在结直肠等复杂腔道中，内窥镜可能经历较大曲率弯曲。传统波分复用光纤光栅阵列在高密度布设时，相邻光栅波长间隔有限，当弯曲引起较大波长漂移时，反射谱会发生重叠，造成解调困难。为解决这一问题，研究团队提出了光谱形状匹配算法。该算法不仅依赖峰值波长，还综合利用峰值强度、边模抑制比和半高全宽等光谱特征，在参考光谱和变形光谱之间进行匹配；当部分光栅峰发生重叠或难以直接识别时，算法进一步结合多芯光纤弯曲应变之间的物理一致性约束，对缺失或重叠的波长信息进行恢复。

实验验证显示，该算法可在40 m⁻¹大曲率条件下保持有效解调，将可测曲率范围提升约3.4 倍，并在大曲率测量中保持 5.20% 的曲率测量相对误差，为内窥镜在复杂弯曲路径中的稳定导航提供了关键支撑。

图4. （a–c）在曲率半径分别为 75、50 和 25 mm 条件下，通过改变弯曲角度，采用 SSM 算法搜索得到的 1–4 号纤芯波长，用于验证该算法在不同曲率下的适应性。（d-1）–（d-3）分别为曲率半径 75、50 和 25 mm 时，FBG1–FBG3 在不同弯曲角度下的大曲率测量结果。

插入段匹配实现全程三维导航

临床内窥镜导航关注的是进入人体腔道的插入段，而非整根传感器的完整形状。由于操作过程中插入长度持续变化，必须实时确定插入段起点与内窥镜尖端位置。为此，研究团队提出插入段匹配算法，将光纤传感器重建得到的内窥镜三维点云与预先获得的腔道模型点云进行匹配，通过刚性配准和误差最小化确定动态插入长度与参考零点。

在结直肠模型实验中，集成形状传感器的内窥镜依次通过直肠、乙状结肠、降结肠、横结肠和升结肠等区域。系统能够同步显示内窥镜端部图像和插入段三维重建结果，并与结直肠模型保持较好对应关系。实验还验证了系统对α 环、反 α 环和 N 环等典型内窥镜成环状态的识别能力，有助于医生在操作过程中及时判断和解除异常弯曲或打结风险。

图5. （a–e）内窥镜插入过程中，直肠、乙状结肠、降结肠、横结肠和升结肠等介入部位对应的结直肠模型、内窥镜尖端图像及三维形状重建结果。

总结与展望

综上，该研究提出了一种面向微创诊疗的多芯密集光纤光栅三维内窥镜导航框架。通过扭转消除封装、扭转补偿与参数标定、插入段匹配以及光谱形状匹配算法的协同设计，研究团队显著提升了内窥镜形状传感在复杂弯曲、大曲率和动态插入场景下的精度与鲁棒性。

在标准曲线重建实验中，采用补偿与标定方法后，二维形状重建最大相对误差由4.15% 降低至 0.84%，三维形状重建最大相对误差由 8.53% 降低至 2.67%。在结直肠模型实验中，系统实现了稳定的全长度三维导航，并能够识别复杂成环状态，展示了其在提升内窥镜操作安全性、规范性和智能化方面的应用潜力。

未来，该技术有望进一步结合实时三维可视化平台和智能手术机器人系统，推动内窥镜导航、微创介入和智能诊疗装备的发展。

图6 . 华中科技大学纤上智感实验室成员（左8：闫志君教授；左9：孙琪真教授）

论文信息：Weiliang Zhao,et. al.,"Three-dimensional endoscopic navigation based on an MC-DFBG array shape sensor," Photon. Res. 14, 2263-2277 (2026).DOI: 10.1364/PRJ.589762.

来源：光谷实验室