Reconstruction 3D de la forme d'aiguilles chirurgicales en utilisant la réflectométrie fréquentielle dans des fibres optiques

The main objective of the research project is to track the shape of minimally invasive surgical tools (mainly needles) by inserting optical fibers into them. By measuring the strain along the fibers, we can easily relate it to the curvature of the fibers. Using three fibers glued together in a triangular geometry, the difference in the measured curvature of each fiber allows one to orientate the curvature in a 3D frame. Since the approach for shape tracking is strictly based on the insertion of optical fibers inside the restricted space available in minimally invasive surgical tools, it can be used with many types of surgical tools such as catheter needles, colonoscopes, or any other remotely controlled instrument. The knowledge of the position of the device inside the human body is of paramount importance to maximise the success of the intervention. Up to now, the most studied approach for shape tracking using optical fibers is based on fiber Bragg gratings (FBGs), which are useful devices to measure the strain in fibers. To the best of our knowledge, the best precision reached in the literature based on FBGs is ~0.28mm, corresponding to the accuracy in the predicted needle tip position. To reach this precision, two sensors were used, each one containing a set of three fibres with 3 FBGs (one in each fiber) for a total of 6 FBGs. More studies have been made using similar devices, with more or less number of FBG sensors separated by different distances. Most of these studies achieve an accuracy in the order of few millimeters. However, this approach to measure strain along the fibers is completely discrete since the strain is only known at the positions where the FBGs are located. Approximations are thus necessary to extrapolate the strains to recover the whole shape of the needle. This project suggests a truly distributed approach, different to the discrete FBGs technique, which has received little attention up to now for this type of applications. Our first hypothesis is that the precision of the shape tracking can be enhanced by using truly distributed strain sensing (instead of discrete sensing) since approximations are not needed to obtain the shape of the entire needle. This approach is based on optical frequency domain reflectometry (OFDR), which is an interferometric method frequently used to measure the attenuation along fibers. Indeed, OFDR is based on Rayleigh scattering, which is caused by a random distribution of refractive index on a microscopic scale in the fiber core.

Résumé

L'objectif principal de ce projet de recherche est d'effectuer de la reconstruction de forme d'aiguilles chirurgicales en insérant des fibres optiques à l'intérieur. En mesurant les contraintes le long des fibres optiques, on peut facilement obtenir la courbure des fibres. Trois fibres sont donc utilisées, collées dans une géométrie triangulaire de manière à ce que la différence entre leur courbure fournisse l'information nécessaire, avec une résolution plus élevée, pour orienter cette courbure dans un espace tridimensionnel. Puisque la méthode utilisée se base uniquement sur l'utilisation de fibres optiques, on peut extrapoler les possibles applications à des cathéters, des côlonoscopes, ou n'importe quels instruments chirurgicaux minimalement invasifs dont la position dans le corps est importante à connaitre pour maximiser les chances de succès de l'intervention chirurgicale ou éviter des perforations à l'intérieur du corps. Jusqu'à présent, l'approche la plus répandue pour ce genre d'applications est l'utilisation de réseaux de Bragg (« fibre Bragg grating » : FBG) pour mesurer la tension dans la fibre. La meilleure précision recensée dans la littérature avec cette approche est d'environ 0.28mm, qui correspond à l'erreur moyenne de la position du bout de l'aiguille. Pour obtenir cette précision, deux senseurs sont utilisés et chaque senseur comporte trois réseaux de Bragg, soit un dans chacune des trois fibres utilisées (donc un total de six FBGs). Plusieurs études ont été effectuées sur des dispositifs semblables, comportant plus ou moins de FBGs séparés de distances différentes. La plupart de ces études recensent des précisions sur la reconstruction de forme de l'ordre de quelques millimètres. Cela étant dit, cette approche pour mesurer la tension dans les fibres est discrète ; l'information sur la tension est donc obtenue uniquement aux endroits où les réseaux de Bragg sont inscrits et des approximations sont nécessaires pour reconstruire la forme complète de l'aiguille. Ce projet de recherche suggère donc l'utilisation d'une approche sensorielle peu étudiée jusqu'à présent pour ce type d'applications. Cette approche, contrairement aux FBGs, est pleinement distribuée. Notre hypothèse de départ est donc qu'en effectuant des mesures de contraintes de manières distribuées, une meilleure précision peut être obtenue sur la reconstruction de la forme d'instruments chirurgicaux minimalement invasifs puisqu'elle n'implique plus l'utilisation d'approximations.