Волоконно-оптические элементы для исследований биологических микрообъектов и контроля формы изгиба гибкого медицинского инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Егорова Дарья Андреевна

• Егорова Дарья Андреевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Егорова Дарья Андреевна

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Существующие подходы к решению проблемы доставки оптического излучения видимого диапазона для исследований биологических микрообъектов и методы контроля изгиба гибкого медицинского инструмента

1.1. Методы доставки оптического излучения видимого диапазона к биологическим микрообъектам

1.2. Методы изготовления волоконно-оптических элементов доставки излучения

1.2.1. Изготовление с помощью горелок (Flame Methods)

1.2.2. Изготовление с помощью лазера CO2 (Laser Heating)

1.2.3. Изготовление с помощью электрических методов нагрева (Electrical Heating)

1.3. Методы определения формы изгиба волоконно-оптического устройства доставки оптического излучения

1.3.1. Датчики электрического сопротивления и деформации

1.3.2. Оптоэлектронные датчики

1.3.3. Датчики на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС)

1.3.4. Волоконно-оптические измерительные системы

1.3.4.1. Принцип работы волоконно-оптических измерительных систем

1.3.4.2. Конструкции волоконно-оптических датчиков для контроля геометрии гибких объектов

Выводы по главе

Глава 2. Создание волоконно-оптического элемента для облучения биологических микрообъектов оптическим излучением видимого диапазона

2.1. Моделирование волоконно-оптического элемента для облучения биологических микрообъектов оптическим излучением

2.2. Метод изготовления волоконно-оптического конусного элемента

2.3. Исследование расходимости лазерного излучения

2.4. Оценка локального нагрева натриево-фосфатного буфера

Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальное исследование по установлению зависимости внутриклеточных процессов от мощности и времени воздействия лазерного излучения

3.1. Экспериментальное исследование по установлению зависимости внутриклеточных процессов от мощности и времени воздействия лазерного излучения с длиной волны 650 нм на клеточную линию Huh7

3.2. Экспериментальное исследование по установлению зависимости внутриклеточных процессов от низкой мощности лазерного излучения с длинами волн видимого диапазона на клеточные линии Huh7, Alexander, HepG2

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальное исследование оптических волокон с массивами решеток Брэгга для контроля формы изгиба гибкого медицинского устройства

4.1. Экспериментальное исследование многосердцевинного чирпированными решетками Брэгга на изгиб

4.2. Контроль формы изгиба гибкого медицинского устройства

волокна с

178

Выводы по главе

Основные публикации по теме диссертации

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список использованных источников

Список работ автора

Приложение 1 Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волоконно-оптические элементы для исследований биологических микрообъектов и контроля формы изгиба гибкого медицинского инструмента»

Актуальность работы

В настоящее время применение лазерного излучения в медицинской практике широко распространено и обладает высокой актуальностью. Прежде всего, высокоинтенсивное лазерное излучение находит применение в хирургических методах при нанесении поверхностных и глубоких разрезов, для испарения поверхностных слоев кожи, так называемая шлифовка, для термической коагуляции тканей и т.д. В свою очередь, оптическое излучение видимого и ближнего инфракрасного диапазонов малой мощности используется для ускорения заживления ран, роста волос, регенерации тканей, уменьшения боли и предотвращения воспаления. Этот вид воздействия получил название низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ (Low Level Light/Laser Therapy - LLLT) или фотобиомодуляция (Photobiomodulation - PBM).

На данный момент глубокое понимание биофизических механизмов, вызывающих лазерно-индуцированные внутриклеточные изменения, обладает высокой актуальностью. Несмотря на значительное количество исследований по изучению терапевтического влияния лазерного излучения на ткани организма человека, чёткого объяснения его механизмов на сегодня нет. Кроме того, лазерное излучение с высокой плотностью энергии все чаще применяется в оптической микроскопии сверхвысокого разрешения (например: фотоактивируемая локализационная микроскопия (PALM), стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (STORM) и микроскопия на основе подавления спонтанного испускания (STED)), которая обеспечивает более высокое пространственное разрешение, но требует, в свою очередь, высокую плотность энергии в диапазоне кВт/см2. Предотвращение развития фототоксичности, вызванной оптическим излучением при долговременной микроскопической визуализации живых биологических объектов, является плохо изученной проблемой. Для проведения такого рода

исследований необходимо обеспечить прецизионную доставку оптического излучения не только к культуре клеток, но и к одиночному биологическому микрообъекту, при этом необходимо учитывать ряд параметров, таких как длина волны излучения, мощность, плотность мощности, расходимость и другие. Полученные результаты исследований могут использоваться в части разработки биомедицинских систем с низкоинтенсивным лазерным излучением для клинических применений в офтальмологии, пульмонологии, гинекологии, урологии, кардиологии, гастроэнтерологии, дерматологии и других областях медицины и способствуют достижению значительного терапевтического эффекта.

Кроме того, высокой актуальностью обладает контроль изгиба гибкого медицинского инструмента при проведении малоинвазивных процедур в различных клинических применениях (в том числе при доставке оптического излучения). В процессе малоинвазивной операции, как правило, происходит оперирование внутренних органов организма человека через небольшие проколы внешних кожных покровов или естественные физиологические отверстия. Для осуществления хирургических малоинвазивных процедур предусматривается использование гибких медицинских инструментов (катетеров, игл для биопсии, инъекционных игл, зондов, эндоскопов) с возможностью их удаленного управления при непрямом наблюдении посредством контроля с помощью эндоскопа или другого подобного прибора. Основным преимуществом такого рода хирургических процедур является то, что разрезы на коже являются точечными и вмешательство в организм минимально, что позволяет сократить время пребывания пациента в больнице или проводить лечение амбулаторно.

Подходы к контролю положения гибких медицинских инструментов при введении в организм человека в режиме реального времени включают в себя визуализацию (ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ)), электромагнитные системы слежения и другие. Однако у перечисленных методов есть

определенные недостатки. Альтернативным методом определения геометрии гибкого медицинского инструмента являются встроенные в него волоконно-оптические датчики, обладающие рядом важных для врачебной практики преимуществ: высокая скорость обработки данных, которая позволяет контролировать положение инструмента в режиме реального времени, возможность встроить датчик в медицинский хирургический инструмент и электромагнитная инертность. Таким образом, их возможно использовать в клинических условиях, не вызывая электрических помех. Улучшение характеристик и разработка новых методов опроса датчиков для контроля геометрии гибкого медицинского инструмента в режиме реального времени позволят повысить качество позиционирования при введении их в тело человека и свести к минимуму ошибки при проведении малоинвазивных процедур, а также снизить дозы облучения при использовании методов, основанных на рентгеновском излучении.

Целью настоящей работы является создание и исследование волоконно-оптических элементов для доставки оптического излучения к биологическим микрообъектам и контроля формы изгиба гибкого медицинского инструмента, применяемого для проведения малоинвазивных процедур.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

1. проведен литературный обзор существующих методов доставки оптического излучения видимого диапазона к биологическим микрообъектам и методов определения формы изгиба волоконно-оптического устройства доставки оптического излучения;

2. создан волоконно-оптический элемент для облучения биологических микрообъектов оптическим излучением видимого диапазона с сохранением возможности их визуального наблюдения и доступа к ним с помощью контактных измерительных устройств;

3. с помощью созданного волоконно-оптического элемента проведено экспериментальное исследование по установлению зависимости внутриклеточных процессов от мощности и времени воздействия лазерного излучения;

4. проведено экспериментальное исследование оптических волокон с массивами решеток Брэгга для определения расположения и изгибов протяженных объектов в пространстве.

Научная новизна работы

1. Впервые предложен метод изготовления волоконного элемента, позволяющий прецизионно доставить излучение видимого диапазона к биологическим одиночным микрообъектам в рамках исследований по изучению биофизических механизмов, вызывающих лазерно-индуцированные клеточные эффекты.

2. Впервые установлена взаимосвязь между мощностью, длиной волны излучения и биологическими механизмами клеточной смерти, которые возникают при воздействии излучением, что дает возможность разработать фармакологическую основу для снижения фототоксичности при проведении процедур лазерной терапии и использовании в микроскопии со сверхвысоким разрешением.

3. Впервые реализован метод для контроля геометрии гибкого медицинского инструмента с применением регрессионного анализа суперпозиций спектров отражения массивов чирпированных решеток Брэгга, распределенных по длине световода.

Научная и практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в том, что всесторонне рассмотрены проблемы, возникающие при доставке оптического излучения при проведении биологических исследований и контроля гибкого медицинского инструмента, определены возможные пути их решения с применением новых научных подходов. Предложенные разработки могут

быть применены в рамках исследований по изучению биофизических механизмов, вызывающих лазерно-индуцированные клеточные эффекты, а также способствуют повышению качества позиционирования гибкого инструмента при введении его в тело человека, что поможет свести к минимуму ошибки при проводимых малоинвазивных процедурах и снизить дозы облучения при использовании методов контроля с применением рентгеновского излучения, в частности:

• созданный волоконно-оптический элемент позволяет облучать биологические микрообъекты оптическим излучением видимого диапазона с сохранением возможности его визуального наблюдения и доступа к нему с помощью контактных измерительных устройств;

• разработанная компьютерная модель позволяет оценить угол расходимости волоконного элемента для доставки оптического излучения на основе одномодового телекоммуникационного оптического волокна;

• изготовленный образец многосердцевинного оптического волокна с массивами чирпированных решеток Брэгга позволяет контролировать форму изгиба гибкого медицинского инструмента, применяемого при проведении малоинвазивных процедур.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные метод изготовления и конструкция волоконного конусного элемента с переходной областью, покрытой слоем титана, и выходным диаметром не более 20 мкм обеспечивают доставку оптического излучения видимого диапазона к биологическим микрообъектам размером менее 30 мкм и формируют пятно засветки с распределением интенсивности близкой к функции Гаусса с полным углом расходимости не более 8°.

2. Предложенный волоконный конусный элемент позволяет изменять митохондриальную активность в одиночных клетках рака печени человека линии Н^7 путем их облучения оптическим излучением с центральной длиной волны 650 нм, что приводит к запуску механизма апоптоза при

мощности излучения 46 мкВт или механизма некроза при мощности излучения 1 мВт и времени экспозиции не более 40 мин.

3. Метод определения осевых деформаций по длине отрезка оптического волокна с семью сердцевинами в единой кварцевой оболочке диаметром 125 мкм и шагом скрутки 20 мм с применением регрессионного анализа суперпозиций спектров отражения массивов чирпированных решеток Брэгга, распределенных по длине световода, позволяет контролировать геометрию гибкого медицинского инструмента доставки оптического излучения для малоинвазивных процедур.

Методы исследования

1. Методы компьютерного моделирования волоконных элементов с использованием программы Zemax.

2. Метод контроля геометрии гибкого медицинского инструмента с применением регрессионного анализа.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• X международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» 2018 года (Санкт-Петербург);

• VI, VII, VIII Конгрессе молодых ученых 2017, 2018 и 2019 годов (Санкт-Петербург);

• XLVI, XLVII, XLVIII и XLIX Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 2017-2020 годов (Санкт-Петербург);

• международной конференции International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-19) 2019 года (Санкт-Петербург);

• международной конференции 7TH workshop on frontiers in redox biochemistry and medicine (FiRBaM) 2018 года (Германия);

• European Conferences on Biomedical Optics (ECBO) 2019 года (Германия).

Достоверность научных достижений

Достоверность подтверждается согласованностью проделанного аналитического обзора, теоретических расчетов, результатов численного моделирования с результатами экспериментов, представленных в работе. При проведении моделирования волоконных элементов и обработке полученных экспериментальных данных использовались современные программные пакеты: Zemax, Matlab, Comsol Multiphysics и другие. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированном оборудовании. Полученные результаты исследований обсуждались на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

Результаты работы используются в Биофизической лаборатории института Физики Академии наук Чешской Республики (г. Прага) при проведении исследований по влиянию излучения на культуры клеток.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 публикации в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 3 публикации из перечня ВАК, 7 публикаций в иных изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 204 страницах, содержащих 78 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 200 наименований.

Личный вклад автора

Все приведенные в работе расчёты, а также изготовление образцов и экспериментальные исследования выполнены лично соискателем, либо при непосредственном участии. Автор выражает благодарность коллегам, в особенности коллективу института Физики Академии наук Чешской Республики (г. Прага), за совместное проведение экспериментальных

исследований по установлению зависимости внутриклеточных процессов от мощности и времени воздействия лазерного излучения.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, обозначены задачи работы. Также представлены научная новизна, научная и практическая значимость диссертационной работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава работы направлена на обзор существующих подходов и возникающих проблем в части доставки оптического излучения видимого диапазона для исследований биологических микрообъектов и контроля изгиба гибкого медицинского инструмента.

В первой части обзора были рассмотрены методы доставки оптического излучения видимого диапазона к биологическим микрообъектам. Основное внимание уделено методам изготовления конусных волоконно-оптических элементов за счет плавного уменьшения диаметра оптического волокна. Было отмечено, что на сегодняшний день изготовление волоконно-оптических конусных элементов с помощью сварочного аппарата - это наиболее удобный, быстрый и надежный способ. Кроме того, такой способ не требует дополнительного оборудования. Настоящая методика обеспечивает высокую повторяемость и позволяет создать волоконно-оптический элемент с уменьшенным диаметром до 20 мкм.

В части обзора методов определения формы изгиба волоконно-оптического устройства доставки оптического излучения были описаны различные подходы к контролю положения гибкого медицинского инструмента, включая методы визуализации (магнитно-резонансная томография, компьютерная томография, ультразвуковое исследование, методы электромагнитного отслеживания и устройства, такие как камеры, волоконно-оптические измерительные системы). Отмечено, что волоконно-оптические датчики для контроля положения инструментов имеют ряд преимуществ, например, высокая скорость обработки данных дает

возможность контролировать не только положение инструмента, но и его форму в целом в режиме реального времени. Датчики электромагнитно инертны, что позволяет их использовать в клинических условиях, не вызывая электрических помех в используемых хирургических приборах, а также возможно встроить датчик в медицинский хирургический инструмент. Кроме того, волоконно-оптические датчики обеспечивают повышенную точность по сравнению с методами на основе кинематики и механики. Чувствительными элементами в таких типах датчиков являются, в большинстве своем, волоконные решетки Брэгга, период которых изменяется за счет механического воздействия на волокно, что приводит к сдвигу центральной длины волны Брэгга, который фиксируется системами опроса.

Основываясь на результаты проделанного обзора литературы были сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты исследования волоконно-оптического конусного элемента для облучения биологических микрообъектов оптическим излучением видимого диапазона (длины волн 650 нм, 505 нм и 398 нм) с сохранением возможности его визуального наблюдения и доступа к нему с помощью контактных измерительных устройств.

В первой части главы была разработана компьютерная модель, которая позволила оценить угол расходимости волоконного элемента для доставки оптического излучения на основе одномодового телекоммуникационного оптического волокна (см. рис. 1). Геометрия тейпера была задана с учетом требований к элементу доставки оптического излучения к биологическим микрообъектам: диаметр торца не более 20 мкм, угол конуса изменялся от 2° до 10° с шагом в 2° для оценки расходимости излучения на выходе и обеспечения переходной области с плавным изменением диаметра от 125 мкм до 20 мкм с областью перетяжки длиной не менее 0,5 мм (см. рис. 1б).

а

б

Рисунок 1 - Геометрические параметры моделей и их вид в программной среде Хешах с введенным излучением: а - модель с оптическим волокном с постоянным диаметром, б - модель конусного волокна (оптоволоконного

тейпера)

Для определения угла расходимости были размещены 6 прямоугольных детекторов на расстоянии от торца от 8 мм до 33 мм с шагом 5 мм. Угол расходимости равен углу наклона прямой, соответствующей линейной зависимости изменения радиуса пятна на уровне 1/е2 в зависимости от расстояния. На рисунке 2а представлены полученные зависимости для модели с оптическим волокно с постоянным диаметром для длин волн 398 нм, 505 нм, 650 нм с учетом полученных значений радиуса в зависимости от расстояния.

В вычислениях использовались только значения радиуса пятна, так как распределение интенсивности симметрично относительно оси.

Как уже было обозначено выше, угол расходимости определялся из угла наклона прямой, полученной при линейной аппроксимации данных (см. рис.2а). Полные углы расходимости для модели с оптическим волокном с постоянным диаметром составили:13,32°, 13,35° и 13,54° для длин волн 650 нм, 505 нм и 398 нм соответственно.

На рисунке 2б представлены зависимость полного угла расходимости оптического излучения и зависимость длины переходной части от угла конуса оптоволоконного тейпера. Углы расходимости определялись также из угла наклона прямой, полученной при линейной аппроксимации данных. Полные углы расходимости получились меньше 8°. Как видно из значений, расходимость на выходе из оптического волокна с постоянным диаметром выше, чем у конусного волоконного элемента, и, кроме того, внешний диаметр в 125 мкм перекроет микрообъект, что не подходит для наших целей. С учетом дальнейшего применения волоконных элементов для облучения биологических микрообъектов оптическим излучением видимого диапазона необходимо обеспечить плавный переход к диаметру перетяжки в самом узком месте не более 20 мкм с целью подведения к объекту в среде в чашке Петри, а также сохранить наименьшую расходимость, изготовленные волоконные элементы должны иметь угол конуса в диапазоне от 2° до 5° (длина переходной части в таком случае составляет от 3 мм до 1 мм).

Расстояние от торца, мм

а

б

Рисунок 2 - Результаты моделирования: а - зависимость радиуса пятна от расстояния от торца волоконного элемента для модели с оптическим волокно с постоянным диаметром, б - зависимость полного угла расходимости оптического излучения и зависимость длины переходной части от угла

конуса оптоволоконного тейпера

Во второй части главы описано изготовление волоконно-оптических биконических тейперов с диаметром перетяжки 15±5 мкм с помощью аппарата

для сварки оптических волокон Fujikura FSM-100P. С целью устранения нежелательных эффектов распространения оптического излучения на области перетяжки формировалось защитное покрытие из диоксида титана методом электронно-лучевого напыления. После процесса напыления защитного покрытия оптоволоконный тейпер скалывался в области перетяжки и осуществлялась полировка торца на полировальном аппарате Bare Fiber Polisher (Krell Technologies). Также была произведена оценка геометрии полученных образцов (см. рис. 3).

Рисунок 3 - Оценка геометрии полученного образца: а - совмещенные снимки, полученные на камере полировального аппарата, б - геометрические размеры полученного тейпера Далее проводилось исследование расходимости лазерного излучения по методике, описанной выше. На рисунке 4 получена зависимость радиуса лазерного пучка w(z) от расстояния 2 по координатам X и Y для длин волн излучения 650 нм, 505 нм и 398 нм для трех образцов тейперов. На графиках отмечен полный угол расходимости ) для видимого диапазона длин волн для трех образцов. Наибольшая расходимость для данного диапазона

а

б

составила 7,16°. Разброс в значениях расходимости связан с разницей в геометрии образцов, которая возникала в процессе изготовления, что повлияло на условие распространения излучения с обозначенными длинами волн в образцах. Кроме того, полученная расходимость по результатам моделирования (с учетом параметров, изготовленных тейперов) лежит в доверительном интервале (см. рис. 4) (для модели оптоволоконного тейпера полные углы расходимости 5,61°, 5,66° и 5,78° для длин волн 650 нм, 505 нм и 398 нм соответственно). Доверительный интервал (голубая область на графиках) определён с помощью расчета математического ожидания и стандартного отклонения для полученных углов расходимости для трех образцов.

а

200 150

N

60

5, "

С

0

1 -50 га

о.

-Расходимость по координате X (1 образец) ---Расходимость по координате У (1 образец) — Расходимость по координате X (2 образец) ---Расходимость по координате У (2 образец) --Расходимость по координате X (3 образец) - - Расходимость по координате У (3 образец) — Расходимость (Модель) 505 нм

9С=6,760

1.5 2

Расстояние (г), мм

б

200150 100

1

х 5

^ 50 |

то

* 0 >ч С О

| -50 то а.

-100 -150 -200

0 0-5 1 1.5 2 2.5 3

Расстояние [г), мм

в

Рисунок 4 - Расходимость оптического излучения для трех различных образцов: а - для излучения с длиной волны 398 нм, б - для излучения с длиной волны 505 нм, в - для излучения с длиной волны 650 нм Стоит отметить, что понимание биофизических механизмов, вызывающих лазерно-индуцированные клеточные эффекты, обладает высокой актуальностью. Многочисленные исследования описывают различные биохимические процессы, происходящие в тканях организма в ответ на фотобиомодуляцию. В проведенных ранее исследованиях было выдвинуто предположение, что митохондрии в клетках выступают в качестве основного «эффектора» при воздействии оптическим излучением, то есть в них запускаются различные процессы, влияющие на жизнедеятельность клетки в целом. Также установление зависимостей внутриклеточных процессов от мощности и времени воздействия лазерного излучения в клетках рака печени имеет высокую значимость, так как об их реакции на воздействие известно относительно мало и в их структуре содержится большое количество митохондрий, таким образом с помощью полученных результатов станет возможно подтвердить или опровергнуть предположенные раннее теории. Средний размер таких клеток колеблется и составляет примерно 30 мкм, поэтому созданный конусный элемент (оптоволоконный тейпер) с диаметром

20 мкм возможно подвести непосредственно к микрообъекту без его перекрытия, а диаметр лазерного пучка, не превышающий 70 мкм на расстояние 0,5 мм от торца, позволит его полностью засветить.

Кроме того, в большинстве работ описывается влияние оптического излучения красного или ближнего инфракрасного диапазона, тогда как сравнение с другими длинами волн часто не проводится. В главе 2 в качестве источника оптического излучения использовался разработанный лазерный диодный модуль, который состоял из трех лазерных диода с длинами волн 650 нм, 505 нм и 398 нм, что обеспечило проведение комплексного сравнительного исследования.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию по установлению зависимости внутриклеточных процессов от мощности и времени воздействия лазерного излучения на клеточные линии рака печени. Исследование проводилось совместно с научными сотрудниками института Физики Академии наук Чешской Республики (г. Прага) на их базе. В качестве волоконно-оптического элемента доставки был использован оптоволоконный тейпер, созданный согласно методике, описанной в главе 2. В первой части главы для воздействия лазерным излучением с равномерным пятном засветки биологических объектов была использована система, представленная на рисунке 5. В состав системы входил лазерный диодный модуль LDI-FP-660-20-X-3-SM04FU-CW с длиной волны 650 нм.

Рисунок 5 - Схематичное изображение лазерной системы для воздействия

излучением на клеточную культуру

Для исследования были выбраны следующие мощности излучения на выходе из волоконно-оптического элемента: максимальная - 1 мВт, минимальная - 42 мкВт. Такие мощности чаще всего используются для биомедицинских применений. В рамках первой части главы была выбрана клеточная линия гепатоцеллюлярной карциномы человека Huh7 (клетки рака печени), полученная из Японской коллекции исследовательских биоресурсов ^СЯВ). Для контроля, детектирования или запуска биологических механизмов в клеточных культурах использовались флуоресцентные красители (пробы) и химические реактивы. Суть метода анализа полученных данных эксперимента сводилась к подсчету интенсивности флуоресценции красителя (параметр, пропорциональный количеству фотонов, достигающий детектора в течение единицы времени), который проявляет себя при изменении значений физиологических переменных, и нормированию ее на интенсивность в определенный момент времени. На рисунке 6 продемонстрированы результаты эксперимента по жизнеспособности клеточной культуры при воздействии лазерным излучением с разной мощностью и анализ полученных данных с конфокального микроскопа. Более низкая мощность лазерного излучения оказалась менее цитотоксична по отношению к клеткам Huh7. Полученные экспериментальные данные продемонстрировали, что высокая мощность лазерного излучения вызывает формирование высоких концентраций активных форм кислорода, что провоцирует оксидативный стресс (процесс повреждения клетки в результате окисления) и приводит к гибели клетки - некрозу, посредством увеличения проницаемости митохондрий. Напротив, низкая мощность лазерного излучения приводит к накоплению супероксида в ядре, что разрушает ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и вызывает программируемую клеточную смерть - апоптоз. Важно отметить, что была проанализирована связь между деполяризацией митохондрий и активацией активных форм кислорода (АФК). В данном случае митохондрии имеют роль одних из клеточных «эффекторов» лазерного излучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егорова Дарья Андреевна, 2020 год

Литература

Ревин В.В., Максимов Г.В., Кольс О.Р. Биофизика:

учебник. Саранск: Мордовский ун-т, 2002. 156 с.

Stein W.D. Transport and Diffusion Across Cell Membranes.

San Diego: Academic Press, 1986. 704 p.

Moore P., Ridgway T.D., Higbee R.G., Howard E.W., Lucroy

M.D. Effect of wavelength on low-intensity laser irradiation-

References

Revin V.V., Maksimov G.V., Kol's O.R. Biophysics. Textbook. Saransk, Mordovia State Univ. Publ., 2002, 156 p. (In Russian)

Stein W.D. Transport and Diffusion Across Cell Membranes.

San Diego, Academic Press, 1986, 704 p.

Moore P., Ridgway T.D., Higbee R.G., Howard E.W.,

1

stimulated cell proliferation in vitro // Lasers in Surgery and Medicine. 2005. V. 36. N 1. P. 8-12. doi: 10.1002/lsm.20117

4. Siuda E.R., Copits B.A., Schmidt M.J. et. al. Spatiotemporal control of opioid signaling and behavior // Neuron. 2015. V. 86. N 4. P. 923-935. doi: 10.1016/j.neuron.2015.03.066

5. Rounds D.E., Chamberlain E.C., Okigaki I. Laser radiation of tissue cultures // Annals of New York Academy of Science. 1965. V. 28. N 122. P. 713-727. doi: 10.1111/j. 1749-6632.1965.tb20253.x

6. Johnson F.M. Olson R.S., Rounds D.E. Effects of high-power green laser radiation on cells in tissue culture // Nature. 1965. V. 205. N 4972. P. 721-722. doi: 10.1038/205721a0

7. Ong W.-K., Chen H.-F., Tsai Ch.-T. et. al. The activation of directional stem cell motility by green light-emitting diode irradiation // Biomaterials. 2013. V. 34. N 8. P. 1911-1920. doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.11.065

8. Arany P.R., Cho A., Hunt T.D. et. al. Photoactivation of endogenous latent transforming growth factor-ß1 directs dental stem cell differentiation for regeneration // Science Translational Medicine. 2014. V. 6. N 238. P. 238ra69. doi: 10.1126/scitranslmed.3008234

9. Mvula B., Mathope T., Moore T., Abrahamse H. The effect of low level laser irradiation on adult human adipose derived stem cells // Lasers in Medical Science. 2008. V. 23. N 3. P. 277-282. doi: 10.1007/s10103-007-0479-1

10. Баган В.А., Никитов С.А., Чаморовский Ю.К., Шатров А.Д. Исследование свойств активных оптических конусных волокон с двойной оболочкой // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. № 10. С. 1234-1242.

11. Brambilla G., Xu F., Horak P. et. al. Optical fiber nanowires and microwires: fabrication and applications // Advances in Optics and Photonics. 2009. V. 1. P. 107-161. doi: 10.1364/AOP. 1.000107

12. Kbashi H.J. Fabrication of submicron-diameter and taper fibers using chemical etching // Journal of Materials Science and Technology. 2012. V. 28. N 4. P. 308-312. doi: 10.1016/s1005-0302(12)60059-0

13. Harun S.W., Lim K.S., Tio C.K., Dimyati K., Ahmad H. Theoretical analysis and fabrication of tapered fiber // Optik. 2013. V. 124. N 6. P. 538-543. doi: 10.1016/j.ijleo.2011.12.054

14. Lim K.S., Harun S.W., Arof H., Ahmad H. Fabrication and applications of microfiber // Selected Topics on Optical Fiber Technology. 2012. P. 478-508. doi: 10.5772/31123

15. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968. 347 с.

16. Lefevre H.C. The Fiber Optic Gyroscope. Boston: Artech House, 1993. 313 p.

Авторы

Егорова Дарья Андреевна - инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, dashaegorova18@gmail. com

Куликов Андрей Владимирович - кандидат технических наук, доцент, доцент, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [e-mail]

Мухтубаев Азамат Булатович - инженер-исследователь, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [e-mail]

Lucroy M.D. Effect of wavelength on low-intensity laser irradiation-stimulated cell proliferation in vitro. Lasers in Surgery and Medicine, 2005, vol. 36, no. 1, pp. 8-12. doi: 10.1002/lsm.20117

4. Siuda E.R., Copits B.A., Schmidt M.J. et. al. Spatiotemporal control of opioid signaling and behavior. Neuron, 2015, vol. 86, no. 4, pp. 923-935. doi: 10.1016/j.neuron.2015.03.066

5. Rounds D.E., Chamberlain E.C., Okigaki I. Laser radiation of tissue cultures. Annals of New York Academy of Science, 1965, vol. 28, no. 122, pp. 713-727. doi: 10.1111/j. 1749-6632.1965.tb20253.x

6. Johnson F.M. Olson R.S., Rounds D.E. Effects of highpower green laser radiation on cells in tissue culture. Nature, 1965, vol. 205, no. 4972, pp. 721-722. doi: 10.1038/205721a0

7. Ong W.-K., Chen H.-F., Tsai Ch.-T. et. al. The activation of directional stem cell motility by green light-emitting diode irradiation. Biomaterials, 2013, vol. 34, no. 8, pp. 19111920. doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.11.065.

8. Arany P.R., Cho A., Hunt T.D. et. al. Photoactivation of endogenous latent transforming growth factor-ß1 directs dental stem cell differentiation for regeneration. Science Translational Medicine, 2014, vol. 6, no. 238, pp. 238ra69. doi: 10.1126/scitranslmed.3008234

9. Mvula B., Mathope T., Moore T., Abrahamse H. The effect of low level laser irradiation on adult human adipose derived stem cells. Lasers in Medical Science, 2008, vol. 23, no. 3, pp. 277-282. doi: 10.1007/s10103-007-0479-1

10. Bagan V.A., Nikitov S.A., Chamorovskii Yu.K., Shatrov A.D. Studying the properties of double-clad active cone optic fibers. Journal of Communications Technology and Electronics, 2010, vol. 55, no. 10, pp. 1154-1161. doi: 10.1134/S1064226910100098

11. Brambilla G., Xu F., Horak P. et. al. Optical fiber nanowires and microwires: fabrication and applications. Advances in Optics and Photonics, 2009, vol. 1, pp. 107-161. doi: 10.1364/AOP. 1.000107

12. Kbashi H.J. Fabrication of submicron-diameter and taper fibers using chemical etching. Journal of Materials Science and Technology, 2012, vol. 28, no. 4, pp. 308-312. doi: 10.1016/s1005-0302(12)60059-0

13. Harun S.W., Lim K.S., Tio C.K., Dimyati K., Ahmad H. Theoretical analysis and fabrication of tapered fiber. Optik, 2013, vol. 124, no. 6, pp. 538-543. doi: 10.1016/j.ijleo.2011.12.054

14. Lim K.S., Harun S.W., Arof H., Ahmad H. Fabrication and applications of microfiber. Selected Topics on Optical Fiber Technology, 2012, pp. 478-508. doi: 10.5772/31123

15. Pleshivtsev N.V. Katodnoe Raspylenie. Moscow, Atomizdat Publ., 1968, 347 p. (In Russian)

16. Lefevre H.C. The Fiber Optic Gyroscope. Boston, Artech House, 1993, 313 p.

Authors

Daria A. Egorova - engineer, ITMO University, Saint Petersburg,

197101, Russian Federation, [e-mail]

Andrey V. Kulikov - PhD, Associate Professor, Associate

Professor, Head of laboratory, ITMO University, Saint Petersburg,

197101, Russian Federation, [e-mail]

Azamat B. Mukhtubaev - research engineer, ITMO University,

Saint Petersburg, 197101, Russian Federation,

[e-mail]

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ сентябрь-октябрь 2018 Том 18 № 5 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS September-October 2018 Vol. 18 No 5 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en

УДК 681.2.08

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОСЕРДЦЕВИННОГО ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА С МАССИВОМ ВОЛОКОННЫХ БР ЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

Д. А. Егорова3, А.В. Куликов3

а Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [e-mail] Информация о статье

Поступила в редакцию 13.06.18, принята к печати 21.07.18 doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-5-901-904 Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Егорова Д.А., Куликов А.В. Результаты экспериментального исследования и моделирования многосердцевинного волоконного световода с массивом волоконных брэгговских решеток // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 5. С. 901-904. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-5-901-904

Аннотация

Предмет исследования. В работе рассмотрен один из актуальных вопросов разработки и создания измерительной системы для определения и контроля расположения, изгибов протяженных объектов в пространстве. Авторами предложен вариант создания чувствительной части волоконно-оптического измерительного устройства на основе чирпированных волоконных брэгговских решеток, записанных в многосердцевинном волокне. Метод. Сущность метода сводится к установке зависимости изменения периода решетки в каждой сердцевине от радиуса изгиба волокна, что позволяет удаленно восстановить траекторию укладки волоконного световода в пространстве. Основные результаты. Представлены результаты эксперимента с односердцевинным одномодовым волокном с массивом чирпированных волоконных брэгговских решеток. Приведены оптическая схема эксперимента и спектры отражения до и после изгиба односердцевинного волоконного световода. Представлена геометрия многосердцевинного волокна и компьютерная модель участка изогнутого световода с заданным радиусом. Практическая значимость. В отличие от существующих волоконно-оптических измерительных систем система с многосердцевинным оптическим волокном с массивом чирпированных волоконных брэгговских решеток позволит определить траекторию укладки волоконного световода в пространстве без использования методов частотной оптической рефлектометрии. Ключевые слова

волоконный световод, массив чирпированных волоконных брэгговских решеток, многосердцевинное оптическое

волокно, волоконно-оптическая измерительная система

Благодарности

Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №03.025.31.0245).

RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCH AND SIMULATION OF MULTI-CORE FIBER WAVEGUIDE WITH FIBER BRAGG GRATINGS ARRAY

D.A. Egorovaa, A.V. Kulikova

a ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [e-mail] Article info

Received 13.06.18, accepted 21.07.18 doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-5-901-904 Article in Russian

For citation: Egorova D.A., Kulikov A.V. Results of experimental research and simulation of multi-core fiber waveguide with fiber Bragg gratings array. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 5, pp. 901-904 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-5-901-904

Abstract

Subject of Research. The development and creation of a measurement system for determination and monitoring of the location and bends of extended objects in space are actual at the moment. We propose the creation of a sensitive part of fiber-

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ.

optic measurement system based on chirped fiber Bragg gratings (FBGs) inscribed in a multi-core fiber. Method. The method essence lies in dependence determination of the grating period change in each core on the bending radius of the fiber, that gives the possibility to reconstruct remotely the trajectory of the optical fiber laying in space. Main Results. The paper presents experiment results with a single-mode fiber with an array of chirped FBGs. The experimental optical scheme and the reflection spectra before and after the single-core optical fiber bending are shown. The geometry and computer model of multi-core fiber section with a given radius bend are described. Practical Relevance. Unlike the other existing fiber-optic measurement systems, a system with multi-core optical fiber with chirped FBGs array makes it possible to determine the trajectory of fiber-optic light guide laying in space without using methods of optical frequency domain reflectometry, which determine the location of the Bragg gratings along the optical fiber length. Keywords

fiber-optic light guide, chirped fiber Bragg gratings array, multi-core optical fiber, fiber-optic measurement system Acknowledgements

This work has been performed at ITMO University and supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (the project No. 03.G25.31.0245).

Волоконно-оптические измерительные системы в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях [1]. Актуальными на данный момент является разработка и создание волоконно-оптической измерительной системы для определения и контроля расположения и изгибов протяженных объектов в пространстве. Данная система, позволяющая определить форму объекта, включая длинные гибкие тела, находит применение в медицине (контроль положения малоинвазивных хирургических устройств и инструментов, введенных в организм человека) [2, 3], аэрокосмической отрасли (мониторинг развертываемых конструкций во время полета), энергетике (измерение формы лопасти на ветровых турбинах для управления ими в реальном времени) и др.

Волоконно-оптические измерительные системы для определения и контроля расположения и изгибов протяженных объектов в пространстве реализуются на основе волоконных решеток Брэгга, записанных по всей длине многосердцевинного волоконного световода [4]. Датчики на основе волоконной брэг-говской решетки (ВБР) широко используются для динамической структурной деформации в различных инженерных сооружениях, включая мониторинг трубопроводов, нефтяных скважин, мониторинг состояния зданий и сооружений. ВБР представляет собой модуляцию показателя преломления в сердцевине оптического волокна, которая приводит к отражению света, распространяющегося по волокну в узком диапазоне длин волн, для которых выполняется условие Брэгга, связывающее длину волны и период решетки. Анализируя спектры отражения от ВБР на одном участке волокна, можно определить относительные уровни деформации волоконного световода [5, 6]. Это связано с тем, что решетка на внутренней стороне изгиба волокна будет испытывать сжатие, что приводит к уменьшению периода решетки, в то время как на внешней - растяжение и, соответственно, увеличение периода. Дальнейшая обработка результатов позволяет удаленно восстановить форму оптического волокна, повторяющего расположение протяженных объектов в пространстве, в трехмерной системе координат [7, 8].

В настоящей работе объектом экспериментальных исследований является участок одномодового оптического волокна длиной 173 мм с массивом чирпированных волоконных брэгговских решеток, записанных в оптическое волокно с помощью интерферометра Тальбота [9]. В волокне было записано двенадцать 10 мм решеток. Положение решетки по длине волокна отмечалось после записи. В процессе записи каждой последующей решетки изменялся период интерференционной картины посредством поворота зеркал, а, следовательно, и центральная длина волны отражения ВБР, таким образом, каждой решетке соответствует свой спектр отражения. На рис. 1 представлена оптическая схема эксперимента.

ВБР 1 ВБР 2 ВБР12

Рис. 1. Оптическая схема эксперимента

Оптическое волокно с массивом решеток (ВБРп) с определенной центральной длиной волны Брэгга (ХБрп) для каждой решетки (п - номер решетки) подключалось с помощью ответвителя к источнику излучения (ИИ) и оптическому спектроанализатору (ОСА), далее укладывалось по схеме, изображенной на рис. 2, а, б, с радиусом изгиба 20 мм. Пунктирной линией отмечено расположение волокна. Регистрация спектров отражения массива ВБР производилась с помощью спектроанализатора до изгиба волокна и после. Полученные спектры отражения представлены на рис. 2, в. На графике отмечены сдвиги центральной длины волны Брэгга (ЛХБр1 и ЛХБр2) на разных участках спектра до и после изгиба оптического

волокна. Дальнейшая математическая обработка позволяет определить радиус изгиба волоконного световода, учитывая зависимость изменения длины волны брэгговского резонанса от деформации.

Результаты экспериментального исследования показали возможность применения оптического волокна с массивом чирпированных ВБР для регистрации деформации вдоль оси оптического волокна. Для построения волоконно-оптической измерительной системы определения траектории укладки в пространстве необходимо использовать многосердцевинное волокно.

г=20 мм т \ 1 см Г: И: гН 1 ШЁ

а б

Спектр отражения от массива ВБР 100 ---

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Длина волны, нм До изгиба После изгиба в

Рис. 2. Экспериментальное исследование с одномодовым оптическим волокном: начальное положение волокна (а); укладка волокна с изгибом (б); спектры отражения от массива чирпированных волоконных

брэгговских решеток до и после изгиба волокна (в)

За основу построения модели были взяты параметры записанных в ходе эксперимента массивов чирпированных волоконных решеток Брэгга в одно сердцевинном одномодовом волокне. Компьютерная модель многосердцевинного волокна была построена в среде С0М80Ь МиШрИуБ^Б. Многосердцевинное волокно представляет собой волоконный световод с внешним диаметром 125 мкм. Волокно состоит из семи одинаковых сердцевин с диаметром 5 мкм, которые имеют гексагональное расположение. Расстояние между сердцевинами составляет 35 мкм. На рис. 3, а, показана геометрия настоящего волокна. Выбор многосердцевинного волокна представленной конструкции обусловлен необходимостью определения положения волоконного световода в трехмерном пространстве. Для регистрации деформации по трем координатам требуется не менее трех жестко скрепленных односердцевинных волокон (или в данном случае сердцевин в много сердцевинном световоде). В представленной геометрии волокна центральная сердцевина будет использоваться как опорная для остальных шести. Регистрация сдвига центральной длины волны Брэгга в каждой отдельной сердцевине на одном участке волокна в зависимости от сжатия или растяжения при изгибе позволит однозначно определить траекторию укладки световода в пространстве и увеличить точность измерения.

Модель представляет собой участок волокна длиной 10 мм с параметрическими кривыми, расположенными в центре каждой сердцевины. В каждой параметрической кривой создано распределение точек в соответствие с периодом чирпированной решетки, записанной в односердцевинное волокно во время эксперимента. Задавая радиус изгиба волокна (рис. 3, б), можно определить смещение каждой точки кривой относительно начального положения, тем самым установить зависимость изменения периода решетки в каждой сердцевине от величины изгиба, и, следовательно, сдвига длины волны Брэгга в спектре отражения, что позволит восстановить траекторию укладки волоконного световода в пространстве.

С целью построения волоконно-оптической измерительной системы для определения расположения и изгибов протяженных объектов в пространстве требуется провести ряд экспериментов по записи массива чирпированных ВБР в многосердцевинном волокне.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ...

Многосердцевинное оптическое волокно с массивом чирпированных ВБР позволит определить траекторию укладки волоконного световода в пространстве без использования методов частотной оптической рефлектометрии [3].

х10-

L

м -5 0,5

0

5

0 х10-

-5

R_c(1)=0,01 м Поверхность: полное смещение (м)

х10-

х10

z

.ш*

м 0

-0,5

-3

м

х10-

х10 м

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2

Рис. 3. Моделирование многосердцевинного волокна: геометрия волокна (а)

изгиба 10 мм в ООМЭОЬ МиШрИуБЮв (б)

модель волокна с радиусом

Литература

Yin Sh., Ruffin P.B., Francis T.S.Yu. Fiber Optic Sensors. 2nd ed. CRC Press, 2008. 477 p.

Zhang L., Qian J., Zhang Y., Shen L. On SDM/WDM FBG sensor net for shape detection of endoscope // IEEE Int. Conf. Mechatronics and Automation. 2005. V. 4. P. 1986-1991. doi: 10.1109/ICMA.2005.1626867

Parent F., Loranger S., Mandal K.K. et al. Enhancement of accuracy in shape sensing of surgical needles using optical frequency domain reflectometry in optical fibers // Biomedical Optics Express. 2017. V. 8. N 4. P. 2210-2221. doi:10.1364/B0E.8.002210

Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. 2nd ed. Academic Press, 2010. 632 p.

Duncan R.G., Froggatt M.E., Kreger S.T., Seeley R.J., Gifford D.K., Sang A.K., Wolfe M.S. High-accuracy fiber-optic shape sensing // Proc. SPIE. 2007. V. 6530. doi: 10.1117/12.720914 Moore J.P., Rogge M.D. Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions // Optics Express.

2012. V. 20. N 3. P. 2967-2973. doi: 10.1364/oe.20.002967

Yi J., Zhu X., Zhang H., Shen L., Qia X. Spatial shape reconstruction using orthogonal fiber Bragg grating sensor array // Mechatronics. 2012. V. 22. N 6. P. 679-687. doi: 10.1016/j.mechatronics.2011.10.005

Ledermann Ch., Pauer H., Weede O., Woern H. Simulation tool for 3D shape sensors based on Fiber Bragg gratings and optimization of measurement points // Proc. 6th IEEE Conf. on Robotics, Automation and Mechatronics. Manila, Philippines,

2013. P. 195-200. doi: 10.1109/ram.2013.6758583

Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. doi: 10.1007/s11082-016-0816-3

Авторы

Егорова Дарья Андреевна - инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57200964358, ORCID ID: 0000-0001-5136-1779, [e-mail]

Куликов Андрей Владимирович - кандидат технических наук, доцент, доцент, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 7103154362, ORCID ID: 0000-0001-8882-7253, [e-mail]

References

1. Yin Sh., Ruffin P.B., Francis T.S.Yu. Fiber Optic Sensors. 2nd ed. CRC Press, 2008, 477 p.

2. Zhang L., Qian J., Zhang Y., Shen L. On SDM/WDM FBG sensor net for shape detection of endoscope. IEEE Int. Conf. Mechatronics and Automation, 2005, vol. 4, pp. 1986-1991. doi: 10.1109/ICMA.2005.1626867

3. Parent F., Loranger S., Mandal K.K. et al. Enhancement of accuracy in shape sensing of surgical needles using optical frequency domain reflectometry in optical fibers. Biomedical Optics Express, 2017, vol. 8, no. 4, pp. 2210-2221. doi:10.1364/B0E.8.002210

4. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. 2nd ed. Academic Press, 2010, 632 p.

5. Duncan R.G., Froggatt M.E., Kreger S.T., Seeley R.J., Gifford D.K., Sang A.K., Wolfe M.S. High-accuracy fiber-optic shape sensing. Proc. SPIE, 2007, vol. 6530. doi: 10.1117/12.720914

6. Moore J.P., Rogge M.D. Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions. Optics Express,

2012, vol. 20, no. 3, pp. 2967-2973. doi: 10.1364/oe.20.002967

7. Yi J., Zhu X., Zhang H., Shen L., Qia X. Spatial shape reconstruction using orthogonal fiber Bragg grating sensor array. Mechatronics, 2012, vol. 22, no. 6, pp. 679-687. doi: 10.1016/j.mechatronics.2011.10.005

8. Ledermann Ch., Pauer H., Weede O., Woern H. Simulation tool for 3D shape sensors based on Fiber Bragg gratings and optimization of measurement points. Proc. 6th IEEE Conf. on Robotics, Automation and Mechatronics. Manila, Philippines,

2013, pp. 195-200. doi: 10.1109/ram.2013.6758583

9. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 12. doi: 10.1007/s11082-016-0816-3

Authors

Daria A. Egorova - engineer, ITMO University, Saint Petersburg,

197101, Russian Federation, Scopus ID: 57200964358, ORCID

ID: 0000-0001-5136-1779, [e-mail]

Audrey V Kulikov - PhD, Associate Professor, Associate

Professor, Head of laboratory, ITMO University, Saint Petersburg,

197101, Russian Federation, Scopus ID: 7103154362, ORCID ID:

0000-0001-8882-7253, [e-mail]

5

м

5

z

б

а

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ май-июнь 2020 Том 20 № 3 ISSN 2226-1494 http://ntv.itmo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS May-June 2020 Vol. 20 No 3 ISSN 2226-1494 http://ntv.itmo.ru/en/

ИНШМОН ÏEffllM. MEMHHK11 UM

УДК 681.2.08 doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-346-352

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ИЗГИБОВ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРОСТРАНСТВЕ

Д.А. Егорова, А.В. Куликов, А.Б. Мухтубаев, М.Ю. Плотников

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [e-mail] Информация о статье

Поступила в редакцию 30.03.20, принята к печати 16.05.20 Язык статьи — русский

Ссылка для цитирования: Егорова Д.А., Куликов А.В., Мухтубаев А.Б., Плотников М.Ю. Волоконно-оптическая измерительная система для определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 3. С. 346-352. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-346-352

Аннотация

Предмет исследования. Волоконно-оптические измерительные системы в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях. Большинство из таких систем представляют собой оптоволоконные устройства для детектирования физических величин. Актуальными на данный момент являются разработка и создание измерительной системы для определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве. В работе предложен способ реализации чувствительной части волоконно-оптической измерительной системы на основе семи одномодовых волокон с массивом волоконных брэгговских решеток, скрепленных между собой. Метод. Метод определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве основан на нахождении осевой деформации (сжатие, растяжение) волоконных брэгговских решеток при изгибе, что позволяет рассчитать его направление и кривизну. Дальнейшее восстановление кривой в пространстве реализуется посредством решения системы дифференциальных уравнений, содержащих формулы Френе-Серре с заданными начальными условиями. Основные результаты. В работе представлены результаты эксперимента по записи массивов волоконных брэгговских решеток в одномодовые оптические волокна с учетом особенностей оптической схемы и спектра источника излучения. Разработана конструкция и создан макет волоконно-оптической измерительной системы. Получены результаты по восстановлению формы на основе экспериментальных данных. Практическая значимость. Особенностью данной системы является сформированные в оптическом волокне массивы решеток Брэгга, где каждая из волоконных брэгговских решеток характеризуется своей длиной отражения, обеспечивающей возможность измерять кривизну кабеля длиной до 1 м. Конструкция этого кабеля, основу которого представляет семь волоконно-оптических бронированных микрокабелей, уложенных с заданным шагом скрутки в процессе изготовления, позволяет регистрировать величину и направление скручивания кабеля. Ключевые слова

оптическое волокно, массив волоконных брэгговских решеток, волоконно-оптическая измерительная система Благодарности

Выражаются персональные благодарности заведующему лабораторией записи волоконных брэгговских решеток Университета ИТМО С.В. Варжелю и его научной группе за помощь в подготовке образцов для макета.

doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-346-352

FIBER OPTIC MEASUREMENT SYSTEM FOR DETERMINATION OF EXTENDED OBJECT POSITION AND BENDS IN 3D SPACE D.A. Egorova, A.V. Kulikov, A.B. Mukhtubaev, M.Yu. Plotnikov

ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [e-mail] Article info

Received 30.03.20, accepted 16.05.20 Article in Russian

For citation: Egorova D.A., Kulikov A.V., Mukhtubaev A.B., Plotnikov M.Yu. Fiber optic measurement system for determination of extended object position and bends in 3D space. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2020, vol. 20, no. 3, pp. 346-352 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-346-352

Abstract

Subject of Research. Fiber optic measurement systems are widely used in various industries. Most of these systems are fiber optic devices for detecting physical quantities. The development and creation of a measurement system for determination of the location and bends of extended objects in 3D space are actual at the moment. We propose the implementation of the sensitive part of the fiber optic measurement system based on seven single-mode fibers with an array of fiber Bragg gratings fixed to each other. Method. The method for determining the position and bends of extended objects in space is based on finding the level of axial deformation (compression, tension) of the fiber Bragg gratings during bending, and provides the calculation of the curvature direction and magnitude. Further reconstruction of the curve in space is realized by solving a system of differential equations with given initial conditions containing Frenet-Serre formulas. Main Results. The paper presents experiment results on writing fiber Bragg grating arrays into single-mode optical fibers, taking into account the features of the optical scheme and the source spectrum. The design and prototype of the fiber optic measurement system are developed. The results on the reconstruction of the shape based on experimental data are obtained. Practical Relevance. A special feature of this system is the fiber Bragg grating arrays formed in a wide range of wavelengths. Each Bragg grating corresponds to its own reflection wavelength, providing a sensitive part 1 m long. The geometry of the structure is based on seven fiber-optic armored microcables twisted with a given lay length during manufacturing, and provides the measurement of the kink value and direction. Keywords

optical fiber, fiber Bragg grating array, fiber optic measurement system

Acknowledgements

Personal thanks are expressed to S.V. Varzhel, Head of fiber Bragg grating inscription laboratory of ITMO University, and his scientific team for their help with preparing samples for the prototype.

Введение

В настоящее время разработка и создание измерительной системы для определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве вызывает большой научный и практический интерес. На данный момент различают три типа таких систем: бесконтактные, контактные (самочувствительные поверхности) и распределенные волоконно-оптические.

К бесконтактным системам можно отнести камеры, радиолокационные станции, лидары. Например, в работе [1] авторами описано создание системы контроля прогиба для плавучих сухих доков, состоящей из набора контрольных меток с использованием све-тодиодов и измерительного блока на основе камеры с двумя противоположно направленными каналами. На производительность и достоверность полученных данных таких измерительных систем оказывают большое влияние температура и затухание зондирующего сигнала в среде, в которой производится контроль формы протяженного объекта [2, 3].

Также существует необходимость определения изгибов и формы динамических объектов удаленно, без визуального контакта и в реальном времени. В работе [4] продемонстрирована контактная система в виде гибкой ленты, изготовленной с применением печатных электронных технологий с вмонтированными оптоэлектронными компонентами. Лента разделена на сегменты, которые чувствительны к изгибам и способны регистрировать свою ориентацию в пространстве, что позволяет определить деформацию всей ленты в целом, и, соответственно, поверхности, к которой прикреплен датчик. Другим примером способа осуществления контроля положения и формы объектов являются датчики, реализованные на основе микроэлектромеханических систем (акселерометров, гироскопов). Этот тип систем находит применение в геотехническом мониторинге (БЬареЛссе1Лггау) [5], а также в медицине [6, 7]. К недостаткам описанных

систем можно отнести их большие габариты (сложность обеспечить встраивание непосредственно в объект), ограниченная гибкость, низкое пространственное разрешение, наличие требований к электромагнитной совместимости.

Для определения формы, кривизны или скручивания в некоторых задачах требуются гибкие и малогабаритные чувствительные элементы, непосредственно закрепленные на поверхности или внедренные в объект. Волоконно-оптические измерительные системы (ВОИС) позволяют решить упомянутые выше задачи и находят применение в медицине (контроль положения малоинвазивных хирургических устройств и инструментов, введенных в организм человека) [8, 9], аэрокосмической отрасли (контроль деформации развертываемых конструкций и крыльев) [10], энергетике (измерение формы лопасти ветровых генераторов в режиме реального времени) [11], атомной промышленности [12] и др. В сфере судостроения такие ВОИС могут быть применены для проектирования узлов стыковки линий внутренних коммуникаций судов, в процессе их сборки на стапелях из отдельных секций, а также в качестве трехмерного шаблона, заменяющего кабель или отрезок трубы, форму которого необходимо определить.

Чувствительная часть волоконно-оптических систем определения положения и параметров изгибов протяженных объектов в пространстве реализуется на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), записанных по длине волоконного световода [13]. Анализ смещения центральных длин волн отражения массива ВБР на одном участке волокна позволяет определить относительные уровни деформации чувствительной части ВОИС [14]. Существуют различные варианты исполнения чувствительной части [15]: на основе одно-модовых оптических волокон [16] или их комбинации [13]; на многосердцевинных волокнах (от 3 до 7 сердцевин) без скрутки сердцевин [17] или со скрученными сердцевинами [11].

Метод изготовления макета волоконно-оптической измерительной системы

В настоящей работе чувствительная часть ВОИС сформирована на основе семи одномодовых оптических волокон с массивами ВБР, записанных по длине оптического волокна с помощью интерферометра Тальбота [18]. Отличительной особенностью данного интерферометра является возможность изменения периода интерференционной картины посредством поворота зеркал, что позволяет записывать ВБР с перестройкой центральной длины волны Брэгга в широком диапазоне. Для создания массива решеток в волокнах были определены следующие параметры записи. В каждое из семи волокон записывался массив из десяти ВБР (ВБР 1-ВБР 10) для того, чтобы обеспечить чувствительную часть датчика длиной 1 м. Решетки располагались симметрично через каждые 100 мм. Длина самих решеток (Ь) составила 10 мм. Оптическая схема эксперимента представлена на рис. 1.

В качестве источника излучения для системы был выбран широкополосный источник компании ТЪогМ^ S5FC1005S. Для регистрации спектров отражения использовался оптический спектроанализатор Yokogawa AQ6370C. Исходя из известной зависимости [19] сдвига длины волны Брэгга от радиуса изгиба волокна и ширины спектра излучения оптического источника, используемого при проведении экспериментального исследования, были определены центральные длины волн Брэгга для записи массивов решеток — от 1485 до 1632,5 нм с шагом 2,5 нм. Каждой ВБР у 2-7 волокон соответствовала своя центральная длина волны отражения (^Бр1-^Бр60), что позволило одновременно отслеживать изменения в спектре от всех решеток. Первое волокно, которое являлось центральным, записывалось со спектрами отражения, совпадающими со вторым волокном. В дальнейшем его планируется использовать для компенсации температуры. Решетки формировались с коэффициентом отражения в диапа-

зоне 45-60 %. Спектр отражения от волокон с массивами ВБР, в количестве 70 штук, представлен на рис. 2. Разброс в отраженной оптической мощности от каждой ВБР связан с формой спектра излучения источника (вставка на рис. 2), используемого для экспериментальных исследований.

Геометрические параметры конструкции макета представлены на рис. 3, а. Основой для создания макета были выбраны семь микрокабелей кабельного завода «НПП Старлинк» с одним оптическим волокном в каждом из них. Симметричное расположение микрокабелей относительно центрального волокна обусловлено необходимостью определения положения ВОИС в трехмерном пространстве. Регистрация сдвига центральной длины волны Брэгга в каждом отдельном волокне на одном участке в зависимости от сжатия или растяжения при изгибе позволит однозначно определить радиус и направление изгиба в пространстве.

Подготовленные оптические волокна с записанными массивами ВБР приваривались к оптическим волокнам в микрокабелях и затем протягивались. Далее производилась разметка решеток и скрутка шести микрокабелей вокруг центрального, причем ВБР располагались строго симметрично относительно друг друга по длине макета, таким образом было сформировано 10 групп решеток (рис. 1). Шаг скрутки составил около 110 мм с абсолютной погрешностью 2,5 мм, что позволило измерить величину и направление внешнего скручивания. Для фиксации микрокабелей между собой использовалась термоусадочная прозрачная клеевая трубка. Созданный макет ВОИС для определения формы представлен на рис. 3, б.

Экспериментальное исследование макета волоконно-оптической измерительной системы

Как уже было отмечено ранее, чувствительная часть волоконно-оптической измерительной системы реализована на основе семи одномодовых оптических воло-

Рис. 1. Оптическая схема эксперимента (ИИ - источника излучения; ОСА - оптический спектроанализатор)

1480

1520

1600

1560 Длина волны, нм

Рис. 2. Спектры отражения от массивов волоконных брэгговских решеток

1640

кон с массивами ВБР, распределенных по длине волокон. ВБР представляет собой периодическую структуру изменения показателя преломления, сформированную в световедущей сердцевине оптического волокна. Такая структура отражает определенную длину волны — центральную длину волны Брэгга (ХБр), которая зависит от периода решетки (Л) [19]. Принцип работы ВБР продемонстрирован на рис. 4, а.

За счет механического, или температурного воздействия на волокно происходит изменение периода решетки, и, соответственно, возникает сдвиг центральной длины волны Брэгга (Л^р) [20]. Метод определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве основан на нахождении осевой деформации (сжатие, растяжение) ВБР при изгибе [21]:

ЛЧ

■р _

(1 -рж

где ре — эффективная упругооптическая постоянная; £ — осевая деформация (сжатие, растяжение).

Величина осевой деформации для каждой решетки в группе будет различна, таким образом возможно рассчитать направление и величину вектора кривизны (к), перпендикулярного к нейтральной плоскости, для каждой группы решеток, учитывая геометрию конструкции и симметричное расположение оптических волокон относительно центрального (рис. 4, б). Общий вектор кривизны определяется с помощью следующего выражения [14, 21, 22]:

м е,- « е;

К = - Е — СОвР;]- - X —81пр,.к, i в(. ; а1

где I — номер волокна; N — количество волокон; £ — величина деформации для каждой сердцевины волокон; Р(- — угол для каждой сердцевины волокон относительно оси у; d — расстояние от центра внешнего волокна до центра центрального волокна; ] и к — единичные вектора. Далее определяется угол направления вектора кривизны (0 = а^1е(к)). Для каждой группы решеток, с учетом расположения их по длине макета (я), вычисляются значения векторов кривизны,

245

3 мм

Рис. 3. Макет волоконно-оптической измерительной системы: геометрические параметры конструкции макета (а);

макет волоконно-оптической измерительной системы (б)

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Рис. 4. Принцип работы волоконной брэгговской решетки с постоянным периодом решетки (а); параметры для определения вектора кривизны с учетом конструкции (б), где в — угол для каждой сердцевины волокон относительно оси у

что дает набор дискретных данных, так называемых функций кривизны (к(^)) и угла (0(^)).

Алгоритм восстановления кривой в пространстве реализуется на основе решения системы дифференциальных уравнений, описывающих формулы Френе-Серре [14, 22]:

г'(.) = Тф, Т» = 1ф)^), N'(5) = т(у)Б(.У) - к(^)Т(^), (1)

Б'(^) = - т(^),

где к(^) — функция кривизны по длине чувствительной части макета; х(^) — функция кручения по длине

чувствительной части макета (х(^) = 0'(^)). Вектора Т(л), N(5), Б(я) формируют ортонормированный репер в трехмерном пространстве, так называемый трехгранник Френе, где Т(л) — единичный касательный вектор; N(5) — единичный вектор главной нормали; Б(^) — единичный вектор бинормали к кривой в данной точке; г(^) — вектор, определяющий восстановленную кривую в пространстве. Начальные условия для решения системы уравнений и ход решения описан в работах [14, 22].

Методика проведения экспериментальных исследований разработанной системы заключалась в следующем: макет укладывался по заданной траектории, фиксировались спектры отражения от массивов ВБР

^ Х-коорДйната

0,5 _5д 0 0,1

у-координата

0,4

У-координата

Рис. 5. Результаты эксперимента и восстановление формы кривой в пространстве: радиус изгиба 20 см (а, г); радиус изгиба 10 см (б, д); произвольная кривая (в, е)

начального положения (прямая) и спектры при деформации. Далее рассчитывались значения сдвигов центральных длин волн Брэгга, и определялись функции кривизны и кручения для решения системы уравнений (1). Для проведения необходимых расчетов и реализации алгоритма по восстановлению формы использовалась программная среда МАТЪАВ. Результаты обработки данных эксперимента и восстановленные кривые представлены на рис. 5.

Заключение

Результаты эксперимента показали, что по восстановленной форме можно судить о характере деформации волоконно-оптического кабеля. При этом на восстановление формы существенно влияет шаг скрутки и жесткость соединения световедущих частей

между собой. По мнению авторов настоящей статьи для повышения точности восстановления формы кабеля необходимо выдерживать постоянный шаг скрутки микрокабелей по всей длине, либо применять скрученное в процессе вытяжки многосердцевинное оптическое волокно. Значимым результатом, полученным в ходе настоящей работы, является подтверждение возможности решения актуальной задачи для современной как отечественной, так и зарубежной судостроительной отрасли в части создания малогабаритного трехмерного шаблона, используемого при проведении стыковки линий внутренних коммуникаций судов в процессе их сборки на стапелях из отдельных секций на основе простых и надежных волоконных элементов, таких как брэгговские решетки, и спектрального измерительного оборудования, широко используемого для исследования волоконно-оптической компонентной базы.

Литература

1. Korotaev V.V., Pantiushin A.V., Serikova M.G., Anisimov A.G. Deflection measuring system for floating dry docks // Ocean Engineering. 201б. V. 117. P. 39-44. doi: 10.1016/j.oceaneng.2016.03.012

2. Phillips T., Guenther N., McAree P.R. When the Dust Settles: the four behaviors of LiDAR in the Presence of Fine Airborne Particulates // Journal of Field Robotics. 2017. V. 34. N 6. P. 98S-1009. doi: 10.1002/rob.21701

3. Phillips T., Hahn M., McAree R. An evaluation of ranging sensor performance for mining automation applications // Proc. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics: Mechatronics for Human Wellbeing (AIM 2013). 2013. P. 1284-1289. doi: 10.1109/AIM.2013.6S84271

4. Dementyev A., Kao H.L.C., Paradiso J.A. SensorTape: modular and programmable 3D-aware dense sensor network on a tape // Proc. 28th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. Charlotte, NC, USA. 2016. P. 649-6S8. doi: 10.1143/2807442.2807307

6. Danisch L., Chrzanowski A., Bond J., Bazanowski M. Fusion of geodetic and MEMS sensors for integrated monitoring and analysis of deformations // Proc. 13th FIG International Symposium on Deformation Measurements and Analysis. Lisbon, Portugal. 2008. P. 12-16.

6. Митрофанова T.A., Вуйко В.В., Здражевский РА., Потахин С.Н. Aппаратно-программный комплекс для задания пространственного положения инструментов при малоинвазивных хирургических операциях // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. Т. 4. № 2^0). С. 112-11S.

7. Plamondon A., Delisle A., Larue C., Brouillette D., McFadden D., Desjardins P., Larivière C. Evaluation of a hybrid system for three-dimensional measurement of trunk posture in motion // Applied Ergonomics. 2007. V. 38. N б. P. б97-712. doi: 10.1016/j.apergo.2006.12.006

8. Parent F., Mandal K.K., Loranger S., Fernandes E.H.W., Kashyap R., Kadoury S. 3D shape tracking of minimally invasive medical instruments using optical frequency domain reflectometry // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9786. P. 97862J. doi: 10.1117/12.2214998

9. Ledermann Ch., Hergenhan J., Weede O., Woern H. Combining shape sensor and haptic sensors for highly flexible single port system using Fiber Bragg sensor technology // Proc. 8th IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA 2012). 2012. P. 196-201. doi: 10.1109/MESA.2012.6275561

10. Pak C.-G. Wing shape sensing from measured strain // AIAA Journal. 2016. V. S4. N 3. P. 1064-1073. doi: 10.2514/1.J053986

11. Lally E., Reaves M., Horrell E., Klute S., Froggatt M.E. Fiber optic shape sensing for monitoring of flexible structures // Proceedings of SPIE. 2012. V. 834S. P. 834S2Y. doi: 10.1117/12.917490

12. Бутов О.В., Базакуца A.^, Чаморовский Ю.К., Федоров A.^, Шевцов ИА. Полностью волоконный высокочувствительный

References

1. Korotaev V.V., Pantiushin A.V., Serikova M.G., Anisimov A.G. Deflection measuring system for floating dry docks. Ocean Engineering, 2016, vol. 117, pp. 39-44. doi: 10.1016/j.oceaneng.2016.03.012

2. Phillips T., Guenther N., McAree P.R. When the Dust Settles: the four behaviors of LiDAR in the Presence of Fine Airborne Particulates. Journal of Field Robotics, 2017, vol. 34, no. 5, pp. 985-1009. doi: 10.1002/rob.21701

3. Phillips T., Hahn M., McAree R. An evaluation of ranging sensor performance for mining automation applications. Proc. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics: Mechatronics for Human Wellbeing (AIM 2013), 2013, pp. 12841289. doi: 10.1109/AIM.2013.6584271

4. Dementyev A., Kao H.L.C., Paradiso J.A. SensorTape: modular and programmable 3D-aware dense sensor network on a tape. Proc. 28th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, Charlotte, NC, USA, 2015, pp. 649-658. doi: 10.1145/2807442.2807507

5. Danisch L., Chrzanowski A., Bond J., Bazanowski M. Fusion of geodetic and MEMS sensors for integrated monitoring and analysis of deformations. Proc. 13th FIG International Symposium on Deformation Measurements and Analysis, Lisbon, Portugal, 2008, pp. 12-15.

6. Mitrofanova T.A., Vuyko V.V., Zdragewskij R.A., Potahin S.N. Hardware-software complex for the task of spatial position of tools at surgical operations. Vestnik SSTU, 2010, vol. 4, no. 2(50), pp. 112115. (in Russian)

7. Plamondon A., Delisle A., Larue C., Brouillette D., McFadden D., Desjardins P., Larivière C. Evaluation of a hybrid system for three-dimensional measurement of trunk posture in motion. Applied Ergonomics, 2007, vol. 38, no. 6, pp. 697-712. doi: 10.1016/j.apergo.2006.12.006

8. Parent F., Mandal K.K., Loranger S., Fernandes E.H.W., Kashyap R., Kadoury S. 3D shape tracking of minimally invasive medical instruments using optical frequency domain reflectometry. Proceedings of SPIE, 2016, vol. 9786, pp. 97862J. doi: 10.1117/12.2214998

9. Ledermann Ch., Hergenhan J., Weede O., Woern H. Combining shape sensor and haptic sensors for highly flexible single port system using Fiber Bragg sensor technology. Proc.

Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA 2012), 2012, pp. 196-201. doi: 10.1109/MESA.2012.627556

10. Pak C.-G. Wing shape sensing from measured strain. AIAA Journal, 2016, vol. 54, no. 3, pp. 1064-1073. doi: 10.2514/1.J053986

11. Lally E., Reaves M., Horrell E., Klute S., Froggatt M.E. Fiber optic shape sensing for monitoring of flexible structures. Proceedings of SPIE, 2012, vol. 8345, pp. 83452Y. doi: 10.1117/12.917490

12. Butov O.V., Bazakutca A.P., Chamorovskii Yu.K., Fedorov A.N., Shevtcov I.A. Wholly fiber-based highly sensitive bending sensor for nuclear industry. Foton-Express, 2019, no. 6(158), pp. 26-27. (in Russian). doi: 10.24411/2308-6920-2019-16008

датчик изгиба для атомной промышленности // Фотон-Экспресс. 2019. № 6(158). С. 26-27. doi: 10.24411/2308-6920-2019-16008

13. Park Y.-L., Elayaperumal S., Daniel B., Ryu S.C., Shin M., Savall J., Black R.J., Moslehi B., Cutkosky M.R. Real-time estimation of 3-D needle shape and deflection for MRI-guided interventions // IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics. 2010. V. 15. N 6. P. 906-915. doi: 10.1109/TMECH.2010.2080360

14. Moore J., Rogge M. Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions // Optics Express. 2012. V. 20. N 3. P. 2967-2973. doi: 10.1364/0E.20.002967

15. Egorova D.A., Kulikov A.V., Nikitenko A.N., Gribaev A.I., Varzhel S.V. Investigation of bending effects in chirped FBGs array in multicore fiber // Optical and Quantum Electronics. 2020. V. 52. N 2. P. 130. doi: 10.1007/s11082-020-2251-8

16. Nishio M., Mizutani T., Taked N. Shape identification of variously-deformed composite laminates using Brillouin type distributed strain sensing system with embedded optical fibers // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6932. P. 69322P. doi: 10.1117/12.775671

17. Duncan R.G., Froggatt M.E., Kreger S.T., Seeley R.J., Gifford D.K., Sang A.K., Wolfe M.S. High-accuracy fiber-optic shape sensing // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6530. P. 65301S. doi: 10.1117/12.720914

18. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. P. 540. doi: 10.1007/s11082-016-0816-3

19. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. 2nd ed. Elsevier, 2010. 632 p. doi: 10.1016/C2009-0-16830-7

20. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. N 12. P. 4309-4341. doi: 10.1063/1.1148392

21. Roesthuis R.J., Janssen S., Misra S. On using an array offiber Bragg grating sensors for closed-loop control of flexible minimally invasive surgical instruments // Proc. 26th IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems: New Horizon (IROS 2013). 2013. P. 2545-2551. doi: 10.1109/IROS.2013.6696715

22. Moore J.P. Shape sensing using multi-core fiber // Proc. 2015 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). 2015. P. 7121578. doi: 10.1364/OFC.2015.Th1C.2

13. Park Y.-L., Elayaperumal S., Daniel B., Ryu S.C., Shin M., Savall J., Black R.J., Moslehi B., Cutkosky M.R. Real-time estimation of 3-D needle shape and deflection for MRI-guided interventions. IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics, 2010, vol. 15, no. 6, pp. 906915. doi: 10.1109/TMECH.2010.2080360

14. Moore J., Rogge M. Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions. Optics Express, 2012, vol. 20, no. 3, pp. 2967-2973. doi: 10.1364/0E.20.002967

15. Egorova D.A., Kulikov A.V., Nikitenko A.N., Gribaev A.I., Varzhel S.V. Investigation of bending effects in chirped FBGs array in multicore fiber. Optical and Quantum Electronics, 2020, vol. 52, no. 2, pp. 130. doi: 10.1007/s11082-020-2251-8

16. Nishio M., Mizutani T., Taked N. Shape identification of variously-deformed composite laminates using Brillouin type distributed strain sensing system with embedded optical fibers. Proceedings of SPIE, 2008, vol. 6932, pp. 69322P. doi: 10.1117/12.775671

17. Duncan R.G., Froggatt M.E., Kreger S.T., Seeley R.J., Gifford D.K., Sang A.K., Wolfe M.S. High-accuracy fiber-optic shape sensing. Proceedings ofSPIE, 2007, vol. 6530, pp. 65301S. doi: 10.1117/12.720914

18. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 12, pp. 540. doi: 10.1007/s11082-016-0816-3

19. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. 2nd ed. Elsevier, 2010. 632 p. doi: 10.1016/C2009-0-16830-7

20. Othonos A. Fiber Bragg gratings. Review of Scientific Instruments, 1997, vol. 68, no. 12, pp. 4309-4341. doi: 10.1063/1.1148392

21. Roesthuis R.J., Janssen S., Misra S. On using an array of fiber Bragg grating sensors for closed-loop control of flexible minimally invasive surgical instruments. Proc. 26th IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems: New Horizon (IROS 2013), 2013, pp. 2545-2551. doi: 10.1109/IR0S.2013.6696715

22. Moore J.P. Shape sensing using multi-core fiber. Proc. 2015 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2015, pp. 7121578. doi: 10.1364/0FC.2015.Th1C.2

Авторы

Егорова Дарья Андреевна — научный сотрудник, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57200964358, ORCID ID: 0000-0001-5136-1779, [e-mail]

Куликов Андрей Владимирович — кандидат технических наук, доцент, доцент, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 7103154362, ORCID ID: 0000-0001-8882-7253, [e-mail] Мухтубаев Азамат Булатович — инженер-исследователь, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57198779748, ORCID ID: 0000-0002-4848-0483, [e-mail]

Плотников Михаил Юрьевич — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57193069973, ORCID ID: 0000-0003-2506-0379, [e-mail]

Authors

Daria A. Egorova — Researcher, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57200964358, ORCID ID: 0000-0001-5136-1779, [e-mail]

Andrey V. Kulikov — PhD, Associate Professor, Associate Professor, Laboratory Head, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 7103154362, ORCID ID: 0000-0001-8882-7253, [e-mail]

Azamat B. Mukhtubaev — Research Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57198779748, ORCID ID: 0000-0002-4848-0483, [e-mail]

Mikhail Yu. Plotnikov — PhD, Associate Professor, Senior Researcher, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57193069973, ORCID ID: 0000-0003-2506-0379, [e-mail]