对光学形状感测使能仪器使扭曲最小化的系统和方法

摘要

形状感测系统包括导引管(304)和光学形状感测设备(104)，所述光学形状感测设备包括一个或更多个光纤且在近处固定在固定点处且设置在所述导引管之中。介入性仪器(102)被刚性地附接到手柄(212)，以防止所述仪器相对于所述手柄旋转。所述仪器具有内腔，所述内腔被配置成在其内接收所述导引管，使得所述光学形状感测设备贯穿所述仪器和所述手柄而不受约束，并且所述导引管相对于至少所述仪器和所述手柄的旋转自由滑动，而不将扭转摩擦传递到光学形状感测设备。

说明书

技术领域

本公开涉及一种医学仪器，特别是涉及一种针对医学应用的带有光纤旋转约束和/或控制的形状感测系统。

背景技术

光纤形状感测(OSS)纤维仅仅能够直到围绕其轴线沿任一方向扭曲2π才产生准确的形状重建，而在接近6π的累积扭曲时丧失稳定性。这归因于重建算法比较三个外芯中的信号和中心(没有扭曲)芯中的信号，且沿纤维纵向轴线的过度扭曲限制了区分由于弯曲相比其它因素造成的相位差的能力。

通过操作者将扭矩施加到仪器或在操纵仪器手柄时将扭矩施加到仪器手柄，或者通过在移动仪器时纤维与仪器内腔之间的摩擦，会引起扭曲。对于临床使用，特别是在血管手术中，外科医生经常通过多个π的转动扭动仪器，通常沿相同的方向。在保证仍然能够操作且以通常的方式扭转仪器的同时，需要最小化由临床医生施加到纤维上的扭曲的量。

发明内容

根据本发明原理，形状感测系统包括导引管和光学形状感测设备，所述光学形状感测设备包括一个或更多个光纤且在近处固定在固定点处且设置在所述导引管之中。介入性仪器被刚性地附接到手柄，以防止所述仪器相对于所述手柄旋转。所述仪器具有内腔，所述内腔被配置成在其内接收所述导引管，使得所述光学形状感测设备贯穿所述仪器和所述手柄而不受约束，并且所述导引管相对于至少所述仪器和所述手柄的旋转自由滑动，而不将扭转摩擦传递到所述光学形状感测设备。

另一个形状感测系统包括工作站，工作站包括处理器和存储器，所述存储器存储形状感测模块，所述形状感测模块被配置成在介入性手术的过程中解读光学形状感测信号。发射单元包括光学固定点，用于发送和接收光学信号。导引管在近处固定在离所述固定点远处地设置的安装点处。光学形状感测设备包括一个或更多个光纤且在近处固定在所述固定点处且设置在所述导引管之中。介入性仪器被刚性地附接到手柄，以防止所述仪器相对于所述手柄旋转。所述仪器具有内腔，所述内腔被配置成在其内接收所述导引管，使得所述光学形状感测设备贯穿所述仪器和所述手柄而不受约束，并且所述导引管相对于至少所述仪器和所述手柄的旋转自由滑动，而不将扭转摩擦传递到光学形状感测设备。

而又一个形状感测系统包括光学形状感测设备，其包括一个或更多个光纤且在近处固定在固定点处。介入性仪器被刚性地附接到手柄，以防止所述仪器相对于所述手柄旋转。所述仪器具有内腔，所述内腔被配置成接收所述光学形状感测设备，其在所述仪器中的至少一个位置处受约束。轴承包括在所述手柄中，且被配置成接收和附接到保护管，其中所述手柄相对于所述轴承和所述保护管自由旋转。所述保护管在所述固定点处或附近的固定位置和所述手柄之间封装所述光学形状感测设备。离合器被配置成接合所述轴承，以防止所述手柄根据事件相对于所述保护管旋转。

根据要与附图结合阅读的本公开的图示性实施例的以下详细描述，本公开的这些和其它目的、特征以及优点将变得明显。

附图说明

本公开将参照以下附图详细展现优选实施例的以下描述，其中：

图1是示出了根据一个示例性实施例的形状感测系统的方框图/流程图，形状感测系统约束、控制和/或限制纤维旋转；

图2是根据一个示例性实施例的形状感测系统的透视图，示出了发射单元、手柄和医学仪器；

图3是根据一个示例性实施例的剖开透视图，示出了形状感测设备自由设置在引导管中，导引管自由设置在仪器中；

图4是根据一个示例性实施例的手柄(界面)的透视剖开图；

图5是根据一个示例性实施例的手柄(界面)的放大透视剖开图，示出了示例性的离合器机构；

图6是根据另一个示例性实施例的手柄(界面)的示意图，示出了使用计数器并具有警告设备的另一个示例性离合器机构；以及

图7是根据另一个示例性实施例的另一个示例性离合器机构的示意图，用于将形状感测设备固定到仪器以允许固定或自由的形状感测设备。

具体实施方式

根据本发明原理，提供了用于减轻光学形状感测(OSS)纤维的过度扭曲的系统和方法。公开了用于使OSS使能仪器中的扭曲最小化的机构，以允许准确和稳定的形状感测。这些机构使OSS纤维在导引管内侧，与介入性仪器机械地隔离，使得纤维在沿其长度的任何一点处都不固定到设备。由于随着设备旋转而由仪器内腔的壁施加到纤维上的摩擦导致设备被扭转，简单地允许纤维在介入性设备的内腔之中浮动可能不足以保证稳定性。一种技术通过采用导引管来使纤维摆脱扭转的负面影响，导引管本质上在仪器内腔和纤维之间充当轴承。

已知的是，裸OSS纤维的形状重建能力受到沿纤维的纵向轴线引入扭曲的不利影响。当在受控环境中测试这样的纤维时，可以通过小心处理使这样的扭曲最小化。然而，当OSS纤维被整合到介入性仪器之中时，难以保证临床医生这样的小心处理。在实践中，临床医生通常会紧握介入性仪器的手柄并使其在XYZ内平移且使其围绕Z轴线旋转。假设纤维被刚性地固定到不可移动的发射区域且随后穿过设备手柄到达仪器的远端末梢，手柄的任何旋转都会在纤维中引起扭曲。随着扭曲增加，形状重建的准确性会降低，且稳定性会丧失。本发明原理通过控制或减少形状感测设备中的扭曲来减轻这些问题。

应当理解，本发明将在医学仪器方面进行描述；然而，本发明的教导要宽泛得多，并且可应用于任何光纤仪器。在一些实施例中，本发明原理用于跟踪或分析复杂的生物或机械系统。具体地，本发明原理可以应用于生物系统的内部跟踪流程，在身体的所有区域(比如，肺、胃肠道、排泄器官、血管等)中的流程，所有血管内和腔内应用等。附图中描绘的元件可以在硬件和软件的各种组合中实施，并且提供一些功能，这些功能可以被结合在单个元件中或被结合在多个元件中。

附图中示出的各种元件的功能可以通过使用专用硬件来提供，以及通过能够运行软件的硬件联合适当的软件来提供。在由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器来提供，由单个共享处理器来提供，或由多个个体处理器(它们中的一些能够被共享)来提供。此外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他性地指代能够运行软件的硬件，而是能够隐含地包括但不限于，数字信号处理器(”DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储器等。

此外，本文中记载本发明的原理、各方面和实施例以及其特定范例的所有陈述都是旨在既涵盖其结构上的等同物又涵盖其功能上的等同物。额外地，想要的是，这样的等同物包括当前已知的等同物以及未来开发的等同物(即，所开发的执行相同功能的任何元件，不论其结构如何)。因此，例如，本领域技术人员应当理解，本文中呈现的方框图表示实现本发明的原理的图示性系统部件和/或电路的概念图。类似地，应当理解，任何流程图表、流程图等都表示各个过程，这些过程实质上可以被表示在计算机可读存储介质中并由计算机或处理器如此运行，不论这样的计算机或处理器是否被明确示出。

此外，本发明的实施例能够采取可从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，提供程序代码，以供计算机或任何指令运行系统使用，或与之结合使用。出于该描述的目的，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质可以是任何装置，其可以包括、存储、通信、传播或传输程序，以供指令运行系统、装置或设备使用，或与之结合使用。所述介质可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光学盘。光学盘的当前范例包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)、蓝光^TM和DVD。

现在参考附图，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件，先参考图1，图示性地示出了根据一个实施例的用于介入性手术的系统100，其使用一个或更多个光学形状感测使能仪器。系统100可以包括工作站或控制台112，从所述工作站或控制台112监督和/或管理手术。工作站112优选地包括一个或更多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。存储器116可以存储光学感测模块115，所述光学感测模块115被配置成解读来自形状感测设备或系统104的光学反馈信号。光学感测模块115被配置成使用光学信号反馈(和任何其它反馈，例如，电磁(EM)跟踪)来重建与柔性医学设备或仪器102和/或其周围区域相关联的变形、偏斜及其它变化。尤其是，模块115被配置成甚至在形状感测设备104与柔性仪器102旋转地隔离、使用导引管304形式的旋转轴承来旋转形状感测设备的情况下估计设备卷曲。导引管304包括光滑表面以减少对医学仪器102的内部表面的摩擦。形状感测设备104在导引管304之中自由滑动。

医学设备102可以包括导管、导引线、探针、内窥镜、电极、过滤设备、气囊设备或其它医学部件等。设备102中的形状感测系统104包括一根或多根光纤126，所述光纤126以一种或多种设定模式被耦合到设备102。光纤126通过布线127连接到工作站112。布线127根据需要可以包括光纤、电气连接、其它仪器等。

具有光纤的形状感测系统104可以基于光纤布拉格光栅传感器。光纤布拉格光栅(FBG)是光纤的反射特定波长的光并透射全部其它波长的光的短节段。这通过增加纤芯中折射率的周期性变化来实现，其生成波长特异性的介质镜。纤维布拉格光栅因此能够被用作阻挡特定波长的内联滤光器，或者用作波长特异性的反射器。

纤维布拉格光栅的操作背后的基本原理是在折射率发生改变的界面的每一处的菲涅尔反射。对于一些波长，各个周期的反射光是同相的，使得对于反射存在相长干涉，并且因此对于透射存在相消干涉。布拉格波长对应变以及对温度敏感。这意味着布拉格光栅能够被用作光纤传感器中的感测元件。在FBG传感器中，被测变量(例如，应变)引起布拉格波长的移位。

该技术的一个优点在于，各个传感器元件能够被分布在纤维的长度上。沿着被嵌入结构中的纤维的长度将三个或更多个芯与各个传感器(量规)合并，允许这种结构的三维形式被精确确定，通常具有优于1mm的准确度。沿着纤维的长度，在各个位置处，能够定位大量的FBG传感器(例如，3个或更多个纤维感测芯)。根据每个FBG的应变测量结果能够推断结构在该位置处的曲度。根据大量的被测量位置来确定总的三维形式。

作为对光纤布拉格光栅的备选，能够利用常规光纤中固有的反向散射。一种这样的途径是使用标准单模通信纤维中的瑞利散射。瑞利散射作为纤芯中的折射率的随机波动的结果而发生。这些随机波动能够被建模为幅度和相位沿着光栅长度随机变化的布拉格光栅。通过使用在多芯纤维的单个长度之内延伸的三个或更多个芯中的该作用，能够跟随感兴趣表面的3D形状和动态。

这种形状感测途径利用常规光纤中的固有反向散射。使用的原理是带有特征性瑞利散射模式的光纤中分配的应变测量，例如，在标准单模通信纤维中。瑞利散射作为纤芯中的折射率随机波动的结果而发生。这些随机波动能够利用幅度和相位沿着长度的随机变化来建模。通过使用在多芯纤维的单个长度之内延伸的三个或更多个芯中的该作用，并且监控由于应变、拉力和温度影响，反向散射信号的相位相对于校准的参照状态的改变，纤维传感器的3D形状和动态能够被重建，且包含纤维传感器的柔性仪器的相应的形状动态能够被估计。

在一个实施例中，工作站112包括图像生成模块148，其配置成接收来自形状感测设备104的反馈并且记录关于感测设备104在体积131之内到过哪里的实时或累积的位置数据。在空间或体积131之内的形状感测设备104的位置数据的图像134能够被显示在显示设备118上。工作站112包括用于观察对象(患者)或体积131的内部图像的显示器118，并且可以包括图像134，作为对感测设备104访问过的位置记录的叠加或其它渲染。显示器118也可以允许用户与工作站112及其部件和功能或系统100之内的任何其它元件进行互动。这通过界面120得以进一步简化，所述界面120可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其它外围设备或控制设备，以允许来自工作站112的用户反馈和与工作站112的互动。

形状感测设备104穿过保护管210、手柄212和仪器102。根据本发明原理，形状感测设备104被允许在仪器102之中旋转地滑动以控制或限制旋转。模块115被配置成读取形状感测设备104中所测得的扭曲。手柄212可以包括旋转轴承404和离合器机构402，旋转轴承404使保护管210和仪器102机械地隔离，离合器机构402用于允许保护管210和手柄212之间的旋转。计数器机构406可以被包括在内，其统计轴承404的部分/完整旋转的数量。通过使用数据链路(例如布线127或其它通信链路，例如无线)可以将这个信息报告到模块115/工作站112。模块115包括扭曲测量单元152，其能够使用扭曲的数量作为执行若干动作的触发器。例如，当扭曲的数量达到阈值，扭曲测量单元152使离合器机构402接合以限制轴承404的旋转。

用户界面120可以可选地给操作者提供视觉反馈(例如在显示器118上)或通过扬声器122提供听觉反馈，其关于形状传感器104和/或仪器102的状态，尤其是关于在其上引起的扭曲的数量。将针对图2描述另一个示例性实施例。

参考图2，形状感测设备104(其在仪器102之中且未示出于图2)包括一个或更多个OSS纤维(未示出)，其设置在仪器102之中的导引管(未示出)内侧。形状感测设备104包括来自作为原点(0，0，0)的发射点或固定点202的形状感测能力。固定点202经常位于固定或发射单元204上，其定义了形状感测设备的参照系。发射单元204可以被并入工作站112(如图1所示)，或者可以是独立单元。发射单元204和/或工作站112包括电子和光子设备，用于为形状感测应用提供和接收光。

在导引管固定点206之后，形状感测设备104穿过保护管210和仪器手柄212到达仪器102的远端末梢。保护管210固定在发射单元204端部处的导引管固定点206处，但可以被配置成在手柄212之中在其远端部分处旋转。

仪器102在其内侧包括形状感测设备104，因此形状感测设备104未示出。正常地，仪器的任何旋转引起形状感测设备104的纤维的扭曲。然而，在一个实施例中，通过将纤维与介入性仪器102机械地隔离，使得纤维在沿其长度的任何点处都不固定到仪器102，且在临床医生旋转手柄212和/或仪器102时纤维不随仪器102旋转，可以减轻纤维的扭曲。然而，由于在内腔旋转时施加到纤维的扭转摩擦，简单地允许纤维位于内腔之中不足以保证重建稳定性。

根据一个实施例，形状感测设备104还从发射单元204到仪器102穿过导引管304(未显示)。

参照图3，仪器102的近距离剖开图示出了在其内设置有形状感测设备104的导引管304。形状感测设备104可以包括一个或更多个光纤306。在一个实施例中，纤维306包括居中设置的纤维，由三个均匀分隔的外芯围绕。根据本发明原理，仪器102的内腔或空间308包括导引管304。导引管304还包括内腔或空间310，其允许形状感测设备104在其中自由旋转。

参照图4，根据一个示例性实施例，示出了设备手柄212的剖开透视图。导引管304(图3)穿过介入性仪器102中的内腔。导引管304之中的形状感测设备104(图3)在导引管固定点206处固定到纤维发射单元204，导引管固定点206在纤维发射点202的远处(如图2所表示的)。形状感测设备104没有固定在导引管304中的任何一点，并且导引管304随着其穿过保护管210或介入性仪器102没有被固定。介入性仪器102被刚性地附接到手柄212，使得手柄212的任何旋转也使仪器102旋转，但是，在一个实施例中，保护管210相对于仪器102自由滑动。形状感测设备104在导引管304之中自由滑动，并且导引管在仪器102之中自由滑动。

不将OSS纤维(104)固定到仪器102的缺点在于，形状感测设备104不直接感测到仪器末梢的取向。在这种情况下，沿仪器的末梢区域的纵向轴线的卷曲可以用软件估计。模块115之中的处理算法156(图1)能够利用细长设备的远端末梢的已知形状连同沿远端末梢区域的OSS(x，y，z)形状测量结果。基于施加到末梢区域上的预形成几何形状，或者基于由拉线施加到远端末梢的偏斜几何形状，能够确定远端末梢的已知形状，拉线用于操纵柔性仪器102。通过使用优化算法能够估计期望的仪器末梢取向，优化算法根据拟合优度计算出使所测得的形状和已知几何形状之间的差异最小化的卷曲取向角。这种估计角末梢取向的途径能够被用于任何非旋转对称的(例如直圆柱体)末梢形状。

在特别有用的实施例中，形状感测设备104安置于柔性导引管304之中，柔性导引管304穿过介入性仪器102之中的内腔。形状感测设备104仅固定在纤维固定点202处，并且导引管304仅在远于纤维固定点202的导引管固定点206处固定到发射单元204。在这样的配置下，导引管304和形状感测设备104两者都在旋转上独立于仪器102。介入性仪器102被刚性地附接到手柄212，使得手柄212的任何旋转使仪器102围绕其纵向轴线旋转。介入性仪器102可以通过机械夹持或采用粘合剂等刚性地固定到手柄212。包含形状感测设备104的导引管304穿过介入性仪器102中的内腔，并且在任何一点都不固定到仪器。因此，当手柄212被旋转时，仪器102旋转，但导引管304和形状感测设备104(纤维)相对于所述旋转自由滑动。

这个旋转会在导引管304的壁和仪器102之中的内腔(308，图3)的壁之间造成摩擦。然而，导引管304应当具有足够的扭转刚度，从而相对于仪器102的内腔308滑动。在这种情形下，摩擦将不会传递到形状感测设备104，且因此由形状感测设备104经历的扭曲量将被最小化。在这样的配置下，导引管304可以被认为是介入性仪器102和形状感测设备104之间的旋转轴承。

在另一个实施例中，对于仪器102可能需要知道末端取向，并且因此可能有必要将形状感测设备104固定到仪器102的末梢。在这种情况下，可能不需要使用导引管304作为旋转轴承，因为形状感测设备104需要随仪器102扭曲。额外的特征可以被整合到手柄212中，以减小纤维过度扭曲的可能性。这些可以包括轴承404和离合器402，它们可以在固定纤维或非固定(自由/滑动)纤维实施例中采用。

参照图5，并进一步参照图2，在设备手柄212和发射单元204之间，形状感测设备104和导引管304穿过保护管210(图2)。为了在正常使用过程中保护形状感测设备104中的纤维，保护管210应当是抗扭转的、不可压缩的，具有最小弯曲半径，且被刚性地夹紧到发射单元204。如果保护管210也被刚性地夹紧到手柄212，其会显著地限制仪器102能够围绕Z轴线旋转(平行于该管)的活动范围。这可以用作扭曲控制的措施。然而，为了保证临床医生能够自由地围绕该轴线旋转手柄212，保护管210和手柄212可以通过旋转轴承404连接。这意味着临床医生能够控制介入性仪器102的取向，而不受来自保护管210的限制。

离合器机构402被配置成夹紧或释放轴承404，其允许形状感测设备104(其可以被固定在仪器102之中或在仪器102/手柄212中自由滑动)和仪器102与手柄212之间的旋转。离合器402可以是由用户操作的或是由计算机控制的。离合器402可以包括摩擦界面408，通过使用销支点410压靠在轴承404上。通过使用开关或杠杆407可以控制该界面或接合表面408。也考虑了其它结构或配置，例如使轴承404接合的致动器等。

如果离合器402被接合，轴承404被刚性地固定到手柄212，并且形状感测设备104会随仪器102和手柄212旋转。相反，如果离合器402被脱离，那么轴承404自由旋转，并且手柄212能够相对于保护管210旋转。旋转轴承404不必被限制到设备或手柄212，但可以基于应用做得更大或更小，并且与其它仪器或用户界面(比如导引线扭转设备等)一起使用。

在一些介入过程中，需要知道末梢的取向。为此，形状感测设备104的纤维需要被固定到仪器102的末梢。对于这些固定末梢仪器，临床医生不应当过度扭曲纤维且引起跟踪的丧失。在这种情形下，保护管210的扭转刚度限制了临床医生可以围绕Z轴线施加旋转的量，并且因此在插入人体前的仪器设置过程中可以作为安全特征来阻止仪器的过度扭曲。如果离合器被脱离，那么轴承自由旋转。

参照图6，在一个实施例中，离合器402的自动化(使用例如工作站112，图1)可以包括让离合器402脱离作为默认状态，但在将设备插入人体后且在导航穿过身体时，使离合器402接合，因而提供取向信息。也可以通过测量扭曲信号并用其作为使离合器402接合/脱离的判断标准来提供自动化。图6中示出的离合器402是致动器，其可以用信号(和/或功率)引线414由计数器406致动或由工作站112致动。

可以提供计数器机构406，其统计轴承404在其自由旋转时的完整旋转的数量。计数器406可以包括测量通过的标记的数量的编码器，可以包括在突出物每次随轴承404旋转而被撞击时增加一个计数的机构，包括电位计等。当旋转的数量达到预定的极限或阈值(其小于形状感测设备104可以承受的角位移的量)，机构406自动使离合器402接合，从而临床医生不能再旋转手柄212。这会向操作者表明，形状感测设备104的扭曲极限正在临近。操作者随后可以通过限制旋转或不再扭曲设备而采用合适的行动。这会减少形状重建因过度扭曲而变得不稳定的可能性。这也可以是机器人控制的。

可以采用视觉或听觉指示器412以给操作者提供额外的反馈。这会向操作者表明，形状感测设备104的扭曲极限正在临近或已经被超过。操作者随后可以通过限制旋转或不扭曲而采用合适的行动。这些特征会减少形状重建因过度扭曲而变得不稳定的可能性。计数器406可以被用作给模块115的反馈，以引发离合器402的接合，其可以是计算机控制的(例如通过模块115，图1)。

参照图7，另一个离合器702可以被用于在形状感测设备104和仪器102之间夹紧或释放轴承704。轴承704被附接到形状感测设备104。虽然可以在仪器104之中的任何位置处实施离合器702和轴承704，有利的是将离合器702和轴承704放置在靠近仪器的远端末梢和/或在手柄212之中。如果需要表面以阻止离合器702的活动，可以使用砧座708。如果离合器702被接合，形状感测设备104被刚性地固定到手柄212，并且形状感测设备104不会相对于仪器102旋转。相反，如果离合器702被脱离，形状感测设备104会相对于仪器102自由旋转。这允许临床医生在操作固定末梢或浮动末梢配置的仪器102之间切换。离合器702可以通过信号线710由工作站112致动和控制，或可以包括手动控制。

应当理解，在其它实施例中，形状感测设备可以由机器人或其它介入性设备操控。例如，扭曲可以是由机器人操控者引起的，其允许临床医生远程操作形状感测设备。在这种情况下，公开的扭曲最小化方法也是有用且有利的。

在解释权利要求时，应当理解：

a)“包括”一词不排除存在给定权利要求中列出的元件或动作之外的其它元件或动作；

b)元件前的“一”或“一个”一词不排除存在多个这样的元件；

c)在权利要求中的任何附图标记不限制其范围；

d)若干“器件”可以由相同的项目或硬件或实施结构或功能的软件来表示；以及

e)并不要求动作的具体顺序，除非具体指明。

已经描述了针对为光学形状感测使能仪器最小化扭曲的系统和方法的优选实施例(其旨在图示而非限制)，应当注意，按照以上教导，本领域技术人员能够做出修改和变型。因此，应当理解，在本公开的具体实施例中可以做出改变，公开的所述改变在如权利要求书概括的在本文中公开的实施例的范围之内。因此，已经描述了由专利法要求的详情和特征，在权利要求书中阐述了由专利证书声明和期望保护的内容。