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CN107105974A - 用于使用光纤形状传感器减小测量误差的系统和方法 - Google Patents

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CN107105974A CN201580069268.3A CN201580069268A CN107105974A CN 107105974 A CN107105974 A CN 107105974A CN 201580069268 A CN201580069268 A CN 201580069268A CN 107105974 A CN107105974 A CN 107105974A
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Abstract

一种装置，其包括具有细长轴的仪器。该装置还包括第一形状传感器，其包括在距中性轴线第一径向距离处在细长轴内延伸的细长光纤。该装置还包括抗扭转特征，抗扭转特征经配置减少细长光纤相对于细长轴的扭转，同时允许细长光纤在细长轴内的轴向平移。

Description

用于使用光纤形状传感器减小测量误差的系统和方法
相关申请
本申请要求于2014年10月17日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FORREDUCING MEASUREMENT ERROR USING OPTICAL FIBER SHAPE SENSING(用于使用光纤形状感测减小测量误差的系统和方法)”的美国临时专利申请62/065,349的提交日期的优先权和权益，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于减小形状感测光纤中的测量误差的系统和方法，并且更具体地涉及使用医疗仪器中的形状感测光纤来减小测量误差的系统和方法。
背景技术
微创医学技术旨在减少在诊断或手术治疗期间损伤的组织的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。此类微创技术可以通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或更多个手术切口来执行。通过这些自然孔口或切口，临床医生可以插入医疗仪器以到达目标组织位置。为了到达目标组织位置，微创医疗仪器可以在诸如肺、结肠、肠、肾脏、心脏、循环系统等的解剖学系统中导航自然或外科手术产生的通道。导航辅助系统帮助临床医生传送医疗仪器，并且避免损伤解剖结构。这些系统能够结合形状传感器的使用，以更准确地描述在实际空间中或相对于术前或并发图像的医疗仪器的形状、位置、取向和姿势。这些形状传感器的准确度和精密度可能受到许多因素(包括传感器的扭转、温度变化、形状传感器在仪器内的位置以及在传感器上的轴向载荷)的影响。
需要改进的系统和方法来提高导航辅助系统的准确度和精密度，包括使危害形状传感器准确度的因素的影响最小化。本文公开的设备、系统和方法克服了现有技术缺点中的一个或更多个。
发明内容
本发明的实施例由下面的权利要求书概述。
在一个实施例中，装置包括具有细长轴的仪器。装置还包括第一形状传感器，第一形状传感器包括在距中性轴线第一径向距离处在细长轴内延伸的细长光纤。该装置还包括抗扭转特征，抗扭转特征经配置减少细长光纤相对于细长轴的扭转，同时允许细长光纤在细长轴内的轴向平移。
在另一实施例中，操作形状感测装置的方法包括提供包括沿细长轴设置的形状传感器的仪器并且从形状传感器接收形状数据。形状传感器包括在细长轴内延伸的细长光纤，并且沿细长光纤的至少一部分联接到抗扭转特征。抗扭转特征经配置限制光纤相对于细长轴的扭转。该方法还包括基于接收的形状数据生成仪器弯曲测量值。
在另一实施例中，装置包括具有细长轴的仪器和第一形状传感器，第一形状传感器包括在距中性轴线间隔第一径向距离处在细长轴内延伸的细长光纤。该装置还包括经配置减少第一形状传感器的至少一部分中的轴向应变的扭转减轻特征。
附图说明
当与附图一起阅读时，从下面详细描述中可以最好地理解本公开的各方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各种特征不是按比例绘制的。实际上，为了清楚地讨论，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。此外，本公开可以重复各种示例中的参考标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，本身并不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系
图1示出根据本公开的一个实施例的示例性远程医疗系统。
图2示出根据本公开的一个实施例的利用远程医疗系统的方面的医疗仪器系统。
图3和图4是包括根据本公开的一个实施例的光纤形状传感器的医疗仪器的横截面图。
图5示出根据本公开的实施例的包括含有光纤形状传感器的纤维腔和示例性抗扭转特征的示例性医疗仪器的横截面视图。
图6A和图6B示出根据本公开的实施例的光纤形状传感器和示例性抗扭转特征。图6A是透视图并且图6B是横截面图。
图7A-图7C示出根据本公开的各种实施例的光纤形状传感器和示例性抗扭转特征。图7A是透视图并且图7B和图7C是横截面图。
图8A是根据本公开的实施例的光纤形状传感器和示例性键锁特征(keyingfeature)的透视图。
图8B是图8A所示的光纤形状传感器和示例性键锁特征的横截面图。
图8C是根据本公开的实施例的包括定位在示例性纤维腔内的光纤形状传感器和示例性键锁特征和参考传感器的示例性医疗仪器的横截面图。
图9A是根据本公开的实施例的光纤形状传感器和示例性键锁特征的透视图。
图9B是根据本公开的实施例的光纤形状传感器和示例性键锁特征的透视图。
图10是根据本公开的实施例的包括光纤形状传感器和示例性纤维腔的示例性医疗仪器的横截面图。
图11A-图11D是根据本公开的各种实施例的不同的示例性医疗仪器的横截面图，不同的示例性医疗仪器各自包括光纤形状传感器、抗扭转特征和参考传感器。
图12A和图12B是根据本公开的各种实施例的不同的示例性医疗仪器的横截面图，不同的示例性医疗仪器各自包括光纤形状传感器和抗扭转特征。
图13示出根据本公开的一个实施例的具有螺旋缠绕的光纤形状传感器的医疗仪器系统。
图14示出根据本公开的一个实施例的具有远侧固定的光纤形状传感器的医疗仪器系统。
具体实施方式
为了促进对本公开原理的理解的目的，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用特定语言来描述本发明的原理。然而，应当理解，这不旨在限制本公开的范围。在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他情况下，还未详细描述众所周知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊本公开的实施例的方面。
如本公开所涉及的领域的技术人员通常会想到的，对所描述的设备、仪器、方法以及本公开的原理的任何进一步的应用的任何改变和进一步的修改被完全设想。特别地，完全设想到关于一个实施例描述的特征、部件和/或过程可以与关于本公开的其他实施例描述的特征、部件和/或过程结合。此外，本文提供的尺寸是针对具体示例的，并且可设想可以利用不同的大小、尺寸和/或比率来实施本公开的概念。为了避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例描述的一个或更多个部件或动作能够在适用于其他说明性实施例的情况下被使用或省略。为了简洁起见，这些组合的大量迭代将不会分开描述。为了简单起见，在某些情况下，贯穿附图使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。
下面的实施例将描述根据仪器在三维空间中的状态的各种仪器和仪器的部分。如本文所使用的，术语“位置”是指物体或物体的一部分在三维空间中(例如，沿笛卡尔X、Y、Z坐标的三个平移自由度)的定位。如本文所使用的，术语“取向”是指物体或物体的一部分的旋转布置(三个旋转自由度—例如滚转、俯仰和偏航)。如本文所使用的，术语“姿势”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的位置和物体或物体的部分在至少一个旋转自由度(总共最多六个自由度)中的取向。如本文所使用的，术语“形状”是指沿细长物体测量的一组姿势、位置或取向。
应当理解，术语“近侧”和“远侧”在本文中参考操纵从临床医生延伸到手术部位的仪器的端部的临床医生使用。术语“近侧”是指仪器靠近临床医生的部分，以及术语“远侧”是指仪器进一步远离临床医生并且更接近手术部位的部分。为了简明扼要，参考附图本文可以使用诸如“水平”、“竖直”、“上面”和“下面”之类的空间术语。然而，医疗仪器用于许多取向和位置中，而且术语并不旨在是限制性和绝对的。
本公开一般涉及使用形状传感器系统来监测、估计和/或预测用于各种医疗程序(包括但不限于诊断、手术和/或治疗程序)中的医疗仪器的形状和/或位置。特别地，在一些实施例中，本文公开的形状传感器系统依赖于从联接到医疗仪器的柔性体的光学形状传感器纤维中获得和解释光学数据的能力。特别地，本公开的一些实施例通过在操作者在微创程序期间使用医疗仪器时最大限度地减小扭转对光纤的影响，来与形状和/或位置跟踪有关。在一些实施例中，形状感测系统可以联接到远程医疗系统。本文公开的实施例可以通过减少在医疗仪器的操纵期间由光纤的扭转引入的误差和不准确性，来改善联接到远程医疗系统的形状感测系统的位置和形状评估能力。特别地，本文所述的一些实施例通过非限制性的示例，利用机械元件例如花键(spline)和粘合剂来约束光纤关于医疗仪器的本体的移动。例如，在一些实施例中，光纤联接到医疗仪器内的各种点和/或其他传感器(例如，EM位置传感器)，以最小化扭转对光纤的影响。
本领域技术人员将认识到，本文公开的形状感测系统可以用在受益于更准确的形状和/或位置感测的类似(例如，非远程操作)应用中。通过利用本文公开的形状感测系统和方法，用户可以体验与联接到远程医疗系统的医疗仪器和其它部件更直观和更有效的交互。
根据各种实施例，可以使用远程操作系统来执行微创医疗程序，以指导仪器传送和操作。参考附图中的图1A，用于例如包括诊断、治疗或外科手术程序的医疗程序的远程操作医疗系统通常由参考标号10指示。如将要描述的，本公开的远程操作医疗系统在外科医生的远程操作的控制下。在替代实施例中，远程操作医疗系统可以在编程为执行过程或子过程的计算机的部分控制下。在另外的其他替代实施例中，在编程为执行过程或子过程的计算机的完全控制下的完全自动化的医疗系统可以用于执行程序或子程序。如图1所示，远程操作医疗系统10通常包括靠近或安装到手术台O的远程操作组件12，患者P定位在该手术台O上。远程操作组件12可以被称为患者侧操纵器(PSM)。医疗仪器系统14可操作地联接到远程操作组件12。操作者输入系统16允许外科医生或其他类型的临床医生S查看手术部位的图像或表示手术部位的图像，并且控制医疗仪器系统14的操作。操作者输入系统16可以被称为主控或外科医生的控制台。能够用于实施在本公开中描述的系统和技术的远程操作手术系统的一个示例是由加利福尼亚州桑尼维尔的Intuitive Surgical，Inc.制造的手术系统。
远程操作组件12支撑医疗仪器系统14，并且可以包括一个或更多个非伺服受控链接的运动学结构(例如，可以手动定位并锁定在适当位置的一个或更多个链接，通常被称为设置结构(set-up structure))和远程操作操纵器。远程操作组件12包括驱动在医疗仪器系统14上的输入的多个马达。这些马达响应于来自控制系统22的命令而移动。马达包括驱动系统，驱动系统当被联接到医疗仪器系统14时可以将医疗仪器推进到自然的或手术创建的解剖孔口中。其他机动化驱动系统(motorized drive system)可以以多个自由度(其可以包括三个线性运动度(例如，沿X、Y、Z笛卡儿轴线的线性运动))和以三个旋转运动度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔轴线的旋转))来移动医疗仪器的远端。另外，马达能够用于致动仪器的可铰接的末端执行器。
远程操作医疗系统10还包括图像捕获系统18，图像捕获系统18包括诸如内窥镜的图像捕获或成像设备以及相关的图像处理硬件和软件。成像设备可以整体地或可拆卸地联接到医疗仪器系统14。附加地或替代地，附接到单独的操纵器组件的单独的成像装置可以与医疗仪器系统一起使用，以对外科手术部位进行成像。
远程操作医疗系统10还包括控制系统22，其可操作地链接到远程操作组件12的传感器、马达、致动器和其他部件、操作者输入系统16以及图像捕获系统18。操作者输入系统16可以位于外科医生的控制台处，该控制台通常位于与手术台O相同的房间中。然而，应当理解，外科医生S能够位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物中。操作者输入系统16通常包括用于控制医疗仪器系统14的一个或更多个控制设备。更具体地，响应于外科医生的输入命令，控制系统22实现伺服机械运动医疗仪器系统14。(一个或更多个)控制设备可以包括任何数量的各种输入设备中的一个或更多个，例如手柄、操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、手动控制器、脚操作的控制器、语音识别装置、触摸屏、身体运动或存在传感器等。在一些实施例中，(一个或更多个)控制设备将被提供与远程操作组件的医疗仪器相同的自由度，以向外科医生提供远程呈现，即(一个或更多个)控制设备与仪器一体的感知，使得外科医生具有直接控制仪器的很强的感觉，如同置身于于手术部位处。在其他实施例中，(一个或更多个)控制设备可以具有比相关联的医疗仪器更多或更少的自由度，并且仍然为外科医生提供远程呈现。在一些实施例中，(一个或更多个)控制设备是以六个自由度移动的手动输入设备，并且还可以包括用于致动仪器(例如，用于闭合夹持爪、向电极施加电势、递送药物治疗等)的可致动手柄。
系统操作者看到图像，该图像由图像捕获系统18捕获，呈现在可操作地联接到或并入操作者输入系统16的显示系统20上用于观看。显示系统20显示由图像捕获系统18的子系统生成的手术部位和(一个或更多个)医疗仪器系统14的图像或表示。显示系统20和操作者输入系统16可以被取向成使得操作者能够借助远程呈现的感知来控制医疗仪器系统14和操作者输入系统16。显示系统20可以包括多个显示器，例如用于向操作者的每个眼睛呈现单独的图像的单独的左显示器和右显示器，从而允许操作者观看立体图像。
替代地或附加地，显示系统20可以使用成像技术(例如，计算机断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热红外成像、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等)来呈现术前或术中记录的和/或成像的手术部位的图像。所呈现的术前或术中的图像可以包括二维、三维或四维(包括例如，基于时间或基于速度的信息)图像和用于再现图像的相关联的图像数据集。图像可以是例如由成像设备(诸如定位在手术部位内的内窥镜)捕获的二维(2D)或三维(3D)图像。在一些实施例中，显示系统20可以显示虚拟导航图像，其中医疗仪器的实际位置使用术前图像动态地参考，以在医疗仪器尖端的位置处向外科医生S呈现手术部位的虚拟图像。医疗仪器的尖端或其他图形或字母数字指示器的图像可以叠加在虚拟图像上，以辅助外科医生控制医疗仪器。显示系统20可以被实现为硬件、固件、软件或其组合，其与可以包括控制系统22的处理器的一个或更多个计算机处理器交互或以其他方式由所述一个或更多个计算机处理器执行。
控制系统22包括至少一个存储器和至少一个处理器(未示出)，并且通常为多个处理器，用于实现远程操作系统12、医疗仪器系统14、操作者输入系统16、图像捕获系统18和显示系统20之间的控制。控制系统22还包括编程的指令(例如，存储指令的计算机可读介质)，以实施根据本文公开的方面描述的方法中的一些或全部。虽然在图1的简化示意图中将控制系统22示出为单个块，但是系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中处理的一部分可选地在远程操作组件12上或附近执行，处理的另一部分在操作者输入系统16处执行等等。可以采用各种集中或分布式数据处理架构中的任何一种。类似地，编程的指令可以被实施为多个单独的程序或子程序，或者它们可以集成到本文描述的远程操作系统的许多其它方面。在一个实施例中，控制系统22支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE802.11、DECT和无线遥测。
在一些实施例中，控制系统22可以包括从医疗仪器系统104接收力和/或扭矩反馈的一个或更多个伺服控制器。响应于反馈，伺服控制器向操作者输入系统16传送信号。(一个或更多个)伺服控制器还可以传送指示远程操作组件12用以移动经由身体中的开口延伸到患者体内的内部手术部位的(一个或更多个)医疗仪器系统14的信号。可以使用任何合适的常规或专用的伺服控制器。伺服控制器可以与远程操作组件12分离或与远程操作组件12集成。在一些实施例中，伺服控制器和远程操作组件被提供作为远程操作臂推车的邻近患者身体定位的部分。
远程操作医疗系统10可以进一步包括可选的操作和支持系统24，诸如照明系统、眼睛跟踪系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。这些系统可以可操作地联接到或并入操作者输入系统16。在替代实施例中，远程操作系统可以包括多于一个的远程操作组件和/或多于一个的操作者输入系统。操纵器组件的精确数量取决于外科手术程序和手术室内的空间限制等其他因素。操作者输入系统可以并置，或者它们可以被定位在分开的位置中。多个操作者输入系统允许多于一个的操作者以各种组合控制一个或更多个操纵器组件。
图2示出包括医疗仪器系统14及其接口系统的形状感测装置118。医疗仪器系统14包括通过接口(interface)122联接到远程操作组件12和图像捕获系统18的可转向仪器120。在图2的实施例中，仪器118在远程操作手术系统10内被远程操作。在替代实施例中，远程操作组件12可以由直接的操作者控制来代替。在直接的操作替代方案中，可以包括各种手柄和操作者接口用于仪器的手持式操作。
仪器120具有柔性主体124(例如，插管)，在其远端128处的可转向尖端126和在其近端130处的接口122。主体124容纳接口122和尖端126之间延伸以可控地弯曲或转动尖端的电缆、连杆机构(linkages)或其它转向控制件(未示出)，例如通过弯曲尖端126的虚线形式所示出的，并且在一些实施例中控制可选的末端执行器132。末端执行器是用于医疗功能(例如，用于对目标组织进行预定的治疗)的可操纵的工作远端部分。例如，一些末端执行器具有单个工作构件，诸如手术刀、刀片或电极。例如，其他末端执行器(诸如图2的实施例)具有一对或多个工作构件，诸如镊子、抓紧器，剪刀或夹具装置。电激活的末端执行器的示例包括电外科电极、转换器、传感器等。末端执行器还可以包括输送流体、气体或固体的管道，以进行例如抽吸、吹入、冲洗、需要流体输送的治疗、附件引入、活检提取等。在其他实施例中，柔性主体124能够限定一个或更多个腔，通过一个或更多个腔能够在目标手术位置处部署并使用医疗仪器。
仪器120还能够包括图像捕获元件134，图像捕获元件可以包括设置在远端128处的立体或单视场的摄像机，用于捕获传送到图像捕获系统18并由图像捕获系统18处理以供显示系统20显示的图像。替代地，图像捕获元件134可以是联接到诸如纤维镜的仪器120的近端上的成像和处理系统的相干光纤束。图像捕获元件134可以是单光谱或多光谱，用于在可见或红外线/紫外线的光谱中捕获图像数据。
跟踪系统136与传感器系统138连接，用于确定远端128和/或沿仪器120的一个或更多个段137的形状(和可选地，姿势)。虽然在图2中仅描绘了示例性的一组段137，但是仪器120在远端128和近端130之间并且包括尖端126的整个长度可以被有效地分成多个段，该多个段的形状(和位置、姿势和/或定位)可以由传感器系统138确定。跟踪系统136可以被实施为硬件、固件、软件或其组合，其可以与一个或更多个计算机处理器进行交互或可以由一个或更多个计算机处理器以其他方式执行，所述一个或更多个计算机处理器可以包括控制系统22的处理器。
传感器系统138包括与柔性主体124对齐的光纤形状传感器140(例如，设置在内部通道(未示出)内或者被外部安装)。跟踪系统136联接到光纤形状传感器140的近端。在该实施例中，光纤形状传感器140具有大约200μm的直径。在其他实施例中，尺寸可以更大或更小。
光纤形状传感器140形成用于确定仪器120的形状的光纤弯曲传感器。在一个示例中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤用于在一个或更多个维度中提供结构中的应变测量值。用于监测在三个维度中的光纤的形状和相对位置的各种系统和方法被描述在于2005年7月13日提交的美国专利申请公开No.2006/0013523和于2004年7月16日提交的美国专利申请序列号60/588,336以及于1998年6月17日提交的美国专利No.6,389,187中，这些专利申请的公开内容全部并入本文。在其他替代方案中，采用其他应变感测技术诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射的传感器可以是合适的。在其他替代实施例中，可以使用其他技术来确定仪器120的形状。例如，如果仪器尖端的姿势的历史被存储达小于刷新导航显示或交替运动(例如，吸入和呼出)的周期的时间间隔，则姿势历史能够用于在所述时间间隔内重建设备的形状。作为另一示例，可以沿交替运动(例如呼吸)的循环为仪器的已知点存储历史姿势、位置或取向数据。存储的数据可用于开发关于仪器的形状信息。
光纤形状传感器140用于监测仪器120的至少一部分的形状。更具体地，通过光纤形状传感器140的光由跟踪系统136处理，用于检测医疗仪器120的形状并且用于利用该信息以辅助外科手术。跟踪系统136可以包括检测系统，用于产生和检测用于确定仪器120的形状的光。此信息进而能够用于确定其他相关变量，诸如医疗仪器的零件的速度和加速度。通过实时获得这些变量中的一个或更多个的准确测量值，控制器能够提高机器人手术系统的准确度并且补偿在驱动部件零件中引入的误差。感测可以仅限于由机器人系统致动的自由度，或者可以应用于被动(例如，关节之间的刚性构件的未致动的弯曲)和主动(例如，仪器的致动运动)自由度二者。
来自跟踪系统136的信息可以被发送到导航系统142，在导航系统142该信息与从图像捕获系统18和/或术前拍摄的图像的信息结合，以在显示系统20上向外科医生或其他操作者提供实时位置信息，用于仪器120的控制。导航系统142可以是图1中所示的控制系统22的一部分。替代地，导航系统142可以是图1中所示的可选系统24的一部分。导航系统142和/或控制系统22可以利用位置信息作为用于定位仪器120的反馈。用于使用光纤传感器以配准和显示医疗仪器与外科手术图像的各种系统被提供在题目为“Medical SystemProviding Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure forImage-Guided Surgery(为图像引导的外科手术提供解剖结构的模型的动态对准的医疗系统)”的美国专利申请No.13/107,562中，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，一系列沿仪器定位的位置传感器(诸如电磁(EM)传感器)能够附加地或替代地用于形状感测。来自仪器上的位置传感器(诸如，EM传感器)的在手术期间的数据历史可以用来表示仪器的形状，特别是如果解剖通道通常是静态的。例如，在所描绘的实施例中，仪器118包括位置传感器150(例如，电磁(EM)传感器系统)，如果位置传感器150由于例如来自在手术套件中的其他设备的磁干扰而变得不可靠，或者如果其他导航跟踪系统更加可靠，则位置传感器150可以被操作者或自动系统(例如，控制系统22的功能)禁用。位置传感器150可以是包括一个或更多个导电线圈的EM传感器系统，所述一个或更多个导电线圈可以经受从外部产生的电磁场。EM传感器系统150的每个线圈然后产生具有取决于该线圈相对于从外部产生的电磁场的位置和取向的特性的感应电信号。在一个实施例中，EM传感器系统可以经配置并且定位成测量六个自由度(“6-DOF”)，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏转和滚动的三个取向角，或五个自由度，例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏转的两个取向角。EM传感器系统的进一步的描述被提供在于1999年8月11日提交的公开为“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a PassiveTransponder on the Object Being Tracked(具有在被跟踪对象上的被动转调器的六自由度跟踪系统)”的美国专利No.6,380,732中，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。在所描绘的实施例中，位置传感器150被示出定位在靠近仪器118的远端128的主体124内。在其它实施例中，位置传感器150可以沿仪器118、在仪器118的内部或在仪器118的外部定位在各种位置中的任何一处。
在一些实施例中，替代地或附加地，其中位置或取向被外部磁场控制的无线设备可以用于形状感测。其位置的历史可以用来确定用于导航的通道的形状。
图3和图4是包括根据本公开的一个实施例的光纤形状传感器140的医疗仪器120的横截面图。为了简化说明，已省略了转向部件和视觉成像系统的细节。该说明不是按比例绘制。在本实施例中，光纤形状传感器140包括包含在单个包层146内的四个芯144a-144d。每个芯可以是具有使芯分离的足够的距离和包层的单模式，使得在每个芯中的光不与其他芯中所携带的光显著地相互作用。在其它实施例中，芯的数量可以改变或每个芯可以被包含在一个单独的光纤中。在图3和图4的实施例中，纤维芯围绕光纤形状传感器140的中心成90°的间隔布置。在其他实施例中，四个芯可以被布置成一个芯在纤维的中心和三个芯围绕中心以120°的间隔隔开。
在一些实施例中，FBG阵列设置在每个芯内。每个FBG包括芯的折射率的一系列的调制，以便产生折射率的空间周期性。可以选择间隔，使得来自各指标变化的部分反射针对波长的窄频带相干地增加，并且因此仅反射波长的该窄频带，同时通过一个宽得多的频带。在FBG的制造期间，调制被一个已知的距离间隔开，从而引起波长的已知频带的反射。然而，当在纤维芯上引起应变时，调制的间距将根据芯中的应变量而改变。替代地，随着光纤的弯曲度而改变的反向散射或其他光学现象能够用于确定每个芯内的应变。
因此，为了测量应变，光被发送到纤维的下面，并且测量返回光的特性。例如，FBG产生作为光纤上的应变及其温度的函数的反射波长。这种FBG技术可以从各种来源商业地获得，诸如英国布拉克内尔的智能纤维有限公司。FBG技术在用于机器人手术的位置传感器中的使用被描述在美国专利No.7,930,065中，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
形状传感器可以以应变数据的形式向图2所示的跟踪系统136提供形状数据。此外，应变数据可以用与扭转误差、光响应、温度误差、或可以有助于确定形状的其他数据有关的数据来补充。当施加到多芯纤维时，光纤的弯曲在芯上引起应变，该应变能够通过在每个芯中监测波长偏移来测量。通过具有离轴设置在纤维中的两个或更多个芯，纤维的弯曲在芯中的每个上引起不同的应变。这些应变是纤维的局部弯曲半径、芯的相对于纤维中心线的径向位置以及芯围绕芯中心线相对于纤维弯曲的平面的角位置的函数。例如，在包含位于其中纤维弯曲的点处的FBG的芯的区域中应变引起的波长偏移，从而能够用于确定在那些点处的弯曲量。与FBG区域的已知间距结合的这些数据能够用于重建该纤维的形状。此系统已经由美国弗吉尼亚州布莱克斯堡的Luna Innovations.Inc.描述。
在图3和图4所示的实施例中，光纤形状传感器140包括围绕光纤形状传感器140的轴线以间隔相等的径向距离和相等的角度间隔设置的四个光学芯144a-144d，使得在横截面中，相对的一对芯144a-144C和144b-144d形成正交轴线。沿四个光学芯的感测位置被对齐，使得来自每个芯的测量值来自于基本上沿光纤相关的轴向区域。该纤维芯144可以包括多个FBG或其沿每个芯144a-144d轴向分布的FBG组。在各种实施例中，FBG可以是连续的、重叠的或部分重叠的。例如，在一个实施例中，每个芯144a-144d包括沿每个芯144a-144d的长度设置在已知位置处的共线FBG的阵列，使得用于所有四个芯144a-144d的FBG 144a-d在多个传感器段137(包括可转向的尖端126)处纵向对齐(例如，相对于距医疗仪器120的远端128的距离)。
光纤形状传感器140在传感器段137中的一个中的弯曲将相对于相对的芯144a-144d使至少一个芯144a-144d变长。沿纤维的长度差异的解调(Interrogation)使弯曲的角度和半径能够被提取。该解调可以使用跟踪系统136来执行。存在多路复用FBG的各种方法，使得单个纤维芯能够携带许多传感器并且能够区别每个传感器的读数。各种方法中的一些被描述在美国专利申请序列号13/049,012中，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
在替代实施例中，可以使用具有更少或更多的芯的纤维。同样地，纤维芯可以以不同的模式布置，诸如，中央芯具有(轴向是指纤维取向，而不是间隔)围绕中央芯以角间隔隔开的附加的芯。在一个实施例中，中空实用通道可以为可移除设备(包括可移除的医疗仪器、可移除的转向部件、可移除的可视化部件等)提供通路。在一些实施例中，仪器主体124可以包括尺寸被设定成容纳光纤140并且将其与转向或可视化部件分离的内部通道或纤维腔，转向或可视化部件本身可以通过单独的通道被容纳。在图3和图4中，例如，光纤形状传感器140被定位在纤维腔162内。纤维腔162可以在医疗仪器120的整个长度上延伸。
在图3中，光纤形状传感器140在距中性轴线160径向距离D1处居中，中性轴线160在本实施例中沿仪器的纵向轴线LA纵向地延伸穿过仪器120。中性轴线160是仪器120的在弯曲期间沿中性轴线160没有或者几乎没有(由于张力、扭转或压缩的)轴向应变发生的轴线。在其它实施例中，光纤形状传感器140可以被定位在中性轴线160处，或者沿中性轴线160定位。在替代实施例中，光纤形状传感器140(和纤维腔162)可以以中性轴线160为中心或者位于不同的径向距离处。在该实施例中，光纤形状传感器140可以从中性轴线160偏移，以容纳仪器120的其它部件，诸如可以以中性轴线160为中心或者围聚在中性轴线160的周围的电缆或其它转向部件或可视化部件(未示出)。在该实施例中，中性轴线160大致沿仪器120的中心轴线延伸。在替代实施例中，光纤形状传感器140可以在距中性轴线的其他距离或在与中性轴线成其他角位移处被定位在仪器120内(例如，在纤维腔162内)。
当光纤形状传感器140从中性轴线偏移定位时，光纤形状传感器140在弯曲期间经受轴向拉伸力和压缩力，其拉紧所有的纤维芯，并且可以带来弯曲测量误差。在光纤形状传感器140中的扭转可以引起光纤形状传感器140上的应变或应力(例如，除由医疗仪器120的弯曲引起的应变之外)，应变或应力带来弯曲测量误差。在光纤形状传感器140中的扭转可以由(例如当医疗仪器在多个方向上被转向或引导时由医疗仪器120的扭转或旋转的位移而导致。当光纤形状传感器140的近侧部分164相对于光纤形状传感器140的远侧部分166围绕光纤形状传感器140的纵向轴线OA旋转时，在光纤形状传感器中发生扭转。例如，光学芯168可以相对于纵向轴线OA以不同的径向角位于远侧部分166和近侧部分164中。因为由于轴向力导致的在光纤形状传感器140上的应变可以与由扭转引起的明显的应变是不可区别的，所以可能由于轴向力与扭转相对(versus)而难以确定弯曲测量误差的大小。除非来自FBG的数据能够被解析成来自由于弯曲导致的应力或应变的反射的光读数和来自由于扭转或扭曲导致的应力或应变的反射的光学读数的可辨别的分量，从光学数据确定的位移信息能够包括估计医疗仪器120的位置或形状的不准确性或误差。
因此，为了使用光纤120准确地估计或预测如上所述细长的医疗仪器120的位置或形状，可能需要在医疗仪器120的操纵(例如，转向和/或弯曲)期间减小光纤120的扭转或旋转的可能性。在本文描述的一些实施例中，光纤形状传感器140被机械地约束，以防止或减少光纤形状传感器140的近侧部分164相对于远侧部分166的扭转，同时允许通过医疗仪器120(例如，平行于纵向轴线LA)沿纵向轴线轴向平移。在某些情况下，光纤形状传感器140由抗扭转特征170被机械地防止或限制围绕纵向轴线OA扭转。
例如，图5示出根据本公开的实施例的与示例性医疗仪器173相关联的示例性抗扭转特征170的横截面图，示例性医疗仪器173包括在纤维腔175内延伸的光纤形状传感器。医疗仪器173可以与图2所示的医疗仪器120相同。在图示的实施例中，抗扭转特征170被设置在光纤形状传感器140和纤维腔175的腔壁174之间。抗扭转特征170可以包括经配置最小化或防止光纤形状传感器140的扭转的各种机械元件中的任何一种，包括光纤形状传感器140本身的特征，纤维腔175的特征，以及独立的特征(非限制性地举例来说，诸如涂层、护套和键锁特征)。
在图示的实施例中，纤维腔175包括形成在仪器173的主体176内的中空的管状空间。主体176形成具有内表面177和外表面178的细长的柔性管。主体176的内表面177限定中心腔179。中心腔179可以包括医疗仪器173的工作通道。医疗仪器173包括在主体176内延伸的多个致动通道180，所述多个致动通道180经配置接收致动电缆182。
在替代实施例中，光纤形状传感器140能够适当地联接、结合或附接到内表面177或外表面178。在其它的替代实施例中，内表面177还可以限定凹槽，光纤形状传感器140可以被定位在所述凹槽中。在又一些其它的实施例中，光纤形状传感器140能够使用例如合适的粘合剂或结合剂联接到外表面178或与外表面178整体形成，和/或光纤形状传感器140可以定位在形成在外表面178内的孔或凹槽内。进一步地，光纤140能够以将光纤140的一部分联接在仪器173的近侧部分上的已知参考位置处的方式联接到仪器173。
图6A和图6B示出根据本公开的一个实施例的联接到示例性抗扭转特征170'的光纤形状传感器140。图6A示出光纤形状传感器140和抗扭转特征170'的透视图，并且图6B示出光纤形状传感器140和抗扭转特征170'的穿过图6A中的线6B-6B的横截面图。在一些实施例中，如图6A和图6B所示，抗扭转特征170'包括抗扭转护套或覆盖物171，非限制性地举例来说，诸如海波管或编织护套，其联接到光纤形状传感器140的至少一部分。此护套171可以在形状传感器140和纤维腔175之间产生摩擦，从而限制扭转运动。因此护套171使形状传感器140沿医疗仪器120的长度的至少一部分抵抗在纤维腔175内的扭转。在替代实施例中，抗扭转特征170'可以是限制形状传感器140的扭转的纤维腔175的网纹表面。在另外的其它替代方案中，护套171或腔175的纹理可以被选择以创建比抵抗轴向滑动运动更大的抵抗扭转运动的阻力。在替代实施例中，护套171可以包括固有地抵抗扭转的结构性配置，从而减少与其联接的光纤形状传感器140的扭转。
替代地，如图7A-图7C所示，抗扭转特征170”可以包括由具有相对低的摩擦系数的材料制成的涂层172，非限制性地举例来说，诸如特氟隆涂层、润滑剂涂层、或聚合物涂层。通过降低光纤形状传感器140和纤维腔(例如，图5所示的纤维腔175)的壁之间的摩擦系数，当医疗仪器在使用期间曲折、弯曲、以及扭转时，涂层172可以促进光纤形状传感器140(例如，光纤形状传感器140的近侧部分164和远侧部分166两者的)在纤维腔175内的自由旋转。
图7A和图7B示出沿其长度L1的至少一部分由涂层172包围的光纤形状传感器140。图7A示出光纤形状传感器140和抗扭转特征170”的透视图，并且图7B示出光纤形状传感器140和抗扭转特征170”的穿过图7A中的线7B-7B的横截面图。在其它实施例中，代替涂层172被联接到光纤形状传感器140，涂层172被联接到纤维腔。图7C示出沿其长度的至少一部分涂覆有涂层172的示例性纤维腔185的横截面图。在图示的实施例中，纤维腔185包括内壁187，并且涂层172覆盖或涂覆沿纤维腔185的长度的至少一部分的内壁187。光纤形状传感器140被示出在纤维腔185的中心腔189内延伸。
另外或替代地，如图8A、图8B和图8C所示，抗扭转特征包括键锁特征195，键锁特征195沿光纤形状传感器140的长度的至少一部分延伸，并且经配置限制光纤形状传感器围绕纵向轴线OA的扭转。图8A和图8B示出联接到键锁特征195的光纤形状传感器140。图8A示出光纤形状传感器140和键锁特征195的透视图，并且图8B示出光纤形状传感器140和键锁特征195的穿过图8A中的线8B-8B的横截面图。键锁特征195包括联接到形状传感器140的花键200。花键200可以包括金属线、聚合物杆、玻璃纤维，或其它合适的刚性或半刚性构件的长度。花键200的形状可以是圆柱形的，或者可以包括细长的平坦的或弯曲的表面。花键200可以用粘合剂和/或其他机械联接或捆绑(诸如花键护套205)固定到形状传感器140。花键200与光纤形状传感器140的外表面配合，以限制光纤形状传感器140至少在键锁特征195的位置处的旋转或扭转。
图8C示出根据本公开的一个实施例的包括光纤形状传感器140、键锁特征195和参考传感器(例如，如在图2中所示的位置传感器150)的示例性医疗仪器400的横截面图。除了本文所述的不同之外，医疗仪器400基本上类似于图5所示的医疗仪器173。在医疗仪器400中，键锁特征195可以通过将传感器140的布置固定在纤维腔405内来起作用以限制或消除光纤形状传感器140的扭转或旋转位移，纤维腔405具有类似于键锁特征195的横截面形状的椭圆形或其它细长的横截面形状。如在图8C中所示，键锁特征195限制光纤形状传感器140通常相对于医疗仪器400和/或特别地相对于位置传感器150的旋转位移或扭转。其他实施例可以缺少位置传感器150。如在图8C中所示，纤维腔405可以被设置在医疗仪器400的主体壁410内，从而提供用于光纤形状传感器140的导管，该导管使扭转最小化而不增加医疗仪器400的整体外径D1。
如在图8A-图8C的实施例中所示，花键200可选地包括经成形且配置成与光纤形状传感器140的外表面210相配合(例如，齐平地坐定)的凹的弯曲的外配合表面215。花键护套205经成形且配置成紧紧地包围光纤形状传感器140和花键200并且保持它们的配合配置。如图8B最佳所示，粘结材料220可选地可以被包括在花键护套205内部剩余的空间(即，由光纤形状传感器140或者花键200未占用的空间)内。粘结材料可以由包括但不限于有粘合力和无粘合力的填充材料的各种材料中的任何一种形成。
如在图8A的图示的实施例所示，花键200包括通常至少与位置传感器150的长度(例如，在图11A中所示的长度L3)一样长的长度L2。在一些实施例中，键锁特征195的长度L2稍长于位置传感器150的长度L3，以考虑键锁特征195(例如，花键200)在仪器400的纤维腔405内的预期的平移。在给定的实施例中，键锁特征195的长度L1可达光纤形状传感器140的固定旋转的期望的长度。
在各种实施例中，键锁特征195的形状和尺寸可以被设定成适合于限制光纤形状传感器140的旋转和扭转的各种形状和尺寸中的任何一种。例如，虽然图8A和图8B所示的键锁特征195被成形为平行圆筒，但是键锁特征195可以包括各种形状或结构特征中的任何一个，非限制性地举例来说，诸如线材、杠杆臂、凹口、或突出部，其经成形且被配置成与医疗仪器120的内表面或对应的结构属性接合(例如，在纤维腔405内)，以形成限制或防止光纤形状传感器140在医疗仪器400内的扭转或旋转运动的键形布置。
在一个实施例中，如在图9A中所示，键锁特征195'包括一系列单独的花键250。在各种实施例中，键锁特征195'可以包括任何数量的任何形状和尺寸的各个花键。在图示的实施例中，键锁特征195'包括类似的形状和尺寸的四个花键250a、250b、250c和250d。花键250a、250b、250c和250d各自串联地附接到光纤形状传感器140，其中在每个花键之间具有小的空间。串联地联接到光纤形状传感器140的多个花键的配置可以允许传感器140弯曲并保持低的弯曲刚度，同时保留传感器140的长带键部分，以防止传感器的扭转。
图9B示出包括一系列单独的花键260a、260b、260c和260d的键锁特征195”。除本文所述的差异之外，该键锁特征195”基本上类似于在图9A中示出的键锁特征195'。花键260a、260b、260c和260d彼此偏移，使得相邻的花键以相对于彼此稍微不同的角度(以相对于光纤形状传感器140的纵向轴线OA稍微不同的径向角度)取向。例如，在图示的实施例中，花键260a和260c与花键260b和260d成角度α取向。在一些实施例中，偏移可以由将单独的花键联接在一起的弹性紧固件来实现。弹性紧固件可以包括各种紧固材料中的任何一种，非限制性地举例来说，诸如粘合剂。偏移配置可以用作消隙机构，消隙机构创建对抗经配置携带光纤形状传感器140和键锁特征195”的医疗仪器的纤维腔的预加载(例如，在图8C中所示的纤维腔405)。例如，偏移花键260b和260d可以被偏置成对纤维腔(例如，在图8C中示出的纤维腔405)的腔表面施加更大程度的摩擦和压力。
图10示出根据本公开的一个实施例的包括纤维腔305的示例性医疗仪器300的横截面图。医疗仪器300可以与上面参考图2所述的医疗仪器120相同。主体310形成具有内表面315和外表面320的细长的柔性管。主体310的内表面315限定中心腔325。中心腔325可以包括医疗仪器300的工作通道。医疗仪器300包括经配置接收致动电缆335的在主体310内的多个致动通道330。在其它的实施例中，光纤形状传感器140能够被适当地联接、结合或附接到内表面315或外表面320。内表面315还可以限定凹槽，光纤形状传感器140可以被定位在凹槽中。在又一些其它的实施例中，光纤形状传感器140能够使用例如合适的粘合剂或结合剂联接到外表面320或与外表面320整体形成，并且/或光纤形状传感器140可以被定位在孔或凹槽内，孔或凹槽形成在外表面320内。进一步地，光纤140能够以将光纤140的一部分联接在仪器300的近侧部分上的已知参考位置处的方式被联接到仪器300。
在图示的实施例中，纤维腔305包括经配置接收光纤形状传感器140的形成在仪器300的主体310内的中空管状空间。在图示的实施例中，纤维腔具有椭圆形的横截面形状。在其它的实施例中，纤维腔305可以具有各种横截面形状中的任何一种，包括但不限于卵形、圆形、矩形、长菱形、月牙形、蛇形和螺旋形。在一些实施例中，如上所述，纤维腔305可以包括经配置与沿光纤形状传感器140和/或抗扭转特征170形成的对应的凹口、凹陷或突出部配合的至少一个凹口、凹陷或突出部。在一些实施例中，抗扭转特征170和纤维腔305可以共享类似的横截面形状或轮廓，以限制光纤形状传感器140围绕光纤形状传感器140的纵向轴线OA的扭转或旋转位移(如上面参考图8C所述)。
一些实施例可能缺少单独的抗扭转特征170或键锁特征195，并且光纤形状传感器140'可以成形为具有与纤维腔305对应的横截面形状。换言之，纤维腔305的横截面形状可以基本上匹配光纤形状传感器140'的横截面形状，使得纤维腔自身的形状限制光纤形状传感器140'的扭转和旋转位移。在图示的实施例中，纤维腔305的横截面轮廓是椭圆形的，并且纤维腔305紧密地且可滑动地接收光纤形状传感器140'，光纤形状传感器140'也具有椭圆形的横截面形状。在此类实施例中，抗扭转特征170包括光纤形状传感器140'和纤维腔305的对应的横截面形状。
图11A-图11D是根据本公开的各种实施例的各自包括光纤形状传感器140和另一传感器(例如，位置传感器150)的各种医疗仪器的横截面图。图11A-图11D分别示出示例性医疗仪器500、600、700和800。医疗仪器500、600、700和800可以各自与如图2所示的医疗仪器120相同。在一些实施例中，医疗仪器500、600、700和800可以各自基本上类似于上述的医疗仪器173、300或400。下面附图中的每个展示了光纤形状传感器140、抗扭转特征170(例如，上述的抗扭转特征170'、抗扭转特征170”和/或键锁特征195)和参考传感器(例如，位置传感器150)相对于彼此并且相对于根据本公开的各种实施例的医疗仪器的远侧部分的示例性布置。在一些实施例中，医疗仪器的远侧部分接近主动可转向的部分。在其他实施例中，医疗仪器的远侧部分包括医疗仪器的远端。在所示实施例中的每个中，光学纤维形状传感器140在沿其长度的第一位置处被固定到位置传感器150或医疗仪器(例如，固定成创建光纤形状传感器140和位置传感器150之间的标准参考关系)，并且在沿其长度的第二位置处的联接到抗扭转特征170。该配置允许光纤形状传感器140到至少一个参考点的配准，并且限制光纤形状传感器140的扭转，同时使其能够在医疗仪器内轴向地平移。
在一些实施例中，如图11A所示，光纤形状传感器140在与医疗仪器500的位置传感器150相同的轴向位置处(例如，在沿医疗仪器500的纵向轴线LA距医疗仪器500的远端相同的轴向距离处)被固定到医疗仪器500的主体505，以创建用于光纤形状传感器140的至少一个固定的参考点。在图示的实施例中，光纤传感器形状140(在纤维腔510内)经由结合剂515(非限制性地举例来说，诸如粘合剂)被联接到主体505。光纤形状传感器140被联接到靠近或邻近医疗仪器500的远侧部分520的抗扭转特征170。因此，光纤形状传感器140被机械地防止或限制在远侧部分520处扭转，同时仍然被允许在远侧部分520处在纤维腔510内平移。
在一些实施例中，如图11B所示，光纤形状传感器140通过在位置传感器150的轴向位置处联接到扭转抗性特征170，被机械地防止或限制在位置传感器150的轴向位置处扭转。在图示的实施例中，光纤形状传感器140(在纤维腔602内)在靠近或邻近医疗仪器600的远侧部分610处被固定到医疗仪器600的主体605。在图示的实施例中，光纤形状传感器140经由结合剂615被联接到主体605。
在一些实施例中，如图11C所示，光纤形状传感器140被固定到位置传感器150，位置传感器150将它本身粘附到医疗仪器700的主体705，以对形状传感器140提供参考点。在图示的实施例中，位置传感器150和光纤形状传感器140经由结合剂710a被粘附到主体705，并且光纤形状传感器140经由结合剂710b被直接粘附到位置传感器150。光纤形状传感器140由抗扭转特征170机械地限制在医疗仪器700的远侧部分715(例如，接近可转向的尖端)处的扭转。抗扭转特征170在远侧部分715处被联接到光纤形状传感器140。
在一些实施例中，如图11D所示，光纤形状传感器140经由结合剂805被粘附到位置传感器150。抗扭转特征170在与位置传感器150相同的轴向位置处被联接到光纤形状传感器140。然而，光纤形状传感器140和位置传感器150两者都被允许沿医疗仪器800的纵向轴线LA平移(例如，既不是光纤形状传感器140也不是位置传感器150被粘附到医疗仪器的主体810内的轴向位置)。
在一些实施例中，关于在光纤形状传感器140中产生压缩和拉伸的轴向力的知识可以用于识别在弯曲测量方面的扭转力和旋转位移的大小和/或影响，并且还可以用于分离通过轴向力对扭转产生的测量误差。关于轴向力的影响和扭转程度的信息然后可以用于创建数学模型，以在算法上描述光纤形状传感器140的固定点和参考传感器(即，位置传感器150)之间的扭转，以补偿用于仪器的计算的弯曲测量值。仪器内的扭转测量误差的知识还可以允许分离扭转和轴向力的影响，并且允许识别它们在弯曲测量方面的各自的影响。算法补偿技术然后用于从最终的弯曲测量值中去除扭转的影响。
光纤的扭转也能够通过减小形状传感器140的整体感测到的长度来减轻。图12A和图12B示出医疗仪器900、910，医疗仪器900、910通过将感测到的部分减少到仪器的远端和已知的参考点之间的长度，来减轻在光纤形状传感器140的感测部分中的扭转。医疗仪器900、910可以各自与图2所示的医疗仪器120相同。图12A示出医疗仪器900，其中光纤形状传感器140的基准标记902联接到位置传感器150。基准标记902可以是弯曲、环状物、或由跟踪系统136可检测到的其他标记。联接到位置传感器150的基准标记902提供轴向参考点。光纤140的形状可以从基准标记902到光纤的远侧尖端904来测量。在该实施例中，光纤的远侧尖端位于医疗仪器900的远侧尖端处，但是在替代实施例中，光纤可以终止于仪器的远侧尖端的近端。在可测量位置中固定基准标记902的位置可以消除对测量基准标记902和光纤140的近端之间的光纤140的易扭转长度的形状的需要。
图12B示出医疗仪器910，其中光纤形状传感器140的基准标记912置保持在与仪器910的远侧尖端间隔固定的轴向偏移距离D处。光纤形状传感器140的长度D在不受约束的情况下在仪器910的纤维腔内穿过。纤维在纤维腔内的自由运动可以减少纤维的长度D的扭转。
图13示出医疗仪器920，其通过在仪器的远侧部分(例如可转向的尖端126)的纵向轴线周围螺旋形地缠绕光纤形状传感器140，来减轻扭转和/或改善用于仪器的长度的测量。医疗仪器920可以与如图2所示的医疗仪器120相同。位置传感器150被示出为位于远侧部分126的近端附近，但是可以位于沿导管的其他位置处。可选地，可以省略位置传感器。如图13所示，光纤形状传感器140可以被螺旋形地缠绕并且固定在可转向的尖端126中的柔性主体124的壁内。螺旋形缠绕的特性(包括相对于柔性主体的纵向轴线的缠绕的角度和弯曲部的最小允许半径)被选择以最小化对光纤的轴向应变(压缩或延长)。例如，螺旋形图案的特性可以被选择以将轴向应变限制到小于大约1％。在该实施例中，纤维140在仪器的近端130处的轴向运动可以不受约束。纤维可以移进和移出仪器的近端130，在仪器的近端附近经历最小的轴向应变。光纤140可以可选地包括仪器近端130近侧的辅助管束回路(serviceloop)922，辅助管束回路922允许光纤根据需要轴向地移进和移出仪器近端，以适应仪器的运动而没有拉伸光纤。辅助管束回路922可以是光纤的任何松弛部分，并且不必是完整的回路。可选地，机械基准924(诸如标记或传感器)可以附接到仪器近端130近侧的光纤140。跟踪机械基准提供用于确定光纤的近侧部分的扭转的数据。在光纤形状传感器中的轴向应变使扭转测量模糊，但是因为光纤轴向应变在仪器的可转向部分126中被最小化，所以光纤140能够测量仪器920的远侧部分126的扭转。该扭转测量可以与在仪器的近端处测量的扭转结合，以计算在仪器920中的总扭转。
在替代实施例中，光纤可以沿柔性主体124的整个长度被螺旋形地缠绕并嵌入壁中。在沿整个长度缠绕纤维的情况下，轴向应变被最小化从而允许扭转在仪器的长度上被测量。在该实施例中，可以在不将光纤的近端固定到机械基准的情况下测量扭转。
图14示出医疗仪器930，其通过将光纤形状传感器140的远端固定到柔性主体124的远端并且将光纤形状传感器的近端固定在已知的或可测量的位置中，减轻了扭转和/或改善了用于任何扭转的测量。医疗仪器930可以与如图2所示的医疗仪器120相同。位置传感器150被示出为位于远侧部分126的近端附近，但是其可以位于沿导管的其他位置处。可选地，可以省略位置传感器。光纤例如使用粘合剂、机械联接、或通过将纤维嵌入柔性主体的壁中可以被附接到柔性主体的远端。在该实施例中，纤维140的在柔性主体124和远侧固定位置的近侧内的部分可以在柔性主体的形状传感器腔内自由地浮动。纤维140可以包括在仪器近端130近侧的辅助管束回路922，辅助管束回路922允许光纤在仪器弯曲时根据需要轴向地移进和移出仪器近端。因为纤维被允许移进和移出仪器的近端130，所以当仪器弯曲时其可经历最小的轴向应变。光纤140的近端可以联接到参考已知的坐标系被固定在已知的位置中的固定装置933。坐标系可以相对于保持仪器的远程操作臂934被固定。远程操作臂934可以参照患者图像，诸如术前CT图像，或者参照涉及远程操作臂934的坐标系的附接到患者的位置传感器。在该实施例中，导管的扭转用光纤形状传感器140从固定装置933到纤维的远侧固定点进行测量。
在一些配置中，可能期望使用沿纤维长度的扭转的数学或经验模型来推断在特定位置处的扭转。在一个这样的实施例中，纤维可以被固定在具有适量松弛的两个端部处，以允许沿纤维轴线的滑动(例如，图14)。可以计算在沿导管的参考系(reference frame)处(例如在EM传感器150处)的扭转。虽然扭转能够由纤维直接测量，但是数学模型可以有助于测量纤维相对于腔或导管的扭转，纤维能够相对于导管上的期望的参考系自由地扭转。一个模型假定纤维相对于腔的扭转线性地与距固定点(例如，导管尖端)的距离成比例。其他数学模型可以包括适合相对扭转的多项式或指数函数。替代地，扭转可以通过一些其他的方法来经验地测量，以测量纤维相对于导管针对特定的弯曲角度或方向的扭转。
如果在导管内已知的位置处使用两个或更多个形状传感器，则导管扭转的测量可以使用纤维的相对形状(位置)来测量，而不考虑任何个别形状传感器的扭转轮廓。在该配置中，纤维可被允许在腔中自由地浮动以允许任何施加的扭转的减轻。在扭转的测量之后，在导管上的参考系诸如EM传感器，可以在相对于多个传感器的某一点处进行测量。
虽然光纤形状传感器和位置传感器系统在本文中已相对于远程操作或手动操作的外科手术系统进行描述，但是这些传感器能够在各种医疗和非医疗仪器中找到应用，其中准确的仪器弯曲测量否则将由于形状传感器的扭转或其他旋转移位而受损。
在本发明的实施例中的一个或更多个元件可以用软件实施，以在计算机系统(诸如控制系统108)的处理器上执行。当用软件实施时，本发明的实施例的元件本质上是执行必要任务的代码段。该程序或代码段能够被存储在处理器可读存储介质或设备中，该程序或代码段可以已经通过实施在传输介质或通信链路上的载波中的计算机数据信号下载。该处理器可读存储设备可以包括能够存储信息的任何介质(包括光学介质、半导体介质和磁介质)。处理器可读存储设备的示例包括电子电路；半导体器设备、半导体存储器设备、只读存储器(ROM)、闪速存储器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)；软盘、CD-ROM、光盘、硬盘或其他存储设备。代码段可以经由计算机网络诸如因特网、内联网等来下载。
注意，呈现的处理和显示可并不固有地与任何特定的计算机或其他装置相关。各种通用系统可以根据本文的教导与程序一起使用，或者可以证明便于构造更加专业的装置以执行描述的操作。用于各种这些系统的所要求的结构将表现为权利要求书中的元件。另外，本发明的实施例并没有参考任何特定的编程语言来描述。应当理解，各种编程语言可以用于实施如本文所述的本发明的教导。
虽然在附图中已经描述和示出本发明的某些示例性实施例，但是应当理解此类实施例对于宽泛的发明来说仅仅是说明性的，而不是限制性的，并且本发明的实施例并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。

Claims (37)

1.一种装置，其包括：
仪器，其包括细长轴；
第一形状传感器，其包括在距中性轴线第一径向距离处在所述细长轴内延伸的细长光纤；以及
抗扭转特征，其经配置减小所述细长光纤相对于所述细长轴的扭转，同时允许所述细长光纤在所述细长轴内的轴向平移。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括适于从所述第一形状传感器接收形状数据来计算所述仪器的弯曲测量值的跟踪系统。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述抗扭转特征被联接到所述细长轴。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述抗扭转特征包括在所述细长轴内延伸的纤维腔的腔壁的至少一部分上形成的涂层，其中所述纤维腔经配置可滑动地接收所述第一形状传感器。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述抗扭转特征包括围绕所述细长光纤的至少一部分的涂层，并且所述细长光纤的所述至少一部分经配置被接收在纤维腔内，所述纤维腔在所述细长轴内延伸。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述抗扭转特征被联接到所述细长光纤的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述抗扭转特征包括经配置围绕所述细长光纤的所述至少一部分的抗扭转护套。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述抗扭转护套包括编织的护套。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述抗扭转特征包括键锁特征，所述键锁特征经配置限制被接收在纤维腔内的所述细长光纤的至少一部分的所述扭转，所述纤维腔在所述细长轴内延伸。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述键锁特征包括在所述细长轴内延伸的纤维腔的第一横截面形状，所述第一横截面形状经配置与所述细长光纤的至少一部分的第二横截面形状相配，其中所述第一横截面形状与所述第二横截面形状接合，以限制所述细长光纤在所述纤维腔内的所述扭转。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述键锁特征包括花键，所述花键经配置与所述细长光纤的外表面的至少一部分配合，以限制所述细长光纤在所述纤维腔内的所述旋转。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述键锁特征包括花键护套，所述花键护套经配置包围所述花键和所述细长光纤的至少一部分，以维持它们配合的配置。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述纤维腔包括经配置与所述花键护套的第二横截面形状相配的第一横截面形状，其中所述第一横截面形状与所述第二横截面形状接合，以限制所述细长光纤在所述纤维腔内的所述扭转。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一横截面形状和所述第二横截面形状是椭圆形的。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一横截面形状包括突出部，并且所述第二横截面形状包括经配置与所述突出部配合的对应的凹陷。
16.根据权利要求9所述的装置，其中所述键锁特征包括串联联接到所述细长光纤的至少一部分的多个花键。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述多个花键中的相邻的花键相对于所述细长光纤彼此偏移。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述多个花键的第一组交替的花键以第一径向角联接到所述细长光纤，并且第二组交替的花键以第二径向角联接到所述细长光纤。
19.根据权利要求17所述的装置，其进一步包括经配置以将所述多个花键维持在偏移配置中的弹性紧固件。
20.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括位置传感器，所述位置传感器在距所述细长轴的远侧部分的第一轴向距离处被设置在所述细长轴内。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述细长光纤在所述第一轴向距离处被粘附到所述轴，并且所述抗扭转特征被联接到邻近所述细长轴的所述远端部分的所述细长光纤。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述抗扭转特征在所述第一轴向距离处被联接到所述细长光纤，并且所述细长光纤在所述细长轴的所述远侧部分处被粘附到所述轴。
23.根据权利要求20所述的装置，其中所述细长光纤在所述第一轴向距离处被粘附到所述位置传感器，并且所述位置传感器在所述第一轴向距离处被粘附到所述细长轴，并且所述抗扭转特征在所述细长轴的所述远侧部分处被联接到所述细长光纤。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述细长光纤在所述第一轴向距离处被粘附到所述位置传感器，所述抗扭转特征在所述第一轴向距离处被联接到所述细长光纤，并且所述细长光纤和所述位置传感器能够沿所述细长轴的纵向轴线轴向地平移。
25.一种操作形状感测装置的方法，其包括：
提供包括沿细长轴设置的形状传感器的仪器；
从所述形状传感器接收形状数据，所述形状传感器包括在所述细长轴内延伸的细长光纤并且沿所述细长光纤的至少一部分联接到抗扭转特征，所述抗扭转特征经配置限制所述光纤相对于所述细长轴的扭转；以及
基于接收的形状数据，生成仪器弯曲测量值。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括：
提供包括沿所述细长轴设置在第一轴向位置处的参考传感器的仪器；
从所述参考传感器接收位置数据；以及
基于接收的所述形状数据和所述位置数据生成仪器弯曲测量值。
27.根据权利要求26所述的方法，其中生成所述仪器弯曲测量值包括，基于所述位置数据和用于评估所述细长光纤的扭转的预定算法，调整所述形状数据。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述细长光纤在第二轴向位置处被粘附到所述细长轴，并且在第三轴向位置处被联接到所述抗扭转特征。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述第二轴向位置和所述第一轴向位置相同，并且所述第三轴向位置位于所述细长轴的远侧部分处。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述第二轴向位置位于所述细长轴的远侧部分处，并且所述第三轴向位置与所述第一轴向位置相同。
31.根据权利要求26所述的方法，其中所述细长光纤在所述第一轴向位置处被粘附到所述参考传感器，所述参考传感器在所述第一轴向位置处被粘附到所述细长轴，并且所述抗扭转特征在所述细长轴的远侧部分处被联接到所述细长光纤。
32.根据权利要求26所述的方法，其中所述光纤在所述第一轴向位置处被粘附到所述参考传感器，所述抗扭转特征在所述第一轴向位置处被联接到所述细长光纤，并且所述细长光纤和所述参考传感器两者都经配置沿所述细长轴的纵向轴线轴向地平移。
33.一种装置，其包括：
仪器，其包括细长轴；
第一形状传感器，其包括在距中性轴线第一径向距离处在所述细长轴内延伸的细长光纤；以及
扭转减轻特征，其经配置减少所述第一形状传感器的至少一部分中的轴向应变。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述扭转减轻特征包括联接到所述细长轴上的位置传感器的形状传感器基准标记。
35.根据权利要求33所述的装置，其中所述扭转减轻特征包括固定装置，所述固定装置用于维持形状传感器基准标记距所述细长轴的远端一固定的轴向距离。
36.根据权利要求33所述的装置，其中所述扭转减轻特征包括所述第一形状传感器的被嵌入所述细长轴中的螺旋部分。
37.根据权利要求33所述的装置，其中所述扭转减轻特征包括用于将所述第一形状传感器的远端附接到所细长轴的第一附接特征、用于将所述第一形状传感器的近端附接到所述细长轴的近侧的固定装置的第二附接特征以及在所述第一形状传感器的远端和近端之间延伸的所述光纤的辅助管束回路。
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