具有冗余感测的形状传感器系统的利记博彩app
【技术领域】
[0001]本公开涉及使用形状传感器系统追踪解剖目标和/或介入器械的系统和方法，并且更具体地涉及使用冗余形状传感器以改善形状传感器系统的精度的系统和方法。
【背景技术】
[0002]微创医疗技术意在减少在介入过程期间损伤的组织量，从而减少患者恢复时间、降低不舒适、以及减少有害副作用。为了追踪解剖目标、植入设备、和/或患者解剖结构内的介入器械(包括手术、诊断、治疗、或活体检查器械)的位置，可以使用微创传感器系统。在现有系统中，电磁(EM)导航可用于追踪介入器械、植入设备、或在患者解剖结构中目标的运动。尽管EM导航系统对于许多过程是有用的，但是它们可受到来自在手术室中其它器械的磁干扰。例如，荧光透视成像系统的C型臂或金属器械可产生与EM导航系统的磁干扰，从而导致在介入器械的追踪中的不可接受的误差。在其它现有系统中，光纤形状传感器系统可用于追踪患者解剖结构中的介入器械的运动。光纤形状传感器系统监测沿着单个光纤的各个点处的应变以确定光纤的形状。根据单个光纤的形状，能够导出沿着光纤的各个点的姿态(位置和取向)。由于误差累积，与用于沿着单个光纤的各个点的所导出姿态相关联的误差可随着与光纤询问器的距离增加而增加。为了追踪手术环境中的介入器械、植入设备和解剖目标，需要改进的导航系统和方法。
【发明内容】
[0003]本发明的实施例由随附权利要求概括。
[0004]在一个实施例中，一种操作形状感测装置的方法，其包括接收来自第一形状传感器区段的第一形状数据，所述第一形状传感器区段包括在第一位置和第二位置之间延伸的第一细长光纤。该方法还包括接收来自第二形状传感器区段的第二形状数据，所述第二形状传感器区段包括在第三位置和第四位置之间延伸的第二细长光纤。该方法还包括使用来自第二形状传感器区段的第二形状数据来确定第一形状传感器区段的端部的位置。
[0005]在另一个实施例中，一种操作形状感测装置的方法包括接收来自第一形状传感器的形状数据。第一形状传感器包括在细长光纤的第一区段和第二区段之间延伸的第一多个光芯(optical core)。该方法也包括接收来自第二形状传感器的形状数据。第二形状传感器包括在细长光纤的第一区段和第二区段之间延伸的第二多个光芯。该方法还包括通过结合来自第一形状传感器和第二形状传感器的形状数据来确定在第一区段和第二区段之间的细长光纤的形状。
[0006]在另一个实施例中，一种操作形状感测装置的方法包括接收来自第一形状传感器的第一形状数据，所述第一形状传感器具有耦合至参考固定物的第一部分和耦合至第一解剖目标的第二部分。该方法也包括接收来自第二形状传感器的第二形状数据，所述第二形状传感器具有耦合至参考固定物的第一部分和耦合至第一解剖目标的第二部分。第一形状传感器和第二形状传感器的第一部分保持固定的运动学关系，并且第一形状传感器和第二形状传感器的第二部分保持固定的运动学关系。该方法也包括使用来自第二形状传感器的第二形状数据来确定第一形状传感器区段的第二部分的位置。
[0007]在另一个实施例中，一种操作形状感测装置的方法包括接收来自细长形状传感器的形状数据，所述细长形状传感器具有耦合至参考固定物的第一部分、耦合至解剖目标的第二部分和耦合至该参考固定物的第三部分。第一部分和第三部分保持固定的运动学关系。该方法还包括确定在第一部分和第二部分之间的细长形状传感器的第一形状、确定在第三部分和第二部分之间的细长形状传感器的第二形状、以及从第一形状和第二形状中确定在解剖目标处第二部分的位置。
[0008]在另一个实施例中，一种系统包括包含用于操作形状感测装置的计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质。该指令包括用于接收来自第一形状传感器的形状数据的指令。第一形状传感器包括在细长光纤的第一区段和第二区段之间延伸的第一多个光芯。该指令也包括用于接收来自第二形状传感器的形状数据的指令。第二形状传感器包括在细长光纤的第一区段和第二区段之间延伸的第二多个光芯。该指令也包括用于通过结合来自第一形状传感器和第二形状传感器的形状数据来确定在第一区段和第二区段之间的细长光纤的形状的指令。
[0009]根据以下【具体实施方式】，本公开的附加方面、特征和优点将变得显而易见。
【附图说明】
[0010]当参考附图阅读时，本公开的各个方面从以下详细描述被最好地理解。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。事实上，为了讨论清楚起见，各种特征的尺寸可任意增加或减小。此外，本公开在各种示例中可重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，而其本身不表示各种实施例和/或所讨论的配置之间的关系Ο
[0011]图1为根据本公开的实施例的传感器系统。
[0012]图2为图1的传感器系统的多芯光纤部件。
[0013]图3为图2的多芯光纤部件的剖视图。
[0014]图4图示说明使用根据本公开的实施例的传感器系统的方法。
[0015]图5图示说明使用根据本公开的另一个实施例的传感器系统的方法。
[0016]图6为具有根据本公开的另一个实施例的多个光纤传感器的传感器系统。
[0017]图7图示说明使用图6的传感器系统的方法。
[0018]图8为具有根据本公开的另一个实施例的单环路光纤传感器的传感器系统。
[0019]图9图示说明使用图8的传感器系统的方法。
[0020 ]图10和图11图示说明使用图10的传感器系统的另一种方法。
[0021]图12为具有根据本公开的另一个实施例的多个光纤传感器和介入器械的传感器系统。
[0022]图13为使用图12的传感器系统的方法。
[0023]图14为根据本公开的实施例的机器人介入系统。
【具体实施方式】
[0024]在本发明的各个方面的以下【具体实施方式】中，阐述了众多具体细节以便提供对所公开的实施例的彻底理解。然而，对于本领域技术人员而言将明显的是，可以实践本公开的实施例而不需要这些具体细节。在其它情况下，已知的方法、程序、部件和电路未被详细描述以便不必要地模糊本发明的实施例的各个方面。以及，为了避免不必要的描述性重复，根据一个示例性实施例描述的一个或更多个部件或操作能够被使用或随应用场合而从其它示例性实施例中省略。
[0025]以下实施例将根据它们在三维空间中的状态来描述各种设备和设备的部分。如本文中使用的，术语“位置”指的是目标或目标的部分在三维空间中(如，沿着笛卡尔Χ、γ、ζ坐标的三个平移自由度)的地点。如本文中使用的，术语“取向”指的是目标或目标的部分的旋转放置(三个旋转自由度一一如，滚动、俯仰和偏转)。如本文中使用的，术语“姿态”指的是目标或目标的部分在至少一个平移自由度中的位置，以及目标或目标的部分在至少一个旋转自由度(多达六个总自由度)中的取向。如本文中使用的，术语“形状”指的是沿着细长目标测量的姿态、位置、或取向的集合。
[0026]参考图1，例如，在手术、诊断、治疗、活体检查、医疗监测、或医疗评估中使用的传感器系统一般由参考数字10表示。传感器系统10—般包括询问系统12;参考固定物14;传感器设备16、18、20;介入器械22;控制系统24;目标固定物26;以及传感器处理和控制系统27。在各种实施例中，传感器系统的这些部件中的一个或更多个可被省略或相同类型的多个部件可被包括。如下面将详细描述的，传感器系统10包括可增加系统的形状感测和姿态确定功能的精度的冗余传感器部件。冗余传感器部件也可识别传感器不精确性的来源和位置，例如在具有急转、高张力、或显著扭转、及用于这些不精确性的校正的区域中。
[0027]询问系统12产生光线并检测返回光线以确定传感器设备16、18、20的当前形状。询问系统12也可处理用于显示给临床医生的返回数据。该信息进而能够用于确定其它相关变量，诸如连接至传感器设备的目标或器械的姿态、速度和加速度。传感器设备16、18在近端16a、18a处分别耦合至询问系统12。传感器设备16、18也分别具有远端16b、18b。传感器设备20在近端20a处耦合至询问系统12并且在远端20b处耦合至介入器械22。尽管示出了传感器设备20在介入器械内或沿着介入器械完全延伸，但是在各种可替代实施例中，传感器设备可仅部分的在介入器械内或沿着介入器械延伸。介入器械22被耦合至手动或远程操作的控制系统24。
[0028]每个传感器设备16、18、20被耦合至在沿着其近端和远端之间的长度的中间部分的参考固定物14。传感器设备16、18、20的所耦合部分的姿态通过参考固定物14而被保持固定。进一步地，传感器设备16、18、20的所耦合部分的姿态通过参考固定物14相对于彼此保持已知的运动学关系。例如，可固定传感器和固定物之间的关系，诸如其中传感器设备不会随着相对于参考固定物的任何自由度而运动。可替代的，传感器和固定物之间的关系可以是可运动但是已知的，诸如其中传感器相对于在已知范围内的参考固定物是可运动的。例如，参考固定物可具有已知旋转角度的旋转接头，但是对于彼此和参考固定物的传感器相对位置仍是已知的。参考固定物14可以是(例如)由刚性金属、聚合物、或陶瓷材料形成，并且可包括接收传感器设备的部分并使其对于固定物并且相对于其他耦合的传感器设备保持固定关系的凹槽、导管、夹具、和/或其它机械连接器。在一个示例中，参考固定物可以由具有一些机加工的、紧密配合的平行凹槽的铝板形成，其中传感器设备可胶合或其它方式粘附于所述平行凹槽。因此，耦合的传感器设备之间的位置和取向偏移在传感器设备耦合至参考固定物14的位置处是已知的。
[0029]在使用中，目标固定物26被锚固至患者解剖结构的解剖学构造。目标固定物26包括连接器28，该连接器用于将一个或更多个传感器设备16、18的部分固定至目标固定物并将传感器设备的固定部分保持在预先定义的形状或姿态中。传感器设备可被胶合、机械保持、或以其它方式粘附于目标固定物内。在一个实施例中，目标固定物可以是具有多个紧密配合的凹槽的小铝板，在紧密配合的凹槽中传感器设备的各部分被保持处于固定的运动学关系。
[°03°] 如图2中所不，传感器设备16包括多芯光纤50，该多芯光纤50包括在包层66内的七个芯52、54、56、58、60、62、64。在一个实施例中，多芯光纤直径约为200μπι。在另一些实施例中，直径可以更大或更小。传感器设备18和20可具有类似的构造，并因此将不会进一步详细描述。在可替代的实施例中，传感器设备可具有比七个芯更多或更少的芯。可替代的，传感器设备可包括多个光纤，每个光纤均具有一个或更多个光芯。
[0031]每个芯52-64可以是具有足够距离的单个模式和将该芯分开以使在每个芯中的光线不能与在其它芯中承载的光线发生显著相互作用的包层。每个芯可包括提供在一个或更多个维度中的应变测量的光纤布拉格光栅(FBG)。在2005年7月13日提交的公开为“纤维光学位置和形状感测设备及其相关方法(Fiber optical posit1n and shape sensingdevice and method relating thereto)” 的美国专利申请号 11/180，389;在2004年7月 16日提交的公开为“纤维光学形状及相对位置感测(Fiber-optic shape and relativeposit1n sensing)”的美国临时专利申请号60/588,336;以及在1998年6月17日提交的公开为“光学纤维弯曲传感器(Optical Fibe