專利名稱：具有光傳感器的柔性器械的制作方法
相關(guān)申請本申請是2000年10月31日提出的美國專利申請No.09/730,031題目為“柔性器械”在37CFR1.53(b)和35USC§120下的后續(xù)申請。
在本領(lǐng)域公知的是使用植入針插入放射性籽晶，但是這種方法需要具有高剛度的植入針以便精確地輸送籽晶，因?yàn)榧俣繕?biāo)位置落在針的縱向軸線上。因?yàn)檫@些針還必須較細(xì)以便使插入時的組織損傷達(dá)到最小，因此它們經(jīng)常剛性不足和需要精巧的支撐機(jī)構(gòu)導(dǎo)引它們的插入以及將它們保持得盡可能直。即使有了這些努力，在插入組織時還會發(fā)生針的彎曲，從而導(dǎo)致重大的位置誤差。
如果能夠相對于目標(biāo)位置精確測量針的末端(或遠(yuǎn)端)，則可以顯著地減少這些誤差，從而可以監(jiān)控針的任何彎曲，并校正。
這種器械的其他應(yīng)用包括例如導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡，和支氣管鏡，這些器械都足夠細(xì)和柔性以便通過人體的內(nèi)部通道。
通用器械已經(jīng)配備了彎曲和扭曲傳感器，這些傳感器沿它們的長度每隔公知的距離分布。這些彎曲和扭曲傳感器能夠使用戶通過監(jiān)控器械在3D空間移動時的“彎曲”和“扭曲”方式而接近器械的尖端位置。傳感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接到這些彎曲和扭曲傳感器并接收來自這些傳感器的彎曲信號。處理系統(tǒng)監(jiān)控沿這些器械布置的彎曲和扭曲傳感器并推斷器械和尖端位置。這種類型的系統(tǒng)通稱基于路徑的測量系統(tǒng)；即需要知道每對傳感器之間的間距以及來自每個傳感器的信號以執(zhí)行推斷從而確定器械取向的系統(tǒng)。尤其重要的是對于諸如上述系統(tǒng)之類的基于路徑的系統(tǒng)，開始于典型地為近端的公知位置處，連續(xù)地從沿柔性結(jié)構(gòu)長度的中間測量值來確定末端位置。
細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)末端的基于路徑的測量具有末端測量的固有局限，即此末端測量依賴于從沿路徑的以往測量值的一長串的推斷。沿路徑的每個位置和方向處的較小誤差可以迅速積累，從而在到達(dá)路徑末端時產(chǎn)生較大誤差。
細(xì)柔性結(jié)構(gòu)的末端還可以通過將基于路徑的傳感器附加到該末端來確定，例如磁場傳感器，此磁場傳感器的位置可以通過使用磁場發(fā)生器的磁系統(tǒng)跟蹤；或者光學(xué)標(biāo)記器，此光學(xué)標(biāo)記器的位置可以通過使用許多光傳感器的光學(xué)系統(tǒng)跟蹤。這種基于路徑的測量器械提供了直接位置測量并且不具有基于路徑的測量固有的推斷誤差積累，但是它們具有其他局限。例如，光末端標(biāo)記器在末端超出光傳感器的光線范圍時不能使用，例如在用于插入病人體內(nèi)的醫(yī)療器械中；同時磁場傳感器具有來自磁擾的誤差，并且將典型地限于較小的手術(shù)流量。這種不基于路徑的測量器械不具有使用幾個傳感器的基于路徑的器械固有的堅(jiān)固性。
本發(fā)明這方面的實(shí)施例可以包括一個或多個下列特征。至少一個光傳感器包括多個光發(fā)射光學(xué)標(biāo)記器。柔性器械還包括一個響應(yīng)于光發(fā)射光學(xué)標(biāo)記器的攝像機(jī)，用于產(chǎn)生近端位置信號。至少一個柔性元件傳感器包括至少一個末端傳感器，位于接近柔性元件末端部分的位置處，用于提供表示出柔性元件末端部分位置的末端位置信號，其中，此末端位置信號是第二位置信號。柔性器械能夠檢測受控磁場。受控磁場是利用多個受控磁性線圈產(chǎn)生的三維磁場。至少一個末端傳感器包括用于檢測受控磁場的磁場末端傳感器。磁場末端傳感器是感應(yīng)線圈，此感應(yīng)線圈提供表示出柔性器械末端部分在受控磁場內(nèi)的三維位置的末端位置信號。至少一個柔性元件傳感器包括至少一個中間傳感器，沿元件中間部分的預(yù)定點(diǎn)布置，用于提供表示出柔性元件中間部分路徑的中間路徑信號，其中，此中間路徑信號是第二位置信號。至少一個中間傳感器包括至少一個磁場中間傳感器，沿所述柔性器械的所述中間部分定位，其中，至少一個磁場中間傳感器檢測受控磁場。至少一個磁場中間傳感器是感應(yīng)線圈，此感應(yīng)線圈提供表示出柔性器械中間部分在受控磁場內(nèi)的三維路徑的中間路徑信號。至少一個中間傳感器包括至少一個光纖傳感器，沿柔性器械中間部分的長度定位，其中，至少一個光纖傳感器提供表示出柔性器械中間部分的三維路徑的中間路徑信號。至少一個光纖傳感器包括光纖彎曲傳感器。至少一個光纖傳感器包括光纖扭曲傳感器。至少一個光纖傳感器包括至少一個光纖環(huán)傳感器，此光纖環(huán)傳感器具有根據(jù)柔性器械中間部分的路徑變化的光衰減特征。至少一個光纖環(huán)傳感器包括用于產(chǎn)生光信號的光源，此光信號通過光纖環(huán)傳輸?shù)焦鈧鞲衅?，其中，通過光纖環(huán)的光信號的衰減表示出柔性器械中間部分三維路徑的至少一部分。柔性器械還包括一個響應(yīng)于近端位置信號和第二位置信號的處理器，用于提供柔性器械近端部分和所述其他一個部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
根據(jù)本發(fā)明另外一個方面，柔性器械包括一個具有近端部分、中間部分，和末端部分的柔性元件。至少一個光傳感器，位于接近柔性元件近端部分的位置處，用于提供表示出柔性元件近端部分位置的近端位置信號。至少一個柔性元件傳感器，位于接近柔性元件其他部分之一的位置處，用于提供表示出柔性元件所述那個其他部分位置的第二位置信號。一個響應(yīng)于近端位置信號和第二位置信號的處理器，用于提供柔性器械近端部分和所述那個其他部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
根據(jù)本發(fā)明還有一個方面，柔性器械包括一個具有近端部分、中間部分，和末端部分的柔性元件。至少一個光傳感器，位于接近柔性元件近端部分的位置處，用于提供表示出柔性元件近端部分的位置的近端位置信號。至少一個中間傳感器，沿柔性元件中間部分的預(yù)定點(diǎn)布置，用于提供表示出柔性元件中間部分路徑的中間路徑信號。至少一個末端傳感器，位于接近柔性元件末端部分的位置處，用于提供表示出柔性元件末端部分位置的末端位置信號。一個響應(yīng)于近端位置信號、中間路徑信號和末端位置信號的處理器，用于提供柔性器械近端部分、中間部分和末端部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
根據(jù)本發(fā)明還有一個方面，一種方法，用于確定具有近端部分、中間部分和末端部分的柔性器械的三維位置，包括控制接近柔性器械的磁場；產(chǎn)生表示出柔性元件末端部分的位置的末端位置信號；和產(chǎn)生表示出柔性元件近端部分位置的近端位置信號。
本發(fā)明這方面的實(shí)施例可以包括一個或多個下列特征。所述方法包括產(chǎn)生表示出柔性元件中間部分路徑的中間路徑信號。在此方法中，產(chǎn)生中間路徑信號包括檢測具有至少一個光纖傳感器的中間部分的路徑，所述光纖傳感器沿柔性器械中間部分的長度定位。在此方法中，產(chǎn)生末端信號包括檢測具有磁場末端傳感器的磁場，所述磁場末端傳感器位于接近柔性器械末端部分的位置。在此方法中，產(chǎn)生近端位置信號包括檢測光發(fā)射光學(xué)標(biāo)記器在光坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。所述方法還包括處理中間路徑信號、末端位置信號和近端位置信號以便提供柔性器械末端部分、近端部分和中間部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
從上述內(nèi)容可以提供一個或多個優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槿嵝云餍的┒瞬糠趾徒瞬糠值娜S位置被直接讀取，所以這些三維位置沒有推斷誤差。相應(yīng)地，與計(jì)算柔性器械中間部分的三維位置有關(guān)的傳播和推斷誤差也被減到最小。通過直接讀取柔性器械末端和近端部分的三維位置，柔性器械中間部分的路徑可以被更加精確地繪出。此外，因?yàn)槿嵝云餍到Y(jié)合直接讀取和間接讀取位置傳感器，所以柔性器械的三維位置可以被更加精確地繪出，即使包括其中一個傳感器的精確度。結(jié)合附圖和下面的描述討論本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例的細(xì)節(jié)。根據(jù)下面的描述和附圖以及權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。
在各圖中相同的數(shù)字標(biāo)號表示相同的元件。
本發(fā)明的詳細(xì)描述對于本發(fā)明的范圍，我們假定柔韌性的通用概念是從高度柔韌性到接近剛性的范圍，以便，例如插入人體時易彎曲的細(xì)長鋼針對于本發(fā)明來說認(rèn)為是柔性。我們將此物體稱為“半剛性”，它不同于我們稱為“完全柔性”的較少受到約束的柔性物體。更具體地說，本發(fā)明結(jié)合了多個具有器械中各種固有結(jié)構(gòu)特性(例如所包含傳感器的定位和器械的材料特性)的傳感器方法以便用更加可靠和堅(jiān)固的方式增強(qiáng)末端測量。
參照

圖1，示出了在典型手術(shù)室內(nèi)使用的柔性器械10，在此手術(shù)室內(nèi)的手術(shù)臺14上躺有一名病人12。剛性導(dǎo)引模板16用于輔助柔性器械10插入病人12。提供有相對于剛性導(dǎo)引模板16的普通坐標(biāo)系統(tǒng)(Xt，Yt，Zt)。柔性器械10使用發(fā)射或靈敏元件的結(jié)合監(jiān)控柔性器械10的近端17、中間部分18和末端20相對于病人12的位置。可以用各種不同類型的元件與柔性器械10結(jié)合使用，例如，光學(xué)元件、光纖元件，和磁元件。
如果結(jié)合進(jìn)柔性器械10的元件是光傳感器作為剛性體固定到柔性器械10的近端17的若干光發(fā)射標(biāo)記器23；響應(yīng)于標(biāo)記器23的攝像機(jī)22；和光系統(tǒng)控制單元24用于確定柔性器械10的近端17在光坐標(biāo)系統(tǒng)(Xo，Yo，Zo)內(nèi)的位置。根據(jù)光坐標(biāo)系統(tǒng)(Xo，Yo，Zo)向光系統(tǒng)控制單元24提供一個光位置信號Po。
如果在柔性器械10中使用的是光纖傳感器，中間光纖信號P1基于光坐標(biāo)系統(tǒng)(Xo，Yo，Zo)或者磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm；下面更加詳細(xì)的解釋)提供給光纖系統(tǒng)控制單元31。光學(xué)和光纖子系統(tǒng)24和31連接到計(jì)算機(jī)30，其中外部和內(nèi)部信號P0和P1通過本領(lǐng)域內(nèi)公知的記錄方法在普通坐標(biāo)系統(tǒng)(Xt，Yt，Zt)上疊加。
或者，如果柔性器械10中使用的元件是磁場傳感器或發(fā)射器，則磁場發(fā)生器26和磁系統(tǒng)控制單元28用于確定柔性器械10在磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)中的位置。磁位置信號Pm基于磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)提供給磁系統(tǒng)控制單元28。光子系統(tǒng)24和31以及磁子系統(tǒng)28連接到計(jì)算機(jī)30，其中磁、光纖，和光位置信號PO、P1，和Pm在普通坐標(biāo)系統(tǒng)(Xt，Yt，Zt)上疊加。這樣，可以很容易地在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控器33上觀察柔性器械10在病人體內(nèi)的實(shí)際位置。應(yīng)注意雖然光系統(tǒng)24利用光坐標(biāo)系統(tǒng)(Xo，Yo，Zo)且磁系統(tǒng)利用磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)，但是光纖系統(tǒng)31不具有其自己的坐標(biāo)系統(tǒng)。因此光纖系統(tǒng)31必須結(jié)合其他系統(tǒng)(光或磁)使用，以便光纖系統(tǒng)31能夠利用那些系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)用于絕對定位。
可以理解雖然示出的柔性器械10連接到了光系統(tǒng)控制單元24和31以及磁系統(tǒng)控制單元28(意味著系統(tǒng)是混合光/光纖/磁系統(tǒng))，但這僅為說明目的，器械10還可以利用純光學(xué)部件、純光纖部件、純磁元件、任何兩個的結(jié)合，或者所有三個的結(jié)合。
參照圖2，示出了具有柔性元件32的柔性器械10，柔性元件32包括近端17(具有光標(biāo)記器23)、中間部分18，和末端20。柔性器械10包括中間傳感器系統(tǒng)34，此傳感器系統(tǒng)34沿柔性元件32的中間部分18的預(yù)定點(diǎn)布置。中間傳感器系統(tǒng)34提供中間路徑信號P1(包括多個離散信號P11、P12、P13)到光纖或磁控制系統(tǒng)(分別為圖1中的項(xiàng)目31和28)，其中中間路徑信號P1表示出柔性器械10中間部分18的路徑。
柔性器械10包括位于接近柔性元件32末端20的末端傳感器36。末端傳感器36提供末端位置信號PD給光纖或磁控制系統(tǒng)(分別為圖1中的項(xiàng)目31和28)，其中末端位置信號PD表示出柔性器械10末端20的位置。
雖然在此特定例子中，柔性器械10的中間傳感器系統(tǒng)34包括三個離散傳感器I1、I2和I3，但這僅為說明的目的。配備進(jìn)柔性器械10的中間傳感器的實(shí)際數(shù)量將由顯示柔性器械10中間部分18的路徑時所需的分辨度(和準(zhǔn)確度)確定。具體地說，在每個傳感器沿柔性器械10中間部分18的路徑提供數(shù)據(jù)采樣時，離散傳感器的數(shù)量越多(并且因此數(shù)據(jù)采樣越多)，則計(jì)算機(jī)(圖1中項(xiàng)目30)顯示路徑的分辨度和準(zhǔn)確度越高。類似地，雖然在此實(shí)施例中僅示出了一個末端傳感器D1，但是其他應(yīng)用可以配備多個末端傳感器，例如較寬的末端，在其中需要或期望涉及精確尖端位置的信息。
如上所述，柔性器械10中使用的特定類型的元件(例如光纖、磁元件等等)可以根據(jù)用戶偏好或具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇。如果柔性器械10配備一個或多個磁傳感器和發(fā)射器，磁場發(fā)生器(圖1中項(xiàng)目26)被用來產(chǎn)生三維磁場和磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)。通常，這個磁場發(fā)生器是以多維格式布置的多個受控磁性線圈，以便可以在病人周圍產(chǎn)生多維(或三維)磁場。
在大多數(shù)應(yīng)用中，位于接近柔性器械10末端20的末端傳感器36是磁場傳感器381，其中磁場傳感器381典型地配備有感應(yīng)線圈40。這僅為說明目的，因?yàn)槿魏纹渌m合的功能等效磁場傳感器都可以使用，例如固態(tài)磁場傳感器；鐵芯感應(yīng)線圈等等。隨著這個感應(yīng)線圈通過由磁場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場，在這個線圈中感應(yīng)出電流，此電流的變化與感應(yīng)線圈感應(yīng)到的磁場強(qiáng)度成正比。因此，隨著末端20在病人體內(nèi)移動，末端傳感器36在磁場內(nèi)移動。相應(yīng)地，由磁場傳感器381中的感應(yīng)線圈40產(chǎn)生的電流信號的強(qiáng)度根據(jù)感應(yīng)線圈40在磁場內(nèi)(在病人體內(nèi))的位置而變化。由磁場傳感器381在末端20內(nèi)產(chǎn)生的這個變化的電流信號是提供給適當(dāng)控制系統(tǒng)用于解碼的末端位置信號PD。相應(yīng)地，在此特定應(yīng)用中，末端位置信號PD提供給磁控制系統(tǒng)(圖1中項(xiàng)目28)以便相對于磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)確定末端20的位置。
如上所述，柔性器械10可以使用磁、光纖，和/或光傳感器的結(jié)合。相應(yīng)地，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，中間傳感器系統(tǒng)34可以包括磁場傳感器382、383和384，它們的運(yùn)行方式與末端磁場傳感器381一樣。隨著這些特定傳感器(382、383和384)移動通過由磁場發(fā)生器(圖1中項(xiàng)目26)產(chǎn)生的磁場，電流在嵌入每個磁場傳感器內(nèi)的每個感應(yīng)線圈中產(chǎn)生。在此特定例子中，這導(dǎo)致了三個信號(P11、P12、P13)的產(chǎn)生，這些信號分別是由中間傳感器I1、I2和I3的感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電流信號。因?yàn)檫@些信號是磁感應(yīng)信號，所以信號P11、P12、P13提供給磁控制系統(tǒng)(圖1中項(xiàng)目28)，以便相對于磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)確定柔性器械10中間部分18的路徑。這是可能的，因?yàn)榇趴刂葡到y(tǒng)(圖1中項(xiàng)目28)正在接收四(4)個信號(P11、P12、P13和PD)，其中傳感器(X1、X2、X3和X4)的間距是公知的。在此特定例子中，其中末端傳感器36和中間傳感器34都是磁場傳感器，這是一個純磁系統(tǒng)，因此不需要攝像機(jī)(圖1中項(xiàng)目22)和光系統(tǒng)控制單元(圖1中項(xiàng)目24)。
到目前為止，我們已經(jīng)討論了作為無源感應(yīng)線圈的磁場傳感器(或者其他功能等效磁場感應(yīng)器)，其中產(chǎn)生的磁場在各個磁場感應(yīng)器中產(chǎn)生電流，這純粹是設(shè)計(jì)選擇?；蛘?，較小的受控電流可以通過每個感應(yīng)元件，其中，這些元件將產(chǎn)生其各自的磁場。這些離散的磁場然后將由能夠繪出每個感應(yīng)元件的三維位置的三維磁場感應(yīng)器(未示出)監(jiān)控。
如上所述，柔性器械10中使用的傳感器可以是磁場、光學(xué)，或光纖傳感器。如果使用光纖中間感應(yīng)器，則需要光纖系統(tǒng)控制單元(圖1中項(xiàng)目31)。光學(xué)中間傳感器421、422和423將代替磁場中間傳感器382、383和384并且提供中間路徑信號P1的離散分量(P11、P12、P13)。這些信號提供給光纖系統(tǒng)控制單元(圖1中項(xiàng)目31)并且在光坐標(biāo)系統(tǒng)(Xo，Yo，Zo)或者磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)疊加以便相對于普通坐標(biāo)系統(tǒng)(Xt，Yt，Zt)確定柔性器械10的中間部分18的路徑。
通常，光學(xué)中間傳感器421、422和423是光纖環(huán)傳感器，每個環(huán)傳感器配備了一個光源(通常為發(fā)光二極管)44、一個光檢測器(例如光傳感器)46，和一個光纖材料的環(huán)48。在這些特定傳感器中，光纖環(huán)48的涂層部分被改變(通常為磨損)從而產(chǎn)生有損(或衰減)的光導(dǎo)管，其中，衰減百分比相對于所述環(huán)自身的曲率變化。具體地說，在此特定例子中，所示光纖環(huán)48的改變區(qū)域50在環(huán)48的底部。如果光纖環(huán)48向上彎曲(沿箭頭52方向)，則環(huán)50將更加衰減光，因此由光檢測器46探測的光能級將減少。或者，當(dāng)光纖環(huán)48向下彎曲(沿箭頭54方向)時，光衰減級別將減少，因此由光檢測器46探測的光將增加。相應(yīng)地，這些光檢測器46提供根據(jù)柔性器械10中間部分18的曲率(路徑)而變化的信號。在本領(lǐng)域中眾所周知，光纖不必制成環(huán)，而可以替代地使用反射端以便將發(fā)射光返回到光檢測器46。
雖然使用離散磁場傳感器和光傳感器產(chǎn)生了在其中可以直接讀取和獲得各個傳感器位置的系統(tǒng)，但使用光纖傳感器產(chǎn)生的系統(tǒng)僅僅考慮到了中間部分18的路徑的間接確定。具體地說，因?yàn)槊總€光纖傳感器提供涉及中間部分18特定離散區(qū)段的曲率(或半徑)的信息，并且傳感器(X1、X2、X3和X4)的間距是公知的，所以每個傳感器的位置可以以數(shù)學(xué)方式計(jì)算出。雖然光纖傳感器的專用能夠產(chǎn)生的系統(tǒng)具有上述基于路徑系統(tǒng)的缺點(diǎn)(通過中間部分每段時的誤差傳播)，但是使用磁場末端傳感器381(精確地指示末端20在磁場坐標(biāo)系統(tǒng)(Xm，Ym，Zm)中的位置)和/或光標(biāo)記器23(精確地指示近端17在光坐標(biāo)系統(tǒng)(Xo，Yo，Zo)中的位置)使這些缺點(diǎn)減到最小。具體地說，因?yàn)榇艌瞿┒藗鞲衅髦苯游挥谌S磁場內(nèi)，所以任何誤差傳播的影響可以減到最小，因?yàn)槟┒?0的實(shí)際位置是公知的。例如，如果利用來自光纖中間傳感器421、422和423的信號確定的計(jì)算尖端位置顯示末端20位于實(shí)際末端位置(由磁場末端傳感器381確定)上1厘米處，則此一厘米誤差可以在中間部分18的所有階段內(nèi)平均分布，從而可以確定中間部分18的實(shí)際路徑。
雖然到目前為止討論的光纖傳感器是常規(guī)光學(xué)彎曲傳感器，但光學(xué)扭曲傳感器56也可以使用，光學(xué)扭曲傳感器使用了通過以彼此成一定角度(θ)放置環(huán)的方式而定位的多個光學(xué)環(huán)傳感器。通過比較和處理由每個光檢測器產(chǎn)生的信號，可以確定光纖的扭曲(沿其軸線)。
現(xiàn)在參照圖3，示出了用于確定具有中間部分和末端的柔性器械的三維位置的方法100，包括控制接近柔性器械的磁場102。產(chǎn)生表示出柔性器械中間部分路徑的中間路徑信號104。產(chǎn)生表示出柔性器械末端位置的末端位置信號106。遙控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理中間路徑信號和末端位置信號以便提供柔性器械末端和中間部分位置和角度取向在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的指示108。如果是磁場末端傳感器系統(tǒng)，則方法100檢測具有位于接近柔性器械末端的磁場末端傳感器的磁場以產(chǎn)生末端信號110。如果是磁場中間傳感器系統(tǒng)，則方法100檢測具有至少一個沿柔性器械中間部分的長度定位的磁場中間傳感器的磁場，從而產(chǎn)生中間路徑信號112。如果是光纖中間傳感器系統(tǒng)，則方法100檢測具有至少一個沿柔性器械中間部分的長度定位的光纖傳感器的中間部分的路徑，從而產(chǎn)生中間路徑信號114。如果由方法100測量和計(jì)算的末端位置和取向與預(yù)期器械公差范圍內(nèi)的位置和取向一致，則方法100報(bào)告此位置并使用此位置改進(jìn)所有中間路徑傳感器位置。否則，方法100將執(zhí)行誤差分析以確定哪個子系統(tǒng)出現(xiàn)誤差并且報(bào)告更可靠的位置，或者如果不能確定可靠位置則發(fā)出警告。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的若干實(shí)施例。然而，應(yīng)理解可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下做出各種更改。例如，雖然示出的柔性器械10主要用于醫(yī)療應(yīng)用，但這僅為說明目的。柔性器械10可以在任何需要用戶監(jiān)控目標(biāo)的三維位置的應(yīng)用中使用。例如，柔性器械10可以配備進(jìn)衣服中以便監(jiān)控穿衣者四肢的空間取向。這種類型的衣服材料可以用于虛擬現(xiàn)實(shí)和特級效果的衣服。
權(quán)利要求
1.一種柔性器械，包括柔性元件，具有近端部分、中間部分，和末端部分；至少一個光傳感器，位于接近所述柔性器械的所述近端部分的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述近端部分位置的近端位置信號；和至少一個柔性元件傳感器，位于接近所述柔性元件的其他部分之一的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述那個其他部分位置的第二位置信號。
2.如權(quán)利要求1所述的柔性器械，其中，所述至少一個光傳感器包括多個光發(fā)射光學(xué)標(biāo)記器。
3.如權(quán)利要求2所述的柔性器械，還包括一個響應(yīng)于所述光發(fā)射光學(xué)標(biāo)記器的攝像機(jī)，用于產(chǎn)生所述近端位置信號。
4.如權(quán)利要求1所述的柔性器械，其中，所述至少一個柔性元件傳感器包括至少一個末端傳感器，位于接近所述柔性元件的所述末端部分的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述末端部分的位置的末端位置信號，其中，所述末端位置信號是所述第二位置信號。
5.如權(quán)利要求4所述的柔性器械，其中，所述柔性器械能夠檢測受控磁場。
6.如權(quán)利要求5所述的柔性器械，其中，所述受控磁場是利用多個受控磁性線圈產(chǎn)生的三維磁場。
7.如權(quán)利要求5所述的柔性器械，其中，所述至少一個末端傳感器包括用于檢測所述受控磁場的磁場末端傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的柔性器械，其中，所述磁場末端傳感器是感應(yīng)線圈，此感應(yīng)線圈提供表示出所述柔性器械的所述末端部分在所述受控磁場內(nèi)的三維位置的所述末端位置信號。
9.如權(quán)利要求1所述的柔性器械，其中，所述至少一個柔性元件傳感器包括至少一個中間傳感器，沿所述元件的所述中間部分的預(yù)定點(diǎn)布置，用于提供表示出所述柔性元件的所述中間部分路徑的中間路徑信號，其中，所述中間路徑信號是所述第二位置信號。
10.如權(quán)利要求9所述的柔性器械，其中，所述柔性器械能夠檢測受控磁場，并且所述至少一個中間傳感器包括至少一個磁場中間傳感器，沿所述柔性器械的所述中間部分的長度定位，其中，所述至少一個磁場中間傳感器檢測所述受控磁場。
11.如權(quán)利要求10所述的柔性器械，其中，所述至少一個磁場中間傳感器是感應(yīng)線圈，此感應(yīng)線圈提供表示出所述柔性器械的所述中間部分在所述受控磁場內(nèi)的三維路徑的所述中間路徑信號。
12.如權(quán)利要求9所述的柔性器械，其中，所述至少一個中間傳感器包括至少一個光纖傳感器，沿所述柔性器械所述中間部分的長度定位，其中，所述至少一個光纖傳感器提供表示出所述柔性器械的所述中間部分的三維路徑的所述中間路徑信號。
13.如權(quán)利要求12所述的柔性器械，其中，所述至少一個光纖傳感器包括光纖彎曲傳感器。
14.如權(quán)利要求12所述的柔性器械，其中，所述至少一個光纖傳感器包括光纖扭曲傳感器。
15.如權(quán)利要求12所述的柔性器械，其中，所述至少一個光纖傳感器包括至少一個光纖環(huán)傳感器，此光纖環(huán)傳感器具有根據(jù)所述柔性器械的所述中間部分的路徑而變化的光衰減特征。
16.如權(quán)利要求15所述的柔性器械，其中，所述至少一個光纖環(huán)傳感器包括用于產(chǎn)生光信號的光源，此光信號通過光纖環(huán)傳輸?shù)焦鈧鞲衅鳎渲?，通過所述光纖環(huán)的所述光信號的衰減表示出所述柔性器械的所述中間部分三維路徑的至少一部分。
17.如權(quán)利要求1所述的柔性器械，還包括一個響應(yīng)于所述近端位置信號和所述第二位置信號的處理器，用于提供所述柔性器械的所述近端部分和所述那個其他部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
18.一種柔性器械，包括一個柔性元件，具有近端部分、中間部分，和末端部分；至少一個光傳感器，位于接近所述柔性元件的所述近端部分的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述近端部分位置的近端位置信號；至少一個柔性元件傳感器，位于接近所述柔性元件的其他部分之一的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述那個其他部分位置的第二位置信號；和一個響應(yīng)于所述近端位置信號和所述第二位置信號的處理器，用于提供所述柔性器械的所述近端部分和所述那個其他部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
19.一種柔性器械，包括一個柔性元件，具有近端部分、中間部分，和末端部分；至少一個光傳感器，位于接近所述柔性元件的所述近端部分的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述近端部分位置的近端位置信號；至少一個中間傳感器，沿所述柔性元件的所述中間部分的預(yù)定點(diǎn)布置，用于提供表示出所述柔性元件的所述中間部分路徑的中間路徑信號；至少一個末端傳感器，位于接近所述柔性元件的所述末端部分的位置處，用于提供表示出所述柔性元件的所述末端部分位置的末端位置信號；和一個響應(yīng)于所述近端位置信號、所述中間路徑信號和所述末端位置信號的處理器，用于提供所述柔性器械的所述近端部分、所述中間部分和所述末端部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
20.一種方法，用于確定具有近端部分、中間部分和末端部分的柔性器械的三維位置，包括控制接近柔性器械的磁場；產(chǎn)生表示出柔性元件末端部分在磁場中位置的末端位置信號；和產(chǎn)生表示出柔性元件近端部分位置的近端位置信號。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括產(chǎn)生表示出柔性元件中間部分路徑的中間路徑信號。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中產(chǎn)生中間路徑信號包括檢測具有至少一個光纖傳感器的中間部分的路徑，所述光纖傳感器沿柔性器械中間部分的長度定位。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，產(chǎn)生末端信號包括檢測具有磁場末端傳感器的磁場，所述磁場末端傳感器位于接近柔性器械末端部分的位置。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，產(chǎn)生近端位置信號包括檢測光發(fā)射光學(xué)標(biāo)記器在光坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括處理中間路徑信號、末端位置信號和近端位置信號以便提供柔性器械末端部分、近端部分和中間部分在普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置和角度取向的指示。
全文摘要
一種柔性器械，包括具有近端部分、中間部分和末端部分的柔性元件。至少一個光傳感器，位于接近柔性元件近端部分的位置處，用于提供表示出柔性元件近端部分位置的近端位置信號。至少一個柔性元件傳感器，位于接近柔性元件其他部分之一的位置處，用于提供表示出柔性元件所述那個其他部分位置的第二位置信號。
文檔編號A61B5/06GK1473020SQ01818307
公開日2004年2月4日 申請日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月31日
發(fā)明者唐納德·D·弗朗茨, 保羅·D·克勞森, 特里·H·費(fèi)希爾, 斯蒂芬·E·萊斯, E 萊斯, D 克勞森, H 費(fèi)希爾, 唐納德 D 弗朗茨 申請人:北方數(shù)字公司