針對用于光學形狀感測的優(yōu)化纖維集成的內腔設計的制作方法
【專利說明】針對用于光學形狀感測的優(yōu)化纖維集成的內腔設計
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年9月28日遞交的序列號為61/706822的共同受讓的臨時申請的優(yōu)先權，并通過引用將其整體并入本文。
技術領域
[0003]本公開涉及光學形狀感測儀器，并且更具體地涉及與形狀感測光纖一起使用的內腔，所述內腔保護并允許光纖的旋轉。
【背景技術】
[0004]光學形狀感測(OSS)使用沿著多芯光纖的光，以用于在外科手術介入期間的設備定位和導航?；诠饫w的形狀感測利用常規(guī)光纖中的固有的反向散射。其原理涉及利用在使用特性瑞利反向散射或受控光柵圖案的光纖中的分布式應力測量。
[0005]將光學形狀感測纖維集成到醫(yī)學設備中能夠提供在身體內部的導航期間用于使用的定位信息。許多介入設備具有小的橫截面覆蓋范圍，所述橫截面覆蓋范圍限制了可用于包括光纖的空間的量。另外，纖維被集成到設備中的方式能夠影響OSS和設備二者的性會K。
[0006]用于執(zhí)行形狀感測測量的光纖可以被集成到醫(yī)學設備中，使得該設備的傳統(tǒng)性能不被改變。在設備的覆蓋范圍之內有限的空間也使集成光纖具有挑戰(zhàn)性。OSS可以使用對沿著多芯光纖的應力的計算，以重建沿著纖維的形狀。正因如此，形狀穩(wěn)定性和重建準確性易受張力、扭曲、振動以及箍縮的變化影響。將該技術集成到在動態(tài)環(huán)境中(例如，血管導航中)使用的介入設備中能夠引起OSS性能的顯著降低。

【發(fā)明內容】

[0007]根據本發(fā)明原理，一種形狀感測使能的儀器包括:柔性縱向本體，其包括被保持在一起以形成內腔的多個縱向構件；所述縱向構件，其具有在所述縱向構件之間的摩擦接觸，并且被配置為在彎曲、扭曲或外部按壓期間接合相鄰的縱向構件，以維持內腔的尺寸；形狀感測光纖，其被設置在內腔之內。
[0008]一種形狀感測系統(tǒng)包括:形狀感測使能的醫(yī)學儀器，其包括柔性縱向本體，所述柔性縱向本體具有被保持在一起以形成內腔的多個縱向構件，所述縱向構件具有在所述縱向構件之間的縱向摩擦接觸，并且被配置為在彎曲、扭曲或外部按壓期間接合相鄰的縱向構件，以維持所述內腔的尺寸；至少一根形狀感測光纖，其被設置在所述內腔之內；控制臺，其被配置為接收來自所述至少一根形狀感測光纖的光學信號，并且解讀所述光學信號以確定所述儀器的形狀。
[0009]一種用于感測形狀感測使能的儀器的形狀的方法，所述方法包括:提供形狀感測使能的醫(yī)學儀器，所述形狀感測使能的醫(yī)學儀器包括具有被保持在一起以形成內腔的多個縱向構件的柔性縱向本體，所述縱向構件具有在所述縱向構件之間的摩擦接觸，所述縱向構件被配置為在彎曲、扭曲或外部按壓期間接合相鄰的縱向構件，以維持所述內腔的尺寸；接收來自被設置在所述內腔中的一根或多根光纖的光學信號；并且解讀所述光學信號以確定所述儀器的形狀。
[0010]根據要與附圖結合閱讀的本公開的圖示性實施例的以下詳細描述，本公開的這些和其他目的、特征以及優(yōu)點將變得明顯。
【附圖說明】
[0011]本公開將參考以下附圖來詳細呈現對優(yōu)選的實施例的以下描述，其中:
[0012]圖1是示出根據一個實施例的采用用于在其中容納纖維的絞合管的形狀感測系統(tǒng)的方框/流程圖；
[0013]圖2是示出根據一個圖示性實施例的螺旋絞合空心管的橫截面的透視圖；
[0014]圖3示出了根據圖示性實施例的例示性單層和雙(多)層絞合管的橫截面視圖；
[0015]圖4是示出根據一個圖示性實施例的螺紋絞合空心管的橫截面的透視圖；
[0016]圖5是示出根據一個圖示性實施例的在內腔壁和纖維覆層上具有電荷以引起它們之間的排斥力的絞合管的橫截面視圖；
[0017]圖6是示出根據一個圖示性實施例的在內腔壁和纖維覆層上具有磁性特征以引起它們之間的排斥力的絞合管的橫截面視圖；并且
[0018]圖7是示出根據圖示性實施例的用于感測形狀感測使能的儀器的形狀的方法的方框/流程圖。
【具體實施方式】
[0019]根據本發(fā)明原理，帶有內腔的光纖被配置為通過阻尼來自外部環(huán)境的振動，提供平滑、連續(xù)且無箍縮的內腔，并且允許纖維在內腔之內自動滑動來改善形狀感測性能。形狀感測性能也能夠通過使設備的扭轉與纖維的扭曲去耦合而得以改善。
[0020]根據本發(fā)明原理，多用途內腔設備被用于介入設備，這解決了纖維集成中的至少三個挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括設備中可用的有限的橫截面面積、相對于外部環(huán)境對纖維的保護和隔離，以及外部扭轉與纖維扭曲的去耦合。
[0021]內腔容納OSS纖維，并且約束和控制OSS纖維的運動。受控的運動可以包括，例如，在彎曲誘導的路徑長度改變期間由于形狀感測纖維與內腔壁之間的摩擦引起的縱向粘滑行為(張力)的減少，在設備的扭曲、設備的彎曲(以適應解剖結構)期間由于纖維與內腔壁之間的摩擦引起的旋轉粘滑的減少(從而不再導致內腔的橢圓化)，由于設備的尖端的壁刮、臨床醫(yī)生對儀器的握持、設備周圍的血流、心跳運動等引起的振動的減少。這些作用可以是或不是獨立發(fā)生的，并且常常地，一種作用能夠引起或組合另一種作用。
[0022]而且，在現有的醫(yī)學設備設計中存在對于光纖可用的有限的橫截面面積。這意味著，光纖被放置于其中的內腔盡可能地小而同時仍提供用于纖維相對于外部環(huán)境的緩沖區(qū)是可期望的。
[0023]根據本發(fā)明原理，一種用于OSS纖維到細長醫(yī)學設備中的集成的內腔設計包括但不限于以下中的一種或多種。通過有紋理的、編織的多絲(單層或多層)或內腔的非均勻內表面來實現粘滑行為的減少。提供具有旋轉各向同性的機械性能(即，無優(yōu)先機械彎曲方向)的結構化圓形(編織的)或非圓形的內腔橫截面(即，六邊形)，其能夠包括盤繞的多絲管，以用于減少彎曲期間的內腔橢圓化。通過包括具有低彈簧常數(用于吸收高頻振動，例如，在對醫(yī)學設備的操縱期間發(fā)現的那些)的捻絲、股或線的內腔來提供振動阻尼。
[0024]應當理解，本發(fā)明將在醫(yī)學儀器方面進行描述；然而，本發(fā)明的教導要寬泛得多，并且可應用于任何光纖儀器。在一些實施例中，本發(fā)明原理用于跟蹤或分析復雜的生物系統(tǒng)或機械系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明原理可應用于生物系統(tǒng)的內部跟蹤流程，在身體的全部區(qū)(例如，肺、胃腸道、排泄器官、血管等)中的流程。附圖中描繪的元件可以被實施為硬件與軟件的各種組合，并且提供可以與單個元件或多個元件組合的功能。
[0025]附圖中示出的各個元件的功能能夠通過使用專用硬件以及能夠運行與適當的軟件相關聯(lián)的軟件的硬件來提供。在由處理器提供時，所述功能能夠由單個專用處理器，由單個共享處理器，或由多個個體處理器(它們中的一些能夠被共享)來提供。此外，對術語“處理器”或“控制器”的明確使用不應被解釋為排他性地指代能夠運行軟件的硬件，而是能夠隱含地包括而不限于，數字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)、非易失性存儲器等。
[0026]此外，本文中記載本發(fā)明的原理、各方面和實施例以及其特定范例的所有陳述都是旨在涵蓋其結構和功能上的等價物二者。額外地，這樣的等價物旨在包括當前已知的等價物以及未來開發(fā)的等價物(即，所開發(fā)的執(zhí)行相同功能的任何元件，不論其結構