用于定位可移動(dòng)目標(biāo)的形狀傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)涉及使用形狀傳感器系統(tǒng)追蹤解剖目標(biāo)和/或介入器械的系統(tǒng)和方法，并 且更具體地涉及使用冗余的形狀傳感器提高形狀傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)意圖減少在介入程序期間損傷的組織量，從而減少患者恢復(fù)時(shí)間、 不適感和有害的副作用。為了追蹤解剖目標(biāo)、植入設(shè)備和/或介入器械(包括手術(shù)器械、診斷 器械、治療器械或活檢器械)在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置，微創(chuàng)傳感器系統(tǒng)可以被使用。在現(xiàn) 有系統(tǒng)中，電磁(EM)導(dǎo)航可以用于追蹤介入器械、植入設(shè)備或目標(biāo)在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的運(yùn) 動(dòng)。雖然EM導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于許多程序是有用的，但是它們可能受到來(lái)自手術(shù)間中的其它裝備 的磁場(chǎng)干擾。例如，熒光成像系統(tǒng)或金屬器械的C型臂可以產(chǎn)生與EM導(dǎo)航系統(tǒng)的磁場(chǎng)干擾， 從而導(dǎo)致介入器械的追蹤中的不可接受的誤差。在其它現(xiàn)有系統(tǒng)中，光纖形狀傳感器系統(tǒng) 可以用于追蹤患者解剖結(jié)構(gòu)中的介入器械的運(yùn)動(dòng)。光纖形狀傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)在沿單個(gè)光纖 的各個(gè)點(diǎn)處的應(yīng)變以確定光纖的形狀。根據(jù)單個(gè)光纖的形狀，能夠獲得沿光纖的各個(gè)點(diǎn)的 姿態(tài)(方位和取向）。由于誤差積累，所以與得到的沿單個(gè)光纖的各個(gè)點(diǎn)的姿態(tài)相關(guān)的誤差 可以隨距光纖詢(xún)問(wèn)器的距離而增加。需要改進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)和方法以便追蹤手術(shù)環(huán)境中的介 入器械、植入設(shè)備和解剖目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的實(shí)施例由隨附的權(quán)利要求概括。
[0004] 在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包含接收來(lái)自第一形狀傳感器中的第一細(xì)長(zhǎng)光纖部段 的第一形狀數(shù)據(jù)。該第一細(xì)長(zhǎng)光纖部段延伸在參考固定裝置(reference fixture)和耦連 到患者解剖結(jié)構(gòu)的第一解剖學(xué)固定裝置之間。該方法進(jìn)一步包含根據(jù)第一形狀數(shù)據(jù)確定第 一解剖學(xué)固定裝置的姿態(tài)和追蹤第一解剖學(xué)固定裝置的姿態(tài)變化。
[0005] 在另一個(gè)實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包含骨固定設(shè)備、形狀傳感器參考固定裝置以及耦 連在形狀傳感器參考固定裝置和骨固定設(shè)備之間的光纖形狀傳感器設(shè)備。該光纖形狀傳感 器被配置成提供第一形狀數(shù)據(jù)用于確定骨固定設(shè)備的姿態(tài)。
[0006] 在另一個(gè)實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包含骨固定設(shè)備、形狀傳感器參考固定裝置以及耦 連在形狀傳感器參考固定裝置和骨固定設(shè)備之間的形狀傳感器設(shè)備。該形狀傳感器被配置 成提供第一形狀數(shù)據(jù)用于確定骨固定設(shè)備的姿態(tài)。該形狀傳感器設(shè)備包括多個(gè)光纖，多個(gè) 光纖耦連到細(xì)長(zhǎng)的條帶材料從而以預(yù)定的空間關(guān)系維持多個(gè)光纖。
[0007] 在另一個(gè)實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包含骨固定設(shè)備、形狀傳感器參考固定裝置以及光 纖形狀傳感器設(shè)備，光纖形狀傳感器設(shè)備在近端處耦連到形狀傳感器參考固定裝置并且在 遠(yuǎn)端處可拆卸地耦連到骨固定設(shè)備。該光纖形狀傳感器被配置成提供第一形狀數(shù)據(jù)用于確 定骨固定設(shè)備的姿態(tài)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包含用于將骨固定設(shè)備的遠(yuǎn)端可拆卸地耦連到光纖形 狀傳感器設(shè)備的聯(lián)接器。
[0008] 在另一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包含接收來(lái)自第一形狀傳感器中的第一細(xì)長(zhǎng)光纖部 段的第一形狀數(shù)據(jù)，該第一細(xì)長(zhǎng)光纖部段延伸在參考固定裝置和耦連到醫(yī)療器械的器械固 定裝置之間。該方法還包含根據(jù)第一形狀數(shù)據(jù)確定器械固定裝置的姿態(tài)和追蹤器械固定裝 置的姿態(tài)變化。
[0009] 根據(jù)下面的【具體實(shí)施方式】，本公開(kāi)的附加方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變的顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)下面的【具體實(shí)施方式】，本公開(kāi)的各方面被最好地理解。特 別強(qiáng)調(diào)，根據(jù)行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)慣例，各種特征未按比例繪制。事實(shí)上，為了清晰的討論，各種特 征的尺寸可以被任意地增加或減少。此外，本公開(kāi)可以在各種示例中重復(fù)參考數(shù)字和/或字 母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清晰的目的，并且其本身并不指定討論的各種實(shí)施例和/或配置 之間的關(guān)系。
[0011]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的傳感器系統(tǒng)。
[0012] 圖2是圖1的傳感器系統(tǒng)的多核芯光纖部件。
[0013] 圖3是圖2的多核芯光纖部件的橫截面視圖。
[0014] 圖4是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的具有多個(gè)光纖傳感器的傳感器系統(tǒng)。
[0015] 圖5圖示說(shuō)明使用圖4的傳感器系統(tǒng)的方法。
[0016] 圖6是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的具有按順序鏈接的光纖傳感器的傳感器系 統(tǒng)。
[0017] 圖7是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的具有多個(gè)光纖傳感器的傳感器系統(tǒng)。
[0018] 圖8是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。
[0019] 圖9是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的并入無(wú)菌帷簾的傳感器系統(tǒng)。
[0020] 圖10是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的具有多個(gè)冗余的光纖傳感器的傳感器系統(tǒng)。
[0021] 圖11圖示說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的條帶配置中的多個(gè)冗余的光纖傳感 器。
[0022] 圖12圖示說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的條帶配置中的多個(gè)冗余的光纖傳感 器。
[0023] 圖13圖示說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的集成到骨固定硬件(bone fixation hardware)的光纖傳感器。
[0024] 圖14圖示說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的在骨固定硬件的聯(lián)接構(gòu)件處終止的 光纖傳感器。
[0025] 圖15圖示說(shuō)明根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例的在骨固定硬件的聯(lián)接器處具有應(yīng)變 消除的光纖傳感器。
[0026] 圖16是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的機(jī)器人介入系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 在本發(fā)明的各方面的以下【具體實(shí)施方式】中，許多具體細(xì)節(jié)被闡明，以便提供對(duì)所 公開(kāi)的實(shí)施例的全面理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的 情況下，本公開(kāi)的實(shí)施例也可以被實(shí)踐。在其它情況下，熟知方法、程序、部件和電路未被詳 細(xì)描述，以免不必要地模糊本發(fā)明的實(shí)施例的各方面。另外，為了避免不必要的重復(fù)描述， 根據(jù)一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例描述的一個(gè)或多個(gè)部件或動(dòng)作能夠被使用或省略以適用于其它說(shuō) 明性實(shí)施例。
[0028]下面的實(shí)施例將根據(jù)設(shè)備在三維空間中的狀態(tài)來(lái)描述各種設(shè)備和設(shè)備的各部分。 如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"方位"指對(duì)象或部分對(duì)象在三維空間中（例如，沿笛卡爾X、Y、Z坐標(biāo) 的三個(gè)平移自由度)的位置。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"取向"指對(duì)象或部分對(duì)象的可旋轉(zhuǎn)的放 置(三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度-例如，滾動(dòng)、俯仰和偏擺）。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"姿態(tài)"指對(duì)象或部分 對(duì)象在至少一個(gè)平移自由度中的方位并且指對(duì)象或部分對(duì)象在至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度中的 取向（多達(dá)總共六個(gè)自由度）。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"形狀"指沿細(xì)長(zhǎng)對(duì)象測(cè)量的一組姿態(tài)、 方位或取向。為了說(shuō)明，本文描述的方法和系統(tǒng)通常在矯形手術(shù)方面來(lái)描述。然而，相同的 系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用于在患者解剖結(jié)構(gòu)的其它區(qū)域上進(jìn)行的程序。
[0029] 用于微創(chuàng)手術(shù)程序的傳統(tǒng)光學(xué)導(dǎo)航程序通常需要具有到解剖參考固定裝置和工 具導(dǎo)引參考固定裝置的直接視線(xiàn)的大攝像機(jī)頭。若干缺點(diǎn)可能與傳統(tǒng)導(dǎo)航途徑相關(guān)。例如， 傳統(tǒng)光學(xué)追蹤系統(tǒng)需要攝像機(jī)和參考固定裝置的追蹤標(biāo)記之間的連續(xù)視線(xiàn)。視線(xiàn)的中斷能 夠?qū)е鹿ぷ髁骱桶踩珕?wèn)題。在關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中，例如，堆滿(mǎn)器械和關(guān)節(jié)鏡的小手術(shù)區(qū)域可能不 允許視線(xiàn)光學(xué)追蹤。傳統(tǒng)光學(xué)追蹤系統(tǒng)還采用必須通過(guò)一個(gè)或多個(gè)骨螺釘固定到患者的參 考固定裝置。這些參考固定裝置可能是笨重的并且限制手術(shù)入路。本公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可 以用作傳統(tǒng)光學(xué)追蹤系統(tǒng)和方法的替代或增補(bǔ)。通常，本公開(kāi)的方法和系統(tǒng)涉及形狀傳感 器系統(tǒng)的使用，以定位和追蹤在介入程序期間的解剖目標(biāo)和器械。
[0030] 參考圖1，用于例如手術(shù)、診斷、治療、活檢、醫(yī)療監(jiān)測(cè)或醫(yī)療評(píng)價(jià)的傳感器系統(tǒng)總 體由參考數(shù)字10指示。傳感器系統(tǒng)10通常包括詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)12、參考固定裝置14、傳感器設(shè)備 16、18、20、30、介入器械22、數(shù)字化探針23、控制系統(tǒng)24、目標(biāo)固定裝置26以及傳感器處理和 控制系統(tǒng)27。在各種實(shí)施例中，傳感器系統(tǒng)的這些部件中的一個(gè)或多個(gè)可以被省略，或者多 個(gè)相同類(lèi)型的部件可以被包括。如將在下面詳細(xì)描述的，傳感器系統(tǒng)10可以包括冗余的傳 感器部件，其增加系統(tǒng)的形狀感測(cè)和姿態(tài)確定功能的準(zhǔn)確性。冗余的傳感器部件還可以識(shí) 別例如在急彎曲、高張力或顯著扭曲的區(qū)域中的傳感器誤差的源和位置并校正那些誤差。 [0031 ]詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)12產(chǎn)生光并檢測(cè)返回的光以確定傳感器設(shè)備16、18、20、30的當(dāng)前形狀。 詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)12還可以處理返回的數(shù)據(jù)以便顯示給臨床醫(yī)生。這種信息轉(zhuǎn)而能夠用于確定其它 相關(guān)變量，諸如傳感器設(shè)備所連接的目標(biāo)或器械的姿態(tài)、速度和加速度。傳感器設(shè)備16、18 分別在近端16a、18a處耦連到詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)12。這些近端可以并置排列或可以分開(kāi)已知或可測(cè) 量距離和取向。通過(guò)使用已知變換，共用基礎(chǔ)坐標(biāo)系能夠被使用。傳感器設(shè)備16、18還分別 具有遠(yuǎn)端16b、18b。傳感器設(shè)備20在近端20a處耦連到詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)12并且在遠(yuǎn)端20b處耦連到 介入器械22。雖然傳感器設(shè)備20被示出完全地在介入器械內(nèi)或沿介入器械延伸，但是在各 種替代實(shí)施例中，傳感器設(shè)備可以?xún)H部分地在介入器械內(nèi)或沿介入器械延伸。介入器械22 耦連到控制系統(tǒng)24以接收例如電力信號(hào)和通信信號(hào)。傳感器設(shè)備30在近端30a處耦連到詢(xún) 問(wèn)系統(tǒng)12并且在遠(yuǎn)端30b處耦連到數(shù)字化探針23。雖然傳感器設(shè)備30被示出完全地在探針 23內(nèi)或沿探針23延伸，但是在各種替代實(shí)施例中，傳感器設(shè)備可以?xún)H部分地在探針內(nèi)或沿 探針延伸。數(shù)字化探針23耦連到操作的控制系統(tǒng)24,以接收例如電力信號(hào)和通信信號(hào)。數(shù)字 化探針23可以用于識(shí)別和記錄導(dǎo)航界標(biāo)。
[0032] 傳感器設(shè)備16、18、20、30中的每一個(gè)沿其在近端和遠(yuǎn)端之間的長(zhǎng)度在中間部分處 耦連到參考固定裝置14。傳感器設(shè)備16、18、20、30的耦連部分的姿態(tài)由參考固定裝置14保 持和固定。另外，傳感器設(shè)備16、18、20、30的耦連部分的姿態(tài)關(guān)于彼此