專利名稱：光學(xué)纖維器械感測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及醫(yī)療器械，諸如用于最低程度侵入介入或診 斷的細(xì)長(zhǎng)的可操縱器械，且更具體地，涉及一種用于感測(cè)或測(cè)量沿 該細(xì)長(zhǎng)的可才喿^人醫(yī)療器知戈的一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)端4立置處的4立置和/或溫 度的方法、系統(tǒng)及裝置。
背景技術(shù)：
目前已知的用于體才各狀況的診斷及治療的最低程度侵入過(guò)程 采用細(xì)長(zhǎng)的器械(諸如導(dǎo)管或者更具剛性的臂或軸)來(lái)接近并致力 于處理體內(nèi)的各種組織結(jié)構(gòu)。由于各種原因，能夠確定這些細(xì)長(zhǎng)的 器械的部分相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)(諸如手術(shù)臺(tái))、其他器械、或相關(guān)組 織結(jié)構(gòu)的三維空間位置是非常有價(jià)值的。能夠檢測(cè)器械的各位置處 的溫度也是有價(jià)值的?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的技術(shù)(諸如，可從諸如Johnson & Johnson ^>司的Biosense Webster分乂>司的供應(yīng)者那購(gòu)4f 的電磁位置傳感器，或者可從諸如Keithley器械公司的供應(yīng)者那購(gòu) 得的傳統(tǒng)熱電偶)來(lái)分別測(cè)量三維空間位置或溫度，但由于構(gòu)件幾 何約束、電》茲活性難題等而可能局限于用在細(xì)長(zhǎng)的醫(yī)療器械應(yīng)用中。需要可替代的技術(shù)來(lái)輔助在監(jiān)測(cè)三維空間位置和/或溫度的同 時(shí)執(zhí)行最低程度侵入介入或診斷過(guò)程。眾所周知的，通過(guò)應(yīng)用布々立格方禾呈(波長(zhǎng)=2xdxsin0 )來(lái)檢測(cè) 反射光中的波長(zhǎng)變化，可以確定沿纖維或其他細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱向地i殳置 的衍射光柵圖形的延伸率。此外，借助于對(duì)承載衍射光柵圖形的纖 維或其他細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的熱膨脹特性的i人識(shí)，可以計(jì)算衍射光4冊(cè)位置處 的溫度讀數(shù)?？蓮闹T如弗吉尼亞州布萊克斯堡鎮(zhèn)的Luna Innovation公司、喬 治亞州亞特蘭大市的Micron Optics 7>司、加拿大魁北克省的LxSix Photonics ^>司、以及丹麥的Ibsen Photonics A/S的廠商那獲得的所 謂"光學(xué)纖維布拉格光柵"("FBG")傳感器或其構(gòu)件已被用在各 種應(yīng)用中來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)(諸如/>路橋及才幾翼)中的應(yīng)變、以及結(jié)構(gòu)(諸 如供給室)中的溫度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是測(cè)量可才喿縱的導(dǎo)管或其他細(xì)長(zhǎng)醫(yī)療器械的遠(yuǎn) 端部分處的應(yīng)變和/或溫度，以有助于4丸4于醫(yī)療i貪斷或介入過(guò)程。在一個(gè)實(shí)施例中，醫(yī)療器械系統(tǒng)包括撓性的細(xì)長(zhǎng)體；附著于 該細(xì)長(zhǎng)體的相應(yīng)近端部分及遠(yuǎn)端部分的多個(gè)光學(xué)纖維芯，每個(gè)光學(xué) 纖維芯均包含多個(gè)隔開的布拉格光柵；包含頻域反射儀的檢測(cè)器， 該檢測(cè)器可操作地連接至纖維芯的相應(yīng)近端并被構(gòu)造成用于檢測(cè) 光波的一皮相應(yīng)布4立才各光4冊(cè)反射的部分；以及控制器，該控制器可才喿 作地連4妻至4全測(cè)器并一皮構(gòu)造成用于基于對(duì)所4企測(cè)到的光波的反射 部分的光i普分片斤來(lái)確定該細(xì)長(zhǎng)體的至少 一部分的構(gòu)造。每個(gè)纖維芯 均具有相應(yīng)的寬帶基準(zhǔn)反射器，這些寬帶基準(zhǔn)反射器以通過(guò)相應(yīng)的 多個(gè)布拍4各光沖冊(cè)以可才喿作的方式連4姿至纖維芯?？蛇x褲r地，多個(gè)光 學(xué)纖維芯可以結(jié)合到一個(gè)光學(xué)纖維中。


附圖示出了本發(fā)明所示實(shí)施例的設(shè)計(jì)及效用，附圖中，相似的 元件由共同的參考標(biāo)號(hào)表示。圖l示出了細(xì)長(zhǎng)器械的實(shí)例，諸如傳統(tǒng)的手動(dòng)才喿作的導(dǎo)管。圖2示出了細(xì)長(zhǎng)器械的另一實(shí)例，諸如機(jī)械化驅(qū)動(dòng)的可操縱導(dǎo)官。圖3A-圖3C示出了將帶有布拉格光柵的光學(xué)纖維實(shí)施到細(xì)長(zhǎng) 器械(諸如可機(jī)械化操縱的導(dǎo)管)。圖4A-圖4D示出了將帶有布^立才各光4冊(cè)的光學(xué)纖維實(shí)施到細(xì)長(zhǎng) 器械(諸如可機(jī)械化操縱的導(dǎo)管)。圖5A-圖5D示出了將帶有布拍:4各光^f冊(cè)的光學(xué)纖維實(shí)施到細(xì)長(zhǎng) 器械(諸如可機(jī)械地操縱的導(dǎo)管)。圖6示出了細(xì)長(zhǎng)器械(諸如包含帶有布拉格光柵的光學(xué)纖維的 導(dǎo)管)的橫截面圖。圖7示出了細(xì)長(zhǎng)器械(諸如包含多纖維布拉格光柵構(gòu)造的導(dǎo)管)的才黃截面圖。圖8示出了細(xì)長(zhǎng)器械(諸如包含多纖維布拉格光柵構(gòu)造的導(dǎo)管)的才黃截面圖。圖9A-圖9B示出了細(xì)長(zhǎng)器械(諸如具有帶有布拉格光柵的多 纖維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管)的俯視圖及橫截面圖。圖lOA-圖IOB示出了細(xì)長(zhǎng)器械(諸如具有帶有布拉格光柵的 多纖維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管)的俯視圖及橫截面圖。圖11A-圖11B示出了細(xì)長(zhǎng)器械(諸如具有帶有布拉格光柵的 多纖維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管)的俯視圖及橫截面圖。圖12A-圖12H示出了具有各種纖維位置及構(gòu)造的細(xì)長(zhǎng)器械的才黃截面圖。圖13示出了帶有布^立才各光4冊(cè)的光學(xué)纖維感測(cè)系統(tǒng)。圖14A-圖14B示出了帶有布拉格光柵的光學(xué)纖維感測(cè)系統(tǒng)。圖15A-圖15B示出了帶有布拉格光柵的光學(xué)纖維感測(cè)系統(tǒng)構(gòu)造。圖16A-圖16D示出了將光學(xué)纖維感測(cè)系統(tǒng)結(jié)合到機(jī)械化控制 的導(dǎo)向?qū)Ч軜?gòu)造中。圖17A-圖17G示出了將光學(xué)纖維感測(cè)系統(tǒng)結(jié)合到機(jī)械化控制 的護(hù)套導(dǎo)管構(gòu)造中。圖18示出了處于導(dǎo)管的工作腔內(nèi)的光學(xué)纖維束的橫截面圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，示出了傳統(tǒng)的可手動(dòng)操縱的導(dǎo)管1。通過(guò)操縱導(dǎo)管 結(jié)構(gòu)的近端部分上的把手3可以選擇性地拉緊拉線2,以使得導(dǎo)管 的更具撓性的遠(yuǎn)端部分5可控地彎曲或才喿縱。把手3例如可以可轉(zhuǎn) 動(dòng)或可滑動(dòng)地連4妄至近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)34，該近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)可以:故構(gòu)造 成能握在手中，并且可以連接至導(dǎo)管1的細(xì)長(zhǎng)部分35。導(dǎo)管的更近端但通常更難操縱的部分4可以被構(gòu)造成順從于來(lái)自周圍組織的載 荷(例如，以有助于使導(dǎo)管(包括近端部分的部分)穿過(guò)諸如由血 管形成的那些彎曲^各徑)，^旦與遠(yuǎn)端部分5相比，該部分仍是不易操縱的。參照?qǐng)D2，示出了與美國(guó)專利申"i青系列第11/176,598號(hào)中詳細(xì) 描述的那些類似的可機(jī)械化操縱的導(dǎo)管6。該導(dǎo)管6與圖1中的可 手動(dòng)纟喿縱的導(dǎo)管1的一些相似之處在于，該導(dǎo)管6具有在遠(yuǎn)端處與 更具撓性部分8相連的拉線10，與被構(gòu)造得更堅(jiān)硬且更抗彎曲或操 縱的不易操縱近端部分7相比，該更具撓性部分被構(gòu)造成當(dāng)以各種 形式拉緊拉線10時(shí)該更具撓性的部分纟喿縱或彎曲。可枳4成化驅(qū)動(dòng) 的可操縱導(dǎo)管6的所述實(shí)施例包括近端軸線或軸9，該近端軸線或 軸被構(gòu)造成首先不與手指或手接觸而是與機(jī)電式器械驅(qū)動(dòng)器相接 合，該機(jī)電式器械驅(qū)動(dòng)器被構(gòu)造成借助于計(jì)算機(jī)來(lái)調(diào)整及驅(qū)動(dòng)每根 軸9,以進(jìn)4于導(dǎo)管6的準(zhǔn)確操:纟從或彎曲移動(dòng)。軸9可以可4爭(zhēng)動(dòng)i也連 4妄至近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32，該近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)可以;故構(gòu)造成安裝至才幾電式 器械驅(qū)動(dòng)器裝置(諸如上述美國(guó)專利申請(qǐng)系列第11/176,598號(hào)中描 述的)，并且可以連4妻至導(dǎo)管6的細(xì)長(zhǎng)部分33。圖1及圖2中所述的每個(gè)實(shí)施例均可以具有例如定位于導(dǎo)管體 的中心軸線下方的工作腔(未示出)、或者可以沒(méi)有這種工作腔。 如果工作腔由導(dǎo)管結(jié)構(gòu)形成，則其可以直4妻延伸到導(dǎo)管的遠(yuǎn)端外， 或者可以被導(dǎo)管的遠(yuǎn)端蓋住或擋住。在許多處理過(guò)程中，獲得關(guān)于 這些導(dǎo)管或其他細(xì)長(zhǎng)器4成(諸如，可乂人諸如Johnson & Johnson />司 的Biosense Webster分乂>司或Intuitive Surgical 乂>司的供應(yīng)者那購(gòu)4尋 的那些)的遠(yuǎn)端位置的準(zhǔn)確信息是非常有用的。以下的實(shí)例及其相 關(guān)解釋是關(guān)于諸如圖2中所示的可機(jī)械化操縱的導(dǎo)管進(jìn)行的，相同 的原理可以應(yīng)用于其^^細(xì)長(zhǎng)器才成(_渚如圖1中所示的可手動(dòng)搮J從的 導(dǎo)管)、或者乂人諸^口 Johnson & Johnson公司的Ethicon Endosurgery分7>司或Intuitive Surgical公司的供應(yīng)者那購(gòu)得的其他細(xì)長(zhǎng)器械(無(wú) 論是否具有高撓性)。參照?qǐng)D3A-圖3C，示出了可機(jī)械化操縱的導(dǎo)管6,該導(dǎo)管具有 沿導(dǎo)管6的壁的一個(gè)方位設(shè)置的光學(xué)纖維12。在圖3B及圖3C中 所示的彎曲情況下，該纖維沒(méi)有與彎曲的中軸線11共軸地設(shè)置。 實(shí)際上，在纖維12附著至沿導(dǎo)管6本體33的長(zhǎng)度的至少兩個(gè)不同 點(diǎn)(或縱向地被該至少兩個(gè)不同點(diǎn)約束)并相對(duì)于導(dǎo)管體擺脫受拉 狀態(tài)處于諸如圖3A中所示導(dǎo)管體33的中間位置中的情況下，在圖 3B中所示的情況下，纖維12的縱向一皮約束部分將處于^立伸狀態(tài)， 而在圖3C中所示的情況下，纖維12的》從向^皮約束部分將處于壓縮 狀態(tài)。對(duì)于固體力學(xué)而言，這些關(guān)系是基本的，但如文中所描述的 那樣，可以借助于布拉才各纖維光柵用于輔助溫度的確定和/或細(xì)長(zhǎng)器 械的4全測(cè)。參照?qǐng)D4A-圖5D,示出了多個(gè)不同的實(shí)施例。參照?qǐng)D 4A,示出了枳4成式導(dǎo)管6，該導(dǎo)管具有穿過(guò)腔31而布置的纖維12， 所述腔31從導(dǎo)管體33的遠(yuǎn)端部分8的遠(yuǎn)端延伸至近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32 的近端。在一個(gè)實(shí)施例中，寬帶基準(zhǔn)反射器(未示出)以相對(duì)于纖 維布拉格光柵可操作的方式設(shè)置于纖維近端的附近，其中，針對(duì)每個(gè)反射器/光柵關(guān)系(包括主題纖維布拉格傳感器構(gòu)造)來(lái)確立光程 長(zhǎng)度；此外，這種結(jié)構(gòu)還包括反射儀(未示出)，諸如頻域反射儀， 以對(duì)所一僉測(cè)到的光波的反射部分進(jìn)4于頻譜分碎斤?？梢?沒(méi)置約束4牛30以阻止纖維12在每個(gè)約束4牛30的^f立置處 的軸向或縱向運(yùn)動(dòng)?？商鎿Q地，約束件30可以僅相對(duì)于腔31將纖 維12的位置約束在約束件30的位置中。例如，在圖4A所示實(shí)施 例的一個(gè)變體中，最遠(yuǎn)端的約束件30可以被構(gòu)造成禁止纖維12在 這一約束件30的位置處相對(duì)于導(dǎo)管體33的縱向或軸向移動(dòng)，而更 近端的約束件30可以僅作為一導(dǎo)向件，以在這一約束件30的位置 處抬起纖維12而遠(yuǎn)離腔31的壁。在圖4A所示實(shí)施例的另一變體中，更近端的約束〗牛30及更遠(yuǎn)端的約束4牛30均可以:帔構(gòu)造成禁止 纖維12在這些約束件的位置處的縱向或軸向移動(dòng)等。如圖4A所示 實(shí)施例中所示的，處于近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32的區(qū)域中的腔31不受約束， 以允許纖維相對(duì)于近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32自由地進(jìn)行縱向或軸向運(yùn)動(dòng)。 被構(gòu)造成用于在特定位置處阻止約束件與纖維之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 約束件可以包括小的粘合劑或聚合物焊縫、由包括諸如聚合物或 金屬的材料的d、幾何件形成的干涉配合、其中編織結(jié)構(gòu)被構(gòu)造得特 別緊密以阻止纖維的運(yùn)動(dòng)的位置、等等。被構(gòu)造成用于引導(dǎo)纖維12 而且允許纖維12相對(duì)于這一約束件的相對(duì)縱向或軸向運(yùn)動(dòng)的約束 件可以包括限定出小孔的小塊、球、半球等等，這些小孔通常穿過(guò) 這些結(jié)構(gòu)的幾4可中心，以^f更主題纖維12 乂人中經(jīng)過(guò)。除了 i殳置有兩個(gè)附加約束件30來(lái)引導(dǎo)和/或阻止纖維12相對(duì)于 這些約束件在這些位置處的縱向或軸向移動(dòng)以外，圖4B的實(shí)施例 與圖4A的實(shí)施例類似。在一個(gè)變體中，每一個(gè)約束件均是總體相 對(duì)運(yùn)動(dòng)約束件，以隔離三個(gè)"單元，，中每一個(gè)單元內(nèi)的縱向應(yīng)變， 所述三個(gè)"單元，，通過(guò)利用約束件30沿導(dǎo)管體33將纖維12的長(zhǎng) 度分隔成三段而提供。在圖4B所示實(shí)施例的另一變體中，近端及 遠(yuǎn)端約束件30可以是總體相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束件，而兩個(gè)中間約束件30 可以是引導(dǎo)約束件，引導(dǎo)約束件被構(gòu)造成，在這些中間位置處允許持纖維靠近腔31的中心對(duì)齊。參照?qǐng)D4C描述了一實(shí)施例，除了由于穿過(guò)導(dǎo)管體33的纖維的 整個(gè)長(zhǎng)度被材料(該材料構(gòu)成導(dǎo)管體33 )封裝而被約束以外，該實(shí) 施例與圖4A及圖4B中的那些實(shí)施例類似。換言之，盡管圖4C中 的實(shí)施例確實(shí)具有"空31以允i午纖維12相^"于近端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)32自 由地進(jìn)行縱向或軸向運(yùn)動(dòng)，但除必然被纖維(當(dāng)纖維縱向地延伸穿過(guò)封裝該纖維的導(dǎo)管體33材料時(shí))占用的空間以外，并沒(méi)有限定 這樣的腔以允許沿導(dǎo)管體33的這種運(yùn)動(dòng)。圖4D示出了一種構(gòu)造，該構(gòu)造除了腔31不l又延伸穿過(guò)近端導(dǎo) 管結(jié)構(gòu)32而且還穿過(guò)導(dǎo)管體33的近端部分7;穿過(guò)導(dǎo)管體33遠(yuǎn)端 部分的纖維12的遠(yuǎn)端部分基本被構(gòu)成導(dǎo)管體33的材料封裝及約束 以外，與圖4C中的構(gòu)造類4以。圖5A-圖5D示出了除纖維12基本沿導(dǎo)管體33的彎曲中軸線 lli殳置以外與圖4A-圖4D中所示那些類似的實(shí)施例，并且與圖4B 中實(shí)施例具有三個(gè)約束件相比，在圖5B的實(shí)施例中，具有七個(gè)約 束件30。參照?qǐng)D6，示出了圖4C中所示構(gòu)造的一部分導(dǎo)管體33的橫截 面，以便清楚地示出纖維12沒(méi)有與同一橫截面的彎曲中軸線11共 軸地設(shè)置。圖7示出了類似的實(shí)施例，其中，導(dǎo)管的壁內(nèi)i殳置有多 纖維束13 (諸如可從LunaTechnologies公司購(gòu)得的那些)，而不是 如圖6中所示的單^^艮纖維，纖維束13包含多根(在該實(shí)施例中是 三根)獨(dú)立(例如，更小)的纖維或纖維芯14。當(dāng)諸如圖7所示的 結(jié)構(gòu)被置于彎曲形式(諸如圖3B或3C中所示的)時(shí)，獨(dú)立纖維 14中(從彎曲中軸線11)最徑向向外的那4艮纖維比更徑向向內(nèi)的 纖維承受更大的壓縮力或拉緊力?？商鎿Q地，在諸如圖8所示的實(shí) 施例中，其中示出了諸如圖5C中所示構(gòu)造的導(dǎo)管體33部分的橫截 面，多纖維束13關(guān)于導(dǎo)管6的彎曲中軸線11共軸地設(shè)置，并且束 13內(nèi)的三根獨(dú)立纖維14中的每一根均按照主題導(dǎo)管的彎曲或操縱 形式而7 義受不同程度的4i緊力和/或壓縮力。例如，參照?qǐng)D9A及圖 9B(才黃截面)，在中間^立置處，構(gòu)成所示束13的所有三才艮獨(dú)立纖維 14可以處于無(wú)載形式中。在向下彎曲時(shí)，3口圖IOA及圖IOB(坤黃截 面)中所示的，構(gòu)成束13的最下方的兩纟艮纖維可以纟皮構(gòu)造成4義受壓縮力，而最上方的纖維承受拉緊力。對(duì)于諸如圖IIA及圖IIB(橫 截面)中所示的向上彎曲的情況，將出現(xiàn)相反的情形。實(shí)際上，可以采用各種構(gòu)造，這取于具體的應(yīng)用，諸如圖12A-圖12H所示的那些。為了簡(jiǎn)明，在沒(méi)有參照鄰近纖維或約束件的腔 的情況下示出了圖12A-圖12H中的每個(gè)片黃截面實(shí)施例，即，參照 與例如圖4C及圖5C中所示的那些類似的導(dǎo)管體構(gòu)造來(lái)描述圖 12A-圖12H中的每個(gè)實(shí)施例，其中，纖維基本被構(gòu)成導(dǎo)管體33的 材料封裝；包括約束件及約束結(jié)構(gòu)的組合及排列的其他變體(諸如 圖4A-圖5D中所示的那些)也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖12A示出 了具有一才艮纖維12的實(shí)施例。圖12B示出了具有兩4艮纖維12的變 體，這兩根纖維處于能夠檢測(cè)足以計(jì)算導(dǎo)管部分的三維空間偏移的 拉緊力的構(gòu)造中。圖12C示出了兩根纖維的變體，對(duì)于檢測(cè)諸如圖 12C中所示彎曲4由線的彎曲而言，這可以初G人為是冗余的。圖12D 及圖12E描述了被構(gòu)造成用于檢測(cè)主題導(dǎo)管部分的三維空間偏移的 三根纖維的構(gòu)造。圖12F示出了具有被構(gòu)造成用于準(zhǔn)確檢測(cè)主題導(dǎo) 管部分的三維空間偏移的四4艮纖維的變體。圖12G及圖12H示出 的實(shí)施例，除了與在每個(gè)位置中具有單根纖維相比結(jié)合有多個(gè)纖維 束以外，分別類似于圖12B及圖12E的實(shí)施例。圖12A-圖12H中 所示的每個(gè)實(shí)施例(每個(gè)均示出了包含至少一個(gè)光學(xué)纖維的細(xì)長(zhǎng)器械的橫截面)均可以用來(lái)幫助確定細(xì)長(zhǎng)器械的撓度、扭力、壓縮力 或才立緊力、和/或溫度?？梢詤⒄?qǐng)D13、圖14A及圖14B來(lái)詳細(xì)i兌明這些關(guān)系。實(shí)質(zhì)上，細(xì)長(zhǎng)件的三維位置可以通過(guò)確定沿這一細(xì)長(zhǎng)件的各縱 向截面所受到的增量曲率來(lái)確定。換言之，如果知道細(xì)長(zhǎng)件已在空 間中在沿該細(xì)長(zhǎng)件的長(zhǎng)度縱向向下的多個(gè)點(diǎn)處彎曲到什么程度，就 可以確定遠(yuǎn)端部分及更近端部分在三維空間中的位置，這是由于知 道各部分相連以及它們相對(duì)于4皮此的纟從向位置。為此，可以采用實(shí)施例的變體"者如圖12A-圖12H中所示的那些)來(lái)確定導(dǎo)管或其 他細(xì)長(zhǎng)器械在三維空間中的位置。為了確定沿細(xì)長(zhǎng)件的各縱向位置 處的局部曲率，可以利用光學(xué)纖維布^i格光4冊(cè)分析。參照?qǐng)D13，示出了具有四組布拍:沖各書1"射光4冊(cè)的單個(gè)光學(xué)纖維 12,每組布^立才各書于射光4冊(cè)均可以用作局部偏專^(專感器。這一纖維12 可以與細(xì)長(zhǎng)器才戒的吾p分相4姿，例3口，如圖12A-圖12H中所示的。 可以利用單一的^r測(cè)器15來(lái)^r測(cè)并分析來(lái)自多于一^T艮纖維的信號(hào)。 對(duì)于多纖維構(gòu)造(i者3。圖12B-圖12H中所示的那些)，可以利用近 端歧管(manifold)結(jié)構(gòu)來(lái)將各纖維與一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器相連接。 用于在檢測(cè)器與纖維之間傳輸信號(hào)的接口技術(shù)在光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng) 域是公知的。該檢測(cè)器與控制器可操作地連接，該控制器被構(gòu)造成 基于對(duì)所檢測(cè)到的反射光信號(hào)的光譜分析來(lái)確定光學(xué)纖維的幾何 構(gòu)造且進(jìn)而確定相關(guān)細(xì)長(zhǎng)器械(例如，導(dǎo)管)體的至少一部分。在 已公開的美國(guó)專利申請(qǐng)2006/0013523中^是供了進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。在圖13所示的單根纖維實(shí)施例中，每個(gè)衍射光柵均具有不同 的間距dl、 d2、 d3、 d4，并因此用于所述單4艮纖維的近端光源及才企 測(cè)器可以針對(duì)每個(gè)"傳感器，，長(zhǎng)度LIO、 L20、 L30、 L40檢測(cè)出波 長(zhǎng)中的變化。因此，在給定的每個(gè)"傳感器"長(zhǎng)度LIO、 L20、 L30、 L40處的確定長(zhǎng)度變化、"傳感器"長(zhǎng)度LIO、 L20、 L30、 L40的縱 向位置、以及公知的結(jié)構(gòu)(諸如圖12A-圖12H中的橫截面所示的 那些)的情況下，可以確定相關(guān)細(xì)長(zhǎng)器械在空間中的偏移和/或位置。 對(duì)于諸如圖13中所示結(jié)構(gòu)的一個(gè)難題在于，必須在近端處利用頻 帶相當(dāng)寬的發(fā)射器及頻帶相當(dāng)寬的可調(diào)檢測(cè)器來(lái)從每個(gè)傳感器長(zhǎng) 度中捕獲長(zhǎng)度分化數(shù)據(jù)，這可能危及可以監(jiān)測(cè)到的傳感器長(zhǎng)度的數(shù) 量等。無(wú)論如何，諸如圖13中所示的多個(gè)纖維12及^r測(cè)器15構(gòu) 造可以包含i^"如圖12A-圖12H中所示的那些實(shí)施例，以有助于確 定細(xì)長(zhǎng)醫(yī)療器纟成的三維^立置。在圖14A所示的單根感測(cè)纖維的另一實(shí)施例中，各傳感器長(zhǎng)度 L50、 L60、 L70、 L80可以被構(gòu)造成，每個(gè)均具有相同的光4冊(cè)間距， 并且對(duì)一些復(fù)雜的分析(例如，如SPIE，s OE雜志的2005年9月刊 的 18—21 頁(yè)的 "Sensing Shape畫Fiber-Bragg畫grating sensor arrays monitor shape at high resolution"中所述的)可以采用更窄的頻帶源， 以監(jiān)測(cè)每個(gè)傳感器長(zhǎng)度處的延伸率，假定這些傳感器長(zhǎng)度設(shè)置在縱 向地遠(yuǎn)離近端4企測(cè)器15的不同位置Ll、 L2、 L3、 L4處。在圖14B 所示的另一(相關(guān))實(shí)施例中，特定纖維的一部分(諸如遠(yuǎn)端部分) 可以具有形成為有助于7于該纖維的遠(yuǎn)端的延長(zhǎng)或縮4豆進(jìn)4于高分辨 率才企測(cè)的不變光4冊(cè)。對(duì)于上述科學(xué)雜志文章中所述的構(gòu)造，這種不 變光一冊(cè)構(gòu)造也是可4亍的。參照?qǐng)D15A及圖15B，在與圖13及圖14A-圖14B中所示的那 些類似的實(shí)施例中，可以利用纖維布4立才各光4冊(cè)感測(cè)來(lái)感測(cè)溫度。參 照?qǐng)D15A，單才艮纖維伸出到所示導(dǎo)管6的遠(yuǎn)端外，并且相對(duì)于其他 周圍結(jié)構(gòu)不受約束、或者至少受到更少的約束，從而使所示纖維的 該部分的長(zhǎng)度隨著溫度的變化自由地變化。借助于對(duì)小的伸出纖維 部分、以及這一伸出部分中一個(gè)或多個(gè)布拉格衍射光柵的熱膨脹及 熱收縮性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，長(zhǎng)度的變化可以用來(lái)推斷溫度的變化，且因此 可以用于溫度感測(cè)。參照?qǐng)D15B，在導(dǎo)管體33的遠(yuǎn)端部分中可以 形成小的空腔21或腔，以有助于纖維12的遠(yuǎn)端部分22在這一空 月空21中自由i也移動(dòng)，乂人而有助于在沒(méi)有圖15A中所示伸出纖維的 情況下,人遠(yuǎn)端進(jìn)4于溫度感測(cè)。只有當(dāng)這些纖維部分實(shí)際上以某種方式連接至導(dǎo)管或細(xì)長(zhǎng)器 械的鄰近部分時(shí)，此處所描述的實(shí)施例中的纖維才會(huì)提供對(duì)相關(guān)導(dǎo) 管或細(xì)長(zhǎng)器械的部分中的局部長(zhǎng)度變化的準(zhǔn)確測(cè)量。在一個(gè)實(shí)施例 中，除了一根或多根纖維也可以用來(lái)從遠(yuǎn)端感測(cè)溫度以外，最好使 得一個(gè)纖維或多根纖維沿器械的整個(gè)長(zhǎng)度與周圍的器械體緊密連接或受其約束，并且可以具有不受約束的部分，如在參照?qǐng)D15A及 圖15B所述的兩種情況下。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，多才艮偏移感測(cè) 纖維中的每一才艮均可以終止在溫度感測(cè)部分中，以有助于位置確定 以及細(xì)長(zhǎng)器械的遠(yuǎn)端的不同方位處的高度局部溫度感測(cè)及比較。在 另 一實(shí)施例中，纖維的處于更不易彎曲的導(dǎo)管部分中的近端部分在 導(dǎo)管體內(nèi)自由地浮動(dòng)，并且更遠(yuǎn)端/更易彎曲的纖維部分緊密地連 接，以有助于對(duì)導(dǎo)管或細(xì)長(zhǎng)器械的遠(yuǎn)端、更具撓性部分的彎曲進(jìn)行 高度4青確的監(jiān)測(cè)。參照?qǐng)D16A、圖16B及圖16D，示出了類似導(dǎo)管的枳4戒化導(dǎo)向 器械綜合實(shí)施例。已采用并修改了美國(guó)專利申請(qǐng)系列第11/176,598 號(hào)中的那些附圖(以及圖17及圖18)。圖16A及圖16B示出了具 有用于檢測(cè)導(dǎo)管彎曲及遠(yuǎn)端位置的三根光學(xué)纖維12及檢測(cè)器15的 實(shí)施例。圖16C示出了具有用于4企測(cè)導(dǎo)管位置的四才艮光學(xué)纖維12 的實(shí)施例。圖16D示出了建立這些實(shí)施例的結(jié)合過(guò)程(integration )。 如圖16D中所示，在步驟"E+，，中，將用于光學(xué)纖維的心軸(mandrel) 編織成編織物層，此后(步驟"F")，(在去除這些心軸之后)將帶 有布拉格光柵的光學(xué)纖維設(shè)置在先前被這些心軸占用的橫截面空 間中。優(yōu)選地基于所期望的纖維12與周圍導(dǎo)管體33材料之間的約 束程度來(lái)選4奪心軸相對(duì)于去除這些心軸之后^皮選出以占用先前心 軸所占用位置的纖維的幾何形狀。例如，如果期望是高度約束的關(guān) 系(包括大體上的封裝)，心軸將非常接近纖維的尺寸。如果期望 更寬+>約束的幾何關(guān)系，可以將心軸的尺寸增大至允許選定位置處 纖維12與導(dǎo)管體33之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、或者在去除心軸之后可以插 入管狀件(諸如聚酰亞胺或PTFE套管)，以^是供具有用于纖維的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)的空隙的"管道"，和/或僅是纖維與圍繞該纖維的材料(構(gòu) 成導(dǎo)管或器械體33 )之間的保護(hù)層。類似的原理可以應(yīng)用到諸如參 照?qǐng)D17A-圖17G所述的那些實(shí)施例中。參照?qǐng)D17A-圖17F，示出了兩個(gè)護(hù)套器4成的結(jié)合狀態(tài)，每個(gè)護(hù) 套器械均包括單^^艮的光學(xué)纖維12。圖17G示出了建立這些實(shí)施例 的結(jié)合過(guò)程。如圖16D中所示，在步驟"B"中，設(shè)置用于光學(xué)纖 維的心軸，此后(步驟"K，，)，(在去除這些心軸之后)將帶有布才立 格光柵的光學(xué)纖維設(shè)置在先前被心軸占用的橫截面空間中。參照?qǐng)D18，在另一實(shí)施例中，可以在J見成才幾才戒4匕導(dǎo)管(如圖 18中所示的導(dǎo)向或護(hù)套器械類)的工作腔下方i殳置纖維14的束13， 并且纖維的束可以以選定的幾^T約束禾呈度(如上所述的)在一個(gè)或 多個(gè)位置中連4妻于導(dǎo)管，/人而4是供三維空間4企測(cè)。細(xì)長(zhǎng)器械上的^立伸載荷及壓縮載荷可以通過(guò)徑向向外i殳置的 纖維中的常^L形式偏移、或通過(guò)單才艮纖維沿中間彎曲軸線來(lái)4企測(cè)。 可以通過(guò)感測(cè)如圖12A-圖12H中所示的那些構(gòu)造中向外i殳置的纖 維中的常失見形式輔助」t立緊力(例如，除由與中間彎曲軸線共軸的單 才艮纖維所感測(cè)的4i緊力和/或壓縮力以外)來(lái)4企測(cè)」扭矩。在另一實(shí)施例中，與更傳統(tǒng)的金屬絲或其他結(jié)構(gòu)相比，用來(lái)<吏 細(xì)長(zhǎng)器械(諸如可操縱的導(dǎo)管)彎曲、操縱、和/或壓縮的受拉件可 以包括帶有布拉格光柵的光學(xué)纖維，并且當(dāng)這些光學(xué)纖維受拉件受 到載荷時(shí)可以監(jiān)測(cè)到它們的偏移以促使器械的彎曲/操縱。這種監(jiān)測(cè) 可以用來(lái)防止受拉件過(guò)度應(yīng)變，并還可以如上所述的用來(lái)^r測(cè)器械 整體的位置。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)療器械系統(tǒng)，包括細(xì)長(zhǎng)器械體；以被約束的方式連接至所述細(xì)長(zhǎng)器械體的光學(xué)纖維，所述光學(xué)纖維包含一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵；檢測(cè)器，可操作地連接至所述光學(xué)纖維的近端并被構(gòu)造成用于檢測(cè)由所述一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵反射的相應(yīng)光信號(hào)；以及控制器，可操作地連接至所述檢測(cè)器并被構(gòu)造成基于對(duì)所述光信號(hào)的所檢測(cè)到的反射部分的光譜分析來(lái)確定所述細(xì)長(zhǎng)器械體的至少一部分的幾何構(gòu)造。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所述細(xì)長(zhǎng)器械體 是撓性的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所述細(xì)長(zhǎng)器 械體是機(jī)械化受控的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所述細(xì)長(zhǎng)器 械體是手動(dòng)受控的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，還包括基準(zhǔn) 反射器，所述基準(zhǔn)反射器以相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵 可操作的方式連接至所述光學(xué)纖維。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，所述檢測(cè)器 包含頻域反射儀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所述 光學(xué)纖維包含多個(gè)纖維芯，每個(gè)纖維芯均包含一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，每個(gè)光學(xué)纖維芯均包含 多個(gè)隔開的布拍4各光才冊(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，所述光學(xué)纖 維包含多個(gè)隔開的布4立才各光才冊(cè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所述 光學(xué)纖維基本被封裝在所述細(xì)長(zhǎng)器械體的壁中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所述 細(xì)長(zhǎng)器械體限定出內(nèi)腔，其中，所述光學(xué)纖維,皮i殳置于所述內(nèi)月空中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，所述細(xì)長(zhǎng)器 械體具有壁，所述壁限定出內(nèi)含腔，其中，所述光學(xué)纖維^B殳 置于所述內(nèi)含腔中。
13. 才艮據(jù)權(quán)利要求1-9或11中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，所述 細(xì)長(zhǎng)器械體具有彎曲中軸線，所述光學(xué)纖維連接至所述細(xì)長(zhǎng)器 械體，從而當(dāng)所述細(xì)長(zhǎng)器械體處于基本不彎曲的構(gòu)造中時(shí)使所 述光學(xué)纖維基本上與所述彎曲中軸線對(duì)齊，并且當(dāng)所述細(xì)長(zhǎng)器 械體經(jīng)受彎曲時(shí)使所述光學(xué)纖維相對(duì)于所述彎曲中軸線移動(dòng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，所述細(xì)長(zhǎng) 器械體具有彎曲中軸線，所述光學(xué)纖維連接至所述細(xì)長(zhǎng)器械體，從而無(wú)論所述細(xì)長(zhǎng)器械體是否彎曲都使所述光學(xué)纖維基本 上與所述彎曲中軸線對(duì)齊。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，所述細(xì)長(zhǎng) 器械體具有彎曲中軸線，所述光學(xué)纖維連接至所述細(xì)長(zhǎng)器械 體，從而無(wú)論所述細(xì)長(zhǎng)器械體是否彎曲都使所述光學(xué)纖維保持 基本上與所述彎曲中軸線平行而不是與之對(duì)齊。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療器械系統(tǒng)，其中，所 述細(xì)長(zhǎng)器械體是導(dǎo)管體。
全文摘要
一種醫(yī)療器械系統(tǒng)，包括細(xì)長(zhǎng)器械體(33)；以被約束的方式連接至細(xì)長(zhǎng)器械體的光學(xué)纖維(12)，該光學(xué)纖維包含一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵；檢測(cè)器(15)，可操作地連接至光學(xué)纖維的近端并被構(gòu)造成用于檢測(cè)由一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵反射的相應(yīng)光信號(hào)；以及控制器，可操作地連接至檢測(cè)器并被構(gòu)造成基于對(duì)光信號(hào)的所檢測(cè)到的反射部分的光譜分析來(lái)確定細(xì)長(zhǎng)器械體的至少一部分的幾何構(gòu)造。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101404921SQ200780009956
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者蘭德爾·L·施萊辛格, 戴維·倫德馬克, 托比·圣約翰·金 申請(qǐng)人:航生醫(yī)療公司