JP2003515104A - Optical fiber navigation system - Google Patents

Optical fiber navigation system

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JP2003515104A
JP2003515104A JP2001535003A JP2001535003A JP2003515104A JP 2003515104 A JP2003515104 A JP 2003515104A JP 2001535003 A JP2001535003 A JP 2001535003A JP 2001535003 A JP2001535003 A JP 2001535003A JP 2003515104 A JP2003515104 A JP 2003515104A
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optical
array
shape
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ブショルツ,フランク
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アドヴァンスド、センサ、テクナラジ、エルエルシー
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、人または動物の身体内部にあるカテーテルの内腔など通路の形状、位置決め、および向きを求めるシステムおよび方法である。光ファイバのアレイが通路内部に配置され、ファイバが通路内で湾曲した、または曲がったとき、ファイバ内を進む光の性質が変更される。光はファイバを介して進み、この光の物理的性質の変化を測定してファイバの湾曲または曲げを求める。好ましくは、3つ以上の光ファイバのアレイを一体に固定して、これらのファイバを通過する光の波長の変化によって、これらの光ファイバ内部の歪みの量、およびファイバ・アレイの形状を求めることができる。3つ以上の光ファイバを利用することにより、3次元でのアレイの形状を求めることができる。選択された通路内部での光ファイバ・アレイの位置および向きを求めるための追加の方法が開示されている。 SUMMARY [57] The present invention is a system and method for determining the shape, positioning, and orientation of a passage, such as the lumen of a catheter inside a human or animal body. An array of optical fibers is disposed within the passage, and when the fiber is curved or bent within the passage, the nature of light traveling through the fiber is altered. Light travels through the fiber and changes in the physical properties of the light are measured to determine the curvature or bend of the fiber. Preferably, an array of three or more optical fibers is fixed together, and the amount of distortion inside these optical fibers and the shape of the fiber array are determined by a change in the wavelength of light passing through these fibers. Can be. By utilizing three or more optical fibers, the shape of the array in three dimensions can be determined. Additional methods are disclosed for determining the position and orientation of a fiber optic array within a selected passageway.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 (発明の分野) 本発明は一般に、光ファイバ、およびファイバが位置決めされる物体の特性お
よび位置を測定するためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明
は、人または動物の身体内部にあるカテーテルなど特定の経路、通路、または管
状物体に関する情報を生成するために、光ファイバの形状、向き、および位置を
求めるための光ファイバ・システムおよび方法を対象とする。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to optical fibers and systems and methods for measuring properties and positions of objects on which the fibers are positioned. More specifically, the present invention provides a light for determining the shape, orientation, and position of an optical fiber to generate information about a particular path, passage, or tubular object within a human or animal body, such as a catheter. Intended for fiber systems and methods.

【0002】 (発明の背景) 様々な医療処置でカテーテルが採用されており、カテーテルは通常1つまたは
複数の内腔または通路を含む長く細い管である。ある場合には、カテーテルを使
用して、体内の特定の部位から外部装置に薬物または体液を輸送する。ある場合
には、カテーテルがセンサを含み、特定の内部位置での診断測定を行う。他の適
用例では、カテーテルを外科処置で使用して、外科器具を内部部位に案内する。
カテーテルの使用により、これらの処置およびその他の処置において、皮膚、筋
肉、および骨の切断が最小限に抑えられる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Catheter is employed in a variety of medical procedures, usually a long thin tube containing one or more lumens or passages. In some cases, catheters are used to deliver drugs or fluids from specific sites within the body to external devices. In some cases, the catheter includes a sensor to make a diagnostic measurement at a particular internal location. In other applications, catheters are used in surgical procedures to guide surgical instruments to internal sites.
The use of catheters minimizes cuts in the skin, muscles, and bones in these and other procedures.

【0003】 一例として、血管内超音波(IVUS)と呼ばれる診断処置は、動脈および静
脈、特に心臓近傍の血管の健康状態を評価するために、カテーテル内部にある超
音波検出器のアレイと共に、皮膚の表面上に位置決めされた超音波送信機を使用
する。この適用例では、検出器アレイの空間位置および向きの知識、すなわち検
出器を含むカテーテルの形状、したがって血管または身体のその他の構造の形状
の知識を有することが極めて有用である。カテーテルの3次元形状、向き、およ
び位置は、既知の方法および技法を用いて求めることができない。したがって、
人または他の動物の身体内部に配置されたカテーテルなどの管状物体の形状、向
き、および位置を効果的に求めることが必要とされている。
As an example, a diagnostic procedure called Intravascular Ultrasound (IVUS) involves the use of skin detectors along with an array of ultrasound detectors inside a catheter to assess the health of arteries and veins, especially blood vessels near the heart. Use an ultrasonic transmitter positioned on the surface of the. In this application, it is extremely useful to have knowledge of the spatial position and orientation of the detector array, i.e. the shape of the catheter containing the detector and thus the shape of the blood vessel or other structure of the body. The three-dimensional shape, orientation, and position of the catheter cannot be determined using known methods and techniques. Therefore,
There is a need to effectively determine the shape, orientation, and location of tubular objects such as catheters that are placed inside the body of humans or other animals.

【0004】 別法として、光ファイバを他の環境で使用して、小さな、または遠隔の位置を
評価することができ、ここで、光ファイバが位置決めされる環境に関する情報を
生成するために光ファイバの形状、向き、および位置を知ることが有利である。
現在、光ファイバ、およびファイバが進められる経路の特性および位置を測定す
ることができるような光ファイバ測定および位置決めシステムまたは方法が使用
可能でない。しかし、本出願人は、「PROBE POSITIONING S
ENSING SYSTEM AND METHOD OF EMPLOYIN
G THE SAME」という名称の本願と同時係属の米国特許出願第09/3
73539号、および2000年8月11日出願の「PROBE POSITI
ON SENSING SYSTEM AND METHOD OF EMPL
OYMENT OF SAME」という名称の米国一部継続/特許協力条約出願
に記載された、座標系内に配置されたプローブの位置を求めるためのシステムお
よび方法を開発している。
Alternatively, the optical fiber can be used in other environments to assess small or remote locations, where the optical fiber is used to generate information about the environment in which it is located. It is advantageous to know the shape, orientation and position of the.
Currently, there is no fiber optic measurement and positioning system or method available that can measure the properties and location of the optical fiber and the path along which the fiber travels. However, the applicant of the present invention is "PROBE POSITIONING S
ENSING SYSTEM AND METHOD OF EMPLOYIN
Co-pending US patent application Ser. No. 09/3 entitled “G THE SAME”
No. 73539, and “PROBE POSITI” filed on August 11, 2000.
ON SENSING SYSTEM AND METHOD OF EMPL
We have developed a system and method for determining the position of a probe located in a coordinate system, described in the US Partial Continuation / Patent Cooperation Treaty application entitled "OYMENT OF SAME".

【0005】 光ファイバの形状、向き、および位置を測定する能力は、特に医療環境で使用
されるときに、医師がファイバの厳密な位置および向きを求め、さらに、カテー
テルが位置決めされる身体構造の形状を求めることもできるようにする。これは
また、とりわけ、カテーテル・アブレーション処置、冠動脈疾患を治療するため
のカテーテル法、他の脈管治療、血管形成、腹腔鏡検査、および神経ブロック治
療など他の侵襲性医療適用例でも有利である。
The ability to measure the shape, orientation, and position of an optical fiber, especially when used in a medical environment, requires the physician to determine the exact position and orientation of the fiber, and also the anatomy to which the catheter is located. Make it possible to obtain the shape. It is also advantageous in other invasive medical applications such as catheter ablation procedures, catheterization methods for treating coronary artery disease, other vascular therapies, angioplasty, laparoscopy, and nerve block therapy, among others. .

【0006】 (発明の概要) 光ファイバは通常、様々な遠隔通信で使用され、また、温度、歪み、音響場お
よび磁場、ならびに回転などを感知するセンサとして光ファイバを使用する他の
適用例でも使用することができる。本発明は、光ファイバの3次元形状、向き、
および位置を測量するシステムおよび方法であり、したがって、例えば身体内部
に配置されたカテーテルを含めた通路または管状物体など光ファイバが位置決め
される環境に関する対応情報を提供することができる。この目標は、光ファイバ
内を進む光の性質の変化を測定することにより達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION Optical fibers are commonly used in a variety of telecommunications, and also in other applications that use optical fibers as sensors that sense temperature, strain, acoustic fields and magnetic fields, and rotation. Can be used. The present invention relates to the three-dimensional shape, orientation, and
And position-measuring systems and methods, and thus can provide corresponding information regarding the environment in which the optical fiber is positioned, such as a passageway or tubular object including a catheter placed inside the body. This goal is achieved by measuring changes in the properties of light traveling in an optical fiber.

【0007】 システムは、それぞれが外被内部に収容された光ファイバのアレイを備えるこ
とができる。光はファイバを通過し、ファイバが湾曲した、または曲がったとき
、ファイバを通過する光の性質が変化する。ファイバ内部の光の性質の変化を使
用して、ファイバの形状、向き、および/または位置の変化、ならびにファイバ
が内部に配置されている物体または環境の形状を求める。曲げ角度に応じたファ
イバ内を進む光の波長(周波数)、強度、位相、偏光状態、またはスペクトル性
質などの物理的性質の変化を使用して、ファイバの形状、向き、および/または
位置の変化を求めることもできる。
The system can include an array of optical fibers, each housed within an envelope. Light passes through the fiber and when the fiber is bent or bent, the nature of the light passing through the fiber changes. Changes in the nature of the light inside the fiber are used to determine changes in the shape, orientation, and / or position of the fiber, as well as the shape of the object or environment in which the fiber is placed. Changes in fiber shape, orientation, and / or position using changes in physical properties such as wavelength (frequency), intensity, phase, polarization state, or spectral properties of light traveling in a fiber depending on bend angle You can also ask.

【0008】 (好ましい実施形態の詳細な説明) 次に、本発明の様々な実施形態について詳細に述べる。実施形態の例は添付図
面に図示する。可能であればいつでも、図面を通じて、同じまたは同様の部分を
表すのに同じ参照番号を用いる。これらの実施形態は、様々な医療処置を行うた
めにカテーテル内部でセンサ・システムを使用することを対象としており、しか
し本発明のセンサ・システムおよび方法を、物体の形状、向き、または位置を求
めるために他の適用例または環境で使用する、あるいはある環境内で使用するこ
とができる。
Detailed Description of the Preferred Embodiments Various embodiments of the present invention will now be described in detail. Examples of embodiments are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings to represent the same or like parts. These embodiments are directed to the use of the sensor system inside a catheter to perform various medical procedures, but the sensor system and method of the present invention determines the shape, orientation, or position of an object. Can be used in other applications or environments, or in some environments.

【0009】 本発明の一実施形態では、波長の変化を測定して、光ファイバ・アレイの湾曲
を求める。各光ファイバが、1つまたは複数のファイバ・ブラッグ・グレーティ
ング(「FBG」)を含む。FBGは、導光コア領域および外側クラッディング
領域からなる光ファイバを構成し、コアの1セクションが光屈折率の周期的変化
を含む。FBGは、高強度紫外線(UV)に対する小さなコア領域のサイドイル
ミネーションによって準備することができる。UV光の周期的な空間強度パター
ンが、ガラス内部の周期的な物理変化および化学変化を生じ、それによりFBG
を形成する。ファイバのコア内を進む光は、FBGに出会うと、その光の波長に
応じてFBGを通過する、または反射される。光は、その波長λがブラッグ条件
λ=2dnを満足する場合に反射され、ここで、dは屈折率の周期的変化のス
ペーシングであり、nは波長λでのガラス・コアの平均光屈折率である。実際に
は、FBGの屈折率の変化は完全に周期的ではなく、反射される光は、d’を平
均スペーシングとして中心波長2d’nに中心を合わされた波長範囲内に含まれ
る。
In one embodiment of the invention, the change in wavelength is measured to determine the curvature of the fiber optic array. Each optical fiber includes one or more fiber Bragg gratings ("FBGs"). The FBG constitutes an optical fiber consisting of a light guiding core region and an outer cladding region, one section of the core containing a periodic change in the optical index of refraction. The FBG can be prepared by side illumination of a small core area to high intensity ultraviolet (UV). The periodic spatial intensity pattern of UV light causes periodic physical and chemical changes inside the glass, which results in FBG
To form. When light that travels within the core of the fiber encounters the FBG, it either passes or is reflected by the FBG, depending on the wavelength of the light. The light is reflected when its wavelength λ satisfies the Bragg condition λ 0 = 2dn, where d is the spacing of the periodic change in the refractive index and n is the average light of the glass core at the wavelength λ. Is the refractive index. In practice, the change in the index of refraction of the FBG is not perfectly periodic and the reflected light is contained within a wavelength range centered on the central wavelength 2d'n with d'as the average spacing.

【0010】 FBGを含むファイバが、ファイバを量ε=Δd/dだけ歪ませる応力を受け
る場合、反射光の波長λは、量Δλ=λ(ε)−λ(ε=0)だけ変化し、ここ
で、 Δλ=2dnε である。波長の偏移は、分光法および干渉法を含めた様々なよく知られている光
学技法を用いて検出することができる。
When the fiber containing the FBG is subjected to stress that strains the fiber by the amount ε = Δd / d, the wavelength λ of the reflected light changes by the amount Δλ = λ (ε) −λ (ε = 0), Here, Δλ = 2dnε. Wavelength shifts can be detected using a variety of well-known optical techniques, including spectroscopy and interferometry.

【0011】 光ファイバのアレイを所定の幾何形状で配置することによって、ファイバの歪
みをファイバ・アレイの形状に関係付けることができる。ここで、ファイバは局
所湾曲幾何形状のセンサとして働き、十分近くで離隔されたいくつかの位置で局
所湾曲幾何形状がわかっていることを条件として、ファイバ構成の形状、向き、
および/または位置を求めることができる。一例として、図1に、長さに沿って
3つの個別FBG14が形成されている光ファイバ12を図示する。少なくとも
3本の光ファイバの1アレイを形成するように結合されたFBGを含むファイバ
12の領域16全体にわたって、形状、したがって向きおよび/または位置を求
めることができる。この領域は、センサの活動領域または活動長さと呼ばれる。
By arranging the array of optical fibers in a predetermined geometry, fiber strain can be related to the shape of the fiber array. Here, the fiber acts as a sensor of the local curvature geometry, and the shape of the fiber configuration, the orientation, and the orientation of the fiber configuration, provided that the local curvature geometry is known at several sufficiently closely spaced locations.
And / or location can be determined. As an example, FIG. 1 illustrates an optical fiber 12 having three individual FBGs 14 formed along its length. The shape, and thus the orientation and / or position, can be determined over the region 16 of the fiber 12 that includes the FBGs that are coupled to form an array of at least three optical fibers. This area is called the active area or the active length of the sensor.

【0012】 図2Aに示されるように、センサの一実施形態は、最密幾何的配置で配置され
た3つの光ファイバ20、21、および22のアレイ18を有する所定の幾何形
状をもつ光ファイバ・アレイを使用する。図2Bに、3つのファイバ20、21
、および22の最密アレイ構成を示す。この構成では、ファイバが正三角形の先
端に配置される。ファイバから受信される情報が3次元での曲げ角度を明確に求
めるのに十分である限り、他のファイバ構成も可能である。各光ファイバ20、
21、および22はガラス・ストランドを備える。
As shown in FIG. 2A, one embodiment of the sensor is an optical fiber having a predetermined geometry with an array 18 of three optical fibers 20, 21, and 22 arranged in a close-packed geometry. -Use an array. In FIG. 2B, three fibers 20, 21
, And 22 close-packed array configurations. In this configuration, the fiber is placed at the tip of an equilateral triangle. Other fiber configurations are possible as long as the information received from the fiber is sufficient to unambiguously determine the bend angle in three dimensions. Each optical fiber 20,
21 and 22 comprise glass strands.

【0013】 図3に示されるように、各光ファイバ20、21、および22が、その長さに
沿って一連のFBG24、26、28、および30を含む。ファイバが湾曲を受
けたとき、FBG24、26、28、および30は各ファイバ20、21、およ
び22に沿って位置決めされる。湾曲時、FBGは、反射された波長の変化を示
し、その際、アレイ18の形状、向き、および位置の変化の測定および割出しの
ための信号を提供する。
As shown in FIG. 3, each optical fiber 20, 21, and 22 includes a series of FBGs 24, 26, 28, and 30 along its length. The FBGs 24, 26, 28, and 30 are positioned along each fiber 20, 21, and 22 when the fibers undergo bending. Upon bending, the FBG exhibits changes in reflected wavelength, providing signals for measuring and indexing changes in the shape, orientation, and position of array 18.

【0014】 図5に示されるように、この環境で3つの光ファイバ20、21、および22
として示した1つまたは複数のファイバを備える光ファイバ・アレイを、適切な
接着剤、例えばNorland Products Incorporated
of New Brunswick(米国ニュージャージー州)によって製造
されている紫外線(UV)硬化型接着剤NOA68を使用して互いに固定された
向きで一体に接着して、アレイ18を形成することができる。接着剤が硬化した
後、3ケーブル・アレイ18を、外被19によって囲むことができる。外被19
は、所望の適用例に適した任意のポリマーまたは非ポリマー材料から構成するこ
とができる。外被19の組成および形態は、外部環境からファイバ20、21、
および22を保護し、かつ所望の機械的性質も提供するように選択される。外被
はまた、測定が望まれる環境の物体に適合させることができる所望の外形を有す
るハウジングとして形成することもできる。あるいは、所与の適用例または環境
では外被またはハウジングが必要ない場合もある。医療適用例では、適切な外被
材料の例として、シリコーン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリ
イミド、およびポリウレタンが挙げられる。適切な接着剤によってアレイ18を
外被19内部で保持することができる。接着剤は、アレイの長さ全体または一部
に沿って、アレイ18の外面と外被19の内面と間の空隙を満たすように塗布す
ることができる。さらに、ある適用例では、保護外被またはハウジング19が、
カテーテルなどの物体の内部でのアレイ18の配置を求めるためのマーカを有す
ることが企図されている。そのようなマーカの例は、長さ区切りである。
As shown in FIG. 5, three optical fibers 20, 21, and 22 are provided in this environment.
A fiber optic array comprising one or more fibers shown as is attached to a suitable adhesive, such as Norland Products Incorporated.
Arrays 18 can be bonded together in a fixed orientation using a UV (UV) curable adhesive NOA 68 manufactured by of New Brunswick, NJ, USA. After the adhesive has cured, the 3-cable array 18 can be surrounded by a jacket 19. Jacket 19
Can be composed of any polymeric or non-polymeric material suitable for the desired application. The composition and morphology of the jacket 19 is such that the fibers 20, 21,
And 22 are selected to protect and also provide the desired mechanical properties. The envelope can also be formed as a housing with a desired contour that can be adapted to the object in the environment in which the measurement is desired. Alternatively, no jacket or housing may be required for a given application or environment. In medical applications, examples of suitable envelope materials include silicone, polyetheretherketone (PEEK), polyimide, and polyurethane. The array 18 may be retained within the envelope 19 by a suitable adhesive. Adhesive may be applied to fill the voids between the outer surface of array 18 and the inner surface of jacket 19 along all or part of the length of the array. Further, in some applications, the protective jacket or housing 19 may be
It is contemplated to have markers to determine the placement of the array 18 within an object such as a catheter. An example of such a marker is a length delimiter.

【0015】 現在、通路または物体の3次元画像を確かめるためには、図5に示されるよう
に少なくとも3つの光ファイバを利用する必要がある。本発明のセンサ18およ
び/またはカテーテルを内部に配置することができる様々な経路が複数の平面で
同時に曲がっているとき、少なくとも3つの光ファイバを使用して、全体の形状
の測定を行うことができる。特定の適用例、および適用例に必要な正確さに応じ
て、4つ以上のファイバを含むセンサを利用することもできる。4つ以上のファ
イバを備えるセンサを使用する場合、上述したように、互いに固定された向きに
なるようにこれらのファイバを固着し、これらのファイバ内部の歪み、ならびに
センサ・アレイの形状、向き、および位置決めが計算される。
Currently, it is necessary to utilize at least three optical fibers, as shown in FIG. 5, to ascertain a three-dimensional image of a passage or an object. At least three optical fibers can be used to make overall shape measurements when the various paths within which the sensor 18 and / or catheter of the present invention can be placed are bent simultaneously in multiple planes. it can. Sensors containing more than three fibers may also be utilized, depending on the particular application and the accuracy required for the application. When using a sensor with more than three fibers, as described above, the fibers are affixed in a fixed orientation with respect to each other, the strain within these fibers, as well as the shape, orientation of the sensor array, And positioning is calculated.

【0016】 ファイバ・アレイの短いセクションの湾曲幾何形状は、図2Aに示されるよう
に、2つの角度シータθとファイφによって特徴付けられる。アレイが円弧状に
曲がるという仮定の下では、3つのファイバの歪みε、ε、およびεが、 ε=(2r/√3b)*θ*cos(φ) (1a) ε=(2r/√3b)*θ*cos(φ−2*π/3) (1b) ε=(2r/√3b)*θ*cos(φ−4*π/3) (1c) によって、曲げ角度θおよびφに関係付けられる。ここで、bはセクションの全
長(固定)であり、rはファイバ半径である。3つの歪みがわかると、曲げ角度
を簡単に計算することができる。
The curved geometry of the short section of the fiber array is characterized by two angle theta θ and phi φ, as shown in FIG. 2A. Under the assumption that the array bends in an arc, the strains ε A , ε B , and ε C of the three fibers are ε A = (2r / √3b) * θ * cos (φ) (1a) ε B = (2r / √3b) * θ * cos (φ-2 * π / 3) (1b) ε C = (2r / √3b) * θ * cos (φ-4 * π / 3) (1c) It is related to the angles θ and φ. Where b is the total length (fixed) of the section and r is the fiber radius. Knowing the three strains, the bending angle can be easily calculated.

【0017】 所与の一対の角度(θ,φ)によって識別できるファイバのセクション全体に
わたって、セクションの近位端が、適切に選択された座標系の原点にあり、各点
がz軸に沿っていると仮定すると、セクションの端点の(x,y,z)座標は、 x=(b/θ)(1−cosθ)cosφ (2a) y=(b/θ)(1−cosθ)sinφ (2b) z=(b/θ)sinθ (2c) によって与えられる。ベクトルr=[x,y,z]が、湾曲したセクションの端
点の原点r=0に関する位置を与える。
Throughout the section of fiber identifiable by a given pair of angles (θ, φ), the proximal end of the section is at the origin of a well-selected coordinate system, with each point along the z-axis. (X, y, z) coordinates of the end points of the section are as follows: x = (b / θ) (1-cos θ) cos φ (2a) y = (b / θ) (1-cos θ) sin φ (2b ) Z = (b / θ) sin θ (2c). The vector r = [x, y, z] gives the position with respect to the origin r = 0 of the end points of the curved section.

【0018】 曲線自体を、 x(s)=(b/sθ)(1−cos[(s/b)θ])cosφ (3a) y(s)=(b/sθ)(1−cos[(s/b)θ])sinφ (3b) z(s)=(b/sθ)sin[(s/b)θ] (3c) とパラメータ化した形で書くこともできる。ここで、パラメータsは曲線に沿っ
た長さであり、0≦s≦bである。
The curve itself is expressed as follows: x (s) = (b 2 / sθ) (1-cos [(s / b) θ]) cosφ (3a) y (s) = (b 2 / sθ) (1-cos [(S / b) θ]) sinφ (3b) z (s) = (b 2 / sθ) sin [(s / b) θ] (3c) can also be written in a parameterized form. Here, the parameter s is the length along the curve, and 0 ≦ s ≦ b.

【0019】 曲線の代替パラメータ化記述法は、部分角度αθに関するものであり、ここで
0≦α≦1である。 x(α)=(b/αθ)(1−cosαθ)cosφ (4a) y(α)=(b/αθ)(1−cosαθ)sinφ (4b) z(α)=(b/αθ)sinαθ (4c)
An alternative parameterized description of the curve is for the partial angle αθ, where 0 ≦ α ≦ 1. x (α) = (b / αθ) (1-cosαθ) cosφ (4a) y (α) = (b / αθ) (1-cosαθ) sinφ (4b) z (α) = (b / αθ) sinαθ ( 4c)

【0020】 以下でわかるように、パラメータ化曲線のパラメータに関する導関数を計算す
ることも有用である。部分角度記述では、 dx/dα=(b/θ)[sinαθ−(1/αθ)(1−cosαθ)
]cosφ (5a) dy/dα=(b/θ)[sinαθ−(1/αθ)(1−cosαθ)
]sinφ (5b) dz/dα=(b/θ)[cosαθ−(1/αθ)sinαθ] (5c) となる。α1とα2の間の曲線の長さLは、 L(α1,α2)=∫ds=∫[(dx/dα)+(dy/dα)
(dz/dα)1/2dα (6
) によって与えられる。ここで、積分の範囲はα1≦α≦α2である。直截的な代
数により、微分した弧の長さ成分は、 ds(θ,φ)=[(dx/dα)+(dy/dα)+(dz/dα
1/2dα=(b/θ)[1+(2/(αθ))(1−cosαθ)−
(2/αθ)sinαθ]1/2dα (7
) となる。定義により、L(0,1)=bである。
As will be seen below, it is also useful to calculate the derivative with respect to the parameters of the parameterization curve. In the partial angle description, dx / dα = (b / θ) [sinαθ− (1 / αθ) (1-cosαθ)
] Cosφ (5a) dy / dα = (b / θ) [sinαθ- (1 / αθ) (1-cosαθ)
] Sin φ (5b) dz / dα = (b / θ) [cos αθ- (1 / αθ) sin αθ] (5c). The length L of the curve between α1 and α2 is L (α1, α2) = ∫ ds = ∫ [(dx / dα) 2 + (dy / dα) 2 +
(Dz / dα) 2 ] 1/2 dα (6
) Given by. Here, the integration range is α1 ≦ α ≦ α2. The length component of the arc differentiated by the direct algebra is: ds (θ, φ) = [(dx / dα) 2 + (dy / dα) 2 + (dz / dα
) 2 ] 1/2 dα = (b / θ) [1+ (2 / (αθ) 2 ) (1-cosαθ) −
(2 / αθ) sinαθ] 1/2 dα (7
). By definition, L (0,1) = b.

【0021】 セクションの端点では、式2a〜2cの(x,y,z)に対応して、曲線の勾
配が、α=1に設定されたベクトル g(θ,φ,α)=(dx/dα,dy/dα,dz/dα) (8) となることに留意されたい。したがって、 g(θ,φ,1)=(b/θ)[(sinθ−(1/θ)(1−cosθ
))cosφ, (sinθ−(1/θ)(1−cosθ))sinφ, (cosθ−(1/θ)sinθ)] (9) である。
At the endpoints of the section, the gradient of the curve corresponds to (x, y, z) in equations 2a-2c, with the vector g (θ, φ, α) = (dx / Note that dα, dy / dα, dz / dα) (8). Therefore, g (θ, φ, 1) = (b / θ) [(sin θ− (1 / θ) (1-cos θ
)) Cos φ, (sin θ- (1 / θ) (1-cos θ)) sin φ, (cos θ- (1 / θ) sin θ)] (9).

【0022】 医療処置で使用する実施形態では、上述したファイバ・アレイの複数のセクシ
ョンを組み合わせて提供することができる。これにより、セクションの組合せの
形状、向き、および/または位置を求めることができる。表1に、特定のセグメ
ントの特徴を識別するために使用される記号を記載する。
Embodiments for use in medical procedures can provide a combination of multiple sections of the fiber array described above. This allows the shape, orientation, and / or position of the section combination to be determined. Table 1 lists the symbols used to identify the characteristics of particular segments.

【表1】 [Table 1]

【0023】 湾曲したセクションのグラフィカル・レンダリングを、表2の段階的手順を用
いて得ることができる。
A graphical rendering of the curved section can be obtained using the stepwise procedure in Table 2.

【表2】 [Table 2]

【0024】 この手法では、2つの隣接セグメントをつなぐ「接合」の位置で角度φの不連
続が生じる可能性があることがわかる。この問題を解決する一手法は、カテーテ
ルの活動部分の長さ全体にわたってφの変化を滑らかにすることである。別の手
法は、グローバル3次スプライン補間を採用して3次元曲線を推定するものであ
り、その曲線形状は最小二乗法で整合性をもち、センサ内の全てのFBGで全て
の歪みが測定される。
It can be seen that with this method, a discontinuity of the angle φ may occur at the “joint” position that connects two adjacent segments. One approach to solving this problem is to smooth the change in φ over the length of the active portion of the catheter. Another approach is to use global cubic spline interpolation to estimate a three-dimensional curve whose shape is consistent with the least-squares method, where every strain is measured at every FBG in the sensor. It

【0025】 さらに、計算された形状が、実際の機械的物体に関して物理的に可能であり、
全体的に整合性があるものであることを保証するために、固体力学に基づく追加
の制約および補正を採用することが望ましい場合もある。
Furthermore, the calculated shape is physically possible with respect to the actual mechanical object,
It may be desirable to employ additional constraints and corrections based on solid mechanics to ensure that they are globally consistent.

【0026】 図3に、患者の身体内部のセンサ・アレイ18の形状、向き、および/または
位置を求める際に使用する本発明の一実施形態を示す。センサ・アレイ18は、
3つ以上の光ファイバ20、21、および22から構成され、通路内部に位置決
めされて、カテーテルの内腔など通路の形状、向き、および/または位置決めを
測量する。各光ファイバ20、21、および22が、20mm間隔を空けて配置
された4つの24、26、28、および30のアレイを含む。適切なFBGの現
在の製造元としては、ElectroPhotonics Corporati
on、3M Corporation、Thor Labs、またはInnov
ative Fibers,Incが挙げられる。3つのファイバ20、21、
および22がアレイ18内に形成されて、約100mmの長さにわたって互いに
機械的に取り付けられている。光ファイバFBG間のスペーシング、およびそれ
と同様に本発明のシステムの全長を、様々な適用例での必要に応じて増減するこ
とができることを理解されたい。さらに、望みであれば、FBGと、それに関連
する特性を修正することができる。他の光特性も、1つまたは複数の光ファイバ
のアレイにおけるそのような測定を可能にする働きをする場合がある。少なくと
も1つのアレイ領域にわたる曲げ角度を、アレイの再配置によるアレイ内の光の
物理的特性の他の変化から求めることができる。
FIG. 3 illustrates one embodiment of the present invention for use in determining the shape, orientation, and / or position of sensor array 18 inside a patient's body. The sensor array 18 is
It is composed of three or more optical fibers 20, 21, and 22 and is positioned within the passageway to measure the shape, orientation, and / or positioning of the passageway, such as the lumen of a catheter. Each optical fiber 20, 21, and 22 includes an array of four 24, 26, 28, and 30 spaced 20 mm apart. The current manufacturer of suitable FBGs is ElectroPhotonics Corporation.
on, 3M Corporation, Thor Labs, or Innov
active Fibers, Inc .. Three fibers 20, 21,
And 22 are formed in array 18 and mechanically attached to each other over a length of about 100 mm. It should be appreciated that the spacing between the optical fibers FBGs, and likewise the overall length of the system of the present invention, can be scaled up or down as needed for various applications. Further, the FBG and its associated characteristics can be modified, if desired. Other optical properties may also serve to enable such measurements in an array of one or more optical fibers. The bend angle over the at least one array region can be determined from other changes in the physical properties of light within the array due to the rearrangement of the array.

【0027】 本発明の1つの好ましい実施形態では、FBG24、26、28、および30
は、アレイ18の活動領域16の長さに沿って同じ場所に配置されており、これ
らのFBGはそれぞれ適合性のある特性を有する。このような構成は、ファイバ
20、21、および22内部の歪み、およびアレイ18の形状をより簡単に計算
することができるが、異なる特性を有し、ファイバ20、21、および22に沿
って異なる位置に位置決めされたFBGを含むファイバを利用することもできる
In one preferred embodiment of the present invention, FBGs 24, 26, 28, and 30.
Are co-located along the length of the active area 16 of array 18, and each of these FBGs has compatible properties. Such an arrangement allows the strain inside the fibers 20, 21 and 22 and the shape of the array 18 to be more easily calculated, but has different properties and is different along the fibers 20, 21 and 22. Fibers with FBGs positioned in place can also be utilized.

【0028】 電気光学システム32を使用して、FBG24、26、28、および30の3
つのアレイに光学的に問い合わせる。電気光学システム32は、各光ファイバ2
0、21、および22に直接接続されている。電気光学システム32は、光信号
と電気信号の両方に関する発生源を含み、並列ポート・データ・リンクを介して
コンピュータ34と連絡する。関連するソフトウェアおよびユーザ・インターフ
ェースをコンピュータ34に関連付けて、アレイ18の形状、向き、および/ま
たは位置、さらにアレイ18が内部にあるカテーテルまたは他の物体の形状また
は構成を求め、この形状をディスプレイ・パネルまたはモニタ36に表示する。
Using the electro-optic system 32, three of the FBGs 24, 26, 28, and 30 are used.
Optically query one array. The electro-optical system 32 includes each optical fiber 2
It is directly connected to 0, 21, and 22. Electro-optic system 32 includes sources for both optical and electrical signals and communicates with computer 34 via a parallel port data link. Associated software and user interfaces are associated with the computer 34 to determine the shape, orientation, and / or position of the array 18, as well as the shape or configuration of the catheter or other object within which the array 18 is to be displayed and displayed. Display on the panel or monitor 36.

【0029】 図4Aから4Cは、本発明による光ファイバ・センサに問い合わせるために使
用される電気光学システムの構成要素を例示する。図4Aに示される電子構成要
素の一構成では、電気光学システム32が、光源46と、第1の性質選択要素4
2と、マルチプレクサ/デマルチプレクサ40と、第2の性質選択要素44と、
光検出器48とを含む。光源46は、ファイバ20、21、および22内に導入
すべき光源を発生する。性質選択要素は、ファイバの曲げ角度を求めるために問
い合わせるべき波長(周波数)、位相、強度、偏光、またはスペクトル性質など
光の特定の性質を選択するように働く。光源46に求められる性質は、測定に関
して選択される特定の光学性質によって異なる。FBGを使用するとき、光源4
6は、好ましくは以下の特性を有する。 a)1550nm付近の中心波長 b)40nmよりも大きい平均スペクトル幅 c)100nWよりも大きい平均出力
4A-4C illustrate components of an electro-optic system used to interrogate a fiber optic sensor according to the present invention. In one configuration of electronic components shown in FIG. 4A, electro-optic system 32 includes a light source 46 and a first property selection element 4.
2, a multiplexer / demultiplexer 40, a second property selection element 44,
And a photodetector 48. The light source 46 produces a light source to be introduced into the fibers 20, 21 and 22. The property selection element serves to select a particular property of the light such as wavelength (frequency), phase, intensity, polarization, or spectral property to be queried to determine the bend angle of the fiber. The properties required of the light source 46 will depend on the particular optical properties selected for the measurement. When using FBG, light source 4
6 preferably has the following properties: a) center wavelength around 1550 nm b) average spectral width greater than 40 nm c) average output greater than 100 nW

【0030】 光源46はまた、好ましくは、シングル・モード光ファイバ20、21、およ
び22に簡単に光学的に接続されるように構成される。励起信号52がFBG2
4、26、28、および30に進み、FBG中心波長に中心を取られた狭い波長
範囲内でFBGによって反射され、光ファイバ20、21、および22を介して
光検出器48に進んだ後に、光検出器48に十分な信号強度が存在するように、
光源46の平均光出力を十分大きくすべきである。ある状況では、光検出器48
で十分な光信号強度を維持するために、複数の光源を使用する必要がある場合が
ある。
Light source 46 is also preferably configured to be simply optically connected to single mode optical fibers 20, 21, and 22. Excitation signal 52 is FBG2
4, 26, 28, and 30, after being reflected by the FBG within a narrow wavelength range centered at the FBG center wavelength and traveling to the photodetector 48 via optical fibers 20, 21, and 22, So that there is sufficient signal strength at the photodetector 48,
The average light output of the light source 46 should be high enough. In some situations, the photodetector 48
It may be necessary to use multiple light sources to maintain sufficient optical signal strength at.

【0031】 この構成では第1の性質選択要素44を使用して、光ファイバ20、21、お
よび22内に光を導入する前に特定の光性質および性質範囲を選択する。光の波
長の変化を測定する場合、第1の性質選択要素42として広帯域フィルタを使用
して、選択された波長範囲内に光をフィルタし、望ましくない波長範囲を除去す
ることができる。あるいは、スキャン・フィルタなどの波長スキャン・デバイス
であってもよい。
In this configuration, the first property selection element 44 is used to select a particular light property and property range prior to introducing light into the optical fibers 20, 21, and 22. When measuring changes in the wavelength of light, a broadband filter can be used as the first property selection element 42 to filter light within the selected wavelength range and eliminate unwanted wavelength ranges. Alternatively, it may be a wavelength scanning device such as a scan filter.

【0032】 マルチプレクサ/デマルチプレクサ40は、光源46から光ファイバ20、2
1、および22へ光信号52を経路付ける。マルチプレクサ/デマルチプレクサ
40はまた、ファイバ20、21、および22内部のFBG24、26、28、
および30からの反射光信号の受信を調整し、これらの信号を第2の性質選択要
素44に向ける。
The multiplexer / demultiplexer 40 connects the light source 46 to the optical fibers 20, 2
Route optical signal 52 to 1 and 22. Multiplexer / demultiplexer 40 also includes FBGs 24, 26, 28, within fibers 20, 21, and 22.
Coordinates the reception of reflected light signals from and 30 and directs these signals to the second property selection element 44.

【0033】 光が光ファイバ20、21、および22を通過した後、光検出器48に光が進
む前に光の特定の性質を選択するように、第2の性質選択要素も利用される。フ
ァイバ20、21、および22内部の歪みの量の測定および割出しのために波長
の変化を監視するとき、第2の性質選択要素を選択フィルタにして、狭い波長範
囲のみを選択することができる。あるいはスキャン・フィルタなどの波長スキャ
ン・デバイスであってもよい。第1の性質選択要素と第2の性質選択要素を共に
使用して、光検出器48によって測定すべき所望の波長範囲のみを提供すること
ができる。ある場合には、1つの性質選択要素が、複数の性質特性を選択できな
い。第1の性質選択要素42と第2の性質選択要素44の両方を使用することに
より、光性質のフィルタリングの委任が可能になる。
A second property selection element is also utilized to select a particular property of the light after the light has passed through the optical fibers 20, 21, and 22 and before it travels to the photodetector 48. When monitoring changes in wavelength for measuring and indexing the amount of strain within the fibers 20, 21, and 22, the second property selection element can be a selection filter to select only a narrow wavelength range. . Alternatively, it may be a wavelength scanning device such as a scan filter. The first and second property selection elements can be used together to provide only the desired wavelength range to be measured by the photodetector 48. In some cases, one property selection element cannot select more than one property. The use of both the first property selection element 42 and the second property selection element 44 allows delegation of optical property filtering.

【0034】 この構成では、第2の性質選択要素44は、測定した元の光信号52の光性質
の変化を光強度の変化に変換することができる。一連の光検出器48が、光強度
のこれらの変化を電気信号54に変換する。次いで、電気信号54が図3に示さ
れるコンピュータ34に伝送される。電気信号54の強度の変化は、光ファイバ
20、21、および22が受ける歪みまたは曲げ角度の度合に関係している。ア
レイ18の光ファイバ20、21、および22の歪みの差を使用して、アレイ1
8の形状の変化、およびアレイ18がその内部に挿入されている物体の形状また
は環境の変化を計算する。
In this configuration, the second property selection element 44 can convert the measured change in the optical property of the original optical signal 52 into a change in the light intensity. A series of photodetectors 48 convert these changes in light intensity into electrical signals 54. The electrical signal 54 is then transmitted to the computer 34 shown in FIG. The change in intensity of the electrical signal 54 is related to the degree of strain or bending angle experienced by the optical fibers 20, 21, and 22. Using the difference in strain of the optical fibers 20, 21, and 22 of array 18, array 1
8 and the change in shape or environment of the object within which the array 18 is inserted.

【0035】 図4Bは、本発明に従って使用される電気光学システムの構成要素の別の構成
を例示する。この構成は、性質選択要素42を1つだけ含み、この要素は、光源
46とマルチプレクサ/デマルチプレクサ40との間に配置されている。この構
成では、光は、マルチプレクサ/デマルチプレクサ40によって多重分離された
後、光検出器48に向けられて、コンピュータ・システム32によって処理され
る電圧信号に変換される。この構成では、FBG24、26、28、および30
と性質選択要素42とを組み合わせた効果が、ファイバ20、21、および22
を通過した光の光強度の変化を生み、これらの強度変化を光検出器48が電圧に
変換して、コンピュータ・システム34によって測定できるようにする。本発明
の好ましい実施形態では、この構成が利用され、ファイバ・ファブリペロー(F
FP)などのスキャン・フィルタを性質選択要素として使用して、測定に望まれ
る波長範囲をフィルタする。
FIG. 4B illustrates another configuration of the components of the electro-optic system used in accordance with the present invention. This configuration includes only one property selection element 42, which is located between the light source 46 and the multiplexer / demultiplexer 40. In this configuration, the light is demultiplexed by multiplexer / demultiplexer 40 and then directed to photodetector 48 for conversion into a voltage signal that is processed by computer system 32. In this configuration, FBGs 24, 26, 28, and 30
And the property selection element 42 have the effect of combining the fibers 20, 21, and 22.
Light intensity changes of the light passing therethrough and photodetector 48 converts these intensity changes into a voltage that can be measured by computer system 34. In a preferred embodiment of the present invention, this configuration is utilized and the Fiber Fabry Perot (F
A scan filter such as FP) is used as a property selection element to filter the wavelength range desired for the measurement.

【0036】 図4Cでは、本発明に従って使用する電気光学システムの構成要素の別の構成
が示されている。この構成では、性質選択要素が1つだけ利用され、この要素は
マルチプレクサ/デマルチプレクサ40と光検出器48との間に配置される。こ
の構成を利用するとき、固定エッジ・フィルタなどのフィルタを利用して光をフ
ィルタし、選択された光性質または光性質範囲を光検出器48に提供して、電圧
信号54に変換することができる。別法として、スキャン・フィルタなどの波長
スキャン・デバイスを使用することもできる。
In FIG. 4C, another configuration of components of an electro-optic system for use in accordance with the present invention is shown. This configuration utilizes only one property selection element, which is located between multiplexer / demultiplexer 40 and photodetector 48. When utilizing this configuration, a filter, such as a fixed edge filter, may be used to filter the light and provide a selected optical property or range of optical properties to the photodetector 48 for conversion into a voltage signal 54. it can. Alternatively, wavelength scanning devices such as scan filters can be used.

【0037】 図4A〜Cによって例示される構成要素の構成を有効なものとして示したが、
様々なフィルタまたは他の構成要素を含む他の構成も利用することができる。さ
らに、ファイバ20、21、および22内部の歪みを求めるために測定する光性
質として波長を論じたが、選択される性質が光ファイバ・アレイ18の曲げまた
は湾曲に応じて変わる限り、別の光性質を使用することもできる。これらの性質
には、強度、振幅、波長、位相、偏光状態、またはスペクトル性質が含まれる。
Although the configuration of the components illustrated by FIGS. 4A-C is shown as valid,
Other configurations, including various filters or other components, may also be utilized. In addition, wavelength was discussed as the optical property to measure to determine the strain within the fibers 20, 21, and 22, but other light sources may be used as long as the selected property varies with the bending or bending of the fiber optic array 18. Properties can also be used. These properties include intensity, amplitude, wavelength, phase, polarization state, or spectral properties.

【0038】 例えば、光の位相がファイバ20、21、および22内部の歪みを求めるため
に選択された性質である場合、図4Aに例示した構成要素の構成を使用すること
ができ、第1の性質選択要素42として光ファイバ・カプラを使用し、第2の性
質選択要素44として追加の光ファイバ・カプラを使用して干渉計が形成される
。この場合、干渉計出力の強度は、干渉計の2つのアームに進む光の位相差に比
例する。さらに、第1の性質選択要素42は、任意選択で、光ファイバまたは一
体型光学移相器に結合された圧電要素など位相変調構成要素を含むことができる
For example, if the phase of the light is of a nature chosen to determine the strain within the fibers 20, 21, and 22, then the component arrangement illustrated in FIG. 4A may be used, An interferometer is formed using a fiber optic coupler as the property selection element 42 and an additional fiber optic coupler as the second property selection element 44. In this case, the intensity of the interferometer output is proportional to the phase difference of the light traveling to the two arms of the interferometer. In addition, the first property selection element 42 can optionally include a phase modulation component such as a piezoelectric element coupled to an optical fiber or an integrated optical phase shifter.

【0039】 偏光の状態を測定することを望む場合、第1の性質選択要素42が偏光子を備
え、第2の性質選択要素44が偏光分析器を備える。測定すべき性質として光強
度が選択される別の例では、第1の性質選択要素と第2の性質選択要素が共にな
くされる。
If it is desired to measure the state of polarization, the first property selection element 42 comprises a polarizer and the second property selection element 44 comprises a polarization analyzer. In another example where light intensity is selected as the property to be measured, both the first property selection element and the second property selection element are eliminated.

【0040】 システムの用途、およびその適用例に対する必要な正確さに応じて様々な構成
および性質を利用することができる。
Various configurations and properties can be utilized depending on the application of the system and the required accuracy for its application.

【0041】 また、図4A〜Cには、光ファイバ20、21、および22の光測定値を較正
し、安定化するために、基準システム31も示されている。基準システムの正確
な性質および実施は、測定に選択される特定の光性質に応じて決まる。例えば、
本発明の好ましい実施形態では、基準システムは、エンクロージャ内部のFBG
が歪みを受ける、あるいは他の環境因子にさらされることがないように、エンク
ロージャ内部に配置された光ファイバ23内部に形成された一連のFBGを備え
る。基準システムを通過する、または基準システムによって反射される光の波長
は、システムの特定の使用の前に分かっており、記録されている。システムの使
用中、基準システムからの波長の測定値が既知の値と比較される。既知の値と測
定値の差は、電気光学システム32の変動またはドリフトによるものと考えられ
る。したがって、補正因子が求められ、センサ光ファイバ20、21、および2
2から受信される信号に通常はソフトウェアの形で加えられて、本発明のシステ
ムの正確さおよび安定性を保証する。
A reference system 31 is also shown in FIGS. 4A-C to calibrate and stabilize the optical measurements of the optical fibers 20, 21, and 22. The exact nature and implementation of the reference system depends on the particular light properties chosen for the measurement. For example,
In a preferred embodiment of the invention, the reference system is an FBG inside an enclosure.
So as not to be strained or exposed to other environmental factors, a series of FBGs formed inside the optical fiber 23 located inside the enclosure. The wavelength of light that passes through or is reflected by the reference system is known and recorded prior to the particular use of the system. During use of the system, the wavelength measurements from the reference system are compared to known values. The difference between the known value and the measured value is believed to be due to variations or drifts in electro-optic system 32. Therefore, a correction factor is determined and the sensor optical fibers 20, 21, and 2 are
It is added to the signal received from the device 2, usually in the form of software, to ensure the accuracy and stability of the system of the invention.

【0042】 角度の測定値、したがってこの実施形態のアレイ18の形状を抽出するために
、電気光学システム32が、アレイ18の曲げ角度の変化に応じてFBGによっ
て反射された光の波長の変化を測定する。
In order to extract the angle measurements and thus the shape of the array 18 in this embodiment, the electro-optic system 32 changes the wavelength of the light reflected by the FBG in response to changes in the bending angle of the array 18. taking measurement.

【0043】 光検出器48は、性質フィルタ50から受信される光に適合するように選択さ
れて、十分に高い信号対雑音比を有する電気信号44を提供する。Newpor
t Corporation、New Focus、およびHewlett P
ackardを含めたいくつかの製造業者から種々の光検出器48が現在市販さ
れている。
The photodetector 48 is selected to match the light received from the nature filter 50 and provides an electrical signal 44 having a sufficiently high signal to noise ratio. Newpor
t Corporation, New Focus, and Hewlett P
Various photodetectors 48 are currently commercially available from several manufacturers, including ackard.

【0044】 通常、アレイ18の各光ファイバ20、21、および22に関してただ1つの
光源46と1つの光検出器48とを使用することは必要とされず、コスト効果も
良くないが、任意の適切な構成が企図される。マルチプレクサ40を使用して、
光源46から各光ファイバに光を順次に、または同時に分散することができる。
マルチプレクサ40はまた、光ファイバ20、21、および22からの反射光を
受信して、この場合も知られている制御された様式で性質フィルタ50にこの光
を向ける。例えばFBG24、26、28、および30が複数の光ファイバ20
、21、および22内部に埋め込まれている場合、電気制御光スイッチを使用し
て、光源46から順次に各光ファイバ20、21、および22へ光を送達するこ
とができる。光源が特定の光ファイバ20、21、または22に「接続」されて
いる一方で、各光ファイバから戻る光は性質フィルタ50に向けられて、個別光
ファイバ内の各FBGの測定を完成させる。
Typically, it is not necessary to use only one light source 46 and one photodetector 48 for each optical fiber 20, 21, and 22 of array 18, which is not cost effective, but is optional. Appropriate configurations are contemplated. Using multiplexer 40,
Light can be dispersed from the light source 46 into each optical fiber either sequentially or simultaneously.
Multiplexer 40 also receives the reflected light from optical fibers 20, 21, and 22 and directs it to quality filter 50 in a controlled manner, again known. For example, the FBGs 24, 26, 28, and 30 have a plurality of optical fibers 20.
, 21, and 22 when embedded inside, an electrically controlled optical switch can be used to deliver light from the light source 46 to each optical fiber 20, 21, and 22 sequentially. While the light source is "connected" to a particular optical fiber 20, 21 or 22, the light returning from each optical fiber is directed to a property filter 50 to complete the measurement of each FBG in the individual optical fiber.

【0045】 図6Aおよび6Bに示されるように、本発明のシステムおよび方法の一用途は
、人または他の動物の身体内部に配置されたカテーテルの形状、向き、および/
または位置を求めることである。光ファイバ・アレイ18が、アクセス・ポート
60を介してカテーテル62の内腔内部に挿入される。図6Bに、保護外被19
によって覆われ、カテーテル62内部にあるアレイ18の分解図を示す。
As shown in FIGS. 6A and 6B, one application of the systems and methods of the present invention is in the shape, orientation, and / or orientation of a catheter placed inside the body of a human or other animal.
Or to find the position. Fiber optic array 18 is inserted inside the lumen of catheter 62 via access port 60. In FIG. 6B, the protective jacket 19
Shown is an exploded view of array 18 covered by and inside catheter 62.

【0046】 図9A〜9Cに、ファイバ・アレイ18が管状物体68内に進められるときの
管状物体68の形状の数学的再構成を順次例示する。ファイバ・アレイ18は活
動部分16を有する。活動部分16は、FBG24、26、28、および30が
配置されているアレイ18の領域である。図9Aに示されるように、管状物体6
8に挿入される前に、ファイバ・アレイ18はこの第1の湾曲部分の形状を呈し
、本発明のシステムは、活動部分16の直線形状を表示する。アレイ18の活動
部分16が、管状物体68の第1の湾曲部分内に挿入されるとき、ファイバ・ア
レイ18は再び、この追加の湾曲形状を呈し、本発明のシステムが、図9Bに示
される活動部分16の湾曲形状を生成する。活動部分16が管状物体68の第2
の湾曲部分内にさらに進められるとき、このシステムは、図9Cに示される物体
68および活動部分16の湾曲形状を生成する。管状物体内部のいくつかの挿入
深さそれぞれにおいてセンサの活動長さの形状、向き、および/または位置を知
ることにより、センサの活動長さよりもはるかに大きい長さにわたって管状物体
の形状を数学的に再構成することができる。
9A-9C sequentially illustrate a mathematical reconstruction of the shape of tubular object 68 as fiber array 18 is advanced into tubular object 68. The fiber array 18 has an active portion 16. Active portion 16 is the area of array 18 in which FBGs 24, 26, 28, and 30 are located. As shown in FIG. 9A, the tubular object 6
Prior to being inserted into the fiber array 18, the fiber array 18 assumes the shape of this first curved section and the system of the present invention displays the linear shape of the active section 16. When the active portion 16 of the array 18 is inserted into the first curved portion of the tubular object 68, the fiber array 18 again exhibits this additional curved shape and the system of the present invention is shown in FIG. 9B. A curved shape of the active portion 16 is generated. The active part 16 is a second tubular object 68
When advanced further into the curved portion of the, the system produces the curved shape of the object 68 and active portion 16 shown in FIG. 9C. By knowing the shape, orientation, and / or position of the active length of the sensor at each of several insertion depths inside the tubular object, the shape of the tubular object can be mathematically determined over a length much greater than the active length of the sensor. Can be reconfigured into

【0047】 図7に、身体内部のカテーテルなど物体の形状および向きを求める方法を例示
する。形状と向きの両方を求めるために、ファイバ・アレイ18の活動部分16
の近位端の方位角向きを求めなければならない。この割出しを行う1つの様式は
、患者の身体に関して固定されたロータリ・ジョイント64内部にカテーテル6
2の近位端を固定することによるものである。ロータリ・ジョイント64内部に
カテーテル62の近位端を固定することによって、固定基準角に関してカテーテ
ル62の方位角φを測定することができる。
FIG. 7 illustrates a method for determining the shape and orientation of an object such as a catheter inside the body. The active portion 16 of the fiber array 18 is used to determine both shape and orientation.
The azimuth orientation of the proximal end of must be determined. One way to do this indexing is to have the catheter 6 inside a rotary joint 64 that is fixed with respect to the patient's body.
By fixing the proximal ends of the two. By fixing the proximal end of the catheter 62 inside the rotary joint 64, the azimuth angle φ of the catheter 62 can be measured with respect to a fixed reference angle.

【0048】 測量中のカテーテルまたは他の管状物体の形状、向き、および位置を求めるた
めに、カテーテルの近位端の方位角向きと、カテーテルの長手方向位置(挿入深
さ)とを求める必要がある。これは図8に例示されている。カテーテルの長手方
向位置の割出しは、カテーテル62の外面に一連の基準マーク66を用いること
によって、または他の適切な手法によって達成することができる。これにより、
ロータリ・ジョイント64付近の近位位置からカテーテル62の遠位端までのカ
テーテル62の挿入深さを求めることができる。基準マークの使用など位置を測
定するシステムを静的または動的に使用することができる。基準マークを静的に
使用する場合、カテーテル62が、選択された固定長まで患者内に挿入され、こ
の長さが、固定ロータリ・ジョイント64に対する基準マーキング66の位置を
検査することによって表される。基準マーク66を動的に使用する場合、カテー
テルが固定深さまで挿入されて、固定ロータリ・ジョイント64で測定される向
きおよび深さが記録される。通常、向きおよび深さは自動的に記録され、このデ
ータがコンピュータ・システムに伝送される。この固定向きおよび深さで、本明
細書で述べる光ファイバ手法を使用してカテーテルの形状が求められ、コンピュ
ータ・システム・メモリに入れられる。次いで、カテーテル62が患者の身体内
にさらに進められる。このとき、カテーテルの向きは、事前に計算された位置か
ら変えることもできる。カテーテル挿入深さ、向き、および形状はここでも、コ
ンピュータ・システムによって求められ、記録される。このプロセスが繰り返さ
れ、ファイバ・アレイ18の活動部分およびカテーテル66が内部を通る管状物
体の一部分の形状が数学的に再構成される。
In order to determine the shape, orientation and position of the catheter or other tubular object during surveying, it is necessary to determine the azimuth orientation of the proximal end of the catheter and the longitudinal position (insertion depth) of the catheter. is there. This is illustrated in FIG. Indexing the longitudinal position of the catheter can be accomplished by using a series of fiducial marks 66 on the outer surface of the catheter 62, or by any other suitable technique. This allows
The insertion depth of the catheter 62 from the proximal position near the rotary joint 64 to the distal end of the catheter 62 can be determined. The position measuring system can be used statically or dynamically, such as the use of fiducial marks. When using the fiducial mark statically, the catheter 62 is inserted into the patient up to a selected fixed length, which length is indicated by examining the position of the fiducial marking 66 with respect to the fixed rotary joint 64. . When using fiducial mark 66 dynamically, the catheter is inserted to a fixed depth and the orientation and depth measured at fixed rotary joint 64 is recorded. Normally, orientation and depth are recorded automatically and this data is transmitted to the computer system. At this fixed orientation and depth, the shape of the catheter is determined using the fiber optic approach described herein and placed in computer system memory. The catheter 62 is then advanced further into the patient's body. At this time, the orientation of the catheter can be changed from the position calculated in advance. The catheter insertion depth, orientation, and shape are again determined and recorded by the computer system. This process is repeated to mathematically reconstruct the shape of the active portion of fiber array 18 and the portion of the tubular object through which catheter 66 passes.

【0049】 曲げ角度によるファイバ内を伝播する光の強度の変化、および視角に応じた光
のスペクトル性質の変化を含めた他の光学手法を、曲げ角度を求めるために使用
することができることに留意されたい。さらに、同様の原理を、ワイヤ・フィラ
メント内に組み込まれた歪ゲージなど非光学要素と共に使用することができ、そ
れにより、示された歪みを測定することができ、対応する角度を計算することが
できる。
Note that other optical techniques can be used to determine the bend angle, including varying the intensity of light propagating in the fiber with bend angle, and changing the spectral properties of light with viewing angle. I want to be done. Furthermore, a similar principle can be used with non-optical elements such as strain gauges embedded within the wire filament, which allows the indicated strain to be measured and the corresponding angle to be calculated. it can.

【0050】 1つの代替実施形態では、FBGを用いて光ファイバ20、21、および22
に加えられる光の波長の変化を求めるのではなく、長周期グレーティング(「L
PG」)を使用することができる。図10に示されるように、LPG74は、1
つまたは複数のファイバ70を備えるファイバ・アレイ内部に含まれる。光ファ
イバ70のコア領域72がLPGを含み、ここでLPGの長手方向軸は、光ファ
イバ70の中心軸76から半径方向にずれている。このずれた構成が、光ファイ
バ70の湾曲によって単一光ファイバ70の曲げ角度を変化させ、これは、LP
G74内部の光信号の透過スペクトルの対応する変化から求められる。LPG7
4を含む単一ファイバ曲げセンサの動作は、上述したものと同様であり、励起光
信号が光源から光ファイバ70に沿って伝送される。
In one alternative embodiment, optical fibers 20, 21, and 22 are made using FBGs.
The long period grating (“L
PG ") can be used. As shown in FIG. 10, the LPG 74 has 1
Contained within a fiber array comprising one or more fibers 70. The core region 72 of the optical fiber 70 comprises LPG, where the longitudinal axis of the LPG is radially offset from the central axis 76 of the optical fiber 70. This offset configuration changes the bend angle of the single optical fiber 70 due to the curvature of the optical fiber 70, which is
It is determined from the corresponding change in the transmission spectrum of the optical signal inside G74. LPG7
The operation of the single fiber bend sensor including 4 is similar to that described above, with the excitation light signal being transmitted from the light source along the optical fiber 70.

【0051】 使用にあたり、本発明のシステムおよび方法を、多くの医療または非医療処置
と共に利用することができる。医療では、本発明を利用して、人または他の動物
の身体内部に配置されたカテーテルまたは他の管状物体の1つのセクションの形
状を求めることができる。本発明はさらに、人または動物の身体内部に配置され
る任意の医療器具、ポインタ、またはカテーテルに適合することができ、身体内
部のデバイスの先端の位置決めを示す。本発明はまた、内視鏡装置に関連して、
気管支または結腸など身体の一部内部での内視鏡の配置および向きを求めるため
に使用することもできる。本発明はまた、電磁周波数、温熱または寒冷療法など
特定の療法で使用することもでき、特定の解剖学的位置にエネルギーを合焦する
In use, the systems and methods of the present invention can be utilized with many medical or non-medical procedures. In medicine, the invention can be used to determine the shape of one section of a catheter or other tubular object placed inside the body of a human or other animal. The present invention is further compatible with any medical device, pointer, or catheter that is placed inside the body of a human or animal and demonstrates the positioning of the tip of the device inside the body. The invention also relates to an endoscopic device,
It can also be used to determine the placement and orientation of an endoscope within a body part such as the bronchus or colon. The present invention can also be used with specific therapies, such as electromagnetic frequency, hyperthermia or cryotherapy, to focus energy on specific anatomical locations.

【0052】 本発明はまた、MRI、CT、およびX線システムなどのイメージング・シス
テムを用いて調整することもできる。これを行う際、光ファイバ・アレイ18の
先端の位置、またはアレイ18の活動領域16の形状の画像を人または動物の身
体のデジタル画像に組み込むことができる。これにより、医師は、処置を行う際
に、患者の解剖学的位置に沿ってアレイ18の位置をリアルタイムで正確に特定
することができる。
The present invention can also be tuned using imaging systems such as MRI, CT, and X-ray systems. In doing this, an image of the location of the tip of the fiber optic array 18 or the shape of the active area 16 of the array 18 can be incorporated into the digital image of the human or animal body. This allows the physician to accurately identify the position of the array 18 in real time along the patient's anatomical location when performing the procedure.

【0053】 本発明の原理、好ましい実施形態、および好ましい操作を本明細書で詳細に説
明してきたが、これは、開示した特定の例示形態に限定されると解釈されるべき
ではない。したがって、頭記の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神
または範囲から逸脱することなく本明細書の好ましい実施形態に様々な修正を加
えることができることが当業者には明らかであろう。
Although the principles, preferred embodiments, and preferred operations of the present invention have been described in detail herein, this should not be construed as limited to the particular illustrative forms disclosed. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to the preferred embodiments herein without departing from the spirit or scope of the invention as defined by the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 長さに沿って3つのファイバ・ブラッグ・グレーティングを含む光ファイバの
斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of an optical fiber including three fiber Bragg gratings along its length.

【図2A】 アレイの形状の変化を求めるように幾何的に配置された光ファイバのアレイの
斜視図である。
FIG. 2A is a perspective view of an array of optical fibers geometrically arranged to determine a change in array shape.

【図2B】 アレイの形状の変化を求めるように幾何的に配置された光ファイバのアレイの
別の斜視図である。
FIG. 2B is another perspective view of an array of optical fibers geometrically arranged to determine a change in array shape.

【図3】 本発明のシステムの概略図である。[Figure 3]   1 is a schematic diagram of the system of the present invention.

【図4A】 波長(周波数)、位相、強度、偏光、またはスペクトル性質など特定の光性質
を選択するための要素を含む本発明の光ファイバ・センサに問い合わせるための
汎用電気光学システムの構成要素の概略図である。
FIG. 4A is a component of a general electro-optic system for interrogating a fiber optic sensor of the present invention including elements for selecting particular optical properties such as wavelength (frequency), phase, intensity, polarization, or spectral properties. It is a schematic diagram.

【図4B】 性質選択要素が光源とマルチプレクサ/デマルチプレクサ・システムとの間で
のみ使用される、本発明の光ファイバ・センサに問い合わせるための電気光学シ
ステムの構成要素の概略図である。
FIG. 4B is a schematic diagram of components of an electro-optic system for interrogating a fiber optic sensor of the present invention in which a property selection element is used only between a light source and a multiplexer / demultiplexer system.

【図4C】 性質選択要素がマルチプレクサ/デマルチプレクサ・システムと光検出器との
間でのみ使用される、本発明の光ファイバ・センサに問い合わせるための電気光
学システムの構成要素の概略図である。
FIG. 4C is a schematic diagram of components of an electro-optic system for interrogating a fiber optic sensor of the present invention in which a property selection element is used only between a multiplexer / demultiplexer system and a photodetector.

【図5】 本発明の光ファイバ・アレイの概略図である。[Figure 5]   1 is a schematic diagram of an optical fiber array of the present invention.

【図6A】 カテーテルの内腔内部に配置された本発明の光ファイバ・アレイの斜視図であ
る。
FIG. 6A is a perspective view of a fiber optic array of the present invention positioned within the lumen of a catheter.

【図6B】 カテーテルの内腔内部にある本発明のファイバ・アレイの図6Aの分解斜視図
である。
6B is an exploded perspective view of FIG. 6A of a fiber array of the present invention inside the lumen of a catheter.

【図7】 ロータリ・ジョイントに関連する本発明の光ファイバ・アレイの斜視図である
FIG. 7 is a perspective view of an optical fiber array of the present invention associated with a rotary joint.

【図8】 基準マーキングを有し、ロータリ・ジョイントに関連する本発明の光ファイバ
・アレイの斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view of a fiber optic array of the present invention having fiducial markings and associated with a rotary joint.

【図9A〜C】 管状物体の内部に挿入される前、初期、および後の本発明の光ファイバ・アレ
イの斜視図である。
9A-C are perspective views of a fiber optic array of the present invention before, during, and after being inserted inside a tubular object.

【図10】 長周期グレーティングが内部に位置された光ファイバの斜視図である。[Figure 10]   It is a perspective view of the optical fiber in which the long period grating was located inside.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DZ ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM, HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,K G,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT ,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN,MW, MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,S E,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT ,TZ,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZA, ZW Fターム(参考) 2F065 AA01 AA20 AA31 AA45 BB12 BB17 BB22 CC16 CC23 FF48 FF49 FF51 FF67 GG22 JJ01 JJ05 JJ15 LL02 LL03 LL22 LL32 LL35 LL42 LL67 NN05 PP22 QQ03 QQ25 2F103 BA41 CA04 CA06 CA08 EB16 EC09 EC10 EC14 EC15 EC16 ED27 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, C H, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ , EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, K G, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT , LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, S E, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT , TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW F term (reference) 2F065 AA01 AA20 AA31 AA45 BB12                       BB17 BB22 CC16 CC23 FF48                       FF49 FF51 FF67 GG22 JJ01                       JJ05 JJ15 LL02 LL03 LL22                       LL32 LL35 LL42 LL67 NN05                       PP22 QQ03 QQ25                 2F103 BA41 CA04 CA06 CA08 EB16                       EC09 EC10 EC14 EC15 EC16                       ED27

Claims (31)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 通路の形状を測量するシステムであって、 前記通路内に挿入されるセンサ要素であって、前記通路の形状に沿って前記通
路内部で湾曲するように適合されているセンサ要素を備え、 前記要素の湾曲が、前記要素と関連する物理的性質の変化を誘発し、さらに、 前記物理的性質を測定し、前記物理的性質の変化から曲げ角度を導出するため
の機器 を備えるシステム。
1. A system for measuring the shape of a passage, the sensor element being inserted into the passage, the sensor element being adapted to curve within the passage along the shape of the passage. Wherein the curvature of the element induces a change in a physical property associated with the element, further comprising a device for measuring the physical property and deriving a bend angle from the change in the physical property. system.
【請求項2】 前記少なくとも1つの要素が光ファイバを備える請求項1に
記載のシステム。
2. The system of claim 1, wherein the at least one element comprises an optical fiber.
【請求項3】 前記光ファイバがシングル・モード光ファイバである請求項
2に記載のシステム。
3. The system of claim 2, wherein the optical fiber is a single mode optical fiber.
【請求項4】 前記光ファイバを通過した光の少なくとも1つの物理的性質
の変化を利用して前記ファイバの湾曲の度合を示す請求項2に記載のシステム。
4. The system of claim 2, wherein a change in at least one physical property of light transmitted through the optical fiber is utilized to indicate the degree of curvature of the fiber.
【請求項5】 光の前記少なくとも1つの物理的性質が波長である請求項4
に記載のシステム。
5. The at least one physical property of light is wavelength.
The system described in.
【請求項6】 前記光ファイバが少なくとも1つのファイバ・ブラッグ・グ
レーティングを含む請求項5に記載のシステム。
6. The system of claim 5, wherein the optical fiber comprises at least one fiber Bragg grating.
【請求項7】 前記機器が、電気光学システムを備えて、前記光ファイバか
ら光信号を受信し、前記光信号を電圧信号およびアルゴリズムに変換して、前記
光ファイバの湾曲および形状を計算する請求項4に記載のシステム。
7. The apparatus comprises an electro-optic system for receiving an optical signal from the optical fiber and converting the optical signal into a voltage signal and an algorithm to calculate the bend and shape of the optical fiber. Item 4. The system according to Item 4.
【請求項8】 光信号がデジタル電圧信号に変換される請求項7に記載のシ
ステム。
8. The system of claim 7, wherein the optical signal is converted to a digital voltage signal.
【請求項9】 前記電気光学システムがさらに、前記光ファイバの向きおよ
び位置決めを計算する請求項7に記載のシステム。
9. The system of claim 7, wherein the electro-optic system further calculates orientation and positioning of the optical fiber.
【請求項10】 前記電気光学システムが、 光源と、 光の性質の変化を光の強度の変化に変換する手段と、 光強度を電圧に変換する光検出器と、 アナログ・デジタル変換システムと、 デジタル・コンピュータとインターフェースするデジタル制御システムと を備える請求項7に記載のシステム。10. The electro-optic system comprises:   A light source,   Means for converting changes in the properties of light into changes in the intensity of light;   A photodetector that converts light intensity into voltage,   Analog-digital conversion system,   A digital control system that interfaces with a digital computer The system of claim 7, comprising: 【請求項11】 少なくとも3つの光ファイバを備え、前記ファイバがそれ
ぞれ、前記ファイバ内部の既知の位置に位置決めされた少なくとも1つのファイ
バ・ブラッグ・グレーティングを含む請求項5に記載のシステム。
11. The system of claim 5, comprising at least three optical fibers, each fiber comprising at least one fiber Bragg grating positioned at a known location within the fiber.
【請求項12】 前記少なくとも3つの光ファイバが互いに固定された向き
で一体に結合されて、アレイを形成する請求項11に記載のシステム。
12. The system of claim 11, wherein the at least three optical fibers are bonded together in a fixed orientation with respect to each other to form an array.
【請求項13】 前記バンドルが、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティン
グが前記バンドルの長さに沿って同じ場所に配置されるように構成されている請
求項12に記載のシステム。
13. The system of claim 12, wherein the bundle is configured such that the fiber Bragg grating is co-located along the length of the bundle.
【請求項14】 前記アレイが保護外被の内部に封入されている請求項13
に記載のシステム。
14. The array is encapsulated within a protective envelope.
The system described in.
【請求項15】 前記機器が、電気光学システムを備えて、前記光ファイバ
・アレイから光信号を受信し、前記光信号を電圧信号およびアルゴリズムに変換
して、前記アレイの湾曲および形状を計算する請求項14に記載のシステム。
15. The instrument comprises an electro-optic system for receiving optical signals from the fiber optic array and converting the optical signals into voltage signals and algorithms to calculate curvature and shape of the array. The system according to claim 14.
【請求項16】 光信号がデジタル電圧信号に変換される請求項15に記載
のシステム。
16. The system of claim 15, wherein the optical signal is converted to a digital voltage signal.
【請求項17】 前記電気光学システムがさらに、前記バンドルの向きおよ
び位置決めを計算する請求項15に記載のシステム。
17. The system of claim 15, wherein the electro-optic system further calculates orientation and positioning of the bundle.
【請求項18】 前記電気光学システムが、 光源と、 光の性質の変化を光の強度の変化に変換する手段と、 光強度を電圧に変換する光検出器と、 アナログ・デジタル変換システムと デジタル・コンピュータとインターフェースするためのデジタル制御システム
と を備える請求項15に記載のシステム。
18. The electro-optical system includes a light source, a means for converting a change in the property of light into a change in the intensity of light, a photodetector for converting the light intensity into a voltage, an analog / digital conversion system and a digital device. A system according to claim 15, comprising a digital control system for interfacing with a computer.
【請求項19】 前記外被がさらに長さ区切りを備える請求項14に記載の
システム。
19. The system of claim 14, wherein the jacket further comprises a length divider.
【請求項20】 前記ファイバがそれぞれ、前記ファイバに沿った既知の長
さで位置決めされた複数のファイバ・ブラッグ・グレーティングを含む請求項1
1に記載のシステム。
20. The fiber includes a plurality of fiber Bragg gratings each positioned at a known length along the fiber.
The system according to 1.
【請求項21】 前記複数のファイバ・ブラッグ・グレーティングが、前記
バンドルの長さに沿って同じ場所に配置されている請求項20に記載のシステム
21. The system of claim 20, wherein the plurality of fiber Bragg gratings are co-located along the length of the bundle.
【請求項22】 前記バンドルが保護外被の内部に封入されている請求項2
0に記載のシステム。
22. The bundle is enclosed within a protective jacket.
0 system.
【請求項23】 前記機器が、電気光学システムを備えて、前記光ファイバ
・バンドルから光信号を受信し、前記光信号を電圧信号およびアルゴリズムに変
換して、前記バンドルの湾曲および形状を計算する請求項20に記載のシステム
23. The instrument comprises an electro-optic system to receive an optical signal from the fiber optic bundle and convert the optical signal into a voltage signal and an algorithm to calculate the curvature and shape of the bundle. The system according to claim 20.
【請求項24】 光信号がデジタル電圧信号に変換される請求項23に記載
のシステム。
24. The system of claim 23, wherein the optical signal is converted to a digital voltage signal.
【請求項25】 前記電気光学システムがさらに、前記バンドルの向きおよ
び位置決めを計算する請求項23に記載のシステム。
25. The system of claim 23, wherein the electro-optic system further calculates orientation and positioning of the bundle.
【請求項26】 前記電気光学システムが、 光源と、 光の性質の変化を光の強度の変化に変換する手段と、 光強度を電圧に変換する光検出器と、 アナログ・デジタル変換システムと、 デジタル・コンピュータとインターフェースするデジタル制御システムと を備える請求項23に記載のシステム。26. The electro-optic system comprises:   A light source,   Means for converting changes in the properties of light into changes in the intensity of light;   A photodetector that converts light intensity into voltage,   Analog-digital conversion system,   A digital control system that interfaces with a digital computer 24. The system of claim 23, comprising. 【請求項27】 通路の形状を測量する方法であって、 前記通路内にセンサ要素を挿入するステップと、 前記要素が前記通路の形状に適合するときに前記要素の物理的性質の変化を測
定するステップと、 前記物理的性質の変化から前記要素内部の曲げ角度を求めるステップと を含む方法。
27. A method of surveying the shape of a passage, comprising the steps of inserting a sensor element into the passage and measuring changes in physical properties of the element when the element conforms to the shape of the passage. And determining a bending angle inside the element from the change in the physical property.
【請求項28】 前記要素が光ファイバである請求項27に記載の方法。28. The method of claim 27, wherein the element is an optical fiber. 【請求項29】 前記要素がシングル・モード光ファイバである請求項28
に記載の方法。
29. The element of claim 28, wherein the element is a single mode optical fiber.
The method described in.
【請求項30】 光ファイバの特性を測定するためのシステムであって、 長さに沿った少なくとも1つのファイバ・ブラッグ・グレーティングを有する
少なくとも1つの導光コアを有するある長さの光ファイバと、 前記導光コア内に光を選択的に導入するための光源と、 前記導光コアおよび前記少なくとも1つのファイバ・ブラッグ・グレーティン
グを通過する光を受信して、前記少なくとも1つのファイバ・ブラッグ・グレー
ティングの位置での前記導光コアの任意の曲げを計算する処理装置と を備えるシステム。
30. A system for measuring characteristics of an optical fiber, the optical fiber having a length having at least one light guiding core having at least one fiber Bragg grating along the length. A light source for selectively introducing light into the light guiding core; and receiving light passing through the light guiding core and the at least one fiber Bragg grating to provide the at least one fiber Bragg grating. And a processor for calculating an arbitrary bend of the light guide core at the position.
【請求項31】 本出願および添付図面に図示し、説明した光ファイバ・ナ
ビゲーション・システム。
31. A fiber optic navigation system as shown and described in the present application and accompanying drawings.
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