CN103347461A - 用于医学仪器的尖端和形状特征化的光学形状感测光纤 - Google Patents

Abstract

一种形状感测设备、系统和方法，包括：介入仪器（102），具有配置为在介入处置期间改变形状的接合区域。光纤（202）以一图案设置在所述接合区域上或附近以提供指示所述仪器的瞬时改变或当前位置或取向的光学信号。信号解释模块（115）配置为接收所述光学信号并解释所述仪器的所述瞬时改变或当前位置或取向。

Description

用于医学仪器的尖端和形状特征化的光学形状感测光纤

本公开内容涉及医学仪器的形状感测，并且更具体地涉及用于医学仪器的光学感测的系统、设备和方法。

精确地感测医学仪器或设备的尖端和形状的能力在介入引导中起重要作用。已经采用光学形状感测来提供仪器跟踪技术，或者光学形状感测用于其中能够采用光学形状感测的临床应用。然而，光学感测设备至仪器的联接方式对如何在不同临床应用中进行光学形状感测起重要作用。

形状感测可以基于光纤布拉格光栅传感器。光纤布拉格光栅（FBG）的操作背后的基本原理是在折射率发生变化的每一个界面处的菲涅耳反射。对于一些波长，各时段的反射光与其它光同相，使得对反射存在相长干涉，并且因此，对透射存在相消干涉。布拉格光栅对应变以及温度敏感。这意味着布拉格光栅能够用作光纤光学传感器中的感测元件。

作为对光纤布拉格光栅的替代，能够利用常规光纤中的固有背散射。一个该途径是使用标准单模通信光纤中的瑞利散射。作为纤芯中折射率的随机波动的结果，发生瑞利散射。这些随机波动能够被建模为具有沿光栅长度的幅度和相位的随机变化的布拉格光栅。通过使用在单长度的多芯光纤内延伸的三个或更多芯中的此效应，可跟踪感兴趣的表面的3D形状和动态特性。

当沿导管的长度联接光纤时，其在远端的尖端处突然终止。在此配置中，归因于尖端界面处的反射的背散射能够干扰期望的光学光栅信号。实践中，这导致妨碍直至光纤的尖端的跟踪的信号恶化，导致仅高达数毫米或厘米远的点的形状测量。虽然将光纤的尖端与折射率匹配凝胶耦合以将光分散到周围组织介质中来帮助减小背反射效应在实验室是可实行的，但是其能够使医学级产品的制造复杂。此外，其仅是部分方案，因为耦合凝胶的最佳折射率取决于仪器操作所在的组织（例如，空气对血液）。

直接沿仪器的长度延伸多芯光纤的常规途径不能利用误差特征化补偿机会，该机会本来由用于导管上的光纤的联接配置提供。

在涉及高度动态的设备的应用中，诸如刚性机器人（例如，具有数个清楚地区别的结合部和接合部之间的刚性段的机器人）或连续型（continuum）机器人（例如，具有多个接合部或能够采取连续的蛇状形式的段的机器人），在医学设备的尖端处感测的问题是伴随有困难的和潜在地易于有误差的安装。在刚性机器人中，光纤必需锚定于接合部处以避免可能在位置读数中引起误差的翘曲（buckling）。光纤的锚定能够引起其它问题，诸如不需要的轴应变和可以损坏光纤的过量力。在连续型机器人中，光纤通常沿机器人的主干（backbone）放置，从而不能测量机器人的段的弹性变形。因为形状感测在连续型机器人的控制环中起重要作用，所以小的变形误差能够传播并引起尖端处的大的移位。

活动（active）设备或机器人能够具有不耐高压加热的马达/编码器。在该情况下，以薄聚合物膜遮盖机器人以保护移动部分。遮盖物通常是一次性的。测量沿机器人的主干的形状不考虑遮盖物的变形。归因于与遮盖物的接触，这可以引起与结构的碰撞或组织的辐照。

根据本原理，一种形状感测设备、系统和方法，包括：介入仪器，具有配置为在介入处置期间改变形状的接合区域。光纤以一图案设置在所述接合区上或附近以提供指示所述仪器的瞬时改变或当前位置或取向的光学信号。信号解释模块配置为接收所述光学信号并解释所述仪器的所述瞬时改变或当前位置或取向。

根据要结合附图阅读的本公开内容的示例性实施例的以下详细描述，本公开内容的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。

此公开内容将参照以下图详细介绍优选实施例的以下实施方式，其中：

图1是示出根据本原理的用于与医学仪器的光学形状感测一起执行处置的系统/方法的框/流程图；

图2是根据特别有用的实施例的具有起始位置感测的医学仪器的图；

图3是根据特别有用的实施例的具有正向和反向路径光学感测的医学仪器的图；

图4是特别有用的实施例中医学仪器的图，该仪器具有紧密辐射和端接的端部以确定仪器的尖端；

图5是根据特别有用的实施例的具有接合两个光纤段的分束器的医学仪器的图；

图6是根据特别有用的实施例的更详细地示出机器人的段部分及其盘（disk）的透视图，光纤图案设置在盘内；

图7是示出根据特别有用的实施例的具有设置在接合部内的光纤的机器人的结合部部分的图；

图8A是根据一个示例性实施例的包括光纤的片或膜的透视图；

图8B是根据一个示例性实施例的其上设置有图8A的片的机器人段的透视图；

图9是根据一个示例性实施例的其上或其中设置有子午线光纤段的体积形成仪器的透视图；以及

图10是示出根据一个示例性实施例的用于执行医学仪器的光学形状感测的方法的框/流程图。

根据本原理，利用光纤联接配置或几何结构来获得用于形状跟踪误差的探测和校正/校准的“内建”机构。沿仪器长度的直接联接不有助于误差特征化和随后的校正。另外，提供用于光纤联接的布置，除误差特征化外，其消除背散射恶化。给高度动态的设备提供光纤联接配置，高度动态的设备诸如是刚性机器人（例如，具有数个清楚地区别的结合部和接合部之间的刚性段的机器人）或连续型机器人（例如，具有多个接合部或段的机器人），在光学传感器的尖端处进行感测的问题是伴随有困难的和潜在地易于有误差的安装。

在特别有用的实施例中，光学感测设备和系统包括并入到仪器中的光纤或一组光纤，以及接口/连接器，以容许仪器之上的输运（backloading）（例如，引导线状的配置）。光学询问控制台包括处理器，该处理器实施形状确定程序或方法，该程序或方法容许内部程序上确定尖端位置和仪器的形状以及测量误差和置信区间。可以可选地采用电磁（EM）跟踪控制台或其它位置和取向感测技术，以增强来自光纤形状感测的定位测量。EM跟踪控制台可以包括用于混合跟踪功能性（例如EM和光学感测）的传感器线圈和场生成器。在一个实施例中，可以采用用于混合功能性的成像系统。

光纤可以以已知或预定几何结构（例如，沿光纤长度间隔的感测光纤的构图的花饰或螺旋绕组）联接至仪器以容许“现场”询问对于开始“参考”位置和光纤激励（launch）方向的跟踪误差和校准。光纤也可以联接至仪器，以在仪器尖端处形成连续的环/路径。这容许光学信号沿独立的光纤路径返回询问控制台，消除了仪器尖端处的光纤端接的需要。光纤传感器的正向和返回路径容许仪器形状的冗余/附加测量。形状确定或重建程序解释正向和返回路径光学信号校准、特征化、和重建，以产生提高的测量鲁棒性和性能。

在一个实施例中，可以提供光学形状感测台子与跟踪（例如，EM）或成像台子之间的数据连接以容许实时使用关于光纤行为的附加信息来提高导航/跟踪性能。

应当理解，将就医学仪器来描述本发明；然而，本发明的教导宽广得多并且可应用于跟踪或分析复杂的生物或机械系统中采用的任何仪器中。特别是，本原理可应用于生物系统的内部跟踪处置，身体的跨感兴趣的区域中的血管内、腔内、细胞间、和细胞内范围的所有区域中的处置，所有区域包括但不限于肺、胃肠道、排泄器官、神经结构、心脏、血管等。可以以硬件和软件的各种组合来实施描绘于图中的元件，并且该元件提供可以组合于单个元件或多个元件中的功能。

能够通过使用专用硬件以及能够运行与合适的软件有关联的软件的硬件来提供图中所示的各种元件的功能。当由处理器提供时，该功能能够由单个专用处理器、单个共享处理器、或多个独立处理器来提供，该多个独立处理器中的一些能够是共享的。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应视为排它地指能够运行软件的硬件，并且能够暗指包括，但不限于，数字信号处理器（“DSP”）硬件、用于存储软件的只读存储器（“ROM”）、随机访问存储器（“RAM”）、非易失性存储器等。

此外，于此记载本发明的原理、方面、和实施例及其特定范例的所有陈述意在涵盖其结构和功能等同物。附加地，其意图该等同物包括当前已知的等同物以及将来研发的等同物（即研发的执行相同功能的任何元件，而不管其结构）。从而，例如，本领域技术人员将理解，于此介绍的框图表示具体化本发明的原理的示例性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图表、流程图等表示基本上可以表示于计算机可读存储介质中并且从而由计算机或处理器运行的各种过程，而不管是否明确示出了该计算机或处理器。

此外，本发明的实施例能够采取从计算机可使用或计算机可读存储介质可存取的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品提供由计算机或任何指令运行系统，或结合计算机或任何指令运行系统，使用的程序代码。对于此描述来说，计算机可使用或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、传输、传播、或传送由指令运行系统、装置或设备使用或结合指令运行系统、装置或设备使用的程序的任何装置。介质能够是电子、磁、光、电磁、红外、或半导体系统（或装置或设备）或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可拆卸计算机软盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘和光盘。光盘的当前范例包括高密盘-只读存储器（CD-ROM）、高密盘-读/写（CD-R/W）和DVD。

现在参照图，其中，相似数字表示相同或类似元件，并且最初参照图1，示例性地描绘了一种用于执行医学处置的系统100。系统100可以包括工作站或控制台112，从工作站或控制台来监视和/或管理处置。工作站112优选地包括一个或多个处理器114和用于储存程序和应用软件的存储器116。存储器116可以存储光学感测模块115，光学感测模块115配置为解释来自形状感测设备104的光学反馈信号。光学感测模块115配置为使用光学信号反馈（和任何其它反馈，例如EM））来重建与医学设备或仪器102和/或其周围区域关联的变形、偏转和其它改变。医学设备102可以包括导管、引导线、探头、内窥镜、机器人、电极、过滤器设备、充气囊设备、或其它医学部件等。

形状感测设备104包括一根或多根光纤126，该一根或多根光纤126以设定的单个图案或多个图案耦合至设备102。光纤126通过缆线线路127连接至工作站112。根据需要，缆线线路127可以包括光纤、电和仪表等。

工作站112可以包括显示器118，用于在采用成像系统110时观看受试者131的内部图像。成像系统110可以包括磁共振成像（MRI）系统、荧光系统、计算机断层摄影（CT）系统等。显示器118还可以容许用户与工作站112及其部件和功能，或介入系统100内的任何其它元件互动。这还受到接口120的促进，接口120可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其它外围设备或控制以容许用户从工作站112反馈或与工作站112互动。

系统200可以包括EM跟踪或类似的位置或取向感测系统，该感测系统可以与工作站212集成或是独立的系统。EM跟踪系统包括EM感测模块117，用于解释处置期间由医学设备102生成的EM信号。医学设备102可以包括可以安装于设备102上的一个或多个EM跟踪传感器124。场生成器和控制模块122可以包括一个或多个线圈或跟踪应用中采用的其它磁场生成源。医学设备102将包括光纤形状感测绳设备104，其提供光学读数，该光学读数被重建为关于设备位置、取向和形状的信息。

可以与图像获取模块140一起来采用EM感测模块117和光学感测模块115以获取并显示处置的内部图像或另外地辅助对处置的活动的跟踪。

工作站112与光电子控制台互动，光电子控制台包括光源106以给光纤提供光。采用光学询问单元或模块108来探测从所有光纤返回的光。这容许确定由介入设备102感测的应变或其它参数，应变或其它参数将用于解释形状、取向或其它特性。将采用光信号作为反馈来对访问误差进行调整并校准设备102或系统100。

形状感测设备104包括一根或多根光纤连接配置，该连接配置适于利用它们的几何结构来获得“内建”机制，用于形状跟踪误差的探测和校正/校准。布置配置消除背散射恶化并提供误差特征化特征。提供光纤联接配置用于动态设备，诸如刚性机器人（例如，机器人接合部和接合部之间的刚性段）或连续型机器人（例如，具有多个分段的接合部的机器人），对于连续型机器人，在光学传感器的尖端进行感测的问题是伴随有困难且潜在地易于有误差的安装。

光学询问模块108与光学感测模块115（例如形状确定程序）一起工作以容许确定尖端的位置和取向以及仪器或设备102的形状。内部程序上确定测量误差和置信区间，并作为视觉反馈将它们提供给操作员用于要采取的进一步的优化步骤（包括但不限于设备的操作员操控的改变、处理算法的改变、处理所使用的测量的改变）。形状感测设备104的光纤可以以已知或预定几何结构联接至仪器102（例如，沿光纤长度间隔的感测光纤的构图的花饰（rosette）或螺旋绕组）以容许“现场”询问对开始“参考”位置和光纤激励方向的跟踪误差和校准。

光纤可以联接至仪器102以在仪器尖端处形成连续的环/路径。这容许光学信号沿独立的光纤路径返回到询问模块108、消除仪器尖端处光纤端接的需要。光纤传感器的正向和返回路径容许对仪器形状的冗余/附加测量。形状确定或重建程序115说明（account for）正向和返回路径光学信号校准、特征化和重建，以产生提高的测量鲁棒性和性能。在一个实施例中，光学形状感测模块115、EM感测模块117以及任何其它跟踪或成像台子110可以协同操作以容许实时使用关于光纤行为的附加信息来提高导航/跟踪性能。

参照图2，示例性地描绘了根据一个实施例的形状感测光纤202的范例实施例。形状感测光纤202联接至细长仪器（例如，设备102），使得在光纤跟踪起始点204提供已知几何结构的校准图案以提供关于参考原点和光纤激励取向的信息。在本范例中，采用光纤环206来确定起始位置或点204。可以执行形状估计，考虑已知的校准几何结构以容许对在介入处置期间引入的形状误差进行探测、量化、和校正。例如，如果设备102包括导管、则能够使用一根或多根形状感测光纤202来确定导管的偏转和取向。采用（与其它数据一起）光纤202相对于设备102以及相对于光纤自身的几何结构来确定归因于设备102的移动和使用的改变和误差。

在一个实施例中，还利用原点204处的一个或多个传感器208来增进形状感测校准图案，以获得关于光纤跟踪起始点204和取向的进一步的信息，一个或多个传感器208例如是微型EM传感器线圈。以此方式，可得到混合光学形状感测和基于EM的定位来查明设备102中的改变。

在另一实施例中，还利用光学、光声、或其它成像可见标记210来增进形状感测校准图案，以容许来自光学跟踪的进一步的信息或关于光纤跟踪起始点204和取向的其它可得到的成像信息。以此方式，提供了混合光学形状感测和基于成像的定位。也可以使用EM跟踪和其它技术。此外，可以采用这些技术的任何组合来进一步支持光纤感测图案定位。

在另一实施例中，可以沿光纤长度以限定间隔重复多个校准图案，以容许对可能在光纤段或部分上累积的任何形状误差的自动探测、特征化、和校正。图2示例性地示出了可选地沿光纤202的长度间隔开的附加光纤环212。在设备102的远端部分提供附加较大环214。这可以提供来自设备102的尖端的附加信息。在所有情况下，配置几何结构提供单个或多个约束，该单个多个约束能够用于使形状估计生效并且在需要的时候校正错误的重建。

参照图3，另一实施例包括光纤302，光纤302缠绕设备102，使得正向形状感测光纤路径“A”环绕设备102的尖端304，从而形成朝向工作站112中的询问模块108的返回路径“B”（见图1）。返回光纤306的末端能够耦合至光探测器308（例如，在光学询问模块108处），光探测器308用于测量传输的光信号（正向传输光）用于待在形状重建中使用的附加测量。能够测量正向传输光、增进可从背反射光学信号获得的观测结果，该背反射光学信号通常用于光纤形状询问。应当理解，光纤302/306可以内部安装在设备102中，或者具有光纤的设备102可以包覆有护套等。

虽然通过单个光纤路径行进的背反射信号具有归因于对双折射自动补偿的特定优势（减小光纤形状改变时对偏振控制的调整的需要）和比正向传输光好的信噪比特征，但是正向传输信号的测量结果描述能够用于提高形状跟踪性能的附加光学信息。换句话说，测量沿路径A反射回的光以及从路径A至路径B行进的光以提供关于设备102的附加信息，其位置、取向、误差等。

通过设定对应的形状计算参考点，也能够对正向路径、返回光纤路径或该二者执行形状重建。在计算了正向和返回路径的全部或分段形状数据的情况下，此信息与光纤路径的已知的起始和结束参考位置一起能够用于共有路径误差校正（因为路径在连接于控制台或工作站112处的起始和结束点处可以形成环）。从已知参考点开始，形状计算的误差将朝向段的末端累积。如果利用多个已知的参考点以使用正向和返回光学路径来进行计算，则能够以高精度重建相对形状。从已知参考位置（例如，询问控制台内的光纤末端端接点或光纤起始参考点）开始，也可以基于彼此交叠或交错的高精度相对形状段的可获得性来计算绝对形状。

另一因素是选择最佳激光器参数，诸如针对该延长的光纤长度应用的波长扫描频率、带宽和步长大小。这些参数必需是以可获得的激光源可实现的并且必需选择为对于精确的形状计算在延长的长度上获得足够高的测量分辨率。作为替代，通过返回路径传输的光能够耦合到询问模块108内的光学吸收介质中（与在仪器尖端处的表示先前描述的组织的耦合介质相反）。利用容许紧弯曲半径的塑料光纤，能够以紧曲率半径形成正向和返回路径，容许在具有小的尖端直径的介入仪器内使用。

参照图4，在不期望正向传输信号的测量结果的情况下，消除尖端304处的菲涅耳反射的替代机械方法是在设备102的末端处的光纤402中形成紧环404，该环具有足够小的曲率半径以在光纤402中感生大的光损耗。对于导管的范例，光纤402沿其长度以设定图案配置，并且光纤402能够成环以在其远端尖端形成小的（半）圆并且然后正好结束，优选地在环404的末端具有棱角被磨光的界面406。

参照图5，在另一实施例中，单芯光纤502和504能够按照限定的路径和几何结构安装在细长设备102上。在设备102的远端304，能够使用基于光纤的分束器506来连接光纤502和504，或者两根或更多单芯光纤能够沿细长设备正向和反向放置（如图2中），在远端尖端处，光纤202的曲率半径（图2）受到光纤的最小弯曲角的限制（例如，总的光纤直径的15倍，即对于150微米的光纤为2.25mm）。这模拟了多芯光纤装备，但是具有较大的光纤间间距。现在能够对每一根单芯光纤的正向和反向路径执行应变感测，因为它们的原始几何关系是已知的，能够根据那些应变值来计算形状。也能够根据单芯应变值接合合适的反转模型来计算形状，反转模型与具有应变测量分布和取向的可变形几何结构相关。该装备也提供的优点是，在给予较小的单芯光纤的直径时，在远端处，较小的最小半径是可能的（与多芯形状感测光纤相比）。

参照图6，示例性地示出了连续型机器人的部分600。连续型机器人设计600具有与一个或多个主干606连接的轴向取向的刚性部分602和604。光纤608可以以螺旋缠绕在刚性部分602或604（例如，盘）的两个正面610、611和侧面612上，使得螺旋从盘或部分602的远端正面的中心朝外卷绕，绕侧面612成环，并且朝里朝向盘602的近端正面611的中心卷绕。光纤602能够放置在盘602与604之间的主干606中。能够提供用于光纤放置的脊或其它机械特征。光纤606也能够卷绕回询问模块108，如先前实施例中所描述的。

围绕刚性部分602缠绕的光纤606的部分用作折衷感测的指示器，假定螺旋绕组的确切形状是已知的并且不发生改变。优点包括沿中心以及在机器人600的侧面上感测形状，并且机器人的侧面612上（以及机器人600上的其它地方）的固定布置容许误差测量和控制。

参照图7，示例性地示出了刚性机器人接合部700。光纤702放置在形成于机器人的表面中或上或穿过机器人的身体形成的单个或多个通道中，在不包括接合部的所有区域中。光纤702在接合部的区域中在空气中（或由聚合物或类似材料制成的保护片中）是松散的。接合部中的光纤的长度最小等于接合部的最大延伸，以避免在机器人移动时撕裂和扣住。在此配置中，不是在接合部中感测形状。然而，假定机器人具有刚性段704、706，则知道段的位置能够给出整个机器人的完全位置。光纤能够以已知几何图案布置。此途径的优点包括感测刚性机器人的形状，而不明确地感测接合部区域，以容许简单的安装和维护。避免了接合部中的轴向应变，并且几何图案容许在光学感测中对误差进行测试。

参照图8A和8B，特别是对于连续型和刚性机器人设计，能够使用已知制造方法将光纤802嵌入薄的聚合物片804中（图8A）。例如，能够将光纤802嵌入例如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、具有与人的皮肤类似的弹性的硅聚合物中，然而可以采用其它材料。嵌入的光纤802的图案可以包括螺旋绕组、Z字形曲折图案等。片804能够绕机器人身体806缠绕（图8B）并且联接至机器人的非活动部分。例如，在连续型机器人中，膜804能够联接在最远端和最近端刚性部分之间。一次性或耐高压加热的外科末端执行器可以耦合至机器人的最远端部分，使得其不需要遮盖（draping）。另外，聚合物膜804能够具有独特的遮盖位置以容许跟踪机器人的旋转。例如，膜的顶和底部能够具有独特地配合机器人的刚性部分上的销子的孔（未示出）。此途径的优点可以包括，围绕机器人感测形状，容许精确的碰撞避免。一次性片804简化了机器人的维护。

应当理解，图8A和8B包括蜿蜒光纤，可以采用其它图案，包括环或不同形状、光纤交叉、光纤边界等。还应当理解，可以定制膜或片804以代替机器人或除机器人外，包括待施加至产品的段或刚性部分的不同形状或特征。

参照图9，为感测体积形成仪器902的形状、尺寸和取向，该仪器诸如是充气囊导管或具有多个通道的近距治疗设备，从可膨胀/可压缩体积914的第一“极”910至第二“极”912子午线状延伸的光纤904、905、906能够在该极处成束，由此在该束中提供多个光纤部分，该多个光纤部分已知为彼此具有相同形状和仅小的横向移位（例如，在光纤直径的量级）。与没有固定相对形状和位置的部分的光纤布置相比，极束中形状/定位信息的冗余容许子午线光纤部分中的光纤形状感测误差的减小以及仪器的形状、尺寸和取向的更精确的估计。子午线光纤部分能够串联连接，一根子午线光纤部分在极束的末端成环回到另一根子午线光纤部分，或者子午线光纤部分能够在涵盖在上述实施例中的配置中嵌入有独立的形状感测光纤（如图9中所示）。

应当理解，于此描述的实施例能够与任何其它实施例组合，以实现本原理的期望的方面。本实施例使得能够进行用于处置介入的任何细长仪器的实时特征化，其中，需要设备的形状或配置，以提高导航/瞄准的精度。

参照图10，框/流程图示例性地示出了用于医学设备的形状感测的方法。在块1002中，提供了介入仪器，该介入仪器具有一个或多个接合区域，一根或多根光纤设置在仪器的该一个或多个结合区域上或附近的图案中。介入仪器可以是包括一个或多个刚性段的机器人，且该一根或多根光纤设置在该一个或多个刚性段内，或者机器人可以包括接合部，且该一根或多根光纤设置在通过接合部连接的构件内。

该一根或多根光纤可以设置在柔性片内，柔性片耦合至仪器，用于感测仪器上的形状。仪器可以包括体积形成部分，且该一根或多根光纤可以在极处成束，用于感测该部分的形状。

光纤可以以于此描述的许多设定的图案和取向配置。例如，光纤可以在仪器上或中包括两个或更多光纤段，其中光纤段与仪器的尖端处的分束器耦合，使得在分束器处的光损耗指示尖端。另一范例包括提供在仪器的尖端处端接的光纤，使得光纤中的光损耗指示该尖端。

在块1006中，询问（例如，使用询问模块和源）该一根或多根光纤以提供指示仪器的瞬时改变或当前位置或取向的光学信号。也基于附加数据或位置比较和校准解释了误差。

在框1008中，解释接收的光学信号以限定仪器的瞬时改变、当前位置或取向和校准误差。可以使用返回的正向信号和背反射来解释光学信号。其它功能可以包括EM跟踪、成像等，以确认（confirm）或增强收集的光学数据。解释包括确定起始和/或结束位置，对仪器的监控在块1010中在该起始和/或结束位置开始。

在块1012中，在医学处置期间，更新仪器、位置、或校准、误差等并将其实时报告给用户，使得可以作出关于处置和计划下一行动的决定。

在解释所附权利要求时，应当理解：

a）词语“包括”不排除给定权利要求中列出的那些元件或行为以外的其它元件或行为的存在；

b）元件之前的词语“一”不排除多个该元件的存在；

c）权利要求中的任何参考符号不限制它们的范围；

d）数个“构件”可以由相同项或硬件或软件实施的结构或功能来表示；并且

e）除非特别指出，不旨在要求行为的特定顺序。

已经描述了对于用于光学形状感测光纤的设备、系统和方法的优选实施例，该光学形状感测光纤用于医学仪器的尖端和形状特征化（其意图进行示例而非限制），需要注意，根据上述教导，本领域技术人员能够进行修改和变更。因此，应当理解，可以对公开的公开内容的特定实施例进行改变，该改变在于此公开的由所附权利要求略述的实施例的范围内。从而已经描述了专利法所需的细节和特性，在所附权利要求中提出了由专利证书所保护的声称和期望的东西。

Claims (34)

1.一种形状感测设备，包括：

介入仪器（102），具有配置为在介入处置期间改变形状的一个或多个接合区域；

一根或多根光纤（202），以一图案设置在所述接合区上或附近以提供指示所述仪器的瞬时改变或者当前位置或取向的光学信号；以及

信号解释模块（115），配置为接收所述光学信号并解释所述仪器的所述瞬时改变或当前位置或取向。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述一根或多根光纤（202）设置在所述仪器上或其中，并且所述光学信号包括返回信号和背反射。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述一根或多根光纤包括所述仪器上或其中的两个光纤段（502，504），并且所述光纤段与所述仪器的尖端处的分束器（506）耦合，使得所述分束器处的光学损耗指示所述尖端。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述一根或多根光纤包括在所述仪器的尖端处端接的光纤（402），使得光纤中的光学损耗指示所述尖端。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述一根或多根光纤（202）配置为指示对所述仪器的监控开始的起始位置（204）。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述起始位置（204）包括用于确认所述起始位置的传感器（208，210）。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述传感器包括电磁跟踪传感器、光声传感器或标记器之一。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述介入仪器包括一个或多个刚性段（602，604），并且所述一根或多根光纤设置在所述一个或多个刚性段内。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述介入仪器包括接合部（700），并且所述一根或多根光纤设置在通过所述接合部连接的构件（704，706）内。

10.如权利要求1所述的设备，其中，所述一根或多根光纤设置在柔性片（804）内，所述柔性片耦合至所述仪器，用于感测形状。

11.如权利要求1所述的设备，其中，所述仪器包括体积形成部分（914），并且所述一根或多根光纤在极处成束，用于感测所述部分的形状。

12.一种用于对医学仪器进行形状感测的系统，包括：

处理器（114）；

存储器（116），耦合至所述处理器；

一根或多根光纤（126），以一图案设置在介入仪器的接合区域上或附近以提供指示所述仪器的瞬时改变或者当前位置或取向的光学信号；以及

光学询问模块（108），配置为与所述一根或多根光纤进行互动，以生成所述光学信号；以及

形状确定模块（115），存储在存储器中，并配置为确定所述仪器的位置和形状，并在处置期间基于来自所述一根或多根光纤的所述光学信号来计算测量误差。

13.如权利要求12所述的系统，还包括电磁跟踪系统（122，124），以容许对所述仪器的同时跟踪。

14.如权利要求12所述的系统，还包括成像系统（110），以容许对所述仪器的同时跟踪。

15.如权利要求12所述的系统，其中，所述光学询问模块（108）配置为容许询问所述仪器的位置的跟踪误差和校准。

16.如权利要求12所述的系统，其中，所述形状确定模块（115）包括存储在计算机可读存储器中的说明正向和返回路径光学信号的程序。

17.如权利要求12所述的系统，其中，所述一根或多根光纤（126）在所述仪器中或上卷绕，并且所述光学信号包括返回信号和背反射。

18.如权利要求12所述的系统，其中，所述一根或多根光纤包括所述仪器上或其中的两个段（502，504），并且所述光纤段与所述仪器的尖端处的分束器（506）耦合，使得所述分束器处的光学损耗指示所述尖端。

19.如权利要求12所述的系统，其中，所述一根或多根光纤包括在所述仪器的尖端处端接的（404）光纤，使得光纤中的光学损耗指示所述尖端。

20.如权利要求12所述的系统，其中，所述一根或多根光纤配置为指示对所述仪器的监控开始的起始位置（204）。

21.如权利要求20所述的系统，其中，所述起始位置包括用于确认所述起始位置的传感器（208，210）。

22.如权利要求12所述的系统，其中，所述介入仪器包括一个或多个刚性段（602，604），并且所述一根或多根光纤设置在所述一个或多个刚性段内。

23.如权利要求12所述的系统，其中，所述介入仪器包括接合部（700），并且所述一根或多根光纤设置在通过所述接合部连接的构件（704，706）内。

24.如权利要求12所述的系统，其中，所述一根或多根光纤设置在柔性片（804）内，所述柔性片耦合至所述仪器，用于感测形状。

25.如权利要求12所述的系统，其中，所述仪器包括体积形成部分（914），并且所述一根或多根光纤在极处成束，用于感测所述部分的形状。

26.一种用于对医学设备进行形状感测的方法，包括：

提供（1002）介入仪器，所述介入仪器具有一个或多个接合区域，一根或多根光纤以一图案设置在所述仪器的所述一个或多个接合区域上或附近；

询问（1006）所述一根或多根光纤，以提供指示所述仪器的瞬时改变或者当前位置或取向的光学信号；以及

解释（1008）接收的所述光学信号，以限定校准误差以及所述仪器的所述瞬时改变、当前位置或取向。

27.如权利要求26所述的方法，其中，解释（1008）包括使用返回信号和背反射来解释所述光学信号。

28.如权利要求24所述的方法，其中，提供（1002）包括在所述仪器上或中提供两个光纤段，其中所述光纤段与分束器在所述仪器的尖端处耦合，使得所述分束器处的光学损耗指示所述尖端。

29.如权利要求26所述的方法，其中，提供（1002）包括提供在所述仪器的尖端处端接的光纤，使得光纤中的光学损耗指示所述尖端。

30.如权利要求26所述的方法，其中，解释（1008）包括确定（1010）对所述仪器的监控开始的起始位置。

31.如权利要求26所述的方法，其中，提供（1002）包括提供一个或多个刚性段，并且所述一根或多根光纤设置在所述一个或多个刚性段内。

32.如权利要求26所述的方法，其中，提供（1002）包括提供接合部，并且所述一根或多根光纤设置在通过所述接合部连接的构件内。

33.如权利要求26所述的方法，其中，所述一根或多根光纤设置在柔性片（804）内，所述柔性片耦合至所述仪器，用于感测所述仪器上的形状。

34.如权利要求26所述的方法，其中，所述仪器包括体积形成部分（914），并且所述一根或多根光纤在极处成束，用于感测所述部分的形状。

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