CN108351295A - 用于使用光纤形状感测生成解剖目标的三维数据的设备和方法 - Google Patents

用于使用光纤形状感测生成解剖目标的三维数据的设备和方法 Download PDF

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Abstract

光纤外壳包含多个形状感测芯以及单个光芯。光纤外壳的远端可定位成将单个光芯引导至解剖目标的当前点。准直光在频率的第一范围内从单个光芯投射到当前点。OFDR用于检测从当前点散射的反射光，并且处理检测的光以确定到当前点的距离。光在频率的第二范围内通过多个形状感测光芯投射到光纤外壳的所述远端。OFDR用于测量通过多个形状感测光芯从光纤外壳的所述远端反射回的光，并且处理测量值以确定光纤外壳的所述远端在三维空间中的位置以及光纤外壳的远端的指向方向。基于光纤外壳的远端在三维空间中的确定的位置、光纤外壳的远端的指向方向以及确定的距离而确定当前点在三维空间中的位置。

Description

用于使用光纤形状感测生成解剖目标的三维数据的设备和 方法
相关申请
本专利申请要求2015年12月14日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FORGENERATING 3-D DATA FOR AN ANATOMICAL TARGET USING OPTICAL FIBER SHAPESENSING”的美国临时专利申请62/266,879的优先权以及申请日的权益，所述申请通过引用全文并入本文中。
技术领域
本技术涉及用于提供位置和取向信息的基于干涉测量的光纤位置感测。
背景技术
光学应变感测可用于测量由例如光纤的张力、压缩或温度变化引起的光纤的物理变形。多芯光纤由嵌入单光纤内的若干独立的波导或芯组成。通过使用扫频波长干涉法解释芯的光学响应，可以获得沿着芯的长度的连续应变测量。在了解芯沿着光纤长度的相对位置的情况下，可以组合这些独立的应变信号以获得施加到多芯光纤的应变分布的测量。光纤的应变分布是在高(例如，小于50微米)样本分辨率下沿着光纤长度施加的弯曲应变、扭转应变和/或轴向应变的测量。在通过引用并入本文的弗洛格特(Froggatt)等人的标题为“Optical Position and/or Shape Sensing”的共同转让的美国专利8,773,650中详述的已知为光学位置和/或形状感测的技术中，此应变分布信息用于重构光纤的三维位置。
断层扫描光学系统获得所扫描对象的特定截面的虚拟“切片”(断层扫描图像)。这些虚拟切片允许用户看到对象(例如，人体解剖目标)内部，而不需要物理地切割对象。断层扫描涉及从通过解剖目标透射的或从解剖目标反射的多个方向收集投射数据。所述投射数据随后通过重构算法处理以生成虚拟切片。不利的是，已知的断层扫描方法要求以高准确度和精确度获知发射器方位和检测器方位中的每一个。
常用形式的断层扫描包含CAT扫描、PET扫描和MRI扫描。例如，CAT扫描在不同位置使用多个x射线检测器，以测量从位于多个不同位置处的x射线发射器发出的x射线。由于CAT扫描仪较大并且在解剖目标之外，因此非常准确和精确地确定这些不同位置的坐标是相对容易的任务。
光学相干断层扫描(OCT)使用可见光或近红外光代替x射线，并且使用反射光代替透射光。然而，OCT不能深入组织并且通常可以仅扫描到毫米级的深度，例如，几毫米到几厘米。由于扫描深度限制，有必要将OCT探针放置于解剖目标内，以便有效地扫描解剖目标腔内的组织。将期望能够以更深深度执行OCT扫描。具有更大OCT测量范围，使得组织的表面可以从远距离定位和探测也将是有用的。
更进一步，能够执行轮廓测量将是有用的，其中测量解剖目标腔(例如，腹腔、肺、嘴、喉、鼻或耳)的外表面。这些测量值随后可以用于将先前拍摄的CAT扫描(或PET扫描或MRI扫描)记录到外科医生正努力提供CAT扫描图像与当前可见组织的“叠加”的坐标系。
尽管可以确定从OCT源的反射距离以及扫描镜子或光纤旋转时在测量之间的相对角度，但是难以确定源的绝对位置和角度。例如“FaroArm”的机器使用具有高分辨率编码器的多个铰接节段来测量三维方位和角度。但是例如CAT、PET和MRI机器等的FaroArm机器太大而无法放置于人类解剖目标内，甚至太具有侵入性而无法在手术室中的解剖目标外使用。
发明内容
本发明人认识到，形状感测光纤以及光纤形状测量系统可以用于使用小型、廉价且不引人注目的装置(例如，200微米直径光纤)以高准确度提供在背景技术中确认的期望测量。本申请中描述的技术使用形状感测光纤以及光纤形状测量系统来生成与外科医生正手术的区域处以及区域周围的组织分布有关的信息。所述技术还可以在解剖目标之外和/或之内执行三维扫描以映射组织表面和/或识别子表面特征。
在示例性实施例中，光纤外壳包含多个形状感测芯以及单个光芯。光纤外壳的远端可定位成将单光芯引导至解剖目标的当前点。当前点可以在解剖目标中或在解剖目标上。来自单个光芯的准直光在多个频率的第一范围内投射到当前点。光频域反射仪(OFDR)用于检测从当前点散射的反射光，并且处理检测到的光以确定到当前点的距离。光通过多个形状感测光芯在多个频率的第二范围内投射到光纤外壳的远端。OFDR用于测量通过多个形状感测光芯从光纤外壳的远端反射回的光，并且处理测量到的光以确定光纤外壳的远端的三维空间中的位置以及光纤外壳的远端的指向方向。光纤外壳的远端的三维空间中的所确定位置、光纤外壳的远端的指向方向以及所确定距离被用于确定当前点的三维空间中的位置。
光纤外壳的远端的指向方向可以表示为沿着指向轴线指向光纤外壳的远端方向的单位向量。单位向量乘以所确定距离以产生反射距离向量，并且光纤外壳的远端的三维空间中的所确定位置与所述反射距离向量组合，以产生当前点的三维空间中的所确定位置。
在示例性实施方式中，光纤外壳包含用于使针对单个光芯的光准直的准直器。从准直器处的反射到从当前点散射的第一反射的时间延迟指示从光纤外壳的远端到当前点的距离。
在示例性实施方式中，多个芯和单个芯处于相同光纤或不同光纤中。
在示例性实施方式中，多个芯和单个芯彼此以已知位置关系固定。
在示例性实施方式中，通过将光纤外壳的远端引导在不同的当前点处以及针对每个当前点重复上述步骤，生成用于解剖目标的至少一部分的三维数据集。对于一个示例应用，针对人或动物中的腔体生成数据集，在这种情况下，三维数据集提供关于外科医生正在手术的解剖目标中的区域的组织分布的信息。此外，可以基于三维数据集而生成解剖目标的表面的至少一部分和/或解剖目标的表面下方的断层扫描图。又一应用是使用三维数据集来指引解剖目标中的腔体。
示例性实施例中的技术的另一方面包含检测由解剖目标组织的运动引起的反射光中的相对光学相移，以及基于检测到的光学相移针对解剖目标组织的运动补偿三维数据集。
示例性实施例中的技术的另一方面包含确定在解剖目标之外的点的三维空间中的位置以确定解剖目标在三维空间中的方位，以及使用解剖目标外部在三维空间中的所确定方位以及解剖目标的基于辐射的扫描来确定解剖目标内的一个或多个结构在三维空间中的方位。例如，基于辐射的扫描是CAT、PET或MRI扫描。
另一示例性实施例涉及一种具有光纤外壳的干涉测量系统，所述光纤外壳包含多个形状感测芯以及单个光芯。光纤外壳的远端可定位成将单个光芯引导至解剖目标中或解剖目标上的当前点。所述系统包含可调谐光源，所述可调谐光源通过单个光芯和准直器在多个频率的范围内将光投射到当前点。所述系统还包含电路系统，所述电路系统检测从当前点散射的反射光，并且处理检测到的光以使用光频域反射仪(OFDR)确定到当前点的距离。可调谐光源通过多个形状感测光芯在多个频率的范围内将光投射到光纤外壳的远端。电路系统使用OFDR测量通过多个形状感测光芯从光纤外壳的远端反射回的光，并且处理测量值以确定光纤外壳的远端的三维空间中的位置以及光纤外壳的远端的指向方向。最终，电路系统基于光纤外壳的远端的三维空间中的所确定位置、光纤外壳的远端的指向方向以及所确定距离来确定当前点的三维空间中的位置。
附图说明
图1A示出多芯形状感测光纤的示例性截面；
图1B示出单芯距离或范围感测光纤的示例性截面；
图2至图4是说明示例性准直器的图式；
图5示出与单芯距离感测光纤(“光纤对”)一起定位的多芯形状感测光纤的示例；
图6示出嵌入位于解剖目标内的光纤外壳内的光纤对的示例；
图7说明通过单芯光纤发送以及发送到解剖目标中的光的时域响应的图示；
图8在两轴线平面中说明了使用从多芯形状感测光纤和单芯准直光纤产生的坐标和取向信息的解剖目标的表面上的反射点的示例性确定；
图9示出了在实施例中用于将多个点定位在解剖目标表面上的光纤外壳尖端的多个位置和取向；
图10说明了从解剖目标的表面和子表面特征的散射的示例；
图11是示出反射和光学路径延迟/距离的示例的反射功率对时间延迟的示例图示；
图12是说明用于使用光纤对和基于OFDR的分布式应变测量系统确定解剖目标中的反射点的三维空间中的方位的示例性的基于OFDR的断层扫描过程的流程图；
图13示出示例性的基于OFDR的分布式应变测量系统；
图14是说明用于操作图13中的基于OFDR的分布式应变测量系统的示例性过程的流程图；
图15示出示例性基于反射的断层扫描系统；
图16说明了具有多个检测器的示例性的基于透射的断层扫描系统；
图17示出了示例性单个发射器/单个接收器基于透射的断层扫描系统；
图18示出了基于OFDR的断层扫描系统的示例性外科手术机器人应用；以及
图19示出了用于确定解剖目标在空间中的方位的基于OFDR的断层扫描技术的另一示例性应用。
具体实施方式
本申请中描述的技术使用成对的形状感测光纤和单芯光纤提供人、动物或其它有机或无机解剖目标内部和/或外部的三维扫描。形状感测光纤提供位置和取向信息，并且单芯光纤向正被扫描的解剖目标上或解剖目标中的(一个或多个)点提供距离或范围信息。
形状感测光纤允许使用光频域反射仪(OFDR)技术精确地确定单芯光纤发射器在解剖目标内部或外部的方位和指向方向。单芯光纤发射器包含在其发射(远)端处的准直器，并且提供从反向散射到准直器中的光到解剖目标中或解剖目标上的当前点的距离并且使用OFDR进行处理。可以获得解剖目标中或解剖目标上的当前点在三维中的位置，因为单芯光纤发射器的三维位置和指向方向(其可以通过一些其它测量等表示为指向角)从形状感测光纤已知并且从光纤尖端到解剖目标中或解剖目标上的当前点的距离从单芯光纤已知。现在描述本技术的示例性的基于反射的断层扫描实施例。
图1A示出包含四个光芯A-D的多芯形状感测光纤10的示例性截面，其中芯B是中心芯并且芯A、C和D围绕芯B间隔开。图1B示出具有单光芯E的单芯距离或范围感测光纤12的示例性截面。
通过将单芯E包含在形状感测光纤10内，例如靠近芯B或形状感测光纤10中的其它地方，单芯E可以与多芯A-D配对。在一些情况下，单芯E可以包含在其自身光纤12中，所述光纤在使用时紧邻形状感测光纤10定位。有利于包含形状感测光纤10中的芯E的前一种方法的示例性情况是，对于用于芯A-E之间的对准的物理尺寸，需要集成光纤以向系统的用户提供一根光纤等。有利于将光纤12中的芯E配置成与光纤10中的芯A-D分离的后一配对的示例性情况是在其优选地用于芯E的光学器件时；例如，在一些实施例中，当单芯E具有或配备有准直光学器件时，可能难以在形状感测光纤10的末端提供可接受的终止。为便于说明，以下示例性实施例提供两个光纤对的讨论并且这些技术还适用于单光纤实施例。
为了执行由单芯E提供的距离/测距测量，示例性实施例使在单芯E的远端/指向端处发射和接收的光准直。光准直可以通过多种方式完成。图2中示出一个示例，其中光纤12的末端被融化并且允许形成弯曲表面14，所述弯曲表面近似于趋于使光准直(准直光束162)的凸透镜。此准直器实施例便宜、简单并且小型，但未必与其它准直器一样有效，并且取决于透镜形成过程的细节可能足以或可能不足以满足特定应用。
图3和图4说明了示例性准直器，所述准直器的一些实施例可能比图2中所示的示例的准直器更有效。图3示出具有其准直光束163的微型GRIN(梯度折射率)透镜准直器17，并且图4示出具有其准直光束164的球透镜准直器20。
单芯光纤12可以例如在其相应末端处结合到多芯形状感测光纤10，使得可以从多芯形状感测光纤10确定单芯光纤12的所有六个自由度(x、y、z、翻滚、俯仰、和偏航)，以提供远端的位置和指向方向(例如，提供为指向角、某一其它测量值等)。图5示出与具有准直器20的单芯距离光纤12一起定位的多芯形状感测光纤的示例。所述单芯光纤和多芯形状感测光纤一起称为光纤对。
在一个示例性实施例中，成对光纤10和12被嵌入光纤外壳中，所述光纤外壳被插入到解剖目标内的腔体中。图6示出了示例。两根光纤10和12包含在光纤外壳18内，所述光纤外壳位于解剖目标20的腔体24内。光纤外壳18的示例包含导管、导管腔、非导管外壳等。准直地离开单芯光纤12的光在当前点遇到内部解剖目标表面22并且散射。一些散射将是朗伯型(Lambertian)(全向)，并且这种光的一部分散射回到与光纤12相关联的准直光学器件中并且通过光纤12的光芯E行进返回。尽管损失可能是可忽略或显著的，但是OFDR非常敏感，并且感测系统可以被设计成使得反向散射足以使用OFDR分辨解剖目标表面或子表面。
图7说明了通过单芯光纤12发送以及发送到解剖目标20中的光的时域响应的示例性图示。从准直器20处的反射到第一大反射的时间延迟是从单芯光纤12的末端到第一解剖目标表面的距离的指示。光在空气中的速度“c”用于将测量的往返时间延迟转换成从单芯光纤12的远端到第一组织表面的距离L，其中延迟＝2L/c，c是光速。
图8在两轴坐标平面中说明了使用从多芯形状感测光纤10的坐标和取向信息以及从单芯光纤12的距离信息的解剖目标的表面22上的反射点的示例性确定。图8的说明类似于图6中所示的示例的二维映射。可以使用形状感测光纤10以及从光纤对尖端到反射点(p,q)的距离来确定单芯光纤12尖端(远端)的位置和角度。单芯光纤12尖端的位置和角度信息可以用于确定解剖目标中的反射点的空间中的方位。在图8中，光纤外壳18被显示为在扫描操作中移动到四个不同位置P1-P4。可以控制例如机械臂(例如，参看图18的机械臂104)的致动器，以将光纤外壳18移动到解剖目标腔体24中并且将光纤外壳18的尖端指向不同位置P1-P4处。指向位置P2具有垂直坐标y和水平坐标x。指向方向在x-y平面中被表示为指向角度θ，并且从光纤外壳18的尖端到解剖目标的表面22上的当前点p,q的长度被示为L。在各个实施例中，根据从形状感测光纤10获得的信息确定θ，并且如上所述结合图7确定L。
图9类似于图8并且示出用于将多个点定位在解剖目标20的内部目标表面22上的光纤外壳18尖端的多个位置P1-P4和取向。
通过不同位置和角度合适地扫描光纤外壳18尖端生成(一个或多个)散射表面的三维数据集。(一个或多个)散射表面的三维数据集可以用于生成那些表面的三维映射和/或可以用于解剖目标20内的导航。
图10说明了从解剖目标20的表面30和子表面32特征的散射的示例。图11中所示的反射功率对时间延迟的时域反射图示出超出初始组织表面30的检测到的子表面散射。在各个实施例中，波长1微米的光应能够穿透若干毫米进入解剖目标组织中，并且可以用于确定所扫描表面30下方的解剖结构。可以使用与用于找到组织表面的过程类似的过程来生成子表面特征的映射，同时还考虑引起准直光束折射(弯曲)并改变光速的组织内的折射率差。
图12是说明用于使用光纤对和示例性的基于OFDR的分布式应变测量系统确定解剖目标中的反射点的三维空间中的方位的示例性基于OFDR的断层扫描过程的流程图。单芯光纤和准直器与多芯形状感测光纤的远端相邻定位(步骤S1)。(单芯和多芯光纤的)光纤对包含在光纤外壳(例如，导管腔)中，并且定位成使得准直光可以朝向解剖目标中或解剖目标上的当前点离开光纤外壳的末端(步骤S2)。准直光在多个频率的范围内从单芯投射到解剖目标中或解剖目标上的当前点(步骤S3)。使用OFDR系统和单芯光纤(参看图11)基于从光纤外壳的末端的返回反射而确定从光纤外壳的尖端到解剖目标中或解剖目标上的当前点的距离L反射(步骤S4)。光还通过多芯形状感测光纤的多个形状感测芯在多个频率的范围内投射到光纤外壳的远端(步骤S5)。使用多芯形状感测光纤和多信道OFDR系统测量光纤外壳尖端的三维位置和指向方向(步骤S6)。指向方向可以被表示为单位向量(量值1并且指向准直器方向)(步骤S7)。向量乘以到反射点的测量的距离L反射(步骤S8)。此新向量被添加到多芯光纤远端的位置：并且提供在反射点的三维空间中的方位(步骤S9)。使用此过程确定许多方位映射出解剖目标或腔体的表面。如果生成来自解剖目标或腔体(组织的内部)的表面之外的数据，则可以构造作为子表面组织的三维描述的断层扫描映射。
现结合图13到图15提供用于实施基于OFDR的断层扫描的单信道和多信道OFDR系统操作的一些技术描述。图13示出示例性单信道基于OFDR的分布式测量系统，所述系统包含光学耦合到干涉询问器54和激光监视器网络52的可调谐光源50。光纤传感器56通过循环器耦合到干涉询问器54的测量臂。干涉询问器54的参考和测量臂以及来自激光监视器网络52的输出耦合到光电二极管检测器，所述光电二极管检测器连接到数据采集电子设备58。测量数据从数据采集电子设备58提供到系统控制器数据处理器60。单信道对应于单光纤芯。
图14是说明用于操作图13中的基于OFDR的分布式测量系统的示例性过程的流程图。在OFDR测量期间，通过一系列光学频率扫掠可调谐光源50(步骤S11)。此光通过使用光学耦合器而分开并路由到两个分离的干涉仪。第一干涉仪用作干涉询问器54并且连接到一段感测光纤56。光通过干涉询问器54的测量臂进入感测光纤56(步骤S12)。来自感测光纤56的散射光随后被沿着干涉询问器54的参考臂行进的光干涉(步骤S13)。激光监视器网络52包含氰化氢(HCN)气室，所述HCN气室在整个测量扫描中提供绝对波长参考(步骤S14)。激光监视器网络52内的第二干涉仪用于测量在通过某一频率范围扫描光源时的调谐率波动(步骤S15)。一系列光学检测器(例如，光电二极管或其它光学检测器)将来自激光监视器网络52、气室的光学信号以及来自感测光纤56的干涉图案转换成电信号(步骤S16)。
数据采集单元58中的数据处理器使用来自激光监视器网络52干涉仪的信息以对感测光纤56的检测到的干涉图案重新采样，使得所述图案具有在光学频率上恒定的增量(步骤S17)。此步骤是实施例中的傅里叶变换操作的数学必要条件。一旦重新采样，通过系统控制器60执行傅里叶变换以在时间域中产生光散射信号(步骤S18)。在时间域中，光散射事件的振幅可以被描绘为沿着光纤长度的延迟的函数。
使用光在给定的时间增量中行进的距离，此延迟可以被转换成沿着感测光纤56的长度的测量。换句话说，光散射信号指示每个散射事件作为沿着光纤的距离的函数。采样周期被称为空间分辨率，并且与在测量期间可调谐光源50被扫掠通过的频率范围成反比。
当光纤56应变时，局部光散射随着光纤56的部分或全部物理长度变化而移位。这些扭曲是高度可重复的。因此，光纤56的检测到的光散射的OFDR测量值可以保留在存储器中，所述OFDR测量值用作处于非应变状态下的光纤的参考图案。随后可以通过系统控制器60将在光纤56处于应变下时随后测量的散射信号与此参考图案相比较，以获得局部散射沿着感测光纤56的长度的延迟中的位移的测量(步骤S19)。当与参考散射图案相比较时，此延迟中的位移表示为连续的、缓慢变化光学相位信号。此光学相位信号的导数与感测光纤56的感测芯的物理长度变化成正比(步骤S20)。
物理长度的变化可用于测量多个不同参数，例如，可以对应变按比例缩放，从而产生沿着感测光纤的应变的连续测量。对光纤芯进行这些测量所需的高分辨率和高灵敏度使OFDR系统能够对散射事件进行非常灵敏且高分辨率测量，所述散射事件在除光纤之外的介质中发生，例如在组织表面和子表面中发生。
图15示出了类似于图13中的单信道基于OFDR的分布式感测系统，但使用多个信道和单芯距离/测距光纤以及多芯形状感测光纤的示例性的基于OFDR反射的断层扫描系统。在共同转让的USP 8,773,650中详细描述了基于OFDR反射的形状感测系统，所述专利的内容以引用方式并入本文中。
代替如图13中的一个干涉询问器的是，存在与光纤中的四个芯波导A、B、C和D相对应的通常标记为545的四个干涉询问器。尽管下文使用术语“芯”，但是所述技术应用于可以用于旋转光纤中的其它类型的波导。干涉询问器中的每一个通过光学耦合器连接到可调谐光源50。多芯光纤内的每个独立波导芯随后连接到干涉询问器信道。干涉询问器信道与多芯光纤10或单芯光纤12中的芯的每个配对均被称为采集信道。在通过一系列频率扫掠可调谐光源50时，每个采集信道被同时测量，并且从每个信道产生的干涉图案被路由到适用于额外干涉仪的数据采集电子设备585。如在图14的流程图中所描述的，独立地并且相同地处理每个信道。系统控制器数据处理器60解释四个光芯的信号，并且产生沿着形状感测光纤10的长度的位置和取向两者的测量值。随后将测量数据从系统控制器输出，以便显示器62和/或其它用途，例如，关联单芯光纤12的位置。
使用多芯光纤的形状感测包含检测多芯光纤中的一些芯的光学长度的总变化，所述总变化反映多个光纤节段长度的所有光纤长度变化直到多芯光纤上的点的累积。随后基于检测到的光学长度总变化来确定在多芯光纤上的所述点处的方位和指向方向。将来自单芯光纤信道的数据与用于每一个形状感测芯的数据类似地处理，直到计算时间域响应的步骤(在图14中的S18)。在此步骤之后，来自单芯光纤的数据用于确定到如图11中所说明的任何检测到的反射的距离。
返回上述人或动物解剖目标示例，如果随时间观察到一部分组织，则由于呼吸或血压变化(例如，由于心跳)引起的运动在一些实施例中可检测为OFDR信号中的相对光学相移。由于询问器网络可以以比呼吸或心跳速率高得多的速率执行测量，因此可以通过观察通过扫描以及扫描之间的相位变化来测量这些变化。例如，在一些实施例中，可以测量到小至70nm的路径长度变化。而且，在可调谐激光扫掠的两个方向上测量OFDR数据允许检测到由于其多普勒频移引起的相对恒定运动(例如，在动脉中流动的血液)。如果反射正朝着源(光纤的尖端)移动，则当激光向上扫掠时，反射将呈现为比其实际距离更近，并且当激光向下扫掠时，反射将呈现为比其实际距离更远。例如，来自动脉血流的散射图案因此将呈现为在以实际位置为中心的两个明显位置之间交替。通过测量从上下扫描产生的这两个散射图案之间的距离，并且通过获知激光扫掠速率，可以计算散射体(即，流动的血液)的速度。
现在描述本技术的示例性的基于透射的断层扫描实施例。图16说明了基于透射的OFDR断层扫描系统的简化示例。光纤外壳18插入到解剖目标腔体中并且移动到多个不同位置(五个位置示为P1到P5)。解剖目标20的内表面30包含子表面特征32。在解剖目标的相对表面上或在解剖目标外部显示出多个接收光纤34。每个接收器光纤34可以是如图16中所示的独立信道，其中使用合适方法确定方位。光纤外壳18中的单芯光纤12用作点发射器。在光纤外壳18移动到不同位置时，来自不同起点P1-P5的光行进经过组织以到达多个检测光纤34中的一个或多个。这些检测光纤34将光收集到单芯中，所述单芯随后引导光，以用于经由光电二极管40进行OFDR干涉检测。干涉检测允许光的高灵敏度检测，并且允许使用图14中所述的扫掠波长处理来精确地测量从单芯光纤12的渡越时间(S11到S18)，不同之处在于，改变了S13，使得从源光纤透射到接收光纤的光被已行进经过询问器的参考路径的光干涉。此处理引起通过路径测量振幅和延迟。通过测量传输单芯光纤12与每个接收单芯光纤34之间的飞行时间，以及通过获知所有传输和接收位置的方位，测量沿着连接传输光纤12和检测器34的路径的平均群折射率。可以通过将发射器与每个检测器之间的测量的延迟除以通过将发射器与检测器之间的距离除以真空中的光速计算出的延迟来计算平均群折射率。基于光的到达时间，可以将多次散射的光与直接通向检测器的光区分开。通过在多个方位P1到P5处进行测量，可以重构组织的群折射率的三维分布。
图17说明了示例性单发射器/单接收器的基于透射的断层扫描系统，其中单发射器/单接收器光纤对被移动到不同扫描位置。图17示出两个这样的单发射器/单接收器对。具体来说，图17示出共享可调谐光源50、激光监视器网络52和系统控制器60的两个多芯形状感测网络A和B。另外，存在单个干涉信道，其中发射器单芯光纤12A与一个多芯形状感测光纤10A相关联，并且接收器单芯光纤12B与另一个多芯形状感测光纤10B相关联。因为相关联发射器和接收器光纤在其相应尖端方位自由移动时保持相同长度，所以光通过发射器光纤、被探测的空间以及接收光纤的行进时间的任何变化均归因于发射器与接收器光纤尖端之间的飞行时间的改变。
图18示出了在手术环境中的基于OFDR的断层扫描系统的示例性机器人应用。外科手术机器人100包含耦合到光纤外壳(例如，导管或其它光纤外壳)18的机械臂104，所述光纤外壳通过解剖120中的切口106插入到解剖目标腔体130中。机器人100包含用于移动臂104和光纤外壳18以实现外科手术过程的致动器和控制电路系统(未示出)。外科医生可以控制光纤外壳18位置和指向方向，并且通过适当地扫掠光纤外壳的指向方向，映射出组织的一个或多个表面，例如表面110。可替换地，扫描可以受计算机控制，并且扫掠出有序的光栅扫描或其它扫描图案。在任一情况下，可以确定腔体130的一些或全部尺寸的精确映射图。在一些实施例中，子表面散射事件可以测量不易通过正常图像技术可见的其它特征并将所述其它特征作为覆盖物呈现给外科医生或其它人员。
图19示出用于确定解剖目标在空间中的方位的基于OFDR的断层扫描技术的另一示例性应用的侧视图和主视图。此处，使用一个或多个OFDR感测光纤1930(图19中示出三个)测量患者1910的外表面1920。一旦在已知坐标系(即，外科手术机器人正工作的坐标系)中对患者的解剖目标的表面1920进行准确测量，则先前进行的CAT扫描、PET扫描和/或MRI扫描可以针对测量的患者表面1920进行配准并且被带入已知坐标系中。因为红外光可以穿过许多纺织品，所以在进行这些测量时患者可以穿衣服和/或盖着被单。
以上描述出于说明的目的且非限制性地阐述具体细节，例如，具体实施例。本领域技术人员将明白，可以在脱离这些具体细节的情况下采用其它实施例。在一些情况下，省略公知的方法、节点、接口、电路和装置的详细描述，以免不必要的细节使描述模糊。本领域技术人员将了解，所描述的功能可以使用光学组件、电子组件、硬件电路系统(例如，互连以执行专用功能的模拟和/或离散逻辑门、ASIC、PLA等)，和/或使用结合一个或多个数字微处理器或通用计算机的软件程序和数据在一个或多个节点中实施。此外，所述技术的某些方面可以另外地视为全部实现在包含计算机指令的合适集合的任何形式的计算机可读存储器中，例如，固态存储器、磁盘、光盘等，所述计算机指令可以通过处理器执行以实施本文所描述的技术。
本文中的术语“信号”用于涵盖将信息以电气、电子、电磁、光学或磁性形式从一个位置或区域传递到另一位置或区域的任何信号。信号可以通过电气、光学或磁性导体，包含经由波导从一个位置或区域传导到另一位置或区域，但是宽范围的电信号还包含光和其它电磁形式的信号(例如，红外线、无线电、等)，以及由于电气、电子、电磁或磁性效应，例如无线地通过非导电区域传递的其它信号。一般来说，广泛种类的信号包含模拟和数学信号两者，以及有线和无线介质两者。模拟信号包含呈连续变化的物理量形式的信息，例如电压；相反，数字电信号包含呈物理特性的离散值形式的信息，这也可以是例如电压。
除非上下文另外指示，否则术语“电路系统”和“电路”是指其中一个或多个电子组件具有足够电连接以一起或以相关方式操作的结构。在一些情况下，电路系统的项目可以包括多于一个电路。“处理器”是可以称为处理电路或处理电路系统并且有时可以包含硬件和软件组件的电路的集合。在此上下文中，软件是指控制处理器的操作或在操作时由处理器访问的所存储或所传输数据，并且硬件是指存储、传输数据并在数据上操作的组件。然而，软件与硬件之间的区别并不总是明确的，因为一些组件共享两者的特性。给定的处理器实施的软件组件通常可以用等价的硬件组件替代，而不会显著改变电路系统的操作，并且给定硬件组件可以类似地由通过软件控制的等价处理器操作替代。
某些方面的硬件实施方式可以包含或涵盖(不限于)数字信号处理器(DSP)硬件、精简指令集处理器、硬件(例如，数字或模拟)电路系统，包含但不限于专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)，以及(如果合适的话)能够执行此类功能的状态机。
可以基于电路系统的所配置操作或其它特性在结构上描述电路系统。例如，被配置成执行控制操作的电路系统在本文中有时被称为控制电路系统，并且被配置成执行处理操作的电路系统在本文中有时被称为处理电路系统。
在计算机实施方式方面，计算机通常被理解为包括一个或多个处理器或一个或多个控制器，并且术语计算机、处理器和控制器可以互换地使用。当由计算机、处理器或控制器提供时，功能可以由单个专用计算机或处理器或控制器提供、由单个共享计算机或处理器或控制器提供、或由多个独立计算机或处理器或控制器提供，其中一些可以是共享的或分布式的。
尽管已详细示出和描述各个实施例，但是权利要求不限于任何特定实施例或示例。以上描述不应被理解为暗示任何具体元件、步骤、范围或功能是必要的，因而必须被包含在权利要求范围中。专利主题的范围仅由权利要求限定。法律保护的范围由授权的权利要求及其等价物中所述的词语来定义。对于本领域普通技术人员而言已知的上述实施例的元件的所有结构和功能等价物清楚地通过引用并入本文并且旨在由目前的权利要求涵盖。此外，不要求装置或方法必须解决所描述技术设法解决的每个问题，因为其由目前的权利要求涵盖。除非使用词“用于……的装置”或“用于……的步骤”，否则没有权利要求旨在调用USC§112 35的第6段。此外，本说明中的实施例、特征、组件或步骤均不旨在面向公众，无论实施例、特征、组件或步骤是否在权利要求中陈述。

Claims (28)

1.一种操作干涉系统的方法，所述方法包括：
在多个频率的范围内将来自单个光芯的准直光投射到解剖目标的当前点，所述单个光芯位于多个形状感测光芯旁边的光纤外壳中，其中所述光纤外壳的远端指向所述当前点；
使用光频域反射仪检测从所述当前点散射的反射光，并且处理检测到的光以确定到所述当前点的距离；
在多个频率的范围内将光通过所述多个形状感测光芯投射到所述光纤外壳的所述远端；
使用光频域反射仪测量通过所述多个形状感测光芯从所述光纤外壳的所述远端反射回的光，并且处理测量值以确定所述光纤外壳的所述远端在三维空间中的位置以及所述光纤外壳的所述远端的指向方向；以及
使用所述光纤外壳的所述远端的三维空间中的确定的位置、所述光纤外壳的所述远端的所述指向方向以及确定的距离来确定所述当前点的三维空间中的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述光纤外壳的所述远端的所述指向方向表示为沿着指向轴线指向所述光纤外壳的所述远端的方向的单位向量；
将所述单位向量乘以所述确定的距离以生成反射距离向量；以及
将所述光纤外壳的所述远端在三维空间中的所述确定的位置与所述反射距离向量组合，以生成所述解剖目标中或所述解剖目标上的所述当前点的三维空间中的所述确定的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述干涉系统包括用于使针对所述单个光芯的光准直的准直器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中从所述准直器处的反射到从所述当前点散射的第一反射的时间延迟是从所述光纤外壳的所述远端到所述当前点的距离的指示。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个芯和所述单个芯处于相同光纤中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个芯处于第一光纤中并且所述单个芯处于第二光纤中，并且所述第一光纤和第二光纤以彼此已知的位置关系固定。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：
针对所述解剖目标的多个额外当前点多次重复权利要求1所述的步骤，以生成所述解剖目标的至少一部分的三维数据集。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述解剖目标是人或动物中的腔体。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述三维数据集提供信息，所述信息关于外科医生正在操作的所述解剖目标中的区域的组织的分布。
10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括基于所述三维数据集生成所述解剖目标的表面的至少一部分的断层扫描图。
11.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括基于所述三维数据集生成所述解剖目标的表面下方的所述解剖目标的至少一部分的断层扫描图。
12.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括使用所述三维数据集来提供相对于所述解剖目标的导航引导。
13.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括检测由解剖目标组织的运动引起的反射的光中的相对光学相移，以及基于检测的光学相移针对解剖目标组织的运动补偿所述三维数据集。
14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
确定在所述解剖目标上或所述解剖目标外部的点在三维空间中的位置，以确定所述解剖目标在三维空间中的方位，以及
使用所述解剖目标在三维空间中的所述确定的方位以及所述解剖目标的基于辐射的扫描来确定所述解剖目标内部的一个或多个结构在三维空间中的方位。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述基于辐射的扫描是CAT、PET或MRI扫描。
16.一种干涉测量系统，其包括：
具有远端的光纤外壳，所述光纤外壳包含多个形状感测芯和单个光芯，所述光纤外壳可定位成将所述单个光芯引导至解剖目标的当前点；
可调谐光源，其被配置成(a)在多个频率的第一范围内将光通过所述单个光芯和准直器投射到所述当前点；以及
电路系统，其被配置成(b)使用光频域反射仪即OFDR检测从所述当前点散射的反射光，并且处理检测的光以确定到所述当前点的距离；
所述可调谐光源进一步被配置成(c)在多个频率的第二范围内将光通过所述多个形状感测光芯投射到所述光纤外壳的所述远端；
所述电路系统进一步被配置成(d)使用OFDR测量通过所述多个形状感测光芯从所述光纤外壳的所述远端反射回的光，以及(e)处理测量的光以确定所述光纤外壳的所述远端的三维空间中的位置以及所述光纤外壳的所述远端的指向方向；以及
所述电路系统进一步被配置成(f)基于所述光纤外壳的所述远端在三维空间中的所述确定的位置、所述光纤外壳的所述远端的所述指向方向以及所述确定的距离来确定所述当前点的三维空间中的位置。
17.根据权利要求16所述的干涉测量系统，其中所述OFDR电路系统进一步被配置成：
将所述光纤外壳的所述远端的所述指向方向表示为沿着指向轴线指向所述光纤外壳的所述远端的方向的单位向量；
将所述单位向量乘以所述确定的距离以生成反射距离向量；以及
将所述光纤外壳的所述远端在三维空间中的所述确定的位置与所述反射距离向量组合，以生成所述当前点在三维空间中的所述确定的位置。
18.根据权利要求16所述的干涉测量系统，其中所述电路系统进一步被配置成将从所述准直器处的反射到从所述当前点散射的第一反射的时间延迟处理为从所述光纤外壳的所述远端到所述当前点的距离的指示。
19.根据权利要求16所述的干涉测量系统，其中所述多个芯和所述单个芯处于相同光纤中。
20.根据权利要求16所述的干涉测量系统，其中所述多个芯和所述单个芯处于不同光纤中，并且其中所述不同光纤以彼此已知的位置关系固定。
21.根据权利要求16所述的干涉测量系统，其进一步包括：
致动器，其被配置成将所述光纤外壳的所述远端引导至所述解剖目标的第二当前点，以及
其中所述可调谐光源和所述电路系统被配置成多次执行(a)至(f)中的相应的一些，以生成所述解剖目标的至少一部分的三维数据集。
22.根据权利要求21所述的干涉测量系统，其中所述解剖目标是人或动物中的腔体。
23.根据权利要求21所述的干涉测量系统，其中所述三维数据集提供信息，所述信息关于外科医生正在操作的所述解剖目标中的区域的组织的分布。
24.根据权利要求21所述的干涉测量系统，其中所述电路系统被配置成基于所述三维数据集生成所述解剖目标的表面的至少一部分的断层扫描图。
25.根据权利要求21所述的干涉测量系统，其中所述电路系统被配置成基于所述三维数据集生成所述解剖目标的表面下方的所述解剖目标的至少一部分的断层扫描图。
26.根据权利要求21所述的干涉测量系统，其中所述电路系统被配置成检测由解剖目标组织的运动引起的反射光中的相对光学相移，以及基于检测的光学相移针对解剖目标组织的运动补偿所述三维数据集。
27.根据权利要求16所述的干涉测量系统，其中所述电路系统被配置成：
确定在所述解剖目标上或所述解剖目标外部的点在三维空间中的位置，以确定所述解剖目标在三维空间中的方位，以及
使用所述解剖目标在三维空间中的确定的方位以及所述解剖目标的基于辐射的扫描来确定所述解剖目标内部的一个或多个结构在三维空间中的方位。
28.根据权利要求26所述的干涉测量系统，其中所述基于辐射的扫描是CAT、PET或MRI扫描。
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