CN111065432B - 利用fbg光纤感应形状及接触力的导管及导管系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，通过对基于分别配置在三个光芯的光纤布拉格光栅(FBG)跃迁的三个波长信息进行三元运算，可以检测导管主体的弯折位置、方向及其角度和曲率，从而感应导管的形状。

Description

利用FBG光纤感应形状及接触力的导管及导管系统
技术领域
本发明涉及一种利用光纤布拉格光栅(FBG)光纤感应形状及接触力的导管及导管系统，能够利用光波长信息计算出导管主体变形的形状的感应和施加至导管前端的接触力及方向，适用于心血管介入手术。
背景技术
一般来说，导管是一种医疗设备，用于将导管插入患者体内并在患部进行射频治疗，或将医疗物质注入体内，并将体液从体内排出。
在利用如上所述的导管进行治疗的过程中，当作为导管的前端的尖头对患者的患部施加过大的压力时，有可能损伤患部。与此相反，当导管的前端与患部接触的压力太小时，则患部有可能得不到适当的治疗，因此，需要根据治疗的位置和类型来精确地测量施加至患部的导管的压力。
此外，利用影像设备将导管引导到目标患部进行治疗及手术，我们称之为介入手术。介入手术的特点是微创，它可以提高手术的安全性、改善患者的预后及减少疼痛和伤疤，提升了患者的满意度，其应用范围逐渐扩大。然而，介入手术需要医生在手术过程中进行精确的操作，手术的成败取决于医生的经验和能力。此外，根据手术类型的不同，在治疗心血管等敏感部位时，可能无法精确定位，导致血管损伤，还可能引起其他并发症、辐射暴露等问题，因此开发能够在短时间内进行精准手术的医疗器械和设备至关重要。即，目前主要的技术课题在于，从患者的角度来讲，患者希望最大限度地降低由于医疗人员的经验、能力导致的并发症；从医疗人员的角度来讲，他们希望搭建能够远程执行介入治疗的控制系统，避免由于对多名患者进行手术而持续暴露在辐射环境的问题。
当构建用于心血管介入手术的远程控制系统时，硬件层面的配置可以有以下几个：引导到心脏的导管；使医务人员操作导管的触觉主操纵器(Haptic MasterManipulator)及通过与主操纵器的操作连动来控制导管的从机器人(Slave Robot)。在此，导管传递支架或配备用于高频消融的电极来执行射频消融术。如上所述，需要对导管进行精确控制，若想实现远程控制，导管的导管尖头部和体内组织的接触感应信息、导管各部分的位置信息、从导管内电极传感器感应到的心电图信息等功能上的精确度直接影响手术的成败。
在心血管介入手术中，导管进入心脏的内部后，设置在导管表面部的电极与心脏壁接触并标测心脏。在心血管介入手术中，尤其需要精确测量施加至导管的前端的接触力(压力)的大小及方向。当执行射频消融术时，若在导管没有与目标组织接触的情况下进行射频，会在位于心房内部的导管电极周围形成血凝块，导致脑梗塞、主要器官栓塞等现象。或者，若在心房内壁不断收缩的情况下导管过度接触心脏内壁并进行烧灼术，可能会发生刺穿心脏内壁等对患者致命的医疗事故。
可见，在介入手术过程中，在标测或对组织进行射频消融时，需精确测量导管对前端施加的压力，因此如今出现了各种用于测量施加至导管的尖头的压力的传感器。目前人们使用一种力传感器，该力传感器利用随外力变化输出不同电流的电压力传感元件。然而，当向利用电压力传感元件的力传感器施加较小的外力时，输出电流变化不大，若要精确测量电流的变化需要昂贵的设备，此外，当通过增大电压力传感元件的尺寸来增加电流时，导管的大小也会随之增大，导致无法与插入血管内的导管相结合。
因此，作为现有技术，提出了另一种用于测量施加至导管的尖头的压力的技术方案，美国授权专利第8,567,265号公开了一种用于利用光纤感应三个轴向上的前端力的导管。图1显示上述美国授权专利第8,567,265号。参照图1，美国授权专利第8,567,265号的导管与现有的电压力传感方式不同，它利用光纤，通过对根据导管前端弯曲时产生的光的反射的法布里-伯罗干涉现象(Fabry-Perot interferometer)进行分析来计算出弯曲值和接触压力。图1所示的美国授权专利第8,567,265号的导管的感应组件92具有形成有三段间隙(gap)921的结构构件102。此时，结构构件102外周表面的一部分形成有以120°布置并各具有不同高度的狭缝状的间隙921。在此，配置并固定三根光纤(optical fiber)104，从而使光芯的输出端以120度的间隔位于各间隙921。三段间隙921形成类似弹簧的段结构，当外力F从特定方向施加至前端时，各位置上的间隙921的间隔发生变化并由此进行反射，通过分析光纤104接收的光的多干涉现象，感应接触力的大小及方向。
图2显示应用图1美国授权专利第8,567,265号导管技术的导管的原理，摘自圣犹达医疗公司的TactiCathTM产品描述。法布里-伯罗干涉现象通常在两个具有高反射率的反射镜之间插入一个间隙腔(gap cavity)。法布里-伯罗干涉现象的基本原理如下：当通过光纤传输的多波长(λ1、λ2、λ3…)射入滤光器时，它在间隙腔中产生多干扰现象，仅使特定波长穿过并反射其他剩余波长，从而选择所需数据。参照图2，结构构件102的间隙921被示为法布里-伯罗(Fabry-Perot Cavity)腔，可以看出，利用法布里-伯罗干涉现象，通过三个间隙921干涉的光的波长信息来计算外力的方向及大小。
应用图1及图2显示的前端压力感应导管技术的另一种产品为由强生医疗公司的生理产品(Biosense Webster)发布的诊断/消融可调弯头端导管(ThermoCoolSmartTouch)。该产品能准确传递导管的方向和接触力的强度，提高了安全性，经美国FDA批准，已在韩国上市。
如上所述，用于测量施加至导管的尖头的压力的技术已经从利用电压力传感元件发展到利用具有优异安全性、敏感度及小直径并与导管相结合的光纤的导管。
然而，在图1及图2所示的现有的导管作为感应组件92，除了光纤，还必须具备结构构件102。此时，结构构件102应形成有以120°布置并各具有不同高度的狭缝状的间隙921。其结果，结构构件102需要在长度方向形成等间距的至少三个间隙921。因此，现有导管中，结构构件102在前端所占的长度比重较大，导致在测量导管前端的准确的位置变化方面存在局限性。并且，利用法布里-伯罗的多重干涉现象分析光的波长信息时，存在系统设计复杂，生产成本提高的问题。
另外，在心血管介入手术过程中，应准确确定心脏标测和已进入标测心脏内的导管的位置。在这方面，能够实时确定心脏内导管位置的现有技术为电解剖标测(EAM，electro anatomical mapping)技术。电解剖标测技术作为非接触性标测系统，是通过利用多电极阵列(multi-electrode-array)引起经胸电场的体表贴片来以三维的方式体现导管位置。
图3为说明应用电解剖标测技术的圣犹达医疗公司的(Ensite NavXTM)产品的原理的附图，摘自发表在《International Journal of Arrhythmia(国际心律失常杂志)》上的“三维标测系统”文献。参照图3，Ensite NavXTM是一种基于阻抗的标测系统，其在患者体表的前后左右上下粘贴三对共六个电极片，当从六个电极发射约8kHz的电流信号时，则形成经胸电场，沿每个轴通过在心脏中的组织形成电压梯度(voltage gradient)，心脏内的导管的电极测量该电压，从而确定导管的位置。
然而，该非专利文献指出的所述基于阻抗的心脏标测方法具有如下缺点：会因为技术问题引起的电场变形降低三维图像的精度。因此，为了减少该错误，在配准(registration)过程中操作员经验尤为重要。
一方面，提出了一种利用磁场检测导管位置的系统，该系统不同于如图3所示的电解剖标测技术。图4a及图4b为说明应用磁场标测技术的Biosense Webster公司的CARTO产品的原理的附图，从文献“一种新的基于非荧光导管的心脏电解剖标测方法(A NovelMethod for Nonfluoroscopic Catheter-Based Electroanatomical Mapping of theHeart)”中摘取了相关图片。参照图4a，Biosense Webster公司的CARTO产品在标测导管的尖端设有环形电极(Ring Electrode)，定位传感器(Location sensor)位于导管的内侧。参照图4b，定位垫(Location pad)由三个线圈C1、C2、C3组成，并分别形成磁场。位于导管内侧的定位传感器(Location sensor)测量定位垫(Location pad)的磁场强度，通过计算距离来标测导管的位置。
虽然，与荧光透视法的导管系统相比，利用所述磁场感应位置在成本方面具有优势，但该非专利文献具有以下问题：其实时获取精确标测的系统尚未优化，并且，当导管弯曲时，无法及时检测出该现象，因此迄今为止，它仍与传统的标测导管结合使用。
其结果，由于电解剖标测技术基于经胸电场进行三维标测，在实际手术过程中，有可能因心脏的运动和患者的呼吸等引起参考点(reference source)晃动或电场变化，这将降低解剖精度，并且，标测导管的局限性在于：只能根据接触进行顺序标测，而不能在多个电极上同时进行标测，因此，如心房颤动等心律不稳的心律失常中无法进行激动(Activation)标测。此外，利用磁场的标测技术也难以实时获取导管的弯曲等变形信息，系统优化仍然是一个挑战。因此，需要另一种标测技术来提高标测心脏形状及感应导管位置的准确性。
由此，本申请人参照美国授权专利第7,781,724号，发明了一种用于心血管中介手术的导管及导管系统，即使没有电场或磁场，也可以通过实时检测导管本身的形状来获得其坐标值，从而确定导管的位置。
美国授权专利第7,781,724号公开了一种利用三个光纤布拉格光栅(FBG)光纤来体现光纤位置以及实时弯曲形状的技术。图5显示在美国授权专利第7,781,724号(以下简称为“在先专利”)中公开的光纤形状感应装置10。参照图5，在先专利包括以下配置：具有三个以上光芯30、35、40的光纤20、布置在各光芯30、35、40的光纤布拉格光栅(FBG)50、反射计(reflectometer)70及用于结合多个光纤55、57、59的结合装置25。光纤布拉格光栅(FBG)是一种光学传感器，全称Fiber Bragg Grating,反射随温度变化而变化的光的波长。光纤布拉格光栅(FBG)利用各自固有的布拉格波长来制造，沿着光芯的长度方向布置的每个光纤布拉格光栅(FBG)50都反射光的固有波长，并且，随着温度或变形发生变化的光纤布拉格光栅(FBG)的狭缝间距反射光波长，并且，光纤布拉格光栅(FBG)跃迁该光波长，由此检测光纤上的应变。
根据图5的在先专利检测分别位于120度布置的三个光芯30、35、40的相同截面中的光纤布拉格光栅(FBG)50的频率位移。光纤55、57、59的二维形状变形可以通过计算从两个光芯中测得的频率位移来计算。上述在先专利公开了光纤55、57、59的三维形状变形可以通过从三个光纤芯中测量的频率位移来计算。
本申请人已确认，光纤的三维形状可以通过至少三个光纤布拉格光栅(FBG)光芯来测量，并且意识到，通过感应导管的形状来获得的光纤布拉格光栅(FBG)的坐标值可以成为检测导管的准确位置的重要手段。由此，本申请人参照上述在先专利，发明了一种导管，可以同时检测导管的形状和前端的压力，适于心血管中介手术。
在先技术文献
专利文献
(专利文献1)美国授权专利第8,567,265号
(专利文献2)美国授权专利第7,781,724号
非专利文献
(非专利文献1)NavXTM cardiac mapping system(NavXTM心脏标测系统)，崔钟日(音译)，International Journal of Arrhythmia(国际心律失常杂志)2013；14(1):8-13.
(非专利文献2)A Novel Method for Nonfluoroscopic Catheter-BasedElectroanatomical Mapping of the Heart(一种新的基于非荧光导管的心脏电解剖标测方法)，Lior Gepstein，March 18，1997.
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种导管及导管系统，能够实时检测导管的三维形状，并能够测量施加至导管的前端的外力的方向及大小。
另外，本发明的目的在于提供一种导管及导管系统，该导管及导管系统考虑到缺乏柔软性的光纤的可移动范围，设计成具有优良的弯曲范围。
另外，本发明的目的在于提供一种导管及导管系统，该导管及导管系统考虑到光纤布拉格光栅(FBG)反射光的光干扰，提高了测量灵敏度，从而可以准确地确定光纤的弯折位置。
另外，本发明的目的在于提供一种导管，可以通过三个光波长信息来辨别施加至导管前端的外力的三轴方向，从而测量外力的大小。
另外，本发明的目的在于提供一种导管，由于用于测量外力的感应组件可以形成在导管前端的微小区域，从而可以更精确地测量外力。
解决问题的技术方法
为了达到上述目的，根据本发明的导管包括：导管主体，其中，形成有一个以上通道的路径被定义为第一区域，具有随着被施加外力而冷凝的尖端的前端被定义为第二区域；光纤，贯入所述通道并沿所述导管主体的长度方向配置有多个光纤布拉格光栅(FBG)；及弹性构件，配置成将所述光纤包裹在所述前端的内侧，由与所述导管主体具有不同弹性力的材料制成，使施加至所述尖端的外力集中到前端，所述多个光纤布拉格光栅(FBG)利用设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅(FBG)组的光波长信息来感应导管主体的形状，利用设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅(FBG)组的光波长信息来感应施加至尖端的外力。
优选地，所述光纤具有三个以上的光芯，所述三个以上的光芯以所述导管主体的线轴为中心，可以以0.01mm至1.00mm的半径配置。
优选地，所述多个光纤布拉格光栅(FBG)设置在所述光纤上的间距不同，彼此之间的间距可以趋向前端方向增大。
优选地，所述多个光纤布拉格光栅(FBG)设置在所述光纤上的间距不同，彼此之间的间距可以趋向前端方向减小。
优选地，所述弹性构件配置在所述第二区域，设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅(FBG)可以位于所述弹性构件内。
优选地，所述光纤具有三个以上的光芯，同一波段的光可以射入所述三个以上的光芯。
优选地，所述光纤具有三个以上的光芯，不同波段的光可以分别射入所述三个以上的光芯。
优选地，所述三个以上的光芯辨别由各不相同的波段的光分别通过设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅(FBG)组来跃迁的波长信息，并且，利用被辨别的三种以上的光波长信息可以计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
优选地，所述光纤具有三个以上的光芯，具有时间差的光可以分别射入所述三个以上的光芯。
优选地，所述三个以上的光芯根据同一波段的光分别通过设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅(FBG)组的时间差来辨别光信息，并且，利用被辨别的三种以上的光波长信息可以计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
优选地，所述三个以上的光芯在同一波段的光分别通过配置在所述第一区域的各所述光芯内部来形成不同的光路径时，通过配置在所述光芯内部的各光纤布拉格光栅(FBG)组来辨别光信息，并且，利用被辨别的所述光信息，可以计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
优选地，所述光纤具有三个以上的光芯，所述三个以上的光芯利用由光通过设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅(FBG)组来跃迁的三个以上的波长信息，可以感应施加至所述尖端的外力的方向及大小。
此外，根据本发明的导管系统包括：导管主体，其中，形成有一个以上通道的路径被定义为第一区域，具有随着被施加外力而冷凝的尖端的前端被定义为第二区域；光纤，贯入所述通道并沿所述导管主体的长度方向配置多个光纤布拉格光栅(FBG)；导管，具有配置成将所述光纤包裹在所述前端的内侧，由与所述导管主体具有不同弹性力的材料制成，使施加至所述尖端的外力集中到前端的弹性构件；及光波长分析部，基于所述多个光纤布拉格光栅(FBG)组中设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅(FBG)组的光波长信息来计算导管主体的形状，利用设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅(FBG)组的光波长信息来感应施加至所述尖端的外力，所述导管设置在所述导管主体的外部并包括电极，用于通过配置在所述导管主体内部的电线将电信号传输到分析设备，或将从外部输入的能量传输到组织。
优选地，所述导管的所述光纤包括三个以上的光芯，所述光波长分析部可以利用从所述三个以上的光芯接收的三个以上的光的波长信息，计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
发明的效果
根据本发明，通过对基于分别配置在三个光芯的光纤布拉格光栅(FBG)跃迁的三个波长信息进行三元运算，可以检测导管主体的弯折位置、方向及其角度和曲率，从而感应导管的形状。
此外，根据本发明，光纤位于相当于导管主体的线轴的中心部，并且，此时的三个以上的光芯以线轴为基准，以0.01mm至1.00mm的半径配置。这与美国专利第8,567,265号(多个光芯应布置在导管主体的外侧)形成对比，考虑了缺乏柔软性的光纤的可移动范围，具有可以改善弯曲范围的结构。
此外，根据本发明，光纤布拉格光栅(FBG)设置成其间距沿光芯的长度方向趋向前端方向增大。这将穿过光纤布拉格光栅(FBG)的光之间的干扰导致的反射光损失最小化，从而提高检测弯折位置的分辨率(resolution)。
此外，根据本发明，将对在光芯中配置光纤布拉格光栅(FBG)的区域进行辨别，并且，利用与第一区域的光纤布拉格光栅(FBG)组相对应的跃迁波长来感应形状，利用与第二区域的光纤布拉格光栅(FBG)组相对应的跃迁波长来感应压力。这需要由感应组件构成，以便仅用三个以上的光芯配置来感应导管的形状及压力，因此特别适于以小半径实现的标测导管的感应手段。
附图说明
图1为显示现有技术的利用光纤来感应压力的导管的附图；
图2为显示应用图1技术的感应压力导管产品的感应原理的附图；
图3为显示现有技术的基于电解剖标测技术的导管系统的附图；
图4a及图4b为显示现有技术的基于磁场标测技术的导管系统的附图；
图5为显示现有技术的光纤的形状及位置检测系统的附图；
图6及图7为显示根据本发明实施例的导管系统的附图；
图8为显示根据本发明实施例的导管的前端部的分解图；
图9为显示根据本发明实施例的导管的光纤内部的结构图；
图10为显示根据本发明另一实施例的光纤内部的结构图。
附图标记说明
1：导管系统
6：导管
31：灌溉管(irrigation tube)
33：电极丝
61：尖端
613：送水口
615：驱动线(steering wire)
63：导管主体
64：电极
65：光纤
650：护套
651：光芯
6511、6513：光纤布拉格光栅(FBG)
67：弹性构件
8：光波长分析部
81：处理器
83：显示器
85：射频(RF)供应器
87：光芯连接器
89：连接器
9：冷却水泵
具体实施方式
以下，将参照附图对本发明进行详细说明。但本发明并非受限于或限定于示例性实施例。各附图中相同的附图标记表示实质上执行相同功能的部件。
本发明的目的及效果能够通过下面的说明自然地得到理解或明确，但本发明的目的及效果并非受限于下面的记载。并且，在对本发明进行说明的过程中，当对于与本发明相关的公知技术的具体说明不必要地混淆本发明的要旨时，省略对其进行详细说明。
图6及图7为显示根据本发明实施例的导管系统1的附图。参照图6，导管系统1可以包括导管6、光波长分析部8及冷却水泵9。根据本实施例的导管系统1被配置成通过测量施加至导管6的尖端61的外力的大小及方向来获得与心脏内壁接触的尖端61的三维压力信息。在根据本实施例的导管系统1中，光纤65被实现为测量尖端61的压力的感应组件。
此外，由光纤65组成的感应组件不仅确定施加至尖端61的外力的大小及方向，还确定导管主体63弯曲的弯折位置及方向，从而可以感应导管主体63的形状。此时，利用光纤65中提供的光纤布拉格光栅(FBG)产生的光波长信息来进行尖端61的压力测量并感应导管6的形状。光波长信息分为用于感应导管主体63的形状的光纤布拉格光栅(FBG)组和用于测量尖端61的压力的光纤布拉格光栅(FBG)组，其测量原理将参照图7至图9进行说明。
根据本实施例的导管系统1可以配备导管6和光波长分析部8，其中，光波长分析部8包括通过计算由光纤65接收的多个光波长信息来计算施加至尖端61的外力的大小及方向的处理器81及将计算出的结果实现为视觉化的显示器83。以下，将对根据本实施例的导管6的详细配置进行详细描述。
导管6可以包括导管主体63、光纤65、尖端61、电极64及弹性构件67。
尖端61可以实现为用于射频消融术的烧蚀电极的形式。尖端61与电极丝33电连接，并通过外部施加的电源来加热，从而可以去除心肌组织。作为另一实施例，尖端61可以实现为能够测量ECG等生物信号的电感应元件。尖端61结合至导管主体63的前端。一个以上的驱动线615连接到尖端61，通过驱动线615的引入和引出来控制前端的方向，由此实现导管6的转向。尖端61的外表面可以形成有送水口613，通过该送水口613可以排出通过灌溉管31输送的冷却水。
作为本实施例，参照图6的放大图，除了配置在尖端61的电极之外，导管6还能够在导管主体63的表面配置暴露的多个电极64。此时，设置在导管主体63的表面的多个电极64可以是对接触的心肌组织进行烧灼的消融电极。尽管图中未示出，但通过每个电极64与驱动线615和电极丝33连接，每个电极64所在的导管主体63区域可以被弯曲。因此，导管主体63可以在前端部形成环，并使由主体63而不是尖端61形成的环与目标点接触，以实现多个电极64的大面积烧灼。
作为本实施例，能够在导管主体63的外围面以分段的形式配置4个至6个电极64。在进行消融时，导管主体63的环的外围一面发生接触。因此，当沿着导管主体63的外表面形成电极64，并向电极施加高频时，会在不发生接触的另一面产生血栓，引起副作用。因此优选地，如图6所示，电极64以分段的形式配置于导管主体63，由此仅向接触点的电极64段施加高频。
此外，电极64可以设置在导管主体63的外部，并且可以通过布置在导管主体63内部的电线将电信号传递到分析器，或者将从外部输入的能量传递到组织。
导管主体63进入心脏内，将电极等为去除心肌组织而插入的治疗工具引导至目标地点。在治疗阵发性室上性心动过速、房性心动过速、阵发性室性心动过速等快速性心律失常时，使加热的电极与组织接触从而去除心肌组织。电极以约50至60℃的状态进行约60秒的切除，将上述的利用到达心律失常发生位置的电极去除心肌组织，由此治疗心律失常的导管分类为消融导管。除了去除心肌组织外，电极还能够用于测量生物信号，根据治疗的目的与手术方法，还能够引入支架等治疗工具。导管主体63应为适合生物体的优秀且柔软的材质，从而将用于消融导管或标测导管的前端的电极或其他治疗工具引导至目标部位。
参照图7，光波长分析部8可以包括处理器81、显示器83、射频(RF)供应器85、光芯连接器87及连接器89。处理器81计算接收到的光信息，显示器83可以直观地显示计算出的导管主体63的形状和尖端61的压力及方向。射频(RF)供应器85可以连接到导管系统1以提供射频(RF，Radio frequency)。射频(RF)供应器85可以包括用于连接到导管主体1的连接器89并电连接，并由此轻松提供射频。
冷却水泵9可以连接到导管系统1以从外部供应冷却水。导管系统1内部可以设置有用于移动冷却水的通道。从冷却水泵9供应的冷却水可以在导管系统1内移动并输送到送水口613。
图8为显示根据本发明实施例的导管6的前端部的分解图，图9为显示根据本发明实施例的导管6的光纤65内部的结构图。
参照图8及图9，导管主体63形成有一个以上通道的路径被定义为第一区域A1，具有供施加外力的尖端61的前端被定义为第二区域A2。此外，为了方便详细说明配置的结构特征及功能，将从导管6的前端到尖端61及弹性构件67的路径划分为第一区域A1；在第一区域A1的路径之后，将用于检测尖端61的压力的前端的路径被划分为第二区域A2。
导管主体63可以形成有一个以上的通道。参照图4a及4b，可以确认，作为形成在导管主体63的通道的实施例，形成有用于贯入测量压力的光纤65的通道、贯入冷却加热电极的灌溉管(irrigation tube)31的通道、贯入向电极供电的电极丝33的通道及贯入引导导管6的驱动线615的通道。
光纤可以贯入通道并沿导管主体63的长度方向配置多个光纤布拉格光栅(FBG)6511、6513。可以对光纤65进行设置使得光芯651在护套650内得到覆盖，护套650内能够形成有覆盖层，使得可以利用光的全反射通过光芯651传递光。
光纤65可以包括多个光芯651，将在图10描述公开了多个光芯651的实施例。在光芯651中，作为光栅传感器的光纤布拉格光栅(FBG)沿长度方向布置。FBG是一种被称为光纤布拉格光栅的传感器的光学器件，它反射反应于温度或应变而发生变化的光波长。光纤布拉格光栅(FBG)是利用全息干涉或相位掩膜法，将短的光敏光纤曝光在周期性的光强分布下构成。当将宽带波长的光被传输到光纤布拉格光栅(FBG)时，取代弯折率的每个部分的反射仅对特定光波长(即，布拉格波长)引起结构性干扰。这使得光纤布拉格光栅(FBG)有效地反射特定的光频率，并在接收到的光信息中引起波长跃迁。由于布拉格波长是光栅间距的函数，因此在不同的布拉格波长下制作光纤布拉格光栅(FBG)，而具有不同布拉格波长的光纤布拉格光栅(FBG)在每个波段上反射光的固有波长。
作为本实施例，沿光芯651长度方向布置的光纤布拉格光栅(FBG)可以感应到因光芯651的特定点被弯曲引起了应变变形。然而，当光纤布拉格光栅(FBG)以相等间距布置在光芯651上时，即使具有宽带波长的光射入光芯651上，也会由于多个光纤布拉格光栅(FBG)6511、6513的光栅的干扰，丢失接收到的光的部分跃迁波长信息。更具体地，射入光芯651的光的一部分冲击到位于最前端位置的第一光纤布拉格光栅(FBG)上并被反射，剩余的一部分则通过第一光纤布拉格光栅(FBG)前进。相同地，通过第一光纤布拉格光栅(FBG)的光的一部分冲击到第二光纤布拉格光栅(FBG)并被反射，被反射的光再次与第一光纤布拉格光栅(FBG)相遇，其中一部分直接通过并与最先由第一光纤布拉格光栅(FBG)反射的光相遇，剩余的一部分再次被第一光纤布拉格光栅(FBG)反射朝向第二光纤布拉格光栅(FBG)。同样的现象在位于第二光纤布拉格光栅(FBG)之后的光栅中也重复出现，射入光芯651的光由多个光纤布拉格光栅(FBG)进行重复反射和穿过，并相互干扰。结果，即使当由多个干扰而射入具有宽带波长的光时，也会丢失大部分的跃迁波长信息，从而导致敏感度不足，难以区分光芯651每个分段发生的弯曲的性质变化。
由此，在本实施例中，多个光纤布拉格光栅(FBG)设置在光纤65上的间距不同，并且，彼此之间的间距趋向前端方向增大或减小。参照图9，近端部方向的第一间距称为G1，远端部方向的第二间距称为G2。朝向前端部方向设置的光纤布拉格光栅(FBG)的间距逐渐增大或减小，以便G2的间距可以大于G1的间距。
这种布置使得受到多个光栅干涉的光通过光入口再次回来时，使偏振反射光具有不同的波长差异。更具体地，偏振反射光是在x轴上沿长度方向及在y轴在沿垂直方向偏振的每个反射光。此类反射光彼此具有不同的波长带，并且独立地表示由多个光栅反射的光的波长。由于多个光栅之间的间距不同，因此检测到的波长变化易于检测其弯折状态。
此外，多个光纤布拉格光栅(FBG)6511、6513可以利用设置在第一区域A1的光纤布拉格光栅(FBG)组6511的光波长信息来感应导管主体63的形状；利用设置在第二区域A2的光纤布拉格光栅(FBG)组6513的光波长信息来感应施加至尖端61的外力，还可以将设置在第二区域A2的光纤布拉格光栅(FBG)组6513和设置在第一区域A1的光纤布拉格光栅(FBG)组6511进行结合来感应形状。
光波长分析部8通过将设置在第一区域A1的第一光纤布拉格光栅(FBG)组6511的跃迁波段和设置在第二区域A2的第二光纤布拉格光栅(FBG)组6513的跃迁波段区分来处理光信息。在此，使用属于第一光纤布拉格光栅(FBG)组6511和第二光纤布拉格光栅(FBG)组6513的多个光栅传感器来计算相应位置处的弯曲及方向，属于第二光纤布拉格光栅(FBG)组6513的光栅传感器还用于计算由尖端61的轴方向加压或弯曲而引起的接触力。
弹性构件67用于将光纤65包裹在前端的内侧，由与导管主体63具有不同弹性力的材料制成，可以使施加至尖端61的外力集中到前端。
弹性构件67配置在第二区域A2，而配置在第二区域A2的光纤布拉格光栅(FBG)组6513位于弹性构件67内。
优选地，导管6以单一材料形成为一体从而不具有阶梯差，但当想要准确地测量施加至尖端61的外力的大小及方向时，需要在前端设置与导管主体63具有不同弹性的异质材料。在本实施例中，只有当根据施加至尖端61的压力的物性的变化集中在位于第二区域A2的第二光纤布拉格光栅(FBG)组6513时，才能获得显著的测量值。若将相同的弹性材料的导管主体63包裹到第二区域A2，即使线轴方向的外力施加至前端的尖端61，由于其外力的大小作为一个整体传递到导管主体63，并反映在精确的第一光纤布拉格光栅(FBG)组所在的第一区域A1的物性变化中，因此无法精确地测量尖端61的接触力。此外，即使向前端的尖端61施加外侧方向的外力，也不会集中在第二光纤布拉格光栅(FBG)组6513所在的第二区域A2的物性的变化上，因此难以精确测量光量的变化量。因此，优选地，提供异质材料的弹性构件67，其与尖端61一起组装到导管主体63的前端，并包裹位于导管主体63内侧的间隙G。弹性构件67的材料可以比导管主体63的材料柔软，如弹簧之类的元件。
图10为显示根据本发明另一实施例的由多个光芯651a、651b、651c组成的光纤65内部的结构图。
参照图10，光纤65具有三个以上的光芯651a、651b、651c，以导管主体63的线轴为中心，三个以上的光芯651a、651b、651c可以以0.01mm至1.00mm的半径配置，更优选地，以0.2mm内的半径r配置。参照图9，作为实施例，提供了具有多个光芯651a、651b、651c的单个光纤65，但导管主体63也可以是具有单个光芯651的三个以上光纤65的形式。
作为一实施例，当在光纤65的横截面上以120°的间隔布置至少三个光芯651a、651b、651c时，可以通过对从三个光芯651a、651b、651c接收到的光波长信息进行三元运算来计算光芯651的弯曲程度及方向。当具有至少三个光芯651a、651b、651c时，具有多个光学光栅的光芯651可以计算导管主体63的三维变形。作为一实施例，利用三个光芯651来感应形状的原理可以参照美国专利第7,781,724号。参照美国专利第7,781,724号的图5至图8以及说明书第46至第71段，公开了一种计算方法：使用位于同一横截面上的三个光纤布拉格光栅(FBG)光学的三个应变值，计算从弯曲中心到光芯边界的中心距离X′轴以及相对于弯曲半径r的弯曲方向和角度a。使用相同地原理，从弯曲中心具有不同半径的至少三个光纤布拉格光栅(FBG)感应信息可以通过跃迁的波长信息来计算应变值，从而计算导管主体63的弯曲形状。
此外，根据相同原理，三个以上的光芯651a、651b、651c可以根据通过设置在第二区域A2的第二光纤布拉格光栅(FBG)组而跃迁的三个以上的波长信息来感应施加至尖端61的外力的方向及大小。
此外，根据本实施例的光纤65贯入相当于导管主体63的线轴的通道。即，光纤65配置在导管主体的中央位置，并且，光芯65也位于0.20mm以内的半径r。
由于材料的性质，光芯651比导管主体63缺乏柔软性。因此，如果光芯651以导管主体63的线轴为基准位于外侧，则通过驱动线615实现弯曲的导管6的弯曲范围将受到限制。基于上述理由，如图7所示，光纤65配置在相当于导管主体63的线轴的中央通道，优选地，灌溉管31或电极丝33等布置在位于线轴外侧方向的通道。这与需要将多个光芯配置在导管主体外侧的美国授权专利第8,567,265形成对比，考虑到缺乏柔软性的光纤的可移动范围，具有可以改善弯曲范围的结构。
再参照图10，三个以上的光芯651a、651b、651c辨别由各不相同的波段的光分别通过设置在第一区域A1的第一光纤布拉格光栅(FBG)组6511而跃迁的波长信息，并且，可以利用被辨别的三种以上的光波长信息，计算光纤65弯曲的方向及角度，从而感应导管主体63的形状。
作为另一实施例，由于在三个以上的光芯651a、651b、651c中，每个光芯的光的射入、反射及传输路径与其他光芯完全分离，因此光源、光的传输路径和从各光纤布拉格光栅(FBG)反射的波长由都分别由不同的测量传感器辨别，并且，辨别分别通过配置在第一区域A1的光纤布拉格光栅(FBG)组产生的波长变化，并利用被辨别的三个以上的光波长信息来计算光纤65弯曲的方向及角度，从而感应导管主体63的形状。
应能够通过辨别各自的反射光来获得三个光芯651a、651b、651c。因此，不同波段的光可以分别射入三个光芯651a、651b、651c。例如，R、G、B波长的光可以分别射入三个光芯651a、651b、651c，并可以通过比较红色波长的光量、绿色波长的光量及蓝色波长的光量来确定由第一光纤布拉格光栅(FBG)组6511产生的形状的变形。
作为另一实施例，宽带波长的光可以不同时间分别射入三个以上的光芯651a、651b、651c。此时，三个以上的光芯651a、651b、651c由在同一波段的光分别通过配置在第一区域A1的各光纤布拉格光栅(FBG)组的时间差来辨别光信息，并且，可以利用被辨别的三个以上的光信息，计算光纤65弯曲的方向及角度，从而感应导管主体63的形状。
另外，当同一波段的光分别射入三个以上的光芯651a、651b、651c来形成不同的光路径时，通过配置在第一区域A1的各光芯651a、651b、651c内部的各光纤布拉格光栅(FBG)组来辨别光信息，并且，可以利用被辨别的光信息，计算光纤65弯曲的方向及角度，从而感应导管主体63的形状。
光波长分析部8可以包括处理器81和显示器83。
光波长分析部8可以基于多个光纤布拉格光栅(FBG)组中设置在第一区域A1的光纤布拉格光栅(FBG)组6511的光波长信息来计算导管主体63的形状，并可以利用设置在第二区域A2的光纤布拉格光栅(FBG)组6513的光波长信息来计算施加至尖端61的外力。光波长分析部8可以具有在每个波段或在时间差处射入光的光源，以便对多个光芯651a、651b、651c的光波长信息进行辨别，并且，处理器81可以计算接收到的三个光信息，显示器83则可以直观地显示计算出的导管主体63的形状及尖端61的压力及方向。
如上所述，根据本实施例，通过将对基于分别配置在三个光芯651a、651b、651c的光纤布拉格光栅(FBG)6511、6513而跃迁的三个波长信息进行三元运算，可以检测导管主体63的弯折位置、方向及其角度和曲率，从而感应导管6的形状。此外，光纤65位于属于导管主体63的线轴的中心部，并且，此时的三个以上的光芯651a、651b、651c以线轴为基准，以0.01mm至1.00mm的半径配置。这考虑到缺乏柔软性的光纤的可移动范围，可以改善导体的弯曲范围。
此外，根据本实施例，光纤布拉格光栅(FBG)设置成其间距沿光芯651a、651b、651c的长度方向趋向前端方向增大。这将穿过光纤布拉格光栅(FBG)的光之间的干扰导致的反射光损失最小化，从而提高检测弯折位置的分辨率(resolution)。
此外，根据本实施例，将对在光芯651a、651b、651c中配置光纤布拉格光栅(FBG)的区域进行辨别，并且，利用与第一区域的光纤布拉格光栅(FBG)组相对应的跃迁波长进行形状感应，利用与第二区域的光纤布拉格光栅(FBG)组相对应的跃迁波长进行压力感应。这需要由感应组件构成，以便仅用三个以上的光芯651a、651b、651c配置来感应导管6的形状及压力，因此特别适于以小半径实现的标测导管的感应手段。
以上，基于代表实施例对本发明进行了详细说明，但本领域普通技术人员应理解，能够在不脱离本发明的范围的限度下进行多种变更。因此，本发明的权利范围不能受到实施例的限制，而应由权利要求范围以及从与权利要求范围均等的概念导出的全部变更或变形的形态所确定。

Claims (14)

1.一种导管，其特征在于，包括：
导管主体，其中，形成有一个以上通道的路径被定义为第一区域，具有随着被施加外力而冷凝的尖端的前端被定义为第二区域；
光纤，贯入所述通道并沿所述导管主体的长度方向配置有多个光纤布拉格光栅；及弹性构件，配置成将所述光纤包裹在所述前端的内侧，由与所述导管主体具有不同弹性力的材料制成，使施加至所述尖端的外力集中到前端，
所述多个光纤布拉格光栅利用设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅组的光波长信息来感应导管主体的形状，利用设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅组的光波长信息来感应施加至尖端的外力。
2.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述光纤具有三个以上的光芯，
所述三个以上的光芯以所述导管主体的线轴为中心，以0.01mm至1.00mm的半径配置。
3.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述多个光纤布拉格光栅设置在所述光纤上的间距不同，
彼此之间的间距趋向前端方向增大。
4.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述多个光纤布拉格光栅设置在所述光纤上的间距不同，
彼此之间的间距趋向前端方向减小。
5.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述弹性构件配置在所述第二区域，设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅位于所述弹性构件内。
6.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述光纤具有三个以上的光芯，
同一波段的光射入所述三个以上的光芯。
7.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述光纤具有三个以上的光芯，
不同波段的光分别射入所述三个以上的光芯。
8.根据权利要求7所述的导管，其特征在于，
所述三个以上的光芯辨别由各不相同的波段的光分别通过设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅组来跃迁的波长信息，并且，利用被辨别的三种以上的光波长信息计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
9.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述光纤具有三个以上的光芯，
具有时间差的光分别射入所述三个以上的光芯。
10.根据权利要求9所述的导管，其特征在于，
所述三个以上的光芯根据同一波段的光分别通过设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅组的时间差来辨别光信息，并且，利用被辨别的三种以上的光波长信息计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
11.根据权利要求9所述的导管，其特征在于，
所述三个以上的光芯在同一波段的光分别通过配置在所述第一区域的各所述光芯内部来形成不同的光路径时，通过配置在所述光芯内部的各光纤布拉格光栅组来辨别光信息，并且，利用被辨别的所述光信息，计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
12.根据权利要求1所述的导管，其特征在于，
所述光纤具有三个以上的光芯，
所述三个以上的光芯利用由光通过设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅组来跃迁的三个以上的波长信息，感应施加至所述尖端的外力的方向及大小。
13.一种导管系统，其特征在于，包括：
导管主体，其中，形成有一个以上通道的路径被定义为第一区域，具有随着被施加外力而冷凝的尖端的前端被定义为第二区域；
光纤，贯入所述通道并沿所述导管主体的长度方向配置多个光纤布拉格光栅；
导管，具有配置成将所述光纤包裹在所述前端的内侧，由与所述导管主体具有不同弹性力的材料制成，使施加至所述尖端的外力集中到前端的弹性构件；及
光波长分析部，基于所述多个光纤布拉格光栅组中设置在所述第一区域的光纤布拉格光栅组的光波长信息来计算导管主体的形状，利用设置在所述第二区域的光纤布拉格光栅组的光波长信息来感应施加至所述尖端的外力，
所述导管设置在所述导管主体的外部并包括电极，用于通过配置在所述导管主体内部的电线将电信号传输到分析设备，或将从外部输入的能量传输到组织。
14.根据权利要求13所述的导管系统，其特征在于，
所述导管的所述光纤包括三个以上的光芯，
所述光波长分析部利用从所述三个以上的光芯接收的三个以上的光的波长信息，计算所述光纤弯曲的方向及角度，从而感应所述导管主体的形状。
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