CN114279363A - 用于安全的多芯纤维中冗余弯曲的计算 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于安全的多芯纤维中冗余弯曲的计算。一种纤维包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数。当光学纤维被置于感测位置时，干涉电路检测与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的干涉图案数据。数据处理电路基于纤维中的M个主要纤芯和N个冗余纤芯的预定几何结构以及检测到的与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的干涉图案数据，计算M个主要纤芯的主要纤芯纤维弯曲值和N个冗余纤芯的冗余纤芯纤维弯曲值。在比较中比较主要纤芯纤维弯曲值和冗余纤芯纤维弯曲值。基于该比较，确定针对M个主要纤芯检测到的数据是可靠的还是不可靠的。响应于确定不可靠而产生信号。

Description

用于安全的多芯纤维中冗余弯曲的计算

本申请是2017年06月22日提交的名称为：“用于安全的多芯纤维中冗余弯曲的计算”的中国专利申请201780037075.9(PCT/US2017/038699)的分案申请。

相关申请

本申请要求2016年7月8日提交的名称为“CALCULATION OF REDUNDANT BEND INMULTI-CORE FIBER FOR SAFETY”的美国临时专利申请62/359,716的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

多芯光学纤维可以用于确定光学纤维的弯曲角度。具有三个纤芯的多芯纤维可以用于将纤维的变形分成两个弯曲角度(俯仰和偏转)和纤维伸长(应变)。

在基于光学纤维的弯曲角度感测中，多信道分布式应变感测系统可以用于检测多芯光学弯曲感测纤维内的若干纤芯中的每一个的应变变化，例如US8,773,650中所述，其通过引用并入本文。可以通过方程组来组合多个分布式应变测量值，以产生一组物理测量值，物理测量值包括曲率和轴向应变，如US8,531,655中所述，其通过引用并入本文。这些物理测量值可以用于确定光学纤维的分布式弯曲角度。

弯曲感测纤维的一些应用在弯曲感测输出的精度和可靠性方面需要高度的置信度或安全性。示例应用是在外科手术或其他环境中使用的机器人臂。提高这些机器人臂操作的置信度和安全性的一种方法是使用冗余。例如，不是仅使用一个位置编码器来确定机器人臂关节的当前角位置，而是可以使用两个位置编码器并且比较输出以确定两个编码器是否生成相同的位置或具有允许裕度的相同位置。如果输出不在允许的裕度内，则可以生成安全或故障信号以警告操作者错误情况。

冗余纤维可以是一些弯曲感测应用的选择，以确保安全并且可靠的弯曲感测输出信息。但是在其他情况下，冗余纤维是不可能或不可取的，例如，由于空间限制、成本限制等。例如，在外科手术机器人臂中，包含弯曲感测纤维的导管空间可能太紧而不能容纳两个纤维。所需要的是另一种技术方案，其确保安全并且可靠的弯曲感测输出信息，但不需要冗余纤维。

发明内容

干涉测量系统测量包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯的光学纤维，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数。(在一个示例实施方式中，M＝3且N＝3，并且在另一个示例实施方式中，M＝4且N＝2)。当光学纤维被置于感测位置时，干涉检测电路检测与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据。基于M个主要纤芯和N个冗余纤芯的预定几何结构以及检测到的与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据，数据处理电路计算M个主要纤芯的主要纤芯纤维弯曲值和N个冗余纤芯的冗余纤芯纤维弯曲值。其还执行主要纤芯纤维弯曲值和冗余纤芯纤维弯曲值的比较，基于该比较确定检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的还是不可靠的，并且响应于确定不可靠而产生信号。

在一个示例实施例中，当主要纤芯纤维弯曲值和冗余纤芯纤维弯曲值之间的差值超过预定阈值时，数据处理电路确定检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是不可靠的。

信号可以表示以下中的一个或多个：(a)光学和/或电子感测和处理电路的操作中的错误，(b)与光学纤维的连接中的错误，(c)针对光学纤维确定的校准数据中的错误，(d)由纤维所经受的力引起的错误，否则数据处理电路不会对其进行补偿，或(e)算法的处理或执行中导致弯曲误算的错误。该错误可以是由光学纤维夹紧和/或由一个或多个环境条件引起的力。该信号还可以表示检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据的可靠性或不可靠性。

在具体示例中，数据处理电路计算在M个主要纤芯和N个冗余纤芯中的每一个中测量的相位的导数，并且将M个主要纤芯的相位导数乘以主要纤芯转换矩阵并且将N个冗余纤芯的相位导数乘以冗余纤芯转换矩阵。

在干涉测量系统的示例应用中，当光学纤维插入具有马达操作运动的机器人医疗器械的导管中时，(1)数据处理电路基于该比较确定检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的，以及(2)数据处理电路使用可靠的检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据作为用于致动马达的反馈，以将机器人医疗器械移动到特定形状或方位。

在一些示例实施例中，M个主要纤芯除了确定主要纤芯纤维弯曲值之外，还足以确定与纤维相关的扭转或温度。

附图说明

图1示出了可以用于量化六芯光学纤维的纤芯放置和应变响应的数学参数。

图2示出了基于光频域反射(OFDR)的弯曲感测系统的第一示例实施例的示意图，该基于光频域反射的弯曲感测系统使用弯曲角度的冗余测量来识别错误。

图3是用于校准第一示例实施例中的光学弯曲感测纤维的流程图。

图4是用于检测第一示例实施例的弯曲感测系统中的错误的流程图。

图5示出了可以用于量化六芯光学纤维的纤芯放置和应变响应的数学参数，其中一个纤芯对于主要计算和冗余计算是共享的。

图6示出了所公开的技术在外科手术机器人器械中的示例应用。

具体实施方式

以下描述阐述了具体细节，例如出于解释而非限制的目的的特定实施例。但是，本领域技术人员将理解，可以除去这些具体细节采用其他实施例。在某些情况下，省略了对公知的方法、接口、电路和装置的详细描述，以免不必要的细节模糊描述。单独块在附图中示出为对应于各种节点。本领域的技术人员将理解，可以使用以下设备来实现那些块的功能：使用单独的硬件电路；使用软件程序和数据结合适当编程的数字微处理器或通用计算机；和/或使用专用集成电路(ASIC)；和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)。软件程序指令和数据可以存储在非暂时性计算机可读存储介质上，并且当指令由计算机或其他合适的处理器控件执行时，计算机或处理器执行与那些指令相关联的功能。

概述

多芯光学纤维包含主要光学纤芯组，主要光学纤芯组用于结合OFDR器械提供纤维弯曲角度的基于干涉的测量。在示例实施例中，多芯光学纤维还包含第二多纤芯组，第二多纤芯组用于确定纤维弯曲角度的冗余的基于干涉的测量。将纤维弯曲角度的冗余测量与纤维弯曲角度的主要测量进行比较，以便增加主要测量的置信度和可靠性。冗余纤芯在相同多芯纤维内位于与用于主要测量的纤芯不同的位置，并且冗余纤芯检测由任何主要纤芯中的不正确的分布式应变测量引起的错误，以及由分布式应变测量到弯曲角度的不正确映射引起的错误。此外，由于附加纤芯需要部分独立于主要纤芯的电路，因此也可以检测由独立电路引起的任何错误。

以下出于说明而非限制的目的描述示例多芯纤维。所描述的原理也适用于多芯纤维，其中多个主要纤芯和冗余纤芯沿光学纤维的长度具有不同的相对位置。该技术适用于纺成纤维，其中纤芯被螺旋缠绕以便测量纤维上的扭转(twist)。这些原理也适用于具有六个以上纤芯的多芯纤维。

第一示例实施例

图1示出了六芯光学纤维以及可以用于量化纤芯放置和应变响应的数学参数。尽管使用了术语纤芯，但该技术适用于可以用于纤维的其他类型的波导。注意，可以使用不同数量的纤芯，并且为了简单，所有纤芯处于距多芯纤维的中心相同的半径处。存在三个主要测量纤芯a₁、b₁和c₁以及三个冗余测量纤芯a₂、b₂和c₂。主要测量纤芯的数量可以概括为正整数M，并且冗余测量纤芯的数量可以概括为正整数N。M和N可以与图1中的相同，即M＝3和N＝3，或者与图5中的相同，即M＝4和N＝2，如下所述。

穿过多芯纤维的中心的竖直轴线穿过两个外纤芯或外围纤芯a₁和a₂。这些外纤芯a₁和a₂被称为“参考纤芯”，因为若干参数相对于这些纤芯a₁和a₂来表示了。因此，在此用字母“a”标识的(一个或多个)纤芯用作一个或多个参考纤芯。

两个参数描述了纤芯的位置：距纤维中心的径向距离r，以及从与(一个或多个)参考纤芯相交的竖直轴线测量的任意角度φ。当纤维弯曲时，给定纤芯中弯曲引起的应变量与纤芯和弯曲平面(如双虚线所示)分开的垂直距离d成正比。在图1中示出了对于纤芯c₁的距离d。

当纤芯应变响应一起用于计算施加到纤维的弯曲应变和轴向应变时，对理解这些参数如何影响纤维的应变分布是有帮助的。基于图1中所示的参数建立数学模型。因为这些参数可以被测量，所以这些参数可以用于提供多芯光学纤维的应变分布的更精确的重组。值得注意的是，这些参数仅需要针对特定的多芯光学纤维测量一次，并且可以用于该相同多芯光学纤维的一些或所有OFDR后续测量。

在下面的等式(1)中，由于纤维的弯曲而被纤芯感知的弯曲应变B与弯曲的曲率和纤芯与弯曲平面(如图1所示)的切向距离d成比例：

B_n(z)＝αK(z)d_n(z) (1)

其中α是常量，K是纤维的曲率，并且d表示纤芯与弯曲平面的切向距离。从图1所示的参数来看，切向距离d可以用纤芯的位置表示为：

d_n(z)＝r_n[sin(φ_n)cos(θ(z))-cos(φ_n)sin(θ(z))] (2)

其中r是距纤维轴线的径向距离，φ表示从竖直轴线测量的角度，以及θ是弯曲平面和竖直轴线之间的角度的测量值。等式(1)和(2)的结合得到：

B_n(z)＝αK(z)r_n[sin(φ_n)cos(θ(z))-cos(φ_n)sin(θ(z))] (3)

通过分布曲率项并将其表示为两个单独的分量，该表达式可以简化为：

其中K_x是关于水平轴线的曲率(俯仰)，并且K_y是关于竖直轴线的曲率(偏转)。

对于第一级，还可以假设纤芯经历的轴向应变A对于纤维内的所有纤芯是共同的，并且不依赖于纤芯的位置，以得到表达式：

A_n(z)＝γE(z) (5)

其中γ是常量，并且E表示轴向应变。纤芯上的总应变可以通过组合等式(4)和等式(5)写为下面的表达式：

ε_n(z)＝αr_nK_x(z)sin(φ_n)-αr_nK_y(z)cos(φ_n)+γE(z) (6)

考虑该示例纤维实施例中的来自三个主要纤芯的测量的应变信号，矩阵关系可以构造如下：

针对弯曲和应变参数，等式(7)可解如下：

等式(8)中的表达式允许根据纤维结构变动重新组合纤维内每个独立纤芯的单独应变信号，并将这些信号分类成应用于整个多芯纤维结构的应变。可以从等式(8)中导出任何数量的线性组合，以创建将纤芯的应变响应与应变分布的分量相关联的表达式。

在如图1中的六纤芯多芯纤维示例中，等式(8)可以对两个独立的三元组纤芯(即三个主要测量纤芯a₁、b₁和c₁以及三个冗余测量纤芯a₂、b₂和c₂)应用两次，如等式(9)和等式(10)所示。

由于主要纤芯三元组和冗余纤芯三元组都经历相同的全局应变，因此针对两个三元组计算的值K_x、K_y和E应该彼此一致。任何不一致都表明测量或测量所依据的假设中的错误。在任何一种情况下，必须假设当前测量有缺陷，并且计算的弯曲和应变必须被认为是不可靠的并且具有潜在的危险。

图2示出了基于光频域反射(OFDR)的弯曲感测系统10的示例实施例的示意图，该弯曲感测系统10使用如图1中的六芯纤维来计算冗余弯曲角度以检测测量误差。基于OFDR的弯曲感测系统可以用于计算冗余弯曲角度，以检测其他多芯纤维配置的测量误差。

基于OFDR的分布式应变感测系统10包括光源11、干涉式询问器15、激光监视网络12、光学纤维传感器17、采集电子器件18和数据处理器20。单个OFDR测量和处理信道对应一个纤维纤芯。在OFDR测量期间，可调光源11扫过一系列光频率。这种光通过使用光学耦合器分开并路由到单独的干涉仪。参考干涉仪是包含氰化氢(HCN)气体单元的激光监视网络12的一部分，该HCN气体单元在整个测量扫描中提供绝对波长参考。当光源11被扫描通过一定频率范围时，激光监视网络12内的参考干涉仪测量调谐速率的波动。

测量干涉式询问器15连接到一定长度的多芯弯曲感测纤维17中的相应单独纤芯。光通过六个干涉式询问器的测量臂进入感测纤维17，该六个干涉式询问器通常在15处参考对应于纤维17中的六个纤芯波导a₁-c₁和a₂-c₂。然后，来自感测纤维17中的每个纤芯的散射光与沿着相应的干涉式询问器15的参考臂行进的光干涉。干涉式询问器与多芯纤维中的纤芯的每个配对被称为采集信道。当扫描可调光源11时，同时测量每个信道，并且将来从每个信道所得的干涉图案路由到适于附加干涉仪15的数据采集电子器件18。每个信道被独立处理。

一系列光学检测器(例如，光电二极管)将来自激光监视网络、气体单元的光信号和来自感测纤维的每个纤芯的干涉图案转换成电信号。数据采集单元18中的处理电路使用来自激光监视12干涉仪的信息来重新采样检测到的感测纤维17的干涉图案，使得图案在光学频率上具有恒定的增量。该步骤是傅立叶变换运算的数学必要条件。一旦重新采样，系统控制器数据处理器20执行傅里叶变换以在时域中产生光散射信号。在时域中，光散射事件的幅度被描绘为针对沿着纤维长度的延迟。使用光在给定的时间增量中行进的距离，可以将该延迟转换为沿感测纤维的长度的测量值。换句话说，光散射信号将每个散射事件表示为沿纤维的距离的函数。采样周期被称为空间分辨率，并且与可调光源11在测量期间扫过的频率范围成反比。

当纤维存在应变时，局部光散射随着纤维物理长度的变化而转变。这些变形是高度可重复的。因此，针对纤维的检测到的光散射的OFDR测量可以保留在存储器中，以用作处于非应变状态的纤维的参考图案。然后，当光学纤维处于应变下时，可以由系统控制器20将随后测量的散射信号与该参考图案进行比较，以获得沿着感测纤维的长度的局部散射的延迟转变的测量值。当与参考散射图案进行比较时，这种延迟的转变表现为连续的、缓慢变化的光学相位信号。该光学相位信号的导数与感测纤芯的物理长度的变化成正比。物理长度的变化可以缩放到应变，从而产生沿感测纤芯的应变的连续测量值。

耦合到系统控制器20的数据处理器22提取与纤维17中的纤芯a₁-c₁和a₂-c₂的实际物理配置有关的参数24，该参数用于校准或以其他方式补偿OFDR测量以考虑实际光学纤芯配置与最佳光学纤芯配置之间的变动。首先建立上面详细描述的数学模型，其描绘描述来自最佳多芯纤维配置的变动的参数，其中术语“最佳”包括已知和未知配置。然后定义校准参数，其补偿多芯纤维内光学纤芯的物理性质的变动。

图3是用于校准如图1所示的六芯光学弯曲感测纤维的流程图。最初，多芯纤维以直线、非应变配置放置，并且如上所述，执行OFDR测量(步骤S1)，并且存储所得到的参考状态参数(步骤S2)。然后将多芯纤维配置为已知的配置(例如平坦平面，螺旋形弯曲(例如，螺钉)，或任何已知的配置)(步骤S3)。在非限制性示例中，多芯纤维配置为平坦平面(参见步骤S3右侧所示的螺旋形状)以计算纤维中的纤芯之间的相对几何形状(步骤S4)。然后将纤维配置到已知的弯曲位置(步骤S5)，并计算弯曲增益，该弯曲增益提供纤芯几何形状的幅值(步骤S6)。将纤维置于张力下(步骤S7)，并计算每个纤芯的张力响应(步骤S8)。然后确定填充上面的等式(8)中矩阵所需的值，这些值描述六个纤芯对弯曲和应变的响应，并且对矩阵进行逆运算(步骤S9)。

图4是由示例实施例中的系统控制器数据处理器20执行的流程图，其用于使用具有M个主要纤芯和N个冗余纤芯的校准弯曲感测纤维来检测弯曲感测系统中的错误。流程图处理步骤可以由包括采集电子器件18或数据处理器22的任何处理器(例如，FPGA、CPU、GPU、ASIC等)执行。最初，已经校准的弯曲感测纤维(例如，参见图3)根据弯曲感测的需要进行放置，并且针对M+N个纤芯(M个主要纤芯和N个冗余纤芯)中的每个纤芯获得OFDR测量值(步骤S20)。与例如在图3的示例纤维校准程序之后获得的针对该纤维的每个相应纤芯的校准参考OFDR图案相比，数据处理器22跟踪根据这些OFDR测量值确定的每个纤芯的光学相位信号(步骤S21)。每个跟踪的光学相位信号是沿着感测纤维中其相应纤芯的长度的反射(例如，局部散射或布拉格纤维光栅反射)延迟转变的测量值。针对每个纤芯计算该光学相位信号的导数(步骤S22)，该导数与其相应纤芯的物理长度的变化成正比。将六个相位导数中的每一个乘以来自等式(8)的转换矩阵，以确定所施加的弯曲和应变(步骤S23)。

然后，比较主要纤芯OFDR测量值和冗余纤芯OFDR测量值以确定测量的可靠性(步骤S24)。如果主要纤芯OFDR测量值和冗余纤芯OFDR测量值相差超过预定量，则OFDR测量值被标记或以其他方式指示为不可靠和/或采取或启动以下动作中的一个或多个：生成用于显示的故障信号、停止与弯曲感测纤维相关的系统或机器的操作、产生警报，和/或采取一些其他预防或保护动作(步骤S25)。

第二示例实施例

该技术还可以应用于其中使用多于三个主要测量纤芯的多芯纤维。附加主要测量纤芯可以重复用于冗余弯曲计算。该纤芯配置可用于提取附加参数，例如纤维上的扭转或沿着纤维的温度变化。

图5示出了可以用于量化六芯光学纤维的纤芯放置和应变响应的数学参数。在该示例实施例中，纤芯d₁被包括以作为主要纤芯之一，以便计算螺旋多芯纤维上的扭转，其一个示例在2016年6月9日提交的序列号为62/347,704的美国临时专利申请中描述，该专利通过引用并入本文。相同纤芯也用作冗余纤芯a₂。因此，在该示例中，M＝4并且N＝2。

在主要计算中包含纤芯d₁允许计算纤维上的扭转。对于施加到纤维的中等水平的捻度(例如，100度/米)，可以使用一阶项来对由扭矩引起的应变进行建模。然后根据纤芯位置表示扭转应变R_n(z)如下：

其中β是常量，并且Φ是纤维每单位长度被扭转(滚动)的量。纤芯上的总应变可以通过组合等式(4)、等式(5)和等式(11)写为下面的表达式：

考虑示例实施例中的来自四个主要纤芯的测量的应变信号，矩阵关系可以构造如下：

对于弯曲(K_x，K_y)、应变(E)和扭转(Φ)参数，可以如下求解等式(13)：

等式(14)中的表达式允许根据纤维结构变动重新组合纤维内每个独立纤芯的单独应变信号，并将这些信号分类成应用于整个多芯纤维结构的应变。可以从等式(14)中导出任何数量的线性组合，以创建将纤芯的应变响应与应变分布的分量相关联的表达式。

可以使用等式(10)来计算该实施例的冗余弯曲计算。由于主要纤芯和冗余纤芯都经历相同的全局应变，因此针对主要纤芯和冗余纤芯计算的值K_x、K_y和E应该彼此一致。任何不一致都表明主要纤芯OFDR测量值或测量所依据的假设存在错误。在任何一种情况下，当前主要纤芯OFDR测量值应该假设有缺陷，并且由此计算的弯曲和应变被认为是不可靠的并且存在潜在的危险。

图6是根据示例实施例的医疗器械系统200的简化图，其受益于上述技术。在一些实施例中，医疗器械系统200可以用于利用远程操作医疗系统执行的图像引导医疗程序。在一些示例中，医疗器械系统200可以用于非远程操作探索程序或涉及传统手动操作的医疗器械的程序(例如内窥镜检查)。可选地，医疗器械系统200可以用于收集(即，测量)与患者的解剖通路内的方位相对应的一组数据点。

医疗器械系统200包括耦接到马达驱动单元204的细长装置202。细长装置202包括具有近端217和远端或尖端部分218的柔性主体216。在一些实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外直径。其他柔性主体外直径可以更大或更小。

医疗器械系统200还包括跟踪系统230，跟踪系统230用于使用一个或多个传感器和/或成像装置确定沿着柔性主体216在远端218处的导管尖端和/或一个或多个区段224的位置、取向、速度、速率、姿势和/或形状。一个导管/管腔标记为222并且包括光学纤维17。在远端218和近端217之间的柔性主体216的整个长度可以有效地分成区段224。跟踪系统230可以实现为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合。

OFDR系统10和跟踪系统230使用包含在导管/管腔222中的感测纤维17跟踪远端218和/或一个或多个区段224的弯曲。在一个示例实施例中，感测纤维的直径约为200μm。在其他实施例中，尺寸可以更大或更小。感测纤维形成如上所述OFDR系统10测量的光学纤维弯曲传感器，并将关于远端218处的弯曲量的反馈提供至跟踪系统230。跟踪系统230使用弯曲数据来控制马达驱动单元204以将拉线定位在纤维中。因为对导管/管腔的尖端218的精确控制取决于来自OFDR系统10的精确弯曲数据，所以来自弯曲感测纤维/OFDR系统的任何不精确数据应被标记为不精确或不可靠，以便跟踪系统230可以做出关于当前OFDR数据的正确决定，而不是将尖端218移动到不正确的方位。上述冗余纤芯技术确保精确并可靠的反馈。

柔性主体216包括信道226，信道226的尺寸和形状设计成接收医疗器械。在一些实施例中，医疗器械可以用于诸如外科手术、活组织检查、消融、照明、冲洗或抽吸的程序。医疗器械可以包括例如图像捕获探针、活组织检查器械、激光消融纤维和/或其他外科手术、诊断或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件的末端执行器，例如手术刀、钝刀片、光学纤维、电极和/或类似物。其他末端执行器可以包括例如钳子、抓紧器、剪刀、夹子施加器和/或类似物。

其他末端执行器还可以包括电激活的末端执行器，例如电外科手术电极、换能器、传感器和/或类似物。

医疗器械信道226可以另外容纳在其近端和远端之间延伸的缆线、连杆或其他致动控件(未示出)，以可控制地调节医疗器械的弯曲远端。可转向器械在美国专利No.7,316,681和美国专利申请No.12/286,644中详细描述，这些专利全文通过引用并入本文。

柔性主体216还可以容纳在驱动单元204和远端218之间延伸的缆线、连杆或其他转向控件(未示出)，以可控地弯曲远端218，如图所示，例如，通过虚线219描绘的远端218。在一些示例中，至少四根缆线用于提供独立的“上下”转向以控制远端218的俯仰和“左右”转向以控制远端281的偏转。可转向导管在美国专利申请No.13/274,208中详细描述，该专利申请通过引用全文并入本文。在医疗器械系统200由远程操作组件234致动的实施例中，驱动单元204可以包括驱动输入，该驱动输入可移除地耦接到远程操作组件的驱动元件(例如致动器)并从该驱动元件接收电力。驱动单元204和跟踪系统230形成驱动单元控制回路，驱动单元控制回路使用由OFDR系统10从纤维17测量的弯曲数据来确定导管的尖端218的当前位置、取向、形状等(例如，尖端可能向左弯曲30度并且向上弯曲10度)。驱动单元控制回路接收例如来自诸如外科医生的用户的命令，以将尖端218移动到新位置，并使用由OFDR测量值确定的尖端的当前位置与命令位置之间的差值来确定驱动单元204致动哪些控制线，以将导管尖端218移动到命令位置。当驱动单元204操纵拉线时，驱动单元控制回路监视来自纤维17/OFDR系统10的弯曲数据，以确保正确运动到命令位置。

在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括抓握特征件、手动致动器或用于手动控制医疗器械系统200的运动的其他部件。细长装置202可以是可转向的，或者可替代地，系统可以是不可转向的，其中没有用于操作者控制远端218的弯曲的集成机构。在一些示例中，在柔性主体216的壁中限定一个或多个管腔，医疗器械可以通过该管腔在目标外科手术位置处展开和使用。

来自OFDR系统10和跟踪系统230的信息可以被发送到导航系统232，其中该信息可以与来自可视化系统231的信息和/或术前获得的模型组合以为医师、临床医生或外科医生或其他操作者提供实时位置信息。在一些示例中，实时位置信息可以显示在显示系统233上，以用于医疗器械系统200的控制。在一些示例中，图1的控制系统116可以利用如通过OFDR系统10测量的来自纤维的位置信息作为用于定位医疗器械系统200的反馈。在2011年5月13日提交的美国专利申请No.13/107,562中提供了用于使用光学纤维传感器来配准和显示具有外科手术图像的外科手术器械的各种系统，该专利申请通过引用全文并入本文。

上述技术使得单个弯曲感测纤维能够用作外科手术系统的弯曲编码器，其中必须检测弯曲输出中的任何不精确性并将其报告给系统控制器。该技术可以用于外科手术系统之外的出于安全或正确操作的目的而需要检测不精确的弯曲输出的任何系统。使用单个弯曲感测纤维比使用辅助弯曲编码器检测不精确的测量值具有若干优点：设计更简单、制造更便宜，并且比多个编码器需要更少的空间。使用单个纤维执行主要测量和冗余测量也可以比使用多个编码器更精确，因为单个纤维被保证经历相同的全局弯曲和应变，而多个编码器存在于机器人内的不同空间中，这可能导致它们经历不同的弯曲和应变。

本领域的技术人员将了解，本申请中的图可以表示说明性电路或其它功能单元的概念视图。类似地，应当理解，流程图、状态转换图、伪代码等通常表示可以基本上在计算机可读介质中表示并且由计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确示出此类计算机或处理器。

可以通过使用硬件(诸如电路硬件和/或能够执行以存储在计算机可读介质上的编码指令的形式的软件的硬件)来提供各种图示说明的元件的功能。因此，这些功能和图示说明的功能块应被理解为是硬件实现的和/或计算机实现的，并且因此是机器实现的。

在硬件实现方面，功能块可以包括或包含但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(其包括但不限于(一个或多个)专用集成电路(ASIC)和/或(一个或多个)现场可编程门阵列(FPGA))，以及(在适当的情况下)能够执行这些功能的状态机。

在计算机实现方面，计算机通常被理解为包括一个或多个处理器或者一个或多个控制器，并且术语计算机、处理器和控制器可以互换使用。当由计算机、处理器或控制器提供时，这些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，或由多个单独计算机或处理器或控制器提供，这些计算机或处理器或控制器中的一些是可以共享的或分布式的。此外，术语“处理器”或“控制器”还指能够执行这些功能和/或执行软件的其他硬件，例如上述示例硬件。

无论何时在本文档中描述给定项目存在于“一些实施例”、“各种实施例”、“某些实施例”、“某些示例实施例”、“一些示例实施例”、“示例性实施例”，或者，无论何时使用任何其他类似语言，都应当理解，给定项目存在于至少一个实施例中，但并不一定存在于所有实施例中。与前述一致，无论何时在本文档中描述动作“可以”、“能够”或“可能”被执行，特征、元素或部件“可以”、“能够”或“可能”被包括在或适用于给定的情境，给定项目“可以”、“能够”或“可能”具备给定的属性，或者，无论何时使用涉及术语“可以”、“能够”或“可能”的任何类似短语时，应该理解为给定的动作、特征、元件、部件、属性等存在于至少一个实施例中，但并不一定存在于所有实施例中。除非另有明确说明，否则本文档中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式的而非限制性的。作为前述的示例：“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合(例如，a和/或b表示a、b或者a和b)；单数形式“一”、“一个”和“该”应解读为意味着“至少一个”、“一个或多个”等；术语“示例”用于提供所讨论主题的示例，而不是其详尽或限制性列表；术语“包含”和“包括”(以及它的其他变形和其他变体)指定相关所列项目的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他项目；并且如果项目被描述为“可选的”，则不应将这种描述理解为表明其他项目也是不可选的。

如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读存储介质”包括寄存器、高速缓存存储器、ROM、半导体存储器装置(诸如D-RAM、S-RAM或其他RAM)、磁介质(诸如闪速存储器)、硬盘、磁光介质、光介质(诸如CD-ROM、DVD或蓝光光盘)、或用于非暂时性电子数据存储的其他类型的装置。术语“非暂时性计算机可读存储介质”不包括暂时传播的电磁信号。

尽管已经详细示出和描述了各种实施例，但是权利要求不限于任何特定实施例或示例。该技术完全包含对于本领域的技术人员来说显而易见的其他实施例。以上描述均不应解读为暗示任何特定元件、步骤、范围或功能是必要的使得其必须包括在权利要求范围内。专利主题的范围仅由权利要求限定。法律保护的范围由权利要求中记载的文字及其等同物限定。本领域普通技术人员已知的上述优选实施例的元件的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在由本权利要求书涵盖。此外，装置或方法不必解决通过所描述的技术寻求解决的每个问题，因为它包含在本权利要求书中。除非使用“用于…的装置”或“用于…的步骤”的字样，否则任何权利要求均不得调用35USC§112(f)。此外，本说明书中的实施例、特征、部件或步骤都不旨在专用于公众，无论在权利要求中是否记载该实施例、特征、组件或步骤。

Claims (25)

1.一种干涉测量系统，所述干涉测量系统包括：

光源，其被配置成将光引导到多芯光学纤维的多个纤芯中，所述多个纤芯中的每个纤芯被配置成沿所述多芯光学纤维的长度反射来自多个位置的所述光的部分以形成反射光；

处理器；

存储器，其耦合到所述处理器，所述存储器存储指令，当所述指令由所述处理器执行时，使所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于分析来自所述多个纤芯的第一子集的所述反射光来确定第一测量值，所述第一测量值包括所述多芯光学纤维的弯曲参数的第一测量，

基于分析来自所述多个纤芯的第二子集的所述反射光来确定第二测量值，所述第二测量值包括所述多芯光学纤维的所述弯曲参数的第二测量，其中所述第一子集与所述第二子集至少有一个纤芯不同，以及

基于所述第一测量值与所述第二测量值的比较，确定所述第一测量值是否不可靠。

2.根据权利要求1所述的干涉测量系统，其中基于所述比较确定所述第一测量值是否不可靠包括：

响应于所述第一测量值与所述第二测量值之间的差值超过预定阈值，确定所述第一测量值不可靠。

3.根据权利要求1所述的干涉测量系统，其中所述弯曲参数是第一弯曲参数，其中所述第一测量值进一步包括所述多芯光学纤维的第二弯曲参数的第一测量，并且其中所述第二测量值进一步包括所述第二弯曲参数的第二测量。

4.根据权利要求1所述的干涉测量系统，其中所述操作进一步包括：

提供指示所述第一测量值是否被确定为不可靠的信号。

5.根据权利要求4所述的干涉测量系统，其中所述信号指示所述第一测量值被确定为不可靠，并且其中所述操作进一步包括：

响应于所述信号，导致显示视觉指示或产生声音警报。

6.根据权利要求4所述的干涉测量系统，其中所述信号指示所述第一测量值被确定为不可靠，并且其中所述操作进一步包括：

响应于所述信号，停止致动系统的操作，所述致动系统被配置成导致所述多芯光学纤维的移动。

7.根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中：

所述多个纤芯的纤芯沿所述光学纤维的长度延伸，并与所述多芯光学纤维的中心轴隔开；并且

所述多个纤芯包括至少六个纤芯。

8.根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中所述第一子集正好包括三个纤芯，并且第二子集正好包括三个纤芯。

9.根据权利要求8所述的干涉测量系统，其中所述第一子集的所有三个纤芯不同于所述第二子集的所述三个纤芯。

10.根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中所述第一子集包括至少四个主要纤芯，其中所述第二子集包括至少两个冗余纤芯，并且其中所述第二子集和所述第一子集的所述至少四个主要纤芯二者中包括相同的主要纤芯。

11.根据权利要求10所述的干涉测量系统，其中：

所述弯曲参数是第一弯曲参数；

确定所述第一测量值包括基于所述至少四个主要纤芯的预定几何结构计算主要纤芯值，所述主要纤芯值包括所述多芯光学纤维的所述第一弯曲参数的主要纤芯值、第二弯曲参数的主要纤芯值，以及所述多芯光学纤维的应变参数的主要纤芯值；

确定所述第二测量值包括基于所述相同的主要纤芯和所述至少两个冗余纤芯的预定几何结构计算冗余值，所述冗余值包括所述第一弯曲参数的冗余值、所述第二弯曲参数的冗余值和所述应变参数的冗余值；以及

所述第一测量值和所述第二测量值的所述比较包括所述主要纤芯值与所述冗余值的比较。

12.根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中：

分析来自所述第一子集的所述反射光包括使用光学频域反射；并且

分析来自所述第二子集的所述反射光包括使用光学频域反射。

13.根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中：

所述多芯光学纤维被配置成插入导管中；并且

所述操作还包括：响应于所述第一测量值未被确定为不可靠，在移动所述导管时使用所述第一测量值。

14.一种操作干涉测量系统的方法，其包括：

操作光源以将光引导到多芯光学纤维的多个纤芯中，所述多个纤芯中的每个纤芯被配置成沿所述多芯光学纤维的长度反射来自多个位置的所述光的部分以形成反射光；

基于分析来自所述多个纤芯的第一子集的所述反射光来确定第一测量值，所述第一测量值包括所述多芯光学纤维的弯曲参数的第一测量；

基于分析来自所述多个纤芯的第二子集的所述反射光来确定第二测量值，所述第二测量值包括所述多芯光学纤维的所述弯曲参数的第二测量，其中所述第一子集与所述第二子集至少有一个纤芯不同；以及

基于所述第一测量值与所述第二测量值的比较来确定所述第一测量值是否不可靠。

15.根据权利要求14所述的方法，其中基于所述比较确定所述第一测量值是否不可靠包括：

响应于超过预定阈值的差值确定所述第一测量值不可靠，所述差值在所述第一测量值和所述第二测量值之间。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述弯曲参数是第一弯曲参数，其中所述第一测量值进一步包括所述多芯光学纤维的第二弯曲参数的第一测量，并且其中所述第二测量值进一步包括所述第二弯曲参数的第二测量。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：

提供指示所述第一测量值是否被确定为不可靠的信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述信号指示所述第一测量值被确定为不可靠，所述方法进一步包括：

响应于所述信号，停止致动系统的操作，所述致动系统被配置成导致所述多芯光学纤维的移动。

19.根据权利要求14至18中的任一权利要求所述的方法，其中所述第一子集正好包括三个纤芯，并且所述第二子集正好包括三个纤芯。

20.根据权利要求14至18中的任一权利要求所述的方法，其中，所述第一子集包括至少四个主要纤芯，其中所述第二子集包括至少两个冗余纤芯，并且在所述第二子集和所述第一子集的所述至少四个主要纤芯二者中包括相同的主要纤芯。

21.根据权利要求20所述的方法，其中：

所述弯曲参数是第一弯曲参数；

确定所述第一测量值包括基于所述至少四个主要纤芯的预定几何结构计算主要纤芯值，所述主要纤芯值包括所述多芯光学纤维的所述弯曲参数的主要纤芯值、第二弯曲参数的主要纤芯值，以及所述多芯光学纤维的应变参数的主要纤芯值；

确定所述第二测量值包括基于所述相同的主要纤芯和所述至少两个冗余纤芯的预定几何结构计算冗余值，所述冗余值包括所述第一弯曲参数的冗余值、所述第二弯曲参数的冗余值和所述应变参数的冗余值；以及

所述第一测量值和所述第二测量值的所述比较包括所述主要纤芯值与所述冗余值的比较。

22.根据权利要求14至18中的任一权利要求所述的方法，其中：

所述多芯光学纤维被插入导管中；并且

所述方法还包括：响应于所述第一测量值未被确定为不可靠，在移动所述导管时使用所述第一测量值。

23.一种非暂时性机器可读介质，其存储指令，当所述指令由干涉测量系统的一个或多个处理器执行时，导致所述一个或多个处理器执行一种方法，所述方法包括：

操作光源以将光引导到多芯光学纤维的多个纤芯中，所述多个纤芯中的每个纤芯被配置成沿所述多芯光学纤维的长度反射来自多个位置的所述光的一部分以形成反射光；

基于分析来自所述多个纤芯的第一子集的所述反射光来确定第一测量值，所述第一测量值包括所述多芯光学纤维的弯曲参数的第一测量；

基于分析来自所述多个纤芯的第二子集的所述反射光来确定第二测量值，所述第二测量值包括所述多芯光学纤维的所述弯曲参数的第二测量，其中所述第一子集与所述第二子集至少有一个纤芯不同；以及

基于所述第一测量值与所述第二测量值的比较来确定所述第一测量值是否不可靠。

24.根据权利要求23所述的非暂时性机器可读介质，其中：

所述弯曲参数是第一弯曲参数；

所述第一测量值进一步包括所述多芯光学纤维的第二弯曲参数的第一测量；

所述第二测量值进一步包括所述第二弯曲参数的第二测量；

所述方法进一步包括：响应于所述第一测量值被确定为是不可靠的确定，停止致动系统的操作，所述致动系统被配置成导致所述多芯光学纤维的移动。

25.根据权利要求23所述的非暂时性机器可读介质，其中：

所述第一子集包括至少四个主要纤芯；

所述第二子集包括至少两个冗余纤芯；

在所述第二子集和所述第一子集的所述至少四个主要纤芯二者中包括相同的主要纤芯。

所述弯曲参数是第一弯曲参数；

确定所述第一测量值包括基于所述至少四个主要纤芯的预定几何结构计算主要纤芯值，所述主要纤芯值包括所述多芯光学纤维的所述弯曲参数的主要纤芯值、第二弯曲参数的主要纤芯值，以及所述多芯光学纤维的应变参数的主要纤芯值；

确定所述第二测量值包括基于所述相同的主要纤芯和所述至少两个冗余纤芯的预定几何结构计算冗余值，所述冗余值包括所述第一弯曲参数的冗余值、所述第二弯曲参数的冗余值和所述应变参数的冗余值；以及

所述第一测量值和所述第二测量值的所述比较包括所述主要纤芯值与所述冗余值的比较。

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