JP5631585B2 - 光ファイバ機器センシングシステム - Google Patents

Description

本発明は一般的には最小侵襲の介入又は診断のための伸長操作可能な機器のような医療機器に関し、特に、伸長操作可能な医療機器に沿った１又はそれ以上の遠位位置での位置及び／又は温度を感知、測定する方法、システム及び装置に関する。

病状の治療及び処置用の現在の既知の最小侵襲手順は、カテーテルや固定式アーム又はシャフトのような伸長型機器を用いて、体内の様々な組織構造にアプローチして処置を施す。様々な理由のために、手術台のようなその他の構造物、その他の機器、あるいは関連する組織構造と比べて、このような伸長型機器の部分について三次元空間位置を決定できることは、大いに価値がある。機器の様々な位置で温度を検出できることは更に価値がある。Ｂｉｏｓｅｎｓｅ Ｗｅｂｓｔｅｒ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｊｏｈｎｓｏｎ ＆ Ｊｏｈｎｓｏｎ社のような供給者から入手可能な電磁位置センサ、あるいは、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のような供給者から入手可能な従来の熱電対のような従来技術は、それぞれ三次元空間位置又は温度を計測するのに利用することができるが、ハードウェアの幾何学的な制約、電磁気の問題等のせいで、伸長型医療機器アプリケーションの有用性で限定されうる。

別の技術が最小侵襲の介入又は診断手順の完成を促進する一方、三次元空間位置及び／又は温度をモニタするのを必要とする。

ブラッグの方程式（波長＝２＊ｄ＊ｓｉｎθ）に当てはめて、反射光の波長変化を検出することによって、ファイバ又はその他の伸長型構造に沿って長軸に配置される回折格子パターン内の伸長が決定される。更に、回折格子パターンを通すファイバ又はその他の構造の温度拡張特性の知識があれば、回折格子の位置での温度読取り値は計算できる。

バージニア州ブラックスバーグのＬｕｎａ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社 、ジョージア州アトランタのＭｉｃｒｏｎ Ｏｐｔｉｃｓ社、カナダ・ケベック州のＬｘＳｉｘ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社、及びデンマークのＩｂｓｅｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ A/S社のような供給者から入手可能な、いわゆる「ブラッグ格子型光ファイバ（ＦＢＧ）」センサ又はそれらの素子は、様々なアプリケーションで高速道路の橋梁や航空機の翼のような構造物の歪みや、供給キャビネットのような構造物の温度を測定するのに用いられてきた。本発明の目的は、操作可能なカテーテルあるいはその他の伸長型医療機器の遠位位置での歪み及び／又は温度を測定し、医学的な診断又は介入手段の実行を補助することである。

一実施例においては、医療機器システムはフレキシブルな伸長型本体と、当該伸長型本体の各々の近位及び遠位部分に取り付けられ、各々のファイバコアが複数の相隔たるブラッグ格子を含む複数の光ファイバコアと、前記ファイバコアのそれぞれの近位端に操作可能に結合され、前記各々のブラッグ格子によって反射される光波部分を検出するように構成される周波数領域反射率計を具える検出器と、当該検出器と機能的に結合され、前記光波の検出された反射部分のスペクトル分析に基づき、前記伸長型本体の少なくとも一部の構造を決定するように構成されるコントローラとを具える。各々のファイバコアは、前記各々の複数のブラッグ格子と操作可能に関連して、そこに結合された各々の広帯域基準反射体を有している。前記複数の光ファイバコアは単一の光ファイバに選択的に統合できる。

図１により、従来の手動操作可能なカテーテル（１）が示されている。プルワイヤ（２）はカテーテル構造の近位部分の上にあるハンドル（３）の操作を通じて選択的に伸ばして、カテーテルのよりフレキシブルな部分（５）を制御可能に屈曲し、あるいは動かすことができる。ハンドル（３）は例えば、手で把持されるように構成され、カテーテル（１）の伸長部分（３５）に結合できる、近位のカテーテル構造（３４）へ、回転可能にあるいはスライド可能に結合することができる。カテーテルのより近位の従来ほとんど操作できない部分（４）は、周囲組織からの負荷と迎合するように（例えば、複数部分の近位部分を含む場合、血管によって形成されるような蛇行状の経路を通じてカテーテルを通過するのを促進するように）構成することができるが、遠位部分（５）と比べるとほとんど操作できない。

図２により、米国特許出願第１１／１７６，５９８号に詳細に記載されたものと類似した、ロボット駆動される操作可能なカテーテル（６）を示している。このカテーテル（６）は、プルワイヤ（１０）が様々な構造内で伸ばされた場合、より硬く、屈曲することあるいは動かすことに対しより抵抗性があるほとんど操作できない近位部分（７）と比べると、動く又は屈曲するように構成される、よりフレキシブルな部分（８）と遠位で関連するプルワイヤ（１０）を有する点で、図１の手動操作可能なカテーテル（１）といくつかの類似点を有している。ロボット駆動される操作可能なカテーテル（６）の示された実施例は、指又は手とではなく、コンピュータの助けがある場合に、各々のスピンドル（９）がカテーテル（６）の正確な動くあるいは屈曲する動作を生成するように調整、駆動するように構成される電気機械機器ドライバと、主にインタフェース接続するように構成される近位の軸又はスピンドル（９）を具えている。スピンドル（９）は、前述した米国特許出願第１１／１７６，５９８号に記載のような電気機械機器ドライバ機構に取り付けるように構成でき、カテーテル（６）の伸長部分（３３）に結合できる近位のカテーテル構造に回転可能に結合できる。

図１及び２に示された各々の実施例は、カテーテル本体の中心軸下方に位置する作業内腔（図示せず）を有することができ、あるいは、作業内腔無しにすることができる。作業内腔がカテーテル構造によって形成される場合、カテーテルの遠位端を直接伸長でき、又は、カテーテルの遠位先端によって覆われるか、あるいはブロックされうる。Ｅｔｈｉｃｏｎ Ｅｎｄｏｓｕｒｇｅｒｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｊｏｈｎｓｏｎ ＆ Ｊｏｈｎｓｏｎ社、又はＩｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社のような供給者から入手可能であるような、このようなカテーテル又はその他の伸長型構造物の遠位先端の位置に関する正確な情報を持つことは、多くの手順で大いに有用である。以下の例及び図は、図２に示されるようなロボット操作可能なカテーテルに関して作られ、同一の原理は図１に示された手動操作可能なカテーテルのようなその他の伸長型機器、又は、高度にフレキシブルであろうとなかろうと、Ｅｔｈｉｃｏｎ Ｅｎｄｏｓｕｒｇｅｒｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｊｏｈｎｓｏｎ ＆ Ｊｏｈｎｓｏｎ社、又はＩｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ社のような供給者からのその他の伸長型機器に適用することができる。

図３Ａ−Ｃによると、ロボット操作可能なカテーテル（６）はカテーテル（６）の壁の一態様に沿って配置される光ファイバ（１２）を有するように示される。ファイバは図３Ｂ及び３Ｃに示される屈曲するシナリオにある屈曲中立軸（１１）と同軸に配置されていない。実際に、カテーテル（６）本体（３３）の長さに沿って少なくとも２の異なる点で取り付けられる、あるいは、それによって長軸方向に限定され、図３に示されたようなカテーテル本体（３３）の中立位置で、カテーテル本体と比較した張力の観点から負荷されないファイバ（１２）がある場合、ファイバ（１２）の長軸方向に限定される位置は、図３Ｂに示されたシナリオでは、伸長状態で配置される一方、ファイバ（１２）の長軸方向に限定される位置は、図３Ｃに示されるシナリオでは圧縮状態で配置される。このような関係は固体力学の基本原理であり、ここに記載したように、ブラッグファイバ格子の使用に適用して、伸長型機器の温度及び／又は欠陥の決定を補助することができる。図４Ａ−５Ｄにより、いくつかの異なる実施例が示されている。図４Ａによると、ロボットカテーテル（６）は、カテーテル本体（３３）の遠位部分（８）の遠位先端から、近位カテーテル構造（３２）の近位端まで伸長する、内腔（３１）を通じて配置されるファイバ（１２）を有するように示されている。一実施例においては、広帯域基準反射体（図示せず）がファイバブラッグ格子と操作的に関連して、ファイバの近位端の近くに配置され、光学経路長は、従属するファイバブラッグセンサ構造を具える各々の反射体／格子の関係のために確立され、更に、このような構造は周波数領域反射率計のような反射率計を具えて、光波の検出された反射部分のスペクトル分析を行っている。

拘束（３０）は、各々の拘束（３０）の位置でのファイバ（１２）の軸性の、あるいは、長軸方向の動きを阻害するように設けられる。代替的に、拘束（３０）は拘束（３０）の位置の内腔（３１）に関連するファイバ（１２）の位置を拘束するのみにすることができる。例えば、図４Ａに示した実施例のある変形においては、最も遠位の拘束（３０）はこのような拘束（３０）の位置でのカテーテル本体（３３）と関連するファイバ（１２）の長軸方向の、あるいは、軸性の動きを禁ずるように構成されるが、より近位の拘束（３０）は、このような近位の拘束（３０）の位置での内腔の壁から離れたファイバ（１２）を引き上げるガイドとして作用するのみにすることができる。図４Ａに示した実施例の別の変形においては、より近位の拘束（３０）とより遠位の拘束（３０）の双方は、このような拘束の位置でのファイバ（１２）の長軸方向又は軸性の動きを禁ずるように構成できる。図４Ａに示した実施例で示されるように、近位のカテーテル構造（３２）の領域の内腔（３１）は、制限なく、近位のカテーテル構造（３２）に関連するファイバの自由な長軸方向の、あるいは、軸性の動きを考慮することができる。所定の位置での拘束とファイバとの間の相対動作を禁ずるように構成される拘束は、小さな接着性あるいは重合体の接合部、ポリマや金属のような材料を具える小さな幾何学的部材で形成される締りばね、ブレード構造がファイバの動作を妨げるように外部逼迫にで構成される位置等を具えることができる。ファイバ（１２）をガイドし、このような拘束に関連するファイバ（１２）の相対的な長軸方向又は軸性の動きを更に許容するように構成される拘束は、一般的にこのような構造の幾何学的中間部を通じて、従属ファイバの通過用の小さな穴を規定する小さなブロック、球体、半球等を具えることができる。

図４Ｂの実施例は、２つの更なる拘束（３０）がこれらの位置でのこのような拘束と関連するファイバ（１２）の長軸方向あるいは軸性の動きをガイド及び／又は妨げるように設けられることを除けば、図４のものと類似している。ある変形においては、各々の拘束は全体の相対動作の拘束であり、拘束（３０）を利用して、カテーテル本体（３３）に沿ってファイバ（１２）の長さを３つのセグメントに分離することによって提供された各々の３つの「セル」内の長軸方向の歪みを分離している。図４Ｂで示された実施例の別の変形においては、近位又は遠位の拘束（３０）は全体の相対動作の拘束にすることができる一方、２つの中間の拘束（３０）は、これらの中間位置でファイバ（１２）とこのような拘束との間の長軸方向又は軸性の相対動作を許容し、これらの位置でファイバを内腔（３１）の中心近くに整列し続けるように構成されるガイド拘束にすることができる。

図４Ｃによって、カテーテル本体（３３）を通るファイバの全長が、カテーテル本体（３３）を具える材料によって実質的にカプセル化されることによって、拘束されていることを除いては、図４Ａと４Ｂのものに類似した実施例が示されている。言い換えると、図４Ｃの実施例は内腔（３１）を有して、近位のカテーテル構造（３２）と長軸方向に、あるいは軸性的に関連するファイバ（１２）の自由動作を許容しているが、ファイバが、ファイバをカプセル化するカテーテル本体（３３）の材料を通じて長軸方向に伸びる場合に、ファイバによって自然に占有される空間を除き、このような内腔はこのようなカテーテル本体（３３）に沿ったこのような動作を許容するように規定されていない。

図４Ｄは、内腔（３１）が近位のカテーテル構造（３２）を通じてだけではなく、カテーテル本体（３３）の近位部分（７）を通じて伸びている図４Ｃに似た構成を示し、カテーテル本体（３３）の遠位部分を通り抜けるファイバ（１２）の遠位部分は、カテーテル本体（３３）を具える材料によって実質的にカプセル化、拘束される。

図５Ａ−５Ｄは、ファイバ（１２）がカテーテル本体（３３）の屈曲（１１）中立軸に沿って実質的に配置されることを除いて、図４Ａ−Ｄに示されたものと類似する実施例を示し、図５Ｂの実施例においては、図４Ｂにおける実施例の３つとは対照的に、７つの拘束（３０）がある。

図６によって、図４Ｃに示された構成のカテーテル本体（３３）の部分の断面図が示され、ファイバ（１２）がサンプル断面について、屈曲中立軸（１１）と同心円状に配置されないことをはっきりと示している。図７は同様の例を示し、Ｌｕｎａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能なもののような、マルチファイバ束（１３）が、図６に示されるような単一のファイバというよりは、カテーテルの壁内部に配置され、ファイバ束（１３）は、複数の、本実施例においては３の（例えば小さな）別個のファイバ又はファイバコア（１４）を具えている。図７に示されたような構造が図３Ｂ又は３Ｃに示されたもののような構造の屈曲に配置される場合、（屈曲（１１）中立軸から）最も半径方向外側の別個のファイバ（１４）は、より半径方向内側のファイバより多くの圧縮又は張力を受ける。代替的には、図８に示されたような実施例においては、カテーテル本体（３３）部分の断面に図５Ｃに示されたような構造を示し、マルチファイバ束（１３）はカテーテル（６）について屈曲（１１）中立軸と同軸に配置され、束（１３）内の各々の３つの別個のファイバ（１４）は、主のカテーテルの屈曲又は動作構造によって異なる程度の張力及び／又は圧縮を受ける。例えば、図９Ａ及び９Ｂ（断面）により、中立位置で、示された束（１３）を具える総ての３つの別個のファイバ（１４）を負荷されない構造にすることができる。図１０Ａ及び１０Ｂ（断面）に示されるように、下方の屈曲があれば、束（１３）を具える最下部の２本のファイバは、圧縮を受けるように構成することができるが、最上部のファイバは張力を受ける。正反対の事が、図１１Ａ及び１１Ｂ（断面）に示したような場合に上方に屈曲するシナリオで生ずる。

実際には、特定のアプリケーションに応じて、図１２Ａ−１２Ｈに示されるような様々な構造を使用することができる。単純化のために、図１２Ａ−１２Ｈの各々の断面の実施例は、ファイバ近くの内腔又は拘束なしで示され（すなわち、図１２Ａ−１２Ｈの各々の実施例は、例えば図４Ｃ及び５Ｃに示したものに類似したカテーテル本体構造をによって示され）、ファイバはカテーテル本体（３３）を具える材料によって実質的にカプセル化され、図４Ａ−５Ｄに示されたような拘束及び拘束構造の組合せ及び置換を具える更なる変形は本発明の範囲内にある。図１２Ａは１つのファイバ（１２）を有する実施例を示す。図１２Ｂはカテーテル部分の三次元空間撓みを計算するのに十分な張力を検出することができる構造内の２つのファイバ（１２）を有する変形を示している。図１２Ｃは、図１２Ｃに示されるような屈曲軸についての屈曲を検出する冗長性と見なすことができるものを有する２つのファイバの変形を示している。図１２Ｄと１２Ｅは、主のカテーテル部分の三次元空間撓みを検出するように構成される３−ファイバ構造を示している。図１２Ｆは主のカテーテル部分の三次元空間撓みを正確に検出するように構成される４つのファイバを有する変形を示す。図１２Ｇと１２Ｈは、各々の位置で単一ファイバを有するのと対照的に、ファイバの複数の束が統合されていることを除けば、それぞれ１２Ｂと１２Ｅに類似する実施例を示している。各々が少なくとも１の光ファイバを具える伸長型機器の断面を示す、図１２Ａ−Ｈに示された各々の実施例は、伸長型機器の屈曲の撓み、ねじれ、圧縮又は張力、及び／又は温度の検出を促進するように利用できる。このような関係は図１３、１４Ａ及び１４Ｂによって明確化することができる。

本質的には、伸長型部材の三次元位置は、このような伸長型部材の様々な長軸方向切断面に沿って受ける曲率増分を決定することによって、決定することができる。言い換えれば、伸長型部材が、伸長型部材の長さの長軸方向下方のいくつかの点での空間でどの程度曲がったのかを知る場合、切断面が接続されることと、長軸方向に互いと関連する場所とを知ることによって、三次元空間における遠位部分とそれより近位部分の位置を決定できる。この終端に向かって、図１２Ａ−Ｈに示されたような実施例の変形を利用して、三次元空間におけるカテーテル又はその他の伸長型機器の位置を決定できる。伸長型機器に沿った様々な長軸方向位置での局所曲率を決定するために、光ファイバブラッグ格子分析を利用することができる。

図１３により、単一光ファイバ（１２）は４セットのブラッグ回折格子を有するように示され、各々を局所撓みセンサとして利用することができる。このようなファイバ（１２）は、例えば図１２Ａ−１２Ｈに示されるように、伸長型機器の部分とインタフェース接続することができる。単一の検出器（１５）を利用して、一以上のファイバからの信号を検出、分析できる。図１２Ｂ−１２Ｈに示したようなマルチファイバ構造があれば、近位の多様な構造を利用して、様々なファイバを１又はそれ以上の検出器とインタフェース接続することができる。検出器とファイバとの間の信号を伝送するためのインタフェース技術は、光データ伝送の技術分野において公知である。検出器は光ファイバの幾何学構造を決定するように構成されるコントローラと操作可能に結合され、従って、関連する伸長型機器（例えばカテーテル）本体の少なくとも一部分は、検出された反射光信号のスペクトル分析に基づいている。更なる詳細は米国特許出願公報第２００６／００１３４２３号に示されている。

図１３に示された単一ファイバの実施例において、各々の回折格子は異なる間隔（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４）を有し、従って、示された単一ファイバ及び検出器に対する近位の光源は、各々の「センサ」長（Ｌ１０、Ｌ２０、Ｌ３０、Ｌ４０）に対する波長で変化を検出することができる。このように、既知の所定の長さは、各々の「センサ」長（Ｌ１０、Ｌ２０、Ｌ３０、Ｌ４０）、「センサ」長の長軸位置、及び図１２Ａ−１２Ｈの断面で示されたような既知の構造で変化し、空間中の関連する伸長型機器の撓み及び／又は位置は決定される。図１３に示されたような構造に対する難題の１つは、かなり広帯域のエミッタ及び広帯域チューナブル検出器は、モニタできるセンサ長の数を潜在的に処理する等、各センサ長から長さ撓みデータを捕捉するために近位に利用しなければならない。にもかかわらず、図１３に示したようないくつかのファイバ（１２）及び検出器（１５）構造は、図１２Ａ−１２Ｈに示されるような実施例を具えて、伸長型医療機器の三次元配置の決定を促進することができる。

図１４Ａに示された単一センシングファイバの別の実施例においては、様々なセンサ長（Ｌ５０、Ｌ６０、Ｌ７０、Ｌ８０）はそれぞれが同一の格子間隔を有するように構成でき、例えば、「“Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ − Ｆｉｂｅｒ−Ｂｒａｇｇ−ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙｓ ｍｏｎｉｔｏｒ ｓｈａｐｅ ａｔ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”，ＳＰＩＥ’ｓ ＯＥ Ｍａｇａｚｉｎｅ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５，１８−２１ページ」に記載のように、高性能な分析を利用して、このようなセンサ長が近位の検出器から長軸（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）方向に離れた異なる位置に配置されるという事実が与えた各センサ長での伸長をモニタすることができる。図１４Ｂに示した別の（関連する）実施例においては、遠位部分のような既知のファイバの位置は、ファイバの遠位の延長又は短絡の高解像度検出を促進するように作られた一定の格子を有することができる。このような一定の格子構成は上述の化学雑誌記事に記載された構成で可能になるであろう。

図１５Ａと１５Ｂにより、温度は図１３及び１４Ａ−Ｂに示されたものと類似する実施例で感知するファイバブラッグ格子を利用して感知できる。図１５Ａによって、単一ファイバは示したカテーテル（６）の遠位先端を越えて突出し、その他の周囲の構造に関連して拘束されないか、あるいは少なくともほとんど拘束されないので、示したファイバの部分は温度の変化に対し、自由に長さを変化できる。小さく突出したファイバ部分の温度膨張及び収縮の知識と、このような突出した部分の１又はそれ以上のブラッグ回折格子とがあれば、長さの変化を用いて温度の変化を推定し、このように温度センシング用に利用できる。図１５Ｂにより、小さな空洞（２１）又は内腔はカテーテル本体（３３）の遠位部分に形成され、このような空洞（２１）内のファイバ（１２）の遠位部分（２２）の自由動作を促進して、図１５Ａに示された突出したファイバなしに遠位で温度センシングを促進できる。

ここに示された実施例のファイバは、このようなファイバ部分が実際にカテーテルあるいは伸長型機器の近傍部位へいくつかの方法で結合される場合のみ、関連するカテーテルあるいは伸長型機器の部分で、局所化された長さの変化の正確な測定が提供される。一実施例においては、１又はそれ以上のファイバが遠位で温度を感知するように利用することができ、図１５Ａ及び１５Ｂによって述べられた２つのシナリオのように、拘束されない部分を有することができることを除いては、機器の全長に沿って周囲の機器本体と本質的に結合又は拘束されるファイバ又は複数のファイバを有することが所望される。例えば一実施例においては、各々の数個の回折センシングファイバは、温度センシング部分で終点となり、位置決定と高局在化温度センシングと伸長型機器の遠位先端の異なる態様での比較とを促進できる。別の実施例においては、ほとんど屈曲不可能なカテーテルの断面におけるファイバの近位部分は、カテーテル本体内で自由に浮遊し、より遠位の／屈曲可能なファイバ部分は、本質的に結合され、カテーテル又は伸長型機器の遠位のよりフレキシブルな部分内で、屈曲の高精度モニタリングを促進している。

図１６Ａ、１６Ｂ、及び１６Ｄにより、カテーテル様ロボットガイド機器統合実施例が示されている。米国特許出願第１１／１７６，５９８号から、（図１７及び１８に沿って）これらの図が取り込み、変更された。図１６Ａ及び１６Ｂは３本の光ファイバ（１２）と、カテーテルの屈曲と遠位先端位置を検出するための検出器とを有する実施例を示している。図１６Ｃはカテーテル位置を検出するのに４本の光ファイバ（１２）を有する実施例を示している。図１６Ｄは、このような実施例を構築する統合を示している。図１６Ｄに示されるように、ステップ「Ｅ＋」において、光ファイバ用の心軸がブレード層へ織り込まれ、その次に（ステップ「Ｆ」）、ブラッグ用の光ファイバが、（このような心軸が除去された後に）このような心軸により以前占有された断面空間に配置される。心軸が好ましくは除かれた後で、心軸によって以前占有された位置を占有するように選択されたファイバと比較した心軸の外形は、ファイバ（１２）と周囲のカテーテル本体（３３）材料との間に所望される拘束のレベルに基づいて選択される。例えば、相当なカプセル化を具える高度に拘束された関係が所望される場合、心軸はファイバのサイズに厳密に近似される。よりルーズに拘束される幾何学的関係が所望される場合、心軸は、選択された位置でのファイバ（１２）とカテーテル本体（３３）との間の相対動作を可能にするように大きくでき、ポリイミド及びＰＴＦＥのスリーブのような板状部材は心軸の除去に次いで挿入し、ファイバの相対動作用に隙間を有する「トンネル」、及び／又は、単にファイバと、カテーテルあるいは機器本体（３３）を具えるそれを取り囲む材料との間の保護層を提供できる。同様の原理は図１７Ａ−１７Ｇにより述べられたような実施例に適用できる。

図１７Ａ−Ｆにより、２つのシース構造が示され、各々が単一光ファイバ（１２）を具えている。図１７Ｇはこれらの実施例を構築するための統合を示している。図１６Ｄに示すように、ステップ「Ｂ」においては、光ファイバ用の心軸が配置され、その次に（ステップＫ），ブラッグ用の光ファイバが（このような心軸が除去された後に）心軸によって以前に占有されていた横断面スペースに配置される。

図１８により、別の実施例において、ファイバ（１４）の束（１３）は図１３に示されたように市販品のロボットカテーテル（ガイド又はシース機器タイプ）の作業内腔の下方に配置し、１又はそれ以上の位置でカテーテルに結合して、上述のように選択したレベルの幾何学的拘束があれば、三次元空間検出を提供できる。

伸長型機器の張力及び圧縮負荷は、半径外側に配置されるファイバ内の共通モードの回折で、あるいは、中立屈曲軸に沿った単一ファイバで検出できる。トルクは、図１２Ａ−Ｈに示したような構造で、外側に配置されたファイバの共通モードの追加の張力（例えば、中立屈曲軸と同軸の単一ファイバにより感知される張力及び／又は圧縮に加えて）を感知することによって検出できる。

別の実施例においては、操作可能なカテーテルのような伸長型機器の屈曲、動作及び／又は圧縮を発動するのに利用される張力要素は、より従来の金属ワイヤ又はその他の構造と比較して、ブラッグ回折を有する光ファイバを具えることができ、これらの光ファイバの張力要素は、屈曲／動作を機器に誘発するように吹かされる場合に、回折についてモニタすることができる。このようなモニタリングを用いて、張力要素の過度の緊張を防ぐことができ、このようなモニタリングを利用して、上述のように全体としての機器の位置を検出することもできる。

図は本発明の例示的な実施例の設計及び有用性を示し、同一の要素は共通の引用番号によって引用される。
図１は、従来の手動操作されるカテーテルのような伸長型機器の例を示している。 図２は、ロボット駆動される操作可能なカテーテルのような伸長型機器の別の例を示している。 図３Ａ−３Ｃは、ブラッグ格子を有する光ファイバのロボット操作可能なカテーテルのような伸長型機器への実装を示している。 図４Ａ−４Ｄは、ブラッグ格子を有する光ファイバのロボット操作可能なカテーテルのような伸長型機器への実装を示している。 図５Ａ−５Ｄは、ブラッグ格子を有する光ファイバのロボット操作可能なカテーテルとしての伸長型機器への実装を示している。 図６は、ブラッグ格子を有する光ファイバを含むカテーテルのような伸長型機器の断面図を示している。 図７は、マルチファイバのブラッグ格子構造を含むカテーテルのような伸長型機器の断面図を示している。 図８は、マルチファイバのブラッグ格子構造を含むカテーテルのような伸長型機器の断面図を示している。 図９Ａ−９Ｂは、ブラッグ格子を伴うマルチファイバ構造を有するカテーテルのような伸長型機器の上面及び断面図を示している。 図１０Ａ−１０Ｂは、ブラッグ格子を伴うマルチファイバ構造を有するカテーテルのような伸長型機器の上面及び断面図を示している。 図１１Ａ−１１Ｂは、ブラッグ格子を伴うマルチファイバ構造を有するカテーテルのような伸長型機器の上面及び断面図を示している。 図１２Ａ−１２Ｈは、多様なファイバ位置及び構造を有する伸長型機器の断面図を示している。 図１３は、ブラッグ格子を有する光ファイバセンシングシステムを示している。 図１４Ａ−１４Ｂは、ブラッグ格子を有する光ファイバセンシングシステムを示している。 図１５Ａ−１５Ｂは、ブラッグ格子を有する光ファイバセンシングシステム構造を示している。 図１６Ａは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるガイドカテーテル構造への統合を示している。 図１６Ｂは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるガイドカテーテル構造への統合を示している。 図１６Ｃは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるガイドカテーテル構造への統合を示している。 図１６Ｄは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるガイドカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ａは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ｂは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ｃは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ｄは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ｅは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ｆは、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している。 図１７Ｇ−１は、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している（図１７Ｇ−２へ続く）。 図１７Ｇ−２は、光ファイバセンシングシステムの、ロボット制御されるシースカテーテル構造への統合を示している（図１７Ｇ−１からの続き）。 図１８は、カテーテルの作業内腔内部での光ファイバ束の断面図を示している。

Claims (32)

1. 柔軟な伸長型カテーテル本体と；
   当該伸長型カテーテル本体内に配置された光ファイバセンサであって、
   前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分の屈曲をモニタリングし易くするために、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分に対する前記光ファイバセンサの動きが抑制されるように、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分では前記伸長型カテーテル本体と本質的に結合または拘束され、
   前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分に対する前記光ファイバセンサの動きを可能とするために、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分では無拘束である、光ファイバセンサと；
   前記光ファイバセンサの近位端に機能的に結合され、前記光ファイバセンサに伝わるそれぞれの光信号を検出するように構成される検出器と；
   当該検出器と機能的に結合され、前記検出された光信号の分析に基づき、前記伸長型カテーテル本体の少なくとも一部の屈曲を測定するように構成されるコントローラとを具え、
   前記検出器が周波数領域反射率計を具えることを特徴とする医療機器システム。
2. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、さらに、前記伸長型カテーテル本体に機能的に結合され遠隔制御される機器ドライバを具え、前記伸長型カテーテル本体が前記機器ドライバによりロボット制御されることを特徴とする医療機器システム。
3. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型カテーテル本体が手動制御されることを特徴とする医療機器システム。
4. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサが１又はそれ以上のブラッグ格子を有するファイバコアを具えるとともに、前記システムが、前記１又はそれ以上のブラッグ格子と操作可能な関係で、前記光ファイバセンサに結合された基準反射体を更に具えることを特徴とする医療機器システム。
5. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサが複数のファイバコアを具え、各々のファイバコアが１又はそれ以上のブラッグ格子を含むことを特徴とする医療機器システム。
6. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサが、複数の相隔てられたブラッグ格子を有するファイバコアを具えることを特徴とする医療機器システム。
7. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型カテーテル本体が屈曲中立軸を有し、前記光ファイバセンサが、前記伸長型カテーテル本体の屈曲に拘わらず、前記屈曲中立軸と同軸でないが実質的に平行となるように前記伸長型カテーテル本体に結合されることを特徴とする医療機器システム。
8. 柔軟な伸長型カテーテル本体と；
   前記伸長型カテーテル本体内の第１の場所に配置された第１の光ファイバセンサと、前記伸長型カテーテル本体内で前記第１の場所から円周上でオフセットしている第２の場所に配置された第２の光ファイバセンサとを含む光ファイバセンサとを含む複数の光ファイバセンサと；
   前記光ファイバセンサの各々の近位端に機能的に結合され、各光ファイバセンサに伝わる光波の部分を検出するよう構成された検出器と；
   当該検出器と機能的に結合され、前記検出された光波の部分の分析に基づき、前記伸長型カテーテル本体の少なくとも一部の構成を判定するように構成されるコントローラと；を具え、
   前記第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサは、
   前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分の屈曲をモニタリングし易くするために、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分に対する前記第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサの動きが抑制されるように、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分では前記伸長型カテーテル本体と本質的に結合または拘束され、
   前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分に対する前記第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサの動きを可能とするために、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分では自由浮動である、ことを特徴とする医療機器システム。
9. 請求項８に記載の医療機器システムにおいて、前記第１の光ファイバセンサが第１のファイバコアを具え、前記第２の光ファイバセンサが第２のファイバコアを具え、各ファイバコアは複数の相隔てられた複数のブラッグ格子を具え、各々が前記複数のブラッグ格子のそれぞれと操作可能な関係で結合されたそれぞれの広帯域基準反射体を具えることを特徴とする医療機器システム。
10. 請求項９に記載の医療機器システムにおいて、前記第１のファイバコアは、前記伸長型カテーテル本体内の第１の場所に配置された第１のマルチコア光ファイバの一部であり、前記第２のファイバコアは、前記伸長型カテーテル本体内の第２の箇所に配置された第２のマルチコア光ファイバの一部であることを特徴とする医療機器システム。
11. 請求項８に記載の医療機器システムにおいて、前記複数の光ファイバセンサがさらに、前記伸長型カテーテル本体内で前記第１および第２の場所から円周上でオフセットしている第３の場所に配置された第３の光ファイバセンサを具えることを特徴とする医療機器システム。
12. 請求項１１に記載の医療機器システムにおいて、前記第１、第２、および第３の場所は、前記伸長型カテーテル本体の壁の円周上で等間隔にあることを特徴とする医療機器システム。
13. 請求項１１に記載の医療機器システムにおいて、前記複数の光ファイバセンサがさらに、前記伸長型カテーテル本体内の第４の場所に配置された第４の光ファイバセンサを具え、前記第１、第２、第３、および第４の場所は前記伸長型カテーテル本体の壁において円周上で等間隔にあることを特徴とする医療機器システム。
14. 請求項１１に記載の医療機器システムにおいて、前記第１の光ファイバセンサは前記伸長型カテーテル本体内の第１の場所に配置された第１のマルチコア光ファイバセンサの一部であり、前記第２の光ファイバセンサは前記伸長型カテーテル本体内の第２の場所に配置された第２のマルチコア光ファイバセンサの一部であり、前記第３の光ファイバセンサは前記伸長型カテーテル本体内の第３の場所に配置された第３のマルチコア光ファイバセンサの一部であり、前記第１、第２、および第３の場所は前記伸長型カテーテル本体の壁において円周上で等間隔にあることを特徴とする医療機器システム。
15. 伸長型機器本体と；
    前記伸長型機器本体の壁の中に納められた近位端と、前記伸長型機器本体の壁の中に納められていない遠位端とを有する光ファイバセンサと；
    前記光ファイバセンサの近位端に機能的に結合され、前記光ファイバセンサに送られる各光信号を検出するよう構成された検出器と；
    当該検出器と機能的に結合され、前記検出された光信号の分析に基づき、前記光ファイバセンサの遠位端部の温度変化を測定するよう構成されるコントローラと；を具え、
    前記光ファイバセンサの遠位端部は、その長さが変化できるように拘束されておらず、当該光ファイバセンサの遠位端部の長さの変化は、前記光ファイバセンサの遠位端部の温度の変化を測定するのに用いられることを特徴とする医療機器システム。
16. 請求項１５に記載の医療機器システムにおいて、前記分析はスペクトル分析であることを特徴とする医療機器システム。
17. 請求項１５に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型機器本体は管腔を規定しており、前記光ファイバセンサの遠位端部は少なくとも部分的に前記管腔内に配置されていることを特徴とする医療機器システム。
18. 請求項１７に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型機器本体が、前記管腔とつながる遠位端部の開口を有し、前記光ファイバセンサは、前記光ファイバセンサの遠位端部が前記遠位端部の開口から外に突出するように前記伸長型機器本体に結合されていることを特徴とする医療機器システム。
19. 請求項８に記載の医療機器システムにおいて、前記第１および第２の場所は、前記伸長型カテーテル本体において円周上で正反対にあることを特徴とする医療機器システム。
20. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記分析はスペクトル分析であることを特徴とする医療機器システム。
21. 請求項８に記載の医療機器システムにおいて、前記分析はスペクトル分析であることを特徴とする医療機器システム。
22. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分内の前記光ファイバセンサの近位部分は、前記伸長型カテーテル本体内で浮動自在であることを特徴とする医療機器システム。
23. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分における前記光ファイバセンサの遠位部分は、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分における前記伸長型カテーテル本体の屈曲をモニタリングし易くするために、前記伸長型カテーテル本体と本質的に結合または拘束されていることを特徴とする医療機器システム。
24. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサは、前記伸長型カテーテル本体の遠位端部に埋め込まれていることを特徴とする医療機器システム。
25. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサは、前記伸長型カテーテル本体の先端に埋め込まれていることを特徴とする医療機器システム。
26. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサは、前記伸長型カテーテル本体の先端に接合されていることを特徴とする医療機器システム。
27. 請求項８に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分内における前記第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサの近位部分はそれぞれ、前記伸長型カテーテル本体内で浮動自在であることを特徴とする医療機器システム。
28. 請求項８に記載の医療機器システムにおいて、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分内における前記第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサの遠位部分はそれぞれ、前記伸長型カテーテルのより曲がりやすい遠位部分における前記伸長型カテーテル本体の屈曲をモニタリングし易くするために、前記伸長型カテーテル本体に本質的に結合しているか拘束されていることを特徴とする医療機器システム。
29. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサは、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりやすい遠位部分に対する前記光ファイバセンサの縦または軸方向の動きを抑制するために、前記伸長型カテーテル本体と本質的に結合するか拘束されていることを特徴とする医療機器システム。
30. 請求項１に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサは、前記伸長型カテーテル本体のより曲がりにくい近位部分に対して前記光ファイバセンサの縦または軸方向の動きを可能にするために、前記カテーテル本体内で浮動自在であることを特徴とする医療機器システム。
31. 請求項１５に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサの遠位部分の熱膨張または収縮に応じて、前記光ファイバセンサの遠位部分の長さが変化することを特徴とする医療機器システム。
32. 請求項１５に記載の医療機器システムにおいて、前記光ファイバセンサの遠位部分の温度変化に応じて、前記光ファイバセンサの遠位部分の長さが変化することを特徴とする医療機器システム。

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