JP6270483B2 - 細長の装置の光学的追跡の３ｄ形状再構成 - Google Patents

Description

本発明は、概して、細長の装置、特に医療装置（例えば内視鏡、カテーテル及びガイドワイヤ）の光学的な追跡に関する。本発明は、特に、細長の装置内に埋め込まれた光ファイバの３次元（「３Ｄ」）形状再構成に関する。

マルチコアファイバの形状再構成の技術は、概して３つのステップを含む。

第１のステップは、マルチコアファイバが光学的周波数ドメインリフレクトメトリによってインタロゲートされることを含み、これは、波長の関数として、コアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を生じさせる。反射は、埋め込まれた周期的な構造（例えば、ファイバブラッググレーティング）によって、又は、屈折率の非周期的でランダムなバリエーション（例えば、レイリー散乱）によって、引き起こされる。

第２のステップは、反射スペクトルから、ファイバに沿った複数位置におけるコアごとのひずみを計算することを含む。

第３のステップは、さまざまなひずみデータを組み合わせることによって、光ファイバの３Ｄ形状を再構成することを含む。

特に、ひずみ測定は、回転角に変換されることができ、関連する回転行列が、接線ベクトル、法線ベクトル及び従法線ベクトル（すなわちヤコビアン行列の列）を更新するために使用されることができる。しかしながら、今日の技術は、ファイバのライン素子がどのように計算されるか、又はひずみ測定を変換するための行列がどのように確立されるかに対処することに欠けている。

本発明は、細長の装置に埋め込まれたマルチコアファイバのひずみの局所的な値から局所曲率及びねじれを計算し、そののち、この情報を使用して細長の装置の３Ｄ形状を算出する既知の方法の不正確さを克服する。

本発明の１つの形態は、細長の装置と、細長の装置内に埋め込まれた、１又は複数のコアを有する光ファイバと、光学的インタロゲーションコンソールと、３Ｄ形状再構成器と、を用いる光学的形状検知システムである。動作中、光学的インタロゲーションコンソールは、波長の関数として光ファイバのコアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を示す反射スペクトルデータを生成し、３Ｄ形状再構成器は、光ファイバの３Ｄ形状を再構成する。３Ｄ形状再構成器は、反射スペクトルデータに応じて、光ファイバに沿った複数の位置について局所ひずみデータを生成すること、ファイバに沿った各々の局所ひずみの関数として、局所曲率及びねじれ角データを生成すること、光ファイバに沿った各々の局所曲率及びねじれ角の関数として、光ファイバの３Ｄ形状を再構成すること、を行う。

本発明の上述の形態及び他の形態並びに本発明のさまざまな特徴及び効果は、添付の図面に関連して理解される本発明のさまざまな例示的な実施形態の以下の詳細な説明から一層明らかになる。詳細な説明及び図面は、単に本発明を説明するものであって、制限するものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項及びその等価なものによって規定される。

本発明による光学形状検知システムの例示的な実施形態のブロック図。 本発明による光学形状検知方法の例示的な実施形態を表すフローチャート。 本発明による光ファイバの３Ｄ形状再構成を表す図。 本発明による光ファイバの３Ｄ形状再構成を表す図。 本発明による実際のデータ及び形状再構成データの比較を示す図。 本発明による偏差グラフを示す図。

図１に示されるように、本発明の光学形状検知システムは、細長の装置２０内に埋め込まれる光ファイバ１０を用いる。

実際、光ファイバ１０は、細長の装置２０を光学的に追跡するのに適した任意のタイプの光ファイバでありうる。光ファイバ１０の例は、当分野で知られているようにファイバの長さに沿って組み込まれるファイバブラッググレーティングのアレイを内蔵した可撓性の光学透明ガラス又はプラスチックファイバ、及び当分野で知られているようにファイバの長さに沿って生じるその視覚的屈折率のバリエーションを有する可撓性の光学透明ガラス又はプラスチックファイバ（例えば、レイリー散乱に基づく光ファイバ）を含むが、これに限定されるものではない。光ファイバ１０は、単一コアファイバであり、又は好適にはマルチコアファイバでありうる。

実際、細長の装置２０は、細長の装置２０を光学的に追跡するために、光学ファイバ１０をその内部に埋め込むのに適した任意のタイプの装置でありうる。細長の装置２０の例は、内視鏡、カテーテル及びガイドワイヤを含むが、これに限定されるものではない。

図１をなお参照して、システムは更に、光学的インタロゲーションコンソール３０及び３Ｄ形状再構成器４０を用いる。

実際、光学的インタロゲーションコンソール３０は、光ファイバ１０に光を送り、光ファイバ１０から反射光を受け取るように構成される任意の装置又はシステムでありうる。一実施形態において、光学的インタロゲーションコンソール３０は、当分野で知られているような光学的フーリエドメインリフレクトメータ及び他の適当な電子機器／装置を用いる。

本発明の目的において、３Ｄ形状再構成器４０は、光ファイバ１０の測定された反射スペクトルデータを、光ファイバ１０及び細長の装置２０の３Ｄ形状に変換するように構造的に構成される任意の装置又はシステムとしてここで広義に規定される。

本発明の光学的形状検知方法を表すフローチャート５０の説明が、以下、３Ｄ形状再構成器４０のより詳細な理解を容易にするために記述される。

図２を参照して、フローチャート５０のステージＳ５１は、光ファイバ１０が基準形状にあるとき、波長の関数として光ファイバ１０のコアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を示す、ひずみ無し（unstrained）反射スペクトルデータ（「ＵＲＳＤ」）３１を生成する光学的インタロゲーションコンソール３０を有する。加えて、光学的インタロゲーションコンソール３０は、光ファイバ１０が非基準形状にあるとき、波長の関数として光ファイバ１０のコアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を示す、ひずみ有り（strained）反射スペクトルデータ（「ＳＲＳＤ」）３２を生成する。

本発明の目的において、「基準形状」という語は、光ファイバ１０の指定された形状として、ここに広義に規定され、光ファイバ１０は、光ファイバ１０のさまざまな位置に沿って任意の程度のひずみを経験していてもよく又は経験していなくてもよいが、形状再構成の目的で、光ファイバ１０の任意の他の形状に対して基準となるひずみを経験していると仮定される。反対に、「非基準形状」という語は、基準形状以外の任意の形状の光ファイバ１０としてここで広義に規定される。

一実施形態において、光学的インタロゲーションコンソール３０は、反射スペクトルデータ３１及び３２を生成するために当分野において知られている光学的周波数ドメインリフレクトメトリを実現する。

光学的インタロゲーションコンソール３０は、反射スペクトルデータ３１及び３２を、３Ｄ形状再構成器４０へ通信し、３Ｄ形状再構成器４０は、フローチャート５０のステージＳ５２の間、光ファイバ３０に沿った位置の関数として局所ひずみデータを生成するように、反射スペクトルデータ３１及び３２を処理する。

ファイバブラッググレーティングを利用する光ファイバ１０の場合、Ｓ５２の一実施形態において、３Ｄ形状再構成器４０は、反射スペクトルデータ３１及び３２の両方のシンプルなフーリエ変換によって、局所ひずみεを生成する。具体的には、反射スペクトルは、データ３１及び３２から知られる。こうして、テーパ関数Ωｅ^ｉφが計算され、テーパ関数Ωｅ^ｉφの位相の空間依存は、以下の式［１］−［３］に従って、局所ひずみεの尺度である：

上式で、δは、離調（すなわち波動ベクトルの中心共振ピークからの差）であり、λは光の波長であり、ｎは、モードの効果的屈折率であり、Λは、ブラッググレーティングの周期であり、量ｐは、較正定数（例えば、水晶に基づくシングルモード光ファイバの場合０．７８）であり、σ（δ）は、複素フレネル反射係数である。

反射スペクトルデータ３１及び３２の両方は、式［２］に従って逆フーリエ変換され、この場合、テーパ関数の振幅Ωは、同じ光ファイバ１０から生成されるデータ３１及び３２の観点で不変である。しかしながら、テーパ関数の位相φは、２つの変換の間で変わり、従って、２つの位相曲線の差が計算され、この位相差のスロープが、ファイバに沿った位置の関数として算出される。式［３］は、その後、ファイバ上の位置の関数として、局所ひずみεを生成するために使用される。

ステージＳ５２の代替の実施形態において、反射スペクトルデータ３１及び３２の式［２］の逆フーリエ変換が同様に計算される。しかしながら、特定の距離ｓにおけるテーパ関数の一部が得られ、再び、逆フーリエ変換される。このようにして、距離ｓにおける反射スペクトルのみが取得される。この局所反射スペクトルは、それらの相互相関を計算することによって、ひずみ無しファイバの局所反射スペクトルと比較される。相互相関はピークを示し、その位置は、２つの局所スペクトルの離調シフトである。相対波長シフトは、比例定数ｐに関して局所ひずみεに正比例する。

実際、いずれの実施形態においてもステージＳ５２において、反射スペクトルデータ３１及び３２のフーリエ変換が、等距離離調ステップで行われ、これにより、局所ひずみεが、光ファイバ１０の長さに沿って等距離ステップδｓで知られる。

図２を参照して、フローチャート５０のステージＳ５３は、ファイバ位置の関数としてねじれの局所曲率及び積分を生成する３Ｄ形状再構成器４０を有する。

図３に示される光ファイバ１０の３つのコア１１−１３に関するステージＳ５３の一実施形態において、以下の式［４］−［６］が、局所曲率κ及びねじれ角τに関して実施される：

上式で、ε_１２＝ε_２−ε_１及びε_１３＝ε_３−ε_１

更に、ねじれは、接線を軸とする回転であり、その場合、ねじれは、曲線に、その曲率平面を変えさせる。これは、ねじれが曲率と関連する回転軸Ｂの方向を変えることを意味する。言い換えると、ねじれは、角度α、すなわちねじれ角の変化を引き起こす。

ステージＳ５３の終了時、３Ｄ形状再構成器４０は、局所曲率κ及びねじれ角τの等距離にある値を生成する。

図２をなお参照して、フローチャート５０のステージＳ５４は、局所曲率κ及びねじれ角τの関数として、光ファイバ１０及び細長の装置２０の形状を再構成する３Ｄ形状再構成器４０を有する。

ステージＳ５４の一実施形態において、アプローチは、曲線の一端（例えば、ｓ＝０）から始めることによって、曲線の３Ｄ形状を算定することである。このアプローチによって、局所空間における絶対位置ｒ（ｘ，ｙ，ｚ）及び接線が、境界条件として与えられるべきである。光ファイバ１０に沿ってすすんだ位置δｓは、直前のポイントの曲率及びねじれ角を使用して計算される。更に、曲率が従法線ベクトルＢを軸とする回転であるという概念が、このステップを実施するために適用される。

例えば、図４は、位置ｒ_ｉを示し、次の位置ｒ_ｉ＋１は、位置ｒ_ｉから計算されなければならない。２つの座標系がある：固定基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、及び回転し、曲線に沿って移動する局所座標系（ｘ'，ｙ'，ｚ'）。基礎ステップ長δｓは、半径１／κ_ｉを有する円の小さいラインセグメントである。ラインセグメントと関連する角度は、θ_ｉ＝δ_ｓ・κ_ｉである。この円セグメントの弦は、計算されなければならない。円セグメントを含む２つの半径は、

の方向を有する。上式で、

は、角度θにわたる従法線ベクトルを軸とする回転を示す。局所座標系において、弦は、以下の式［７］によって与えられる：

座標系（ｘ_ｉ'，ｙ_ｉ'，ｚ_ｉ'）及び（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、単にヤコビアン行列Ａ_ｉによって関係付けられる。この行列はユニタリ行列であり、開始ポイントにおける第１のヤコビアン行列は、境界条件によって与えられる。従って、この行列が適切に更新される限り、次のポイントに関する弦は、直前のポイントのヤコビアン行列によって計算されることができる。従って、固定フレームにおける新しい位置は、下式［８］によって取得されることができる：

ヤコビアン行列の更新は簡単明瞭である。次のポイントにおける局所座標系（ｘ'，ｙ'，ｚ'）は、同じ従法線軸に沿って同一角度θを回転される。従って、下式［９］が与えられる：

図１及び図２を参照して、ステージＳ５１−Ｓ５４は、細長の装置２０を光学的に追跡する最中、継続的に繰り返される。ステージＳ５４における光ファイバ１０及び細長の装置２０の各々の形状再構成において、３Ｄ形状再構成器は、３Ｄ形状データ（「３ＤＳＤ」）４１を、任意の適当な追跡装置に、及び／又は光ファイバ１０及び細長の装置２０の形状再構成を表示するための３Ｄ形状ディスプレイ（「３ＤＳＤ」）４２に、供給することができる。

フローチャート５０は、さまざまなケースに関してテストされた。例えば、１つのテストケースにおいて、１メートルの長さを有するらせん形状の光ファイバが、ファイバに沿って６，５００個のデータポイントに基づいてテストされた。らせんは、１０ｃｍの曲率半径及び６．３ｃｍのピッチを有し、これは、ねじれが１ｍ^−１であることを意味する。ファイバは、中心から５０ミクロン離れた３つのコアを有する。コアの各々は、約２５ｍｍの長さを有し、約１ｍｍの間隙によって隔てられた３８個のファイバブラッググレーティングを含む。

図５は、らせんの元の形状及び再構成されたデータを表すグラフ６０を示しており、グラフ６０は、元のデータ及び再構成されたデータがこのグラフ６０のスケール上で互いに区別されることができない点で重要なオーバラップを有する。図６は、図５の元のデータと再構成されたデータの間の偏差を表すグラフ６１を示す。具体的には、小さい偏差が、らせんのピッチに関して振動し、再構成の全体の誤差は、１ｍのファイバ長にわたって１０ミクロンのオーダーである。多くのアプリケーションにおいて、この正確さは十分過ぎるほどである。

図１−図６の記述から、当業者であれば、特に細長の医療装置（例えば、内視鏡、カテーテル及びガイドワイヤ）を光学的に追跡する多数のアプリケーションに関して、本発明に従って光ファイバの３Ｄ形状再構成技法を如何にして実現するかの他の認識をもつであろう。医療アプリケーションの例は、ＥＰアブレーションプロシージャ、冠動脈への介入（例えばステント配置）、大動脈腹部動脈瘤のためのステントグラフト配置及び超音波プローブの位置付けを実施するインシトゥ開窓術を含むが、これに限定されるものではない。

本発明のさまざまな例示的な実施形態が図示され記述されているが、当業者であれば、ここに記述される本発明の例示的な実施形態は説明的であり、本発明の真の範囲から逸脱することなく、さまざまな変形及び変更が行われることができ、等価なものがその構成要素と置き換えられることができることが理解できるであろう。例えば、本発明は、ここで主にＦＢＧに関して記述されているが、例えば、ＦＢＧ又は他の光学素子の存在の有無にかかわらず、後方散乱、光ファイバフォースセンシング、ファイバロケーションセンサ又はレイリー散乱を使用してファイバの１又は複数のセクションにおける変化を検出することに基づく検知又は位置特定を含む、形状検知又は位置特定のためのファイバ光学素子を含むことが概して理解される。更に、多くの変形が、その中心的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示を適応させるように行われることができる。従って、本発明は、本発明を実施するための考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態に制限されず、本発明は、添付の特許請求の範囲にあるすべての実施形態を含むことができることが意図される。

Claims (14)

1. 光学的形状検知システムであって、
   細長の装置と、
   前記細長の装置内に埋め込まれる、少なくとも３つのコアを有する光ファイバと、
   前記光ファイバと通信し、波長の関数として前記光ファイバのコアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を示す反射スペクトルデータを生成する光学的インタロゲーションコンソールと、
   前記光学的インタロゲーションコンソールと通信し、前記光ファイバの３Ｄ形状を再構成する３Ｄ形状再構成器と、
   を有し、
   前記３Ｄ形状再構成器は、前記反射スペクトルデータに応じて、前記光ファイバに沿った複数の位置について局所ひずみデータを生成し、
   前記３Ｄ形状再構成器は、前記少なくとも３つのコア毎の前記局所ひずみデータ、及び基準となる１つのコアと該コア以外の全てのコアとの間の相対角度に応じて、前記光ファイバに沿った各々の局所ひずみの関数として、局所曲率及びねじれ角データを生成し、
   前記３Ｄ形状再構成器は、前記局所曲率及びねじれ角データに応じて、前記光ファイバに沿った各々の局所曲率及びねじれ角の関数として、前記光ファイバの３Ｄ形状を再構成する、光学的形状検知システム。
2. 前記細長の装置が、内視鏡、カテーテル及びガイドワイヤを含むグループから選択される、請求項１に記載の光学的形状検知システム。
3. 前記光学的インタロゲーションコンソールが、光学的フーリエドメインリフレクトメータを有する、請求項１に記載の光学的形状検知システム。
4. 前記反射スペクトルデータが、
   基準形状を有する光ファイバに応じて、波長の関数として該光ファイバのコアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を示す、ひずみ無し反射スペクトルデータと、
   非基準形状を有する光ファイバに応じて、波長の関数として該光ファイバのコアごとの反射の振幅及び位相の両方の測定を示す、ひずみ有り反射スペクトルデータと、
   を含む、請求項１に記載の光学的形状検知システム。
5. 前記局所ひずみデータの生成は、前記反射スペクトルデータの逆フーリエ変換の実施を含む、請求項１に記載の光学的形状検知システム。
6. 前記局所ひずみデータの生成は、前記ひずみ無し反射スペクトルデータ及び前記ひずみ有り反射スペクトルデータの逆フーリエ変換の実施を含む、請求項４に記載の光学的形状検知システム。
7. 前記局所ひずみデータの生成は、前記ひずみ無し反射スペクトルデータ及び前記ひずみ有り反射スペクトルデータの逆フーリエ変換に対応するテーパ関数の間の位相差の計算を含む、請求項６に記載の光学的形状検知システム。
8. 前記局所ひずみデータの生成は更に、前記ひずみ無し反射スペクトルデータ及び前記ひずみ有り反射スペクトルデータの逆フーリエ変換の相互相関を含む、請求項４に記載の光学的形状検知システム。
9. 前記局所曲率データの生成は、前記光ファイバに沿った各位置における各コアの局所ひずみデータの関数である、請求項１に記載の光学的形状検知システム。
10. 各位置が、前記光ファイバに沿って等距離にある、請求項９に記載の光学的形状検知システム。
11. 前記光ファイバの３Ｄ形状の再構成は、前記光ファイバの長さに沿った一段階の幅及び曲率の積に等しい角度にわたる、曲線の局所的な従法線軸の段階的な回転を含む、請求項１に記載の光学的形状検知システム。
12. 前記光ファイバの３Ｄ形状の再構成は、局所座標系から基準座標系への座標変換を含む、請求項１１に記載の光学的形状検知システム。
13. 前記光ファイバの３Ｄ形状の再構成は、同じ回転を使用して前記段階的な回転の各段階ごとに前記座標変換のヤコビアン行列を計算することを含む、請求項１２に記載の光学的形状検知システム。
14. 前記３Ｄ形状再構成器は、外部使用のための３Ｄ再構成データ及び前記光ファイバの３Ｄ再構成表示の少なくとも一方を生成するように動作可能である、請求項１に記載の光学的形状検知システム。

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