JP6326483B2 - 光学形状検出対応機器のためのねじれを最小化するためのシステムと方法 - Google Patents

Description

本開示は医療機器に、より具体的には回転拘束を伴う形状検出システム及び／又は医療用途のための光ファイバの制御に関する。

光学形状検出（ＯＳＳ）ファイバは、６πの累積ねじれ付近で安定性を失いながら、その軸まわり約２πのねじれにいずれかの方向で達するまでしか、正確な形状再構成を生じることができない。これは三つの外側コアにおける信号を（ねじれのない）中心コアに比較する再構成アルゴリズムに起因し、ファイバの縦軸に沿った過度のねじれは他の要因に対し曲げに起因する位相差を区別する能力を制限する。

ねじれは、操作時に器具若しくは器具のハンドルにトルクを加える間にオペレータによって、又は器具が動かされる際にファイバと器具内腔の間の摩擦によって、導入され得る。臨床用途のため、具体的には血管手術において、外科医は通常同じ方向にマルチπターンを通じて器具にトルクを加えることが多い。器具が依然として通常の方法で操作されトルクを加えられ得ることを確実にしながら、臨床医によってファイバに与えられるねじれの量が最小化される必要がある。

本発明の原理によれば、形状検出システムは、ガイドチューブと、一つ以上の光ファイバを含み、固定点において近位固定されガイドチューブ内に配置される光学形状検出装置とを含む。インターベンション器具はハンドルに対する器具の回転を防止するようにハンドルに剛結合される。光学形状検出装置が器具とハンドルの至る所で拘束されないように、器具は中にガイドチューブを受けるように構成される内腔を持ち、ガイドチューブは光学形状検出装置にねじれ摩擦を伝えることなく器具とハンドルの少なくとも回転に対して自由に滑ることができる。

別の形状検出システムはプロセッサとメモリを持つワークステーションを含み、メモリはインターベンション手術中に光学形状検出信号を解釈するように構成される形状検出モジュールを保存する。起動ユニットは光学信号を送信及び受信するための光学固定点を含む。ガイドチューブは固定点から遠位に配置されるマウント点に近位固定される。光学形状検出装置は一つ以上の光ファイバを含み、固定点に近位固定され、ガイドチューブ内に配置される。インターベンション器具はハンドルに対する器具の回転を防止するようにハンドルに剛結合される。器具は光学形状検出装置が器具とハンドルの至る所で拘束されないように中にガイドチューブを受けるように構成される内腔を持ち、ガイドチューブは光学形状検出装置にねじれ摩擦を伝えることなく器具とハンドルの少なくとも回転に対して自由に滑ることができる。

さらに別の形状検出システムは、一つ以上の光ファイバを含み、固定点に近位固定される、光学形状検出装置を含む。インターベンション器具はハンドルに対する器具の回転を防止するようにハンドルに剛結合される。器具は器具内の少なくとも一つの場所において拘束される、光学形状検出装置を受けるように構成される内腔を持つ。ベアリングがハンドルに含まれ、保護チューブを受けて結合するように構成され、ハンドルはベアリングと保護チューブに対して自由に回転することができる。保護チューブは固定点若しくはその付近における固定位置とハンドルの間で光学形状検出装置を包含する。クラッチは、イベントに従って保護チューブに対するハンドルの回転を防止するようにベアリングを係合するように構成される。

本開示のこれらの及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に関連して読まれるその実施形態例の以下の詳細な説明から明らかとなる。

本開示は以下の図面を参照して好適な実施形態の以下の説明を詳細に提示する。

一実施形態例にかかるファイバ回転を制約、制御及び／又は制限する形状検出システムを示すブロック／フロー図である。 一実施形態例にかかる起動ユニット、ハンドル及び医療機器を示す形状検出システムの斜視図である。 一実施形態例にかかる、器具内に自由に配置されるガイドチューブ内に自由に配置される形状検出装置を示す切断斜視図である。 一実施形態例にかかるハンドル（インターフェース）の切断斜視図である。 一実施形態例にかかるクラッチ機構例を示すハンドル（インターフェース）の拡大切断斜視図である。 別の実施形態例にかかる、カウンタを使用し、警報装置を持つ別のクラッチ機構例を示す、ハンドル（インターフェース）の略図である。 別の実施形態例にかかる、固定若しくは自由形状検出装置を実現するために形状検出装置を器具に固定するための別のクラッチ機構例の略図である。

本発明の原理によれば、光学形状検出（ＯＳＳ）ファイバの過度のねじれを軽減するためのシステムと方法が提供される。正確で安定した形状検出を可能にするためにＯＳＳ対応器具においてねじれを最小化するための機構が開示される。これらの機構は、ファイバがその長さに沿っていかなる点においても装置に固定されないように、ガイドチューブ内部のインターベンション器具からＯＳＳファイバを機械的に分離する。単にインターベンション装置の内腔内でファイバが浮くようにするだけでは、回転する際に器具内腔の壁によってファイバに加えられる摩擦に起因して装置にトルクが加わるので、安定性を確保するためには不十分であり得る。一つの技術は、本質的に器具内腔とファイバの間のベアリングとして機能するガイドチューブを利用することによってトルク発生の悪影響からファイバを機械的に分離する。

剥き出しのＯＳＳファイバの形状再構成能力はファイバの縦軸に沿ったねじれの導入によって悪影響を受けることが知られている。制御環境においてかかるファイバをテストするとき、かかるねじれは慎重な取り扱いで最小化されることができる。しかしながら、ＯＳＳファイバがインターベンション器具に組み込まれるとき、臨床医によるかかる慎重な取り扱いは保証されない可能性がある。実際、臨床医は典型的にはインターベンション器具のハンドルを握ってそれをＸＹＺに平行移動させるだけでなく、Ｚ軸まわりに回転させる。ファイバは動かせない起動領域に剛固定され、その後器具の遠位端へ装置ハンドルを貫通すると仮定すると、ハンドルの回転はファイバにねじれを導入することになる。ねじれが増加すると、形状再構成の精度は低下し、安定性が失われる可能性がある。本発明の原理は形状検出装置におけるねじれを制御若しくは削減することによってこれらの問題を軽減する。

本発明は医療機器に関して記載されるが、本発明の教示はもっと広く、いかなる光ファイバ器具にも適用可能であることが理解されるべきである。一部の実施形態において、本発明の原理は複雑な生物学的若しくは機械的システムのトラッキング若しくは分析において利用される。特に、本発明の原理は生物学的システムの内部トラッキング手順、肺、胃腸管、排泄器官、血管などの体の全領域における手術、全ての血管内及び管腔内用途などに適用可能である。図に描かれる要素はハードウェアとソフトウェアの様々な組み合わせにおいて実現されてもよく、単一要素若しくは複数要素に組み合わされ得る機能を提供し得る。

図示の様々な要素の機能は、専用ハードウェア、及び適切なソフトウェアと関連してソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用を通じて提供され得る。プロセッサによって提供されるとき、機能は単一専用プロセッサによって、単一共有プロセッサによって、若しくはその一部が共有され得る複数の個別プロセッサによって、提供されることができる。さらに、"プロセッサ"若しくは"コントローラ"という語の明示的使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的にあらわすものと解釈されるべきではなく、限定されることなく、デジタル信号プロセッサ（"ＤＳＰ"）ハードウェア、ソフトウェアを保存するためのリードオンリーメモリ（"ＲＯＭ"）、ランダムアクセスメモリ（"ＲＡＭ"）、不揮発性ストレージなどを非明示的に含み得る。

さらに、本発明の原理、態様及び実施形態、並びにその特定の実施例を列挙する本明細書の全記述は、その構造的及び機能的な均等物の両方を包含することを意図する。付加的に、かかる均等物は現在既知の均等物並びに将来開発される均等物（すなわち構造に関わらず同じ機能を実行する開発される任意の要素）の両方を含むことが意図される。従って、例えば、本明細書に提示されるブロック図は本発明の原理を具体化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図をあらわすことが当業者によって理解される。同様に、任意のフローチャート、フロー図及び同様のものは、実質的にコンピュータ可読記憶媒体にあらわされ、コンピュータ若しくはプロセッサが明示的に示されているか否かを問わず、かかるコンピュータ若しくはプロセッサによってそのように実行され得る様々なプロセスをあらわすことが理解される。

さらに、本発明の実施形態はコンピュータ若しくは任意の命令実行システムによる又はそれらに関連する使用のためのプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能若しくはコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形をとり得る。この説明の目的で、コンピュータ使用可能若しくはコンピュータ可読記憶媒体とは、命令実行システム、機器若しくは装置による又はそれらに関連する使用のためのプログラムを包含、記憶、通信、伝搬、若しくは輸送し得る任意の装置であり得る。媒体は電子、磁気、光学、電磁、赤外、又は半導体システム（又は機器若しくは装置）又は伝搬媒体であり得る。コンピュータ可読媒体の実施例は半導体若しくはソリッドステートメモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、固定磁気ディスク及び光学ディスクを含む。光学ディスクの現在の実施例は、コンパクトディスク‐リードオンリーメモリ（ＣＤ‐ＲＯＭ）、コンパクトディスク‐リード／ライト（ＣＤ‐Ｒ／Ｗ）、Ｂｌｕ‐Ｒａｙ（登録商標）及びＤＶＤを含む。

図面において類似する数字は同一若しくは同様の要素をあらわし、最初に図１を参照すると、一実施形態にかかる、一つ以上の光学形状検出対応器具を使用するインターベンション手術用のシステム１００が例示される。システム１００はワークステーション若しくはコンソール１１２を含み、そこから手術が監視及び／又は管理される。ワークステーション１１２は好適には一つ以上のプロセッサ１１４と、プログラム及びアプリケーションを保存するためのメモリ１１６を含む。メモリ１１６は形状検出装置若しくはシステム１０４からの光学フィードバック信号を解釈するように構成される光学検出モジュール１１５を保存し得る。光学検出モジュール１１５は柔軟な医療機器若しくは器具１０２及び／又はその周辺領域と関連する変形、偏向及び他の変化を再構成するために光学信号フィードバック（及び任意の他のフィードバック、例えば電磁（ＥＭ）トラッキング）を使用するように構成される。特に、モジュール１１５は形状検出装置１０４が柔軟な器具１０２から回転分離され、ガイドチューブ３０４の形の回転ベアリングを用いて回転される場合であっても装置ロールを推定するように構成される。ガイドチューブ３０４は医療器具１０２の内面に対する摩擦を軽減するために滑らかな表面を含む。形状検出装置１０４はガイドチューブ３０４内で自由に滑ることができる。

医療装置１０２はカテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、電極、フィルタ装置、バルーン装置、若しくは他の医療部品などを含み得る。装置１０２内の形状検出システム１０４は一つ又は複数のセットパターンにおいて装置１０２に結合される一つ以上の光ファイバ１２６を含む。光ファイバ１２６はケーブル１２７を通じてワークステーション１１２に接続する。ケーブル１２７は光ファイバ、電気接続、他の器具類などを必要に応じて含み得る。

光ファイバを持つ形状検出システム１０４は光ファイバブラッググレーティングセンサに基づき得る。光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は光の特定波長を反射しその他は全て透過する光ファイバの短セグメントである。これは波長特異的誘電体鏡を生成する、ファイバコアに屈折率の周期的変動を加えることによって実現される。従ってファイバブラッググレーティングは特定波長をブロックするインライン光学フィルタとして、若しくは波長特異的反射体として使用されることができる。

ファイバブラッググレーティングの動作の背景にある基本的原理は、屈折率が変化している界面の各々におけるフレネル反射である。一部の波長では、様々な周期の反射光が同相であるため、反射について強め合う干渉が存在し、その結果、透過について弱め合う干渉が存在する。ブラッグ波長はひずみ及び温度に敏感である。これはブラッググレーティングが光ファイバセンサにおける検出素子として使用されることができることを意味する。ＦＢＧセンサにおいて、測定量（例えばひずみ）はブラッグ波長におけるシフトを生じる。

この技術の一つの利点は、様々なセンサ素子がファイバの長さにわたって分散され得ることである。構造の中に埋め込まれるファイバの長さに沿って様々なセンサ（ゲージ）を持つ三つ以上のコアを組み込むことは、かかる構造の三次元形状が正確に、典型的には１ｍｍ以上の精度で決定されることを可能にする。ファイバの長さに沿って、様々な位置において、多数のＦＢＧセンサが位置付けられ得る（例えば３以上のファイバ検出コア）。各ＦＢＧのひずみ測定から、その位置において構造の曲率が推測されることができる。多数の測定位置から、全体の三次元形状が決定される。

光ファイバブラッググレーティングの代替案として、従来の光ファイバにおける固有後方散乱が利用され得る。かかるアプローチの一つは標準単一モード通信ファイバにおけるレイリー散乱を使用することである。レイリー散乱はファイバコア内の屈折率のランダム変動の結果として生じる。これらのランダム変動はグレーティング長に沿って振幅と位相のランダム変動を伴うブラッググレーティングとしてモデル化され得る。単一長のマルチコアファイバ内を走る三つ以上のコアにおいてこの効果を用いることによって、関心表面の３Ｄ形状とダイナミクスが追跡され得る。

この形状検出アプローチは従来の光ファイバにおける固有後方散乱を利用する。使用される原理は例えば標準単一モード通信ファイバにおける特徴的なレイリー散乱パターンを持つ光ファイバにおける分布ひずみ測定である。レイリー散乱はファイバコア内の屈折率のランダム変動の結果として生じる。これらのランダム変動は長さに沿った振幅と位相のランダム変動でモデル化されることができる。単一長のマルチコアファイバ内を走る３以上のコアにおいてこの効果を使用し、較正された基準状態に対するひずみ、張力、及び温度効果に起因する後方散乱信号の位相における変化をモニタリングすることによって、ファイバセンサの３Ｄ形状とダイナミクスが再構成されることができ、ファイバセンサを含む柔軟な器具の対応する形状ダイナミクスが推定されることができる。

一実施形態において、ワークステーション１１２は、形状検出装置１０４からフィードバックを受信し、検出装置１０４がボリューム１３１内のどこにいたかに関するリアルタイム若しくは累積位置データを記録するように構成される画像生成モジュール１４８を含む。スペース若しくはボリューム１３１内の形状検出装置１０４の位置データの画像１３４は表示装置１１８上に表示されることができる。ワークステーション１１２は対象（患者）若しくはボリューム１３１の内部画像を見るためのディスプレイ１１８を含み、検出装置１０４の訪れた位置の履歴のオーバーレイ若しくは他のレンダリングとして画像１３４を含み得る。ディスプレイ１１８はユーザがワークステーション１１２、及びその構成要素と機能、又はシステム１００内の任意の他の要素と相互作用することも可能にし得る。これはキーボード、マウス、ジョイスティック、触覚装置、又はワークステーション１１２からのユーザフィードバック及び相互作用を可能にする任意の他の周辺機器若しくはコントロールを含み得るインターフェース１２０によってさらに容易にされる。

形状検出装置１０４は保護チューブ２１０、ハンドル２１２及び器具１０２を貫通する。本発明の原理によれば、形状検出装置１０４は回転を制御若しくは制限するように器具１０２内で回転して滑ることが可能である。モジュール１１５は形状検出装置１０４において測定されるねじれを読み取るように構成される。ハンドル２１２は器具１０２から保護チューブ２１０を機械的に分離する回転ベアリング４０４と、保護チューブ２１０とハンドル２１２の間の回転を可能にするクラッチ機構４０２を含み得る。ベアリング４０４の一部／フル回転の数をカウントするカウンタ機構４０６が含まれ得る。この情報はデータリンク（例えばケーブル１２７若しくは他の通信リンク、例えば無線）を用いてモジュール１１５／ワークステーション１１２に報告され得る。モジュール１１５は複数の動作を実行するトリガとしてねじれの数を使用することができるねじれ測定ユニット１５２を含む。例えば、ねじれの数が閾値に達するとき、ねじれ測定ユニット１５２はクラッチ機構４０２を係合してベアリング４０４の回転を制限する。

ユーザインターフェース１２０はオプションとして形状センサ１０４及び／又は器具１０２の状態について、特にそこに生じたねじれの数に関して、オペレータに（例えばディスプレイ１１８上の）視覚的フィードバック若しくはスピーカ１２２を通じて音響フィードバックを提供し得る。別の実施形態例が図２を参照して説明される。

図２を参照すると、形状検出装置１０４（器具１０２内にあり図２に図示されない）は器具１０２内のガイドチューブ（不図示）の内部に設けられる一つ以上のＯＳＳファイバ（不図示）を含む。形状検出装置１０４は原点（０，０，０）となる起動点若しくは固定点２０２からの形状検出能力を含む。固定点２０２はしばしば固定若しくは起動ユニット２０４上に位置し、これは形状検出装置の基準座標系を定義する。起動ユニット２０４は図１に図示のワークステーション１１２に組み込まれ得るか、又はスタンドアロンユニットであり得る。起動ユニット２０４及び／又はワークステーション１１２は形状検出用途のための光を提供及び受光するための電子及びフォトニックデバイスを含む。

ガイドチューブ固定点２０６の後、形状検出装置１０４は器具１０２の遠位端へ向かって保護チューブ２１０と器具ハンドル２１２を貫通する。保護チューブ２１０は起動ユニット２０４の末端においてガイドチューブ固定点２０６に固定されるが、ハンドル２１２内のその遠位端部分において回転するように構成され得る。

器具１０２はその内部に形状検出装置１０４を含むので、形状検出装置１０４は図示されない。通常、器具のいかなる回転も形状検出装置１０４のファイバにねじれを導入する。しかしながら、一実施形態において、ファイバがその長さに沿っていかなる点においても器具１０２に固定されず、臨床医がハンドル２１２及び／又は器具１０２を回転させる際に器具１０２とともに回転しないように、インターベンション器具１０２からファイバを機械的に分離することによって、ファイバのねじれは軽減され得る。しかしながら、単にファイバが内腔内に位置するようにするだけでは、内腔が回転する際にファイバに加わり得るねじれ摩擦に起因して、再構成安定性を確保するためには不十分である。

一実施形態によれば、形状検出装置１０４は器具１０２を通って起動ユニット２０４からガイドチューブ３０４（不図示）も貫通する。

図３を参照すると、器具１０２の拡大切断図は中に形状検出装置１０４が配置されるガイドチューブ３０４を示す。形状検出装置１０４は一つ以上の光ファイバ３０６を含み得る。一実施形態において、ファイバ３０６は三つの等間隔な外側ファイバによって囲まれる中央に配置されたファイバを含む。本発明の原理によれば、器具１０２の内腔若しくはスペース３０８はガイドチューブ３０４を含む。ガイドチューブ３０４は形状検出装置１０４がその中で自由に回転することを可能にする内腔若しくはスペース３１０をさらに含む。

図４を参照すると、一実施形態例にかかる装置ハンドル２１２の切断斜視図が示される。ガイドチューブ３０４（図３）はインターベンション器具１０２内の内腔を貫通する。ガイドチューブ３０４内の形状検出装置１０４（図３）はファイバ起動点２０２（図２に図示）から遠位のガイドチューブ固定点２０６においてファイバ起動ユニット２０４に固定される。形状検出装置１０４はガイドチューブ３０４内でいかなる点にも固定されず、ガイドチューブ３０４は保護チューブ２１０若しくはインターベンション器具１０２を貫通する際に固定されない。インターベンション器具１０２はハンドル２１２の任意の回転が器具１２０も回転させるようにハンドル２１２に剛結合されるが、一実施形態において、保護チューブ２１０は器具１０２に対して自由に滑ることができる。形状検出装置１０４はガイドチューブ３０４内で自由に滑ることができ、ガイドチューブは器具１０２内で自由に滑ることができる。

ＯＳＳファイバ（１０４）を器具１０２に固定しない欠点は、器具先端の配向が形状検出装置１０４で直接検出されないことである。この状況において、器具の先端断面の縦軸に沿ったロールがソフトウェアを用いて推定され得る。モジュール１１５内の処理アルゴリズム１５６（図１）は遠位端断面に沿ったＯＳＳ（ｘ，ｙ，ｚ）形状測定と一緒に細長い装置の遠位端の既知の形状を利用することができる。遠位端の既知の形状は先端断面に与えられる予め形成された幾何学形状に基づいて、又は柔軟な器具１０２のステアリングのために使用されるプルワイヤによって遠位端に与えられる偏向幾何学形状に基づいて決定されることができる。所望の器具先端配向は、適合度メトリックに従って測定された形状と既知の幾何学形状との差を最小化するロール配向角度を計算する最適化アルゴリズムを用いて推定されることができる。先端角度配向を推定するこのアプローチは例えば回転対称でない任意の先端形状、例えば直線円筒に使用することができる。

特に有用な実施形態において、形状検出装置１０４は、インターベンション器具１０２内の内腔を貫通する柔軟なガイドチューブ３０４内に格納される。形状検出装置１０４はファイバ固定点２０２にしか固定されず、ガイドチューブ３０４はファイバ固定点２０２に遠位のガイドチューブ固定点２０６において起動ユニット２０４に固定されるのみである。かかる構成において、ガイドチューブ３０４と形状検出装置１０４の両方は器具１０２から回転独立である。インターベンション器具１０２はハンドル２１２の回転が器具１０２をその縦軸まわりに回転させるようにハンドル２１２に剛結合される。インターベンション器具１０２は機械的クランプによって、接着剤を利用することなどによって、ハンドル２１２に剛固定され得る。形状検出装置１０４を含むガイドチューブ３０４はインターベンション器具１０２内の内腔を貫通し、いかなる点においても器具に固定されない。従って、ハンドル２１２が回転されるとき、器具１０２は回転するが、ガイドチューブ３０４と形状検出装置１０４（ファイバ）は回転に対して自由に滑ることができる。

この回転はガイドチューブ３０４の壁と器具１０２内の内腔（３０８、図３）の壁の間に摩擦を生じる。しかしながら、ガイドチューブ３０４は器具１０２の内腔３０８に対して滑るように十分なねじり剛性を持つべきである。このシナリオにおいて、摩擦は形状検出装置１０４に伝わらないので、形状検出装置１０４によって経験されるねじれの量は最小化される。この構成において、ガイドチューブ３０４はインターベンション器具１０２と形状検出装置１０４の間の回転ベアリングとみなされることができる。

別の実施形態において、器具１０２について先端配向の知識が必要な場合があり、そのため形状検出装置１０４を器具１０２の先端に固定することが必要な場合がある。この場合、形状検出装置１０４は器具１０２とともにねじれる必要があるので、回転ベアリングとしてのガイドチューブ３０４の使用は必要ない可能性がある。ファイバを過度にねじる可能性を軽減する付加的な特徴がハンドル２１２に組み込まれ得る。これらは固定ファイバ若しくは非固定（自由／スリップ）ファイバの実施形態において利用され得るベアリング４０４及びクラッチ４０２を含み得る。

図５を参照しさらに図２を参照すると、装置ハンドル２１２と起動ユニット２０４の間で、形状検出装置１０４とガイドチューブ３０４が保護チューブ２１０（図２）を貫通する。通常使用中に形状検出装置１０４においてファイバを保護するために、保護チューブ２１０はねじり剛性であり、非圧縮性であり、最小曲げ半径を持ち起動ユニット２０４に剛性クランプされるべきである。保護チューブ２１０もハンドル２１２に剛性クランプされた場合、これは器具１０２がＺ軸（チューブに平行）まわりに回転されることができる動きの範囲を著しく制限し得る。これはねじれ制御の手段として利用され得る。しかしながら、臨床医がこの軸まわりに自由にハンドル２１２を回転させることができることを確実にするために、保護チューブ２１０とハンドル２１２は回転ベアリング４０４を介して接続され得る。これは臨床医が保護チューブ２１０からの制約なしにインターベンション器具１０２の配向を制御することができることを意味する。

クラッチ機構４０２はベアリング４０４をクランプ若しくはリリースするように構成され、これは形状検出装置１０４（器具１２０内に固定され得るか又は器具１０２／ハンドル２１２において自由に滑ることができる）及び器具１０２及びハンドル２１２の間の回転を可能にする。クラッチ４０２はユーザ操作されるか若しくはコンピュータ制御され得る。クラッチ４０２はピン支点４１０を用いるベアリング４０４に対する摩擦界面４０８を含み得る。界面若しくは係合面４０８はスイッチ若しくはレバー４０７を用いて制御され得る。例えばベアリング４０４を係合するアクチュエータなど、他の構造若しくは構成も考慮される。

クラッチ４０２が係合される場合、ベアリング４０４はハンドル２１２に剛固定され、形状検出装置１０４は器具１０２及びハンドル２１２とともに回転し得る。逆に、クラッチ４０２が解除される場合、ベアリング４０４は自由に回転することができ、ハンドル２１２は保護チューブ２１０に対して回転され得る。回転ベアリング４０４は装置若しくはハンドル２１２に限定される必要はなく、用途に基づいてより大きく若しくは小さく作られてもよく、ガイドワイヤトルキング装置などの他の器具若しくはユーザインターフェースとともに使用されてもよい。

一部のインターベンション中、先端配向の知識が必要とされる。これらのために、形状検出装置１０４のファイバは器具１０２の先端に固定される必要がある。かかる固定先端器具では、臨床医はファイバを過度にねじれさせてトラッキングの喪失を誘導すべきでない。このシナリオにおいて、保護チューブ２１０のねじり剛性は臨床医がＺ軸まわりに与え得る回転の量を制限するので、体内への挿入前に器具セットアップ中に器具１０２の過度のねじれを阻止する安全機能となり得る。クラッチが解除される場合、ベアリングは自由に回転することができる。

図６を参照すると、一実施形態において、クラッチ４０２の自動化（例えばワークステーション１１２を使用、図１）は、デフォルトとしてクラッチ４０２を解除するが、体内への装置の挿入後及び解剖学的構造内をナビゲートする間クラッチ４０２を係合し、それによって配向情報を提供することを含み得る。自動化はねじれ信号を測定し、それをクラッチ４０２の係合／解除のための基準として使用することによっても提供され得る。クラッチ４０２は、図６に図示の通り、信号（及び／又はパワー）リード４１４を用いてカウンタ４０６によって若しくはワークステーション１１２によって駆動され得るアクチュエータである。

自由に回転することができるときにベアリング４０４のフル回転の数をカウントするカウンタ機構４０６が設けられ得る。カウンタ４０６は通過するマーキングの数を測定するエンコーダを含んでもよく、ベアリング４０４が回転する際に突起が衝突されるたびにカウントを追加する機構を含んでもよく、ポテンショメータなどを含んでもよい。回転の数が所定限界若しくは閾値（形状検出装置１０４が耐えることができる角変位の量未満）に達するとき、機構４０６は臨床医がハンドル２１２をそれ以上回転させることができないように自動的にクラッチ４０２を係合する。これは形状検出装置１０４のねじれ限界に近づいていることをオペレータに示し得る。そしてオペレータは回転を制限するか若しくは装置のねじれを解消することによって適切な動作をとることができる。これは過度のねじれに起因して形状再構成が不安定になる可能性を軽減し得る。これはロボット制御されてもよい。

オペレータに追加フィードバックを提供するために視覚若しくは音響インジケータ４１２が利用され得る。これは形状検出装置１０４のねじれ限界が近づいている若しくはそれを超えていることをオペレータに示し得る。そしてオペレータは回転を制限すること若しくはねじれを解消することによって適切な動作をとることができる。これらの特徴は過度のねじれに起因して形状再構成が不安定になる可能性を軽減し得る。クラッチ４０２の係合を開始するモジュール１１５へのフィードバックとしてカウンタ４０６が利用されてもよく、これはコンピュータ制御されることができる（例えばモジュール１１５によって、図１）。

図７を参照すると、形状検出装置１０４と器具１０２の間でベアリング７０４をクランプ若しくはリリースする別のクラッチ７０２が利用され得る。ベアリング７０４は形状検出装置１０４に取り付けられる。クラッチ７０２とベアリング７０４は器具１０４内のいかなる位置にも実装され得るが、クラッチ７０２とベアリング７０４を器具の遠位端付近及び／又はハンドル２１２内に位置付けることが有利であり得る。クラッチ７０２の動きに抵抗する表面が必要な場合、アンビル７０８が利用され得る。クラッチ７０２が係合される場合、形状検出装置１０４はハンドル２１２に剛固定され、形状検出装置１０４は器具１０２に対して回転しない。逆に、クラッチ７０２が解除される場合、形状検出装置１０４は器具１０２に対して自由に回転し得る。これは臨床医が固定端若しくは浮遊端構成において器具１０２を操作することを切り替えることを可能にする。クラッチ７０２は信号線７１０を通じてワークステーション１１２によって駆動され制御され得るか、又は手動制御を含み得る。

他の実施形態において形状検出装置はロボット若しくは他の介在装置によって操作され得ることが理解されるべきである。例えば、ねじれはロボットマニピュレータによって導入されてもよく、これは臨床医が形状検出装置を遠隔操作することを可能にする。かかる場合も、開示されるねじれ最小化法は有用であり有利であり得る。

添付の請求項を解釈する際、
ａ）"有する"という語は所与の請求項に列挙された以外の要素若しくは動作の存在を除外せず、
ｂ）ある要素に先行する"ａ"若しくは"ａｎ"という語はかかる要素の複数の存在を除外せず、
ｃ）請求項における任意の参照符号はその範囲を限定せず、
ｄ）複数の"手段"は同じ項目又はハードウェア若しくはソフトウェア実装構造若しくは機能によってあらわされてもよく、
ｅ）特に指定しない限り動作の特定の順序が要求されることを意図しない
ことが理解されるべきである。

光学形状検出対応器具のためのねじれを最小化するためのシステムと方法について好適な実施形態が記載されているが（これらは例示であって限定ではないことが意図される）、上記教示に照らして修正及び変更が当業者によってなされ得ることが留意される。従って添付の請求項によって概説される本明細書に開示の実施形態の範囲内にある開示の特定の実施形態における変更がなされ得ることが理解される。特許法によって要求される詳細がこのように記載されているが、特許証によって保護されることを請求され望まれるものは添付の請求項に定義される。

Claims (15)

1. ガイドチューブと、
   光学信号を送信及び受信するための光学固定点を含む起動ユニットと、
   一つ以上の光ファイバを含み、前記固定点に近位固定され、前記ガイドチューブ内に配置される、光学形状検出装置と、
   ハンドルに対するインターベンション器具の回転を防止するように当該ハンドルに剛結合される当該インターベンション器具と
   を有する、形状検出システムであって、
   前記インターベンション器具は、前記光学形状検出装置が前記インターベンション器具及び前記ハンドルの至る所で拘束されないように前記ガイドチューブを中に受けるように構成される内腔を持ち、前記ガイドチューブは、前記光学形状検出装置にねじれ摩擦を伝えることなく前記インターベンション器具と前記ハンドルの少なくとも回転に対して自由に滑ることができる、
   形状検出システム。
2. 前記ハンドルが、保護チューブを受けて結合するベアリングを含み、前記ハンドルは前記ベアリングと前記保護チューブに対して自由に回転し、前記保護チューブは前記固定点若しくはその付近における固定位置と前記ハンドルとの間で前記光学形状検出装置を包含し、前記光学形状検出装置は前記保護チューブと前記ベアリングの回転に対して自由に滑ることができる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記保護チューブに対する前記ハンドルの回転を防止するように前記ベアリングを係合するように構成されるクラッチをさらに有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ベアリングの回転数が閾値に達するときに前記クラッチが係合される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ベアリングの回転数を測定するように構成されるカウンタをさらに有する、請求項２に記載のシステム。
6. 前記ベアリングの回転数に基づいてオペレータに感覚警報を与えるように構成される警報機構をさらに有する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記光学形状検出装置と前記インターベンション器具の間の相対的回転を制限するように構成されるユーザ制御クラッチをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ガイドチューブが単一近位固定点において固定される、請求項１に記載のシステム。
9. プロセッサとメモリを含むワークステーションであって、前記メモリはインターベンション手術中に光学形状検出信号を解釈するように構成される形状検出モジュールを保存する、ワークステーションと、
   光学信号を送信及び受信するための光学固定点を含む起動ユニットと、
   前記固定点から遠位に前記起動ユニットに配置されるマウント点に近位固定されるガイドチューブと、
   一つ以上の光ファイバを含み、前記固定点に近位固定され、前記ガイドチューブ内に配置される、光学形状検出装置と、
   ハンドルに対するインターベンション器具の回転を防止するように当該ハンドルに剛結合される当該インターベンション器具と
   を有する形状検出システムであって、
   前記インターベンション器具は、前記光学形状検出装置が前記インターベンション器具と前記ハンドルの至る所で拘束されないように前記ガイドチューブを中に受けるように構成される内腔を持ち、前記ガイドチューブは前記光学形状検出装置にねじれ摩擦を伝えることなく前記インターベンション器具と前記ハンドルの少なくとも回転に対して自由に滑ることができる、
   形状検出システム。
10. 前記ハンドルが、保護チューブを受けて結合するベアリングを含み、前記ハンドルが前記ベアリングと前記保護チューブに対して自由に回転し、前記保護チューブは前記マウント点と前記ハンドルとの間で前記光学形状検出装置を包含し、前記光学形状検出装置は前記保護チューブと前記ベアリングの回転に対して自由に滑ることができる、請求項９に記載のシステム。
11. 前記保護チューブに対する前記ハンドルの回転を防止するように前記ベアリングを係合するように構成されるクラッチをさらに有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ベアリングの回転数が閾値に達するときに前記クラッチが係合される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ベアリングの回転数を測定するように構成されるカウンタをさらに有する、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記ベアリングの回転数に基づいてオペレータに感覚警報を与えるように構成される警報機構をさらに有する、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記光学形状検出装置と前記インターベンション器具の間の相対的回転を制限するように構成されるユーザ制御クラッチをさらに有する、請求項９に記載のシステム。

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