JP6373269B2 - 光学形状検出のための最適ファイバ統合のための内腔設計 - Google Patents

Description

［関連出願情報］
本願は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる２０１２年９月２８日出願の同一出願人による仮出願番号６１／７０６，８２２の優先権を主張する。

本開示は光学形状検出機器、より具体的には光ファイバを保護しその回転を可能にする形状検出光ファイバとの使用のための内腔に関する。

光学形状検出（ＯＳＳ）は外科的介入中の装置の位置確認及びナビゲーションのためにマルチコア光ファイバに沿って光を使用する。光ファイバに基づく形状検出は従来の光ファイバにおける固有後方散乱を利用する。関与する原理は固有のレイリー後方散乱若しくは制御されたグレーティングパターンを用いる光ファイバ内のひずみ分布測定を利用する。

光学形状検出ファイバを医療機器に組み込むことは、体内のナビゲーション中の使用のために位置確認情報を提供し得る。多くの介入装置は小さな断面フットプリントを持ち、これは光ファイバを含むために利用可能な空きスペースを制限する。加えて、ファイバが装置に組み込まれる方法は、ＯＳＳ及び装置の性能両方に影響し得る。

形状検出測定を実行するために使用される光ファイバはその装置の従来性能が変わらないように医療機器に組み込まれ得る。装置のフットプリント内の限られたスペースも、光ファイバを組み込むことを困難にする。ＯＳＳはマルチコア光ファイバに沿ったひずみの計算を使用してファイバに沿って形状を再構成し得る。従って、形状安定性及び再構成精度は張力、ねじれ、振動、及びピンチングの変化の影響を受けやすい。血管ナビゲーションなどの動的環境において使用される介入装置にこの技術を組み込むことは、ＯＳＳ性能の顕著な低下を生じ得る。

本発明の原理によれば、形状検出可能機器は一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を含む柔軟な長手方向本体を含む。長手方向部材はそれらの間に摩擦接触を持ち、内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成される。形状検出光ファイバは内腔内に配置される。

形状検出システムは、一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を持つ柔軟な長手方向本体を含む形状検出可能医療機器を含む。長手方向部材はそれらの間に長手方向に摩擦接触を持ち、内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ、若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成される。少なくとも一つの形状検出光ファイバが内腔内に配置される。コンソールは少なくとも一つの形状検出光ファイバから光学信号を受信し、光学信号を解釈して機器の形状を決定するように構成される。

形状検出可能機器の形状を検出するための方法は、一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を持つ柔軟な長手方向本体を含む形状検出可能医療機器を設けるステップであって、長手方向部材はそれらの間に摩擦接触を持ち、長手方向部材は内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ、若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成される、ステップと、内腔に配置される一つ以上の光ファイバから光学信号を受信するステップと、光学信号を解釈して機器の形状を決定するステップとを含む。

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を参照して読まれるその実施形態例の以下の詳細な記載から明らかとなる。

本開示は以下の図面を参照して以下の好適な実施形態の記載を詳細に提示する。

一実施形態にかかる中にファイバを受けるためのストランド管を利用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らせんストランド中空管の断面を示す斜視図である。 実施形態例にかかる単層及び二重（多）層ストランド管例の断面図を示す。 一実施形態例にかかるらせんストランド中空管の断面図を示す斜視図である。 一実施形態例にかかる内腔壁とファイバコーティング上にそれらの間に反発力を生じる電荷を持つストランド管を示す断面図である。 一実施形態例にかかる内腔壁とファイバコーティング上にそれらの間に反発力を生じる磁気機構を持つストランド管を示す断面図である。 実施形態例にかかる形状検出可能機器の形状を検出するための方法を示すブロック／フロー図である。

本発明の原理によれば、光ファイバ保有内腔は外部環境からの振動を抑制すること、滑らかで連続的なピンチフリーの内腔を提供すること、及びファイバが内腔内を自由にスライドすることを可能にすることによって、形状検出性能を改良するように構成される。形状検出性能は装置のトルクをファイバのねじれから分離することによっても改良され得る。

本発明の原理によれば、ファイバ統合における少なくとも三つの課題を解決する多用途内腔設計が介入装置のために利用される。これらは装置内で利用可能な限られた断面積、外部環境からのファイバの保護と隔離、ファイバのねじれからの外部トルキングの分離を含む。

内腔はＯＳＳファイバを収納し、ＯＳＳファイバの動きを抑制し制御する。制御される動きは、例えば屈曲による経路長変化中の形状検出ファイバと内腔壁の間の摩擦に起因する長手方向スティックスリップ挙動（張力）の低減、もはや内腔の楕円化をもたらさない解剖学的構造を収容するための装置の曲げ、装置のトルキング中のファイバと内腔壁の間の摩擦に起因する回転スティックスリップの低減、装置の先端の壁剥離、器具の臨床医操作、装置周辺の血流、心拍動などに起因する振動の低減を含み得る。これらの効果は独立して起こっても起こらなくてもよいが、しばしば一つの効果が別の効果を生じる若しくは構成し得る。

さらに、既存の医療機器設計において光ファイバにとって利用可能な断面積は限られる。これはファイバへの外部環境からの衝撃を緩和しながらも、光ファイバが中に置かれる内腔が可能な限り小さいことが望ましいことを意味する。

本発明の原理によれば、伸長医療機器へのＯＳＳファイバの統合のための内腔設計は、限定されないが、以下の一つ以上を含む。スティックスリップ挙動の低減は内腔のテクスチャ、編組、マルチフィラー（単層若しくは多層）、又は不均一内面を通じて達成される。構造化円形（編組）若しくは非円形内腔断面（すなわち六角形）は、回転等方性機械特性（すなわち選択的機械的曲げ方向がない）を備え、これは曲げ中の内腔楕円化の低減のためにコイル状マルチフィラー管で構成され得る。振動抑制は医療機器の操作中に見られるものなど、高周波数振動の吸収のために低ばね定数を持つねじれフィラー、ストランド、若しくはスレッドから構成される内腔を通じて提供される。

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機器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系を追跡若しくは分析するのに利用される。特に、本発明の原理は生物学的系の内部追跡手術、肺、胃腸管、排出器官、血管などといった体の全領域における手術に適用可能である。図面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で実施され、単一要素若しくは複数要素に組み合され得る機能を提供し得る。

図面に示す様々な要素の機能は、専用ハードウェアだけでなく、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、提供され得る。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、ソフトウェアを記憶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、並びにそれらの特定の実施例を列挙する本明細書の全記述は、それらの構造的及び機能的均等物の両方を包含することが意図される。加えて、かかる均等物は現在既知の均等物だけでなく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構成要素及び／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、当然のことながら任意のフローチャート、フロー図及び同様のものは、コンピュータ可読記憶媒体に実質的にあらわされ、コンピュータ若しくはプロセッサによって、かかるコンピュータ若しくはプロセッサが明示的に示されるか否かを問わず、そのように実行され得る様々なプロセスをあらわす。

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若しくはそれらと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。この記載の目的で、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と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機器であり得る。媒体は電子、磁気、光学、電磁、赤外、若しくは半導体システム（若しく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ディスクを含む。光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、形状検出可能機器を使用するためのシステム１００が一実施形態に従って例示される。システム１００は手術が監視及び／又は管理されるワークステーション若しくはコンソール１１２を含み得る。

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記憶するためのメモリ１１６とを含む。メモリ１１６は形状検出センサ若しくはシステム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を記憶し得る。光学検出モジュール１１５は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／解釈して、医療機器若しくは光学形状検出可能機器１０２及び／又はその周辺領域に関連する変形、偏向、及び他の変化を再構成するように構成される。医療機器１０２はカテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、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。

光学センサ１０４は、振動を抑制し、ファイバの楕円化とピンチングを防止する構造的支持を提供し、ファイバのためのより多くの空間を提供し得る、ファイバにとって適切な内腔の内部に置かれる。場合によっては、ファイバは内腔の多用途設計を通じて外部トルキングから回転分離され得る。

形状検出可能機器１０２は内部機構を包含する外面を含む柔軟な長手方向本体１０３を含む。内部機構は光学形状検出のための一つ以上の光ファイバを受けるように構成される光ファイバ内腔１０５を含む。柔軟な長手方向本体１０３は内腔１０５のテクスチャ、編組、マルチフィラー（単層若しくは多層）、又は他の不均一内面を含む。回転等方性機械特性を備える（すなわち選択的機械的曲げ方向がない）構造化円形（編組）若しくは非円形内腔断面（例えば六角形）は曲げ中の内腔楕円化の低減のため、コイル状マルチフィラー管から構成され得る。ねじれフィラー、ストランド、若しくはスレッドから成る内腔１０５を通じた振動抑制は、好適には例えば医療機器の操作中に見られるものなど、高周波数振動の吸収のために低ばね定数を持つ。光ファイバセンサと内腔１０５の間のスティックスリップ挙動は光ファイバコーティングと接触する低摩擦光ファイバコーティング若しくはコーティング／研磨表面を用いることによって低減される。

一実施形態において、パッシブ電荷コーティング若しくはパッシブ磁気コーティングが内腔面とセンサ面の両方上で利用され、そこでは同様の電荷分布若しくは磁極が互いに反発し、二表面間の相互作用を最小化する。ファイバの直接編組若しくはコイリングは必要内腔サイズを縮小しながらも振動とスティックスリップ挙動を低減するために利用され得る。

所与のファイバセンサ外径と所与の内腔構造配置について、センサ直径に対する内腔直径の最適比率を計算するためにキャリブレーションプロセスが適用され得る。このキャリブレーションプロセスの結果は各センサと内腔材料タイプについて最適公比のセットを提供し、これは全装置断面フットプリントの最小化と、機械的分離のためのセンサと内腔の間の利用可能なバッファスペースの最大化との間の最良のトレードオフを可能にする。例えば、Ｐｅｂａｘ（登録商標）内腔において内腔内径とファイバ外径の間の２：１の比率が、３：２の比率のニチノール内腔と同じ性能を得るために望ましい。

センサと内腔の間のスティックスリップ挙動の低減はファイバが中にある光ファイバコーティングと内腔材料の間の低摩擦係数を用いることによって達成される。センサと内腔の間のスティックスリップ挙動の低減は、同様の電荷分布が互いに反発し二表面間の相互作用を最小化する（赤血球の負電荷表面に反発する血管壁上の負電荷タンパク質に類似）、内腔面とセンサ面両方上のパッシブ電荷コーティングを使用することによっても達成され得る。別の実施形態において、センサと内腔の間のスティックスリップ挙動の低減は二つの構成要素間の磁力の反発と摩擦最小化につながる各表面上のパッシブ磁気コーティングを使用することによって達成され得る。

ファイバの直接編組若しくはコイリングも、必要内腔サイズも縮小しつつ振動とスティックスリップ挙動を低減するために提供され得る。一実施形態において内腔はガイドワイヤとしての使用に適した外径と光学形状検出ファイバ１２６を収容する内径を持つステンレス鋼（例えば３０４Ｖステンレス鋼）で作られる単層若しくは二重層のフィラーを持つ中空らせんストランドを含む。

ねじれの分離について、光学形状検出位置の精度はセンサ１０４の長さに沿ってねじれが増加するにつれて低下する。医療機器のトルキングは多くの手術においてよく見られるので、ファイバセンサのねじれから装置のトルキングを分離若しくは低減することが装置の設計においてかなり価値がある。本発明の原理はファイバのねじれから機器トルキングを分離する。

機器１０２上の形状検出センサ１０４はセットパターン若しくは複数パターンで機器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は必要に応じて光ファイバ、電気接続、他の器具類を含み得る。

光ファイバ上の形状検出センサ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）は特定波長の光を反射し他の全てを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反射鏡を生成する、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得られる。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得る。

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。一部の波長について、様々な周期の反射光は、反射に対して建設的干渉が存在し、その結果として透過に対して相殺的干渉が存在するように、同相である。ブラッグ波長はひずみ及び温度に影響を受ける。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いて検出素子として使用され得ることを意味する。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ファイバの長さにわたって様々なセンサ素子が分散され得ることである。構造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、構造の屈曲がその位置において推測され得る。多数の測定位置から、全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。かかる方法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た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使用することによって、関心表面の３Ｄ形状及びダイナミクスがたどられ得る。

一実施形態において、ワークステーション１１２は形状検出センサ１０４からフィードバックを受信し、検出センサ１０４の場所、位置／回転（形状）についての位置データがボリューム１３１（例えば患者）内に提供される。空間若しくはボリューム１３１内の形状検出センサ１０４の画像は表示装置１１８上に表示され得る。ワークステーション１１２は被験者（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、検出センサ１０４のオーバーレイ若しくは他のレンダリングとしての画像を含み得る。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、若しくはシステム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ワークステーション１１２との相互作用を可能にする、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚装置、又は任意の他の周辺機器若しくは制御装置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。

内腔が装置内に設けられ、これはその中に光ファイバを含み、ファイバに対する振動、ピンチング、ねじれ及び摩擦の悪影響を低減し、ファイバへの外部環境からの衝撃を和らげる内腔直径を含む。曲げ中の内腔楕円化の低減、振動抑制効果、及び移行部若しくはピンチ点のない連続内腔のための構造化内腔断面が提供される。

図２を参照すると、らせんストランド中空管２００の側面図（ＳＶ）と断面図（ＣＳ）が一実施形態例に従って示される。管２００は内側フィラー２０２と外側フィラー２０４を含む。内側フィラー２０２は内腔２０５を形成するように構成され、これは一つ若しくは複数の形状検出光ファイバ（不図示）をその中に受けるように構成される。内腔２０５は円、多角形（例えば図示の通り六角形）、若しくは任意の他の対称形状の形をとり得る。フィラー２０２と２０４は管２００の中心軸まわりにらせん状に巻かれる。フィラー２０２とフィラー２０４は互いに対し逆向きに巻かれる（反対方向に巻かれる）か、若しくは異なるらせんピッチ上で同じ方向に巻かれ得る。フィラー２０２とフィラー２０４の一つ以上は互いを通して編まれる若しくは織られ得る。フィラー２０２と２０４はらせん巻きを横断する断面に起因して、及び内腔２０５まわりのより容易なラッピング若しくはコイリングを可能にするために、端部２２２よりも厚い中心部２２０を含む断面形状を含むように描かれる。

フィラー２０４は外部コーティング若しくはスキン２２４を持ち得る。コーティング２２４はポリマー、薄い金属箔若しくは他の材料を含み得る。らせんピッチはフィラー２０２、２０４特性によって制御され得る。フィラー直径とフィラーの数、並びにフィラーのピッチは、管２００の曲げ柔軟性並びにばね定数及び結果として得られる振動抑制を制御する。

フィラー２０２と２０４は使用中に管２００の回転若しくはねじれのための柔軟性を可能にするためにそれらの隣接するフィラーからの間隙若しくは空間を増すことができる。フィラー２０２と２０４は外力若しくは外圧による内腔２０５の破砕に抵抗するために、外圧、ねじれ、曲げなどの下で端部において互いに係合するように（例えば摩擦係合）構成される。

振動抑制特性は一つ若しくは複数のらせん巻きストランドによって得られる。ストランドは装置の臨床操作中に起こり得る高周波数振動（例えば１００Ｈｚを超える）を抑制するやり方で構成され得る。振動抑制はフィラーの数、フィラーのサイズ、材料の特性などによって制御され得る。異なる用途は異なる振動抑制需要を持ち、これはストランド内腔２０５の特性によって選択され得る。一実施形態において、光学形状検出システムのスキャン時間は振動への感度を決定する。スウィープ中に起こるいかなる動き若しくは変化も、測定データに間違いを起こし得る。従って、装置の振動特性は光学形状検出パラメータ（特にレーザ源のスウィープ時間）に最適化されるべきである。

一実施形態において、管２００は第１の層に６個のフィラー２０２を含み、第２の層に６個のフィラー２０４を含む。一実施例において、各フィラー２０２、２０４は約０．００６"の厚みを含み得る。フィラー２０２、２０４は３０４Ｖステンレス鋼若しくは他の適切な材料で作られ得る。管２０５は光学形状検出ファイバを収容するために０．０２０"の内径とともに０．０３２"の外径（ガイドワイヤとしての使用に適する）を含み得る。他の寸法とサイズが利用され得る。

図３を参照すると、単層ストランド構造２１０と多層ストランド構造２１２が円形断面内腔２０５で描かれる。構造２１０と２１２は各々ストランド２３２及び／又は２３４（中実若しくは中空であり得る）で形成される中空管を形成する。ストランド２３２、２３４は内側コーティング若しくは管２３６と外側コーティング若しくは管２３８の間に捕らえられ得る。コーティング２３６及び２３８はストランドをそれらの相対位置に維持する薄壁シース若しくは管を含み得る。

図４を参照すると、内腔２０５内に置かれる光ファイバの動きを制御する構造３００（図２及び３に描くものと同様であり得る）が提供される。構造３００は側面図（ＳＶ）と前面図（ＦＶ）を含む。屈曲による経路長変化中の形状検出ファイバ３０２と内腔壁３０４の間の摩擦に起因する長手方向のスティックスリップ挙動（張力）が低減される。装置のトルキング中のファイバ３０２と内腔壁３０４の間の摩擦に起因する回転スティックスリップも低減される。考えられる内腔の楕円化をもたらす、解剖学的構造を収容するための構造３００の曲げが低減若しくは回避される。振動（その先端の壁剥離、臨床医操作、構造３００周辺の血流、心拍動などに起因する）は、アセンブリ全体の剛性を著しく低減する間隙を伴うケージ状構造を提供する、複数の長手方向部材若しくはストランド３１０に起因して、構造３００によって低減される。これらの効果は独立して起こっても起こらなくてもよく、しばしば一つの効果が別の効果を生じる若しくは構成し得る。中に光ファイバ３０２が置かれる内腔２０５は好適にはファイバ３０２への外部環境からの衝撃を緩和しつつも、可能な限り小さい。

構造３００は、限定されないが、内腔のテクスチャ、編組、マルチフィラー（単層若しくは多層）、又は不均一内面を通じたスティックスリップ挙動の低減を含む、伸長医療機器へのＯＳＳファイバの統合のための最適設計を持つ内腔を提供する。回転等方性機械特性（すなわち選択的機械的曲げ方向がない）を持つ構造化円形（編組）若しくは非円形内腔断面（例えば六角形）は曲げ中の内腔楕円化の低減のためにコイル状マルチフィラー管から構成され得る。振動抑制は医療機器の操作中に見られるものなど、高周波数振動の吸収のための低ばね定数を持つねじれフィラー、ストランド、若しくはスレッドで構成される内腔を通じて達成される。振動低減は材料選択、コーティング、剛性などによっても達成される。

らせん巻きストランドの振動抑制特性は装置の臨床操作中に起こり得る高周波数振動（例えば＞１００Ｈｚ）を抑制するやり方で構成され得る。有用な実施形態において、振動抑制はフィラーの数、フィラーのサイズ、材料の特性などによって制御される。異なる用途はストランド内腔の特性によって選択され得る、異なる振動抑制需要を持つ。光学形状検出システムのスキャン時間は振動への感度を決定し得る。スウィープ中のいかなる動き若しくは変化も測定データに間違いを起こし得る。装置の振動特性は光学形状検出パラメータ（特にレーザ源のスウィープ時間）に最適化され得る。

所与のファイバセンサ外径と所与の内腔構造配置について、センサ直径に対する内腔直径の最適比率を計算するためにキャリブレーションプロセスが適用され得る。このキャリブレーションプロセスの結果は各センサと内腔材料タイプにとって最適公比のセットを提供することになり、これは全装置断面フットプリントの最小化と、機械的分離のためのセンサと内腔の間の利用可能なバッファスペースの最大化との間の最良のトレードオフを可能にすることになる。センサ３０２と内腔壁３０４の間のスティックスリップ挙動の低減は低摩擦光ファイバコーティング３０８を提供することによって改良され得る。他の摩擦低減技術は内腔２０５の内面上のテクスチャ表面、滑らかな内腔２０５表面、低摩擦コーティング（内腔２０５及び／又はファイバコーティング３０８）などを含み得る。

図５を参照すると、センサ３０２と内腔壁３０４の間のスティックスリップ挙動の低減は、同様の電荷分布が互いに反発し、二表面間の相互作用を最小化する、内腔面とセンサ面両方上のパッシブ電荷コーティング３１２及び３１４を用いることによって促進され得る。これは実際には表面間の相互作用を減らし、相互作用が起こる場合、低減された垂直効力のために摩擦力が低減される。正電荷が"＋"符号として例示的に描かれるが、負電荷も同様に利用され得る。電荷は材料コーティング（例えばポリマー、磁性塗料など）を用いて、若しくは統合前に静電荷でファイバと内腔を準備することによって提供され得る。代替的に、内腔とファイバの特性及び／又はコーティングは、ファイバと内腔の間の引力を最小化するよう、それらが中性のままであり、相互作用中に静電荷を蓄積しないように選ばれ得る。

図６を参照すると、センサ３０２と内腔壁３０４の間のスティックスリップ挙動の低減は、磁力の反発及び二つの構成要素間の摩擦最小化につながる、各表面上のパッシブ磁気コーティング３１６及び３１８を使用することによって達成され得る。これは実際には表面間の相互作用を低減し、相互作用が起こる場合、低減された垂直効力のために摩擦力が低減される。Ｎ極が"Ｎ"と例示的に描かれるが、Ｓ極も同様に利用され得る。磁性材料は相互反発につながる内腔とセンサ表面上の薄いコーティングに組み込まれ得る。かかる磁性薄膜の実施例は、界面間の反発の程度を制御するように操作され得る磁気モーメントを持つ、単結晶、多結晶、アモルファス、若しくは強／フェリ磁性遷移金属ベース合金（例えば鉄、コバルト、他の希土類など）の多層原子配列を含む。内腔とセンサの間の摩擦力を低減するためにパッシブコーティングの代替案としてアクティブ電磁コーティングも適用され得る。

本発明の実施形態は単一の検出ファイバに限定されないことが理解されるべきである。複数の検出ファイバが形状、ひずみ、温度、フローなどを検出するために使用され得る。本発明の原理はマニュアルカテーテル、作動カテーテル（マニュアル及びロボット両方）、ガイドワイヤ、探り針、内視鏡及び気管支鏡、超音波プローブなどを含む医療機器への光学形状検出のいかなる統合にも当てはまる。

本発明の実施形態は複数のストランドを用いて記載されているが、ストランドの数は単一ストランドまで少なくてもよいことも理解されるべきである。単一ストランド管は、隣接コイルが接触するように、若しくは隣接するねじれ間に間隙を持ち得るように、単一ストランドをらせん状に巻くことによって利用され得る。

図７を参照すると、形状検出可能機器において形状を検出するための方法が本発明の原理に従って示される。ブロック４０２において、一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を持つ柔軟な長手方向本体を含む形状検出可能医療機器が設けられ、長手方向部材はそれらの間に長手方向に摩擦接触を持ち、長手方向部材は内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ、若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成される。ブロック４０４において、内腔壁及び一つ以上の光ファイバの少なくとも一つがそれらの間の摩擦を低減するためにコーティングされる。これは摩擦を低減するように構成される滑らかな若しくはテクスチャ材料を用いることを含み得るか、又は光ファイバと内腔のコーティングは例えばコーティングと壁の各々上の同じ電荷若しくは同じ磁極性を用いて互いに反発し得る。

ブロック４０６において、内腔内に配置される一つ以上の光ファイバから光学信号が受信される。ブロック４１０において、機器の形状を決定するために光学信号が解釈される。

添付の請求項を解釈するにあたり、
ａ）"有する"という語は所与の請求項に列挙されるもの以外の要素若しくは動作の存在を除外しない；
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しない；
ｃ）請求項における任意の参照符号はそれらの範囲を限定しない；
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施構造若しくは機能によってあらわされ得る；
ｅ）特に指定しない限り特定の動作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。

光学形状検出のための最適ファイバ統合のための内腔設計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する意図ではない）、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の開示の実施形態の範囲内にある変更が、開示の特定の実施形態においてなされ得ることが理解されるものとする。従って特許法によって要求される細目と詳細が記載されているが、特許証によって保護されることが望まれる特許請求の範囲は添付の請求項に明記される。

Claims (7)

1. 形状検出可能機器であって、
   一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を含む柔軟な長手方向本体と、
   前記内腔内に配置される少なくとも一つの形状検出光ファイバとを有し、
   前記長手方向部材がそれらの間に摩擦接触を持ち、
   前記長手方向部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成され、
   前記内腔が前記少なくとも一つの形状検出光ファイバとの摩擦を低減するように構成されるコーティングを含む、形状検出可能機器。
2. 形状検出可能機器であって、
   一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を含む柔軟な長手方向本体と、
   前記内腔内に配置される少なくとも一つの形状検出光ファイバとを有し、
   前記長手方向部材がそれらの間に摩擦接触を持ち、
   前記長手方向部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成され、
   前記少なくとも一つの形状検出光ファイバが内腔壁との摩擦を低減するように構成されるコーティングを含む、形状検出可能機器。
3. 形状検出可能機器であって、
   一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を含む柔軟な長手方向本体と、
   前記内腔内に配置される少なくとも一つの形状検出光ファイバとを有し、
   前記長手方向部材がそれらの間に摩擦接触を持ち、
   前記長手方向部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成され、
   前記内腔の少なくとも一つの壁が前記少なくとも一つの形状検出光ファイバに反発するように前記少なくとも一つの形状検出光ファイバ上のコーティングと同じ電荷を含む、形状検出可能機器。
4. 形状検出可能機器であって、
   一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を含む柔軟な長手方向本体と、
   前記内腔内に配置される少なくとも一つの形状検出光ファイバとを有し、
   前記長手方向部材がそれらの間に摩擦接触を持ち、
   前記長手方向部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成され、
   前記内腔の少なくとも一つの壁が前記少なくとも一つの形状検出光ファイバに反発するように前記少なくとも一つの形状検出光ファイバ上のコーティングと同じ磁極性を含む、形状検出可能機器。
5. 形状検出システムであって、
   一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を持つ柔軟な長手方向本体を含む形状検出可能医療機器と、
   前記内腔内に配置される少なくとも一つの形状検出光ファイバと、
   前記少なくとも一つの形状検出光ファイバから光学信号を受信し、前記光学信号を解釈して前記機器の形状を決定するように構成されるコンソールとを有し、
   前記長手方向部材がそれらの間に長手方向に摩擦接触を持ち、
   前記長手方向部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成され、
   前記少なくとも一つの形状検出光ファイバが内腔壁との摩擦を低減するように構成されるコーティングを含む、形状検出システム。
6. 形状検出システムであって、
   一緒に結合されて内腔を形成する複数の長手方向部材を持つ柔軟な長手方向本体を含む形状検出可能医療機器と、
   前記内腔内に配置される少なくとも一つの形状検出光ファイバと、
   前記少なくとも一つの形状検出光ファイバから光学信号を受信し、前記光学信号を解釈して前記機器の形状を決定するように構成されるコンソールとを有し、
   前記長手方向部材がそれらの間に長手方向に摩擦接触を持ち、
   前記長手方向部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向部材を係合するように構成され、
   前記内腔の少なくとも一つの壁が前記少なくとも一つの形状検出光ファイバに反発するように前記少なくとも一つの形状検出光ファイバ上のコーティングと同じ磁極性を含む、形状検出システム。
7. 形状検出可能機器の形状を検出するためのシステムの作動方法であって、
   共に保持されて、それらの間に摩擦接触を有する複数の隣接する長手方向延在部材を有する、柔軟な長手方向本体を含む、形状検出可能医療機器であって、前記長手方向延在部材は、前記複数の長手方向延在部材の内面によって囲まれる空間に内腔を形成する、形状検出可能医療機器であって、前記長手方向延在部材が前記内腔の寸法を維持するために曲げ、ねじれ若しくは外圧中に隣接する長手方向延在部材を係合するように構成される、形状検出可能医療機器が設けられ、
   システムが、前記内腔内に配置され、前記複数の長手方向延在部材の前記内面によって囲まれる一つ以上の光ファイバから光学信号を受信するステップと、
   システムが、前記光学信号を解釈して前記機器の形状を決定するステップと
   を有し、
   前記内腔の少なくとも一つの壁から、前記一つ以上の光ファイバのコーティングを、前記コーティングと前記少なくとも一つの壁の各々上の同じ電荷及び同じ磁極性のうち一つを用いて、反発させるステップをさらに有する、方法。

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