JP6532464B2 - 冗長センシングを伴う形状センサシステム - Google Patents

Description

本開示は、解剖学的ターゲット及び／又は介入器具を追跡するために形状センサシステムを使用するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、形状センサシステムの精度を向上させるために冗長形状センサを使用するシステム及び方法に関する。

低侵襲医療技術は、介入処置の間に損傷を受ける組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感及び有害な副作用を減少させている。解剖学的ターゲット、埋め込まれた装置、及び／又は患者の解剖学的構造の中の介入器具（手術、診断、治療、又は生検器具を含む）の位置を追跡するために、低侵襲センサシステムが使用され得る。既存のシステムでは、電磁気（ＥＭ）ナビゲーションが、介入器具、埋め込まれた装置、又は患者の解剖学的構造の中のターゲットの動きを追跡するために使用され得る。ＥＭナビゲーションシステムは多くの処置に対して有用であるが、それらは、手術室の他の設備からの磁気干渉に曝される可能性がある。例えば、蛍光透視イメージングシステムのＣアーム又は金属器具がＥＭナビゲーションシステムへの磁気干渉を発生させ、介入器具の追跡に許容できない誤差を引き起こし得る。他の既存のシステムでは、光ファイバ形状センサシステムが、患者の解剖学的構造における介入器具の動きを追跡するために使用され得る。光ファイバ形状センサシステムは、光ファイバの形状を決定するために単一光ファイバに沿った様々なポイントにおけるひずみをモニタする。単一光ファイバの形状から、光ファイバに沿った様々なポイントの姿勢（位置及び配向）が導出されることができる。単一光ファイバに沿った様々なポイントに対する導出された姿勢に関連付けられる誤差は、誤差蓄積のために光ファイバインタロゲータ（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ）からの距離とともに増加し得る。

改良されたナビゲーションシステム及び方法が、介入器具、埋め込まれた装置、及び手術環境における解剖学的構造を追跡するために必要とされる。

本発明の実施形態は、説明に続く請求項によって要約される。

１つの実施形態では、形状センシング装置を動作させる方法が、第１の場所と第２の場所との間に延びる第１の細長い光ファイバを含む第１の形状センサセクションから第１の形状データを受信することを含む。方法はさらに、第３の場所と第４の場所との間に延びる第２の細長い光ファイバを含む第２の形状センサセクションから第２の形状データを受信することを含む。方法はさらに、第２の形状センサセクションからの第２の形状データを使用して第１の形状センサセクションの端部の位置を決定することを含む。

他の実施形態では、形状センシング装置を動作させる方法が、第１の形状センサから形状データを受信することを含む。第１の形状センサは、細長い光ファイバの第１のセクションと第２のセクションとの間に延びる第１の複数の光学コアを含む。方法はまた、第２の形状センサから形状データを受信することを含む。第２の形状センサは、細長い光ファイバの第１のセクションと第２のセクションとの間に延びる第２の複数の光学コアを含む。方法はさらに、第１及び第２の形状センサからの形状データを組み合わせることによって第１と第２のセクションとの間の細長い光ファイバの形状を決定することを含む。

他の実施形態では、形状センシング装置を動作させる方法が、基準固定具に結合される第１の部分及び第１の解剖学的ターゲットに結合される第２の部分を有する第１の形状センサから第１の形状データを受信することを含む。方法はまた、基準固定具に結合される第１の部分及び第１の解剖学的ターゲットに結合される第２の部分を有する第２の形状センサから第２の形状データを受信することを含む。第１及び第２の形状センサの第１の部分は、固定された運動学的関係に維持され、第１及び第２の形状センサの第２の部分は、固定された運動学的関係に維持される。方法はまた、第２の形状センサからの第２の形状データを使用して第１の形状センサの第２の部分の位置を決定することを含む。

他の実施形態では、形状センシング装置を動作させる方法が、基準固定具に結合される第１の部分、解剖学的ターゲットに結合される第２の部分、及び基準固定具に結合される第３の部分を有する細長い形状センサから形状データを受信することを含む。第１及び第３の部分は、固定された運動学的関係に維持される。方法はさらに、第１と第２の部分との間で細長い形状センサの第１の形状を決定すること、第３と第２の部分との間で細長い形状センサの第２の形状を決定すること、及び第１及び第２の形状から解剖学的ターゲットにおける第２の部分の位置を決定することを含む。

他の実施形態では、システムは、形状センシング装置を動作させるコンピュータ実行可能命令を収容する非一時的コンピュータ可読媒体を含む。命令は、第１の形状センサから形状データを受信するための命令を含む。第１の形状センサは、細長い光ファイバの第１のセクションと第２のセクションとの間に延びる第１の複数の光学コアを含む。命令はまた、第２の形状センサから形状データを受信するための命令を含む。第２の形状センサは、細長い光ファイバの第１と第２のセクションとの間に延びる第２の複数の光学コアを含む。命令はまた、第１及び第２の形状センサからの形状データを組み合わせることによって第１と第２のセクションとの間の細長い光ファイバの形状を決定するための命令を含む。

本開示のさらなる態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示の態様は、添付の図面とともに読まれるとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。業界での標準的な習慣に従って、様々な特徴が縮尺通りには記載されていないことが強調される。実際、様々な特徴の寸法は、議論を明確にするために、任意に増加又は減少され得る。加えて、本開示は、様々な例において参照数字及び／又は文字を繰り返し得る。この繰り返しは、簡潔さ及び明確さのためであり、それ自体で議論される様々な実施形態及び／又は構成の間の関係を決定するものではない。
本開示の実施形態によるセンサシステムである。 図１のセンサシステムのマルチコア光ファイバ構成要素である。 図２のマルチコア光ファイバ構成要素の断面図である。 本開示の実施形態によるセンサシステムを使用する方法を示す。 本開示の他の実施形態によるセンサシステムを使用する方法を示す。 本開示の他の実施形態による複数の光ファイバセンサを持つセンサシステムである。 図６のセンサシステムを使用する方法を示す。 本開示の他の実施形態によるシングルループ光ファイバセンサを持つセンサシステムである。 図８のセンサシステムを使用する方法を示す。 他のセンサシステムである。 図１０のセンサシステムを使用する他の方法を示す。 本開示の他の実施形態による複数の光ファイバセンサ及び介入器具を持つセンサシステムである。 図１２のセンサシステムを使用する方法を示す。 本開示の実施形態による、ロボット介入システムである。

本開示の態様の以下の詳細な説明において、数多くの具体的な詳細が、開示される実施形態の完全な理解を提供するために示されている。しかし、この開示の実施形態がこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることが当業者には明らかであろう。他の例において、よく知られた方法、手順、構成要素、及び回路は、本発明の実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないように詳細に記載されていない。そして、不必要な記述の繰り返しを避けるために、１つの例示的な実施形態にしたがって記載される１又は複数の構成要素又は動作が、他の例示的な実施形態から適用可能であるとして、使用又は省略されることができる。

以下の実施形態は、様々な装置及び装置の一部を、三次元空間におけるそれらの状態の観点から説明している。本明細書において使用される場合、「位置」という用語は、（例えば、デカルトＸ、Ｙ、Ｚ座標に沿った３つの並進（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ）自由度）三次元空間における対象又は対象の一部の位置を意味する。本明細書において使用される場合、「配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）」という用語は、対象又は対象の一部の回転による配置（３つの回転自由度、例えばロール、ピッチ及びヨー等）を意味する。本明細書において使用される場合、「姿勢（ｐｏｓｅ）」という用語は、（全部で６つの自由度までの）少なくとも１つの並進自由度における対象又は対象の一部の位置、及び、少なくとも１つの回転自由度におけるその対象又は対象の一部の配向を意味する。本明細書において使用される場合、「形状」という用語は、細長い対象に沿って測定される姿勢、位置、又は配向のセットを意味する。

図１を参照すると、例えば、手術、診断、治療、生検、医療モニタリング、又は医学評価での使用のためのセンサシステムが、概して参照数字１０で示されている。センサシステム１０は概して、インタロゲーション（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）システム１２；基準固定具１４；センサデバイス１６、１８、２０；介入器具２２；制御システム２４；ターゲット固定具２６；及びセンサ処理及び制御システム２７；を含む。様々な実施形態では、センサシステムのこれらの構成要素の１又は複数は省略され得る又は同じタイプの多数の構成要素が含まれ得る。以下に詳細に記載されるように、センサシステム１０は、形状センシングの精度及びシステムの姿勢決定機能を高め得る冗長センサ構成要素を含む。冗長センサ構成要素はまた、例えば、きつい曲がり、高張力、又はかなりのねじれを伴う領域におけるセンサ不正確の原因及び場所を特定し得るとともに、これらの不正確を補正し得る。

インタロゲーションシステム１２は、センサデバイス１６、１８、２０の現在の形状を決定するために、光を発生させるとともに戻り光を検出する。インタロゲーションシステム１２はまた、臨床医への表示のために戻されたデータを処理し得る。この情報は、次に、センサデバイスが接続されるターゲット又は器具の姿勢、速度及び加速度のような、他の関連する変数を決定するために使用されることができる。センサデバイス１６、１８は、近位端部１６ａ、１８ａにおいてそれぞれインタロゲーションシステム１２に結合されている。センサデバイス１６、１８はまた、それぞれ遠位端部１６ｂ、１８ｂを有する。センサデバイス２０は、近位端部２０ａにおいてインタロゲーションシステム１２に及び遠位端部２０ｂにおいて介入器具２２に結合されている。センサデバイス２０は完全に、介入器具の中を又は介入器具に沿って延びて示されているが、様々な代替実施形態では、センサデバイスは、部分的にのみ、介入器具の中を又は介入器具に沿って延び得る。介入器具２２は、手動又は遠隔操作制御システム２４に結合される。

センサデバイス１６、１８、２０のそれぞれは、近位と遠位端部との間のその長さに沿った中間部分において基準固定具１４に結合される。センサデバイス１６、１８、２０の結合部分の姿勢は、基準固定具１４によって固定して保持される。さらに、センサデバイス１６、１８、２０の結合部分の姿勢は、基準固定具１４によって互いに対して既知の運動学的関係に維持される。例えば、センサと固定具との間の関係は、センサデバイスが基準固定具に対して如何なる自由度でも動かないように、固定され得る。代替的には、センサと固定具との間の関係は、移動可能であり得るが、センサが既知の範囲内で基準固定具に対して移動可能であるように、知られ得る。例えば、基準固定具は、既知の回転角度を持つ回転ジョイントを有し得るが、互いに対する及び基準固定具に対するセンサの相対位置はそれでも既知である。基準固定具１４は、例えば、固い金属、ポリマ、又はセラミック材料で形成され得るとともに、溝、チューブ、クランプ及び／又はセンサデバイスの一部を受け且つそれを固定具に対して及び他の結合されたセンサデバイスに対して固定した関係に保つ他の機械的なコネクタを含み得る。１つの例では、基準固定具は、センサデバイスが接着され得る又は他の方法で取り付けられ得る、幾つかの機械加工された、ぴったりフィットする（ｔｉｇｈｔ−ｆｉｔｔｉｎｇ）平行溝を持つアルミニウムプレートで形成され得る。結合されたセンサデバイスの間の位置及び配向オフセットは、したがって、センサデバイスが基準固定具１４に結合される位置において既知である。

使用において、ターゲット固定具２６は、患者の解剖学的構造に固定される。ターゲット固定具２６は、センサデバイス１６、１８の１又は複数の一部をターゲット固定具に固定するとともに予め定められた形状又は姿勢にセンサデバイスの固定された部分を維持するためのコネクタ２８を含む。センサデバイスは、ターゲット固定具の中に、接着され得る、機械的の保持され得る、又はその他の方法で取り付けられ得る。１つの例では、ターゲット固定具は、センサデバイスの一部が固定された運動学的関係に維持される複数のぴったりフィットする溝を持つ小さいアルミニウムプレートであり得る。

図２に示されるように、センサデバイス１６は、クラッディング６６の中に７つのコア５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４を含むマルチコア光ファイバ５０を含む。１つの実施形態では、マルチコア光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態では、寸法は、より大きい又はより小さくなり得る。センサデバイス１８及び２０は、同様の構造を有し得るので、より詳細には記載されない。代替実施形態では、センサデバイスは、７つのコアより多い又は少ないコアを有し得る。代替的には、センサデバイスは、それぞれが１又は複数の光学コアを持つ、多数の光ファイバを含み得る。

各コア５２−６４は、各コアの中の光が他のコアの中に通される光と有意に相互作用しないようにコアを離す十分な距離及びクラッディングを持つ単一モードであり得る。各コアは、１又は複数の次元でのひずみ測定を提供するためにファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を含み得る。３次元での光ファイバの形状及び相対位置を監視するための様々なシステム及び方法は、“Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｒｅｌａｔｉｎｇ ｔｈｅｒｅｔｏ“を開示する２００５年７月１３日に出願された米国特許出願第１１／１８０，３８９号、“Ｆｉｂｅｒ-ｏｐｔｉｃ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ“を開示する２００４年７月１６日に出願された米国仮特許出願第６０／５８８，３３６号、及び“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｂｅｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ”を開示する１９９８年６月１７日に出願された米国特許第６，３８９，１８７号に記載され、これらはそれらの全体が本出願に参照により援用される。他の代替では、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、及び蛍光散乱のような他のひずみ検出技術を用いるセンサが適当であり得る。

幾つかの実施形態では、ＦＢＧのアレイが各コアの中に設けられる。各ＦＢＧは、屈折率における空間周期性を生成するように、コアの屈折率の一連の変調（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を有する。間隔は、各屈折率変化からの部分的な反射が波長の狭いバンドのためにコヒーレントに加わり、したがって、より広いバンドを通過させながら波長のこの狭いバンドのみを反射するように、選ばれ得る。ＦＢＧの製造の間、変調は、既知の距離によって間隔をあけられ、それによって波長の既知のバンドの反射を生じさせる。しかし、ひずみがファイバコアに生じるとき、変調の間隔は、コアのひずみの量に応じて、変化する。代替的には、後方散乱又は光ファイバの曲げによって変化する他の光学現象が、各コア内のひずみを決定するために使用されることができる。

したがって、ひずみを測定するために、光がファイバコアに送られ、戻り光の特性が測定される。この実施形態では、インタロゲータ１２は、各コアに対して光を発生させるとともに戻り光を受信する。代替実施形態では、１より多いインタロゲータが使用され得る。ＦＢＧは、ファイバのひずみ及びその温度に応じた反射波長を生成する。このＦＢＧ技術は、イングランド、ＢｒａｃｋｎｅｌｌのＳｍａｒｔ Ｆｉｂｒｅｓ Ｌｔｄ．のような、様々なソースから商業的に入手可能である。ロボット手術用位置センサにおけるＦＢＧ技術の使用は、“Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ”を開示する２００６年７月２０日に出願された米国特許第７，９３０，０６５号に記載され、これはその全体が本出願に参照により援用される。

マルチコアファイバに適用されるとき、光ファイバの曲げは、各コアの波長シフトを監視することによって測定されることができるコアのひずみを引き起こす。ファイバに軸外しで配置された２以上のコアを有することによって、ファイバの曲げは、コアのぞれぞれに異なるひずみを引き起こす。これらのひずみは、ファイバの曲げの局所的な程度の関数である。例えば、ＦＢＧを含むコアの領域が、ファイバが曲げられているポイントに位置する場合、それによって、これらのポイントにおける曲げの量を決定するために使用されることができる。これらのデータは、ＦＢＧ領域の位置の間隔と組み合わされて、ファイバの形状を再構成するために使用されることができる。

センサ処理及び制御システム２７は、インタロゲーションシステム２７から受信した情報を処理するための、少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）、典型的には複数のプロセッサを含む。システム２７は、本出願に記載された方法の幾つか又は全てを実装するためのプログラムされた命令を含む。システム２７は図１の概略図に単一のブロックとして示されているが、システムは、任意選択で異なる場所で実行される処理の部分を持つ幾つかのデータ処理回路を有し得る。幅広い集中又は分散データ処理アーキテクチャのいずれかが用いられ得る。同様に、プログラムされた命令は、幾つかの別々のプログラム又はサブルーチンとして実装され得る、又はそれらは、本出願に記載されるロボットシステムの幾つかの他の態様に組み込まれ得る。

図２及び３の実施形態では、中心コア６４は、コア５２−６４の放射状アレイの中で中心に置かれる。６つのコア５２−６４は、第１の三つ組（ｔｒｉａｄ）を形成するコア５２、５４、５６及び第２の三つ組を形成するコア５８、６０、６２を持つ２つの三つ組に配置される。各三つ組の３つの光学コアは、（断面において）三角形に且つ均等に中心コア６４を通る中心軸Ａ１周りに約１２０度離間して配置される。センサデバイス１６は、センサデバイスの各軸方向セクションにおいて各コアに対して決定されるひずみ値を持つ、近位端部１６ａと遠位端部１６ｂとの間に、その軸長さに沿った複数のセクションを含むことができる。

少なくとも３つのコアからのひずみ値は、軸方向セクションの曲げを計算するために使用されることができる。各軸方向セクションからの曲げ値は、センサデバイスの形状を計算するために組み合わされ得る。センサデバイスの形状から、遠位端部１６ｂ、１８ｂ、２０ｂ又はセンサデバイスの他の軸方向部分の位置及び配向が決定され得る。図４及び５は、センサデバイスの形状、したがって、センサデバイスの遠位端部の姿勢を決定するための代替方法を提供する。これらの方法のどちらも、最終的に決定されるセンサ形状の精度を改良するために冗長光ファイバ形状情報を使用する。

図４の実施形態では、マルチコア光ファイバの遠位先端（例えば、センサデバイス１６、１８、２０のファイバの遠位端部）の姿勢を決定するための方法１００は、１０２において、ファイバの３次元曲げを決定するために複数のコア（例えば、６つのコア５２、５４、５６、５８、６０、６２）を含むマルチコア光ファイバを提供することを含む。３つのコアは、３次元形状を決定するための必要な最小値である。中心コアの周りに放射状に配置される、全６つのコアの使用は、より正確なセンサ形状を生成するために組み合わされ得る冗長形状情報を提供する。１０４において、方法は、複数のコアの各コアの、選択された軸方向セグメント又は軸方向セグメントの全てに対するひずみを決定することを含む。

１０６において、方法は、複数のコアに対して決定されたひずみを使用して光ファイバの合成形状を決定することを含む。例えば、コアの全てのひずみが、曲げ、ねじり、圧縮、及び光ファイバの全体的な合成形状を定める他の形状特性を再構成するために組み合わされ得る。例えば、図３を参照すると、コア５８及び５４におけるひずみが圧縮（負のひずみ）を示し、６２、５６におけるひずみは伸び（正のひずみ）を示し、且つ５２、６４、６０のひずみは中立である場合、最も適合する曲げ／ねじり角度は、コア５２、６０を通過する線周りのコア５４、５８に向かう純粋な曲げである。

１０８において、方法は、複数のコアに対して決定されたひずみを使用して光ファイバの遠位端部の姿勢を決定することを含む。例えば、光ファイバの近位端部が（例えば、基準固定具１４によって）固定された姿勢に保持されている状態で、光ファイバの決定される合成形状は、光ファイバの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために近位端部固定姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することで、光ファイバの遠位端部の姿勢が決定され得る。

図５の実施形態では、マルチコア光ファイバの遠位先端（例えば、センサデバイス１６、１８、２０のファイバの遠位端部）の姿勢を決定するための方法１１０は、１１２において、ファイバの３次元形状を決定するための第１のコアのセット（例えば、第１の三つ組５２、６４、５６）及びファイバの３次元形状を決定するための第２のコアのセット（例えば、第２の三つ組５８、６０、６２）を含むマルチコア光ファイバを提供することを含む。コアの単一の三つ組は、３次元形状を決定するための必要な最小値である。しかし、ねじれを測定するために、コアの各セットは、３つの放射状に配置されたコアに加えて、第４のコア、中心コア６４を含み得る。２つの三つ組（又は２つの三つ組プラス中心コア）の使用は、より正確なセンサ形状を生成するために組み合わされ得る冗長形状情報を提供する。１１４において、方法は、コアの第１及び第２のセットの各コアの、選択されたセグメント又はセグメントの全てに対するひずみを決定することを含む。

１１６において、方法は、コアの第１のセットに対して決定されたひずみを使用して光ファイバの合成形状を決定することを含む。例えば、光ファイバの形状は、曲げ、ねじり、圧縮、及び光ファイバの全体的な合成形状を定めるコアの第１の三つ組の３次元ひずみをから導出される他の形状特性から再構成され得る。１１８において、方法は、コアの第２のセットに対して決定されたひずみを使用して光ファイバの合成形状を決定することを含む。例えば、光ファイバの形状は、曲げ、ねじり、圧縮、及び光ファイバの全体的な合成形状を定めるコアの第２の三つ組の３次元ひずみから導出される他の形状特性から再構成され得る。

１２０において、方法は、光ファイバの第３の合成形状を決定するために第１及び第２の合成形状をマージ（ｍｅｒｇｅ）することを含む。例えば、第１の三つ組から決定される光ファイバの形状は、光ファイバの合成形状を決定するために第２の三つ組から決定される光ファイバの形状と共に平均化され得る。代替実施形態では、各三つ組からの形状は、一連のねじれ及び曲げ角度として表され得るとともに、２つの形状のマージは、平均化されたシーケンス（ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ）に基づく合成形状を再構成するためにこれらのねじれ及び曲げ角度シーケンスを平均化することを伴い得る。

１２２において、方法は、コアの第１及び第２のセットに対して決定されたひずみを使用して光ファイバの遠位端部の姿勢を決定することを含む。例えば、光ファイバの近位端部が（例えば、基準固定具１４によって）固定された姿勢に保持されている状態で、光ファイバの合成形状は、光ファイバの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために近位端部固定姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することで、光ファイバの遠位端部の姿勢が決定され得る。

図６−１３の実施形態に記載されるように、複数形状センサデバイスは、幾つかの部分がセンサデバイスの長さに沿って一致して又はセンサデバイスの長さに沿った１若しくは複数の部分の間で固定された運動学的関係を伴って、運動学的閉ループに拘束され得る。センサデバイスは、部分曲げ及び全体的な３次元形状を決定するために光学コアの単一の従来の三つ組を使用し得る又は、部分曲げ及び全体的な形状を決定するために光学コアの複数の三つ組若しくは３つより多い光学コアからの組み合わされたデータを使用する上述の方法を使用し得る。

冗長センサデバイス
図６は、本開示の他の実施形態によるセンサシステム１０の構成２００を示す。この実施形態では、２つの形状センサデバイス１６、１８が、共通基準固定具１４と共通ターゲットとの間に取り付けられている。この例では、ターゲットは、解剖学的ターゲット２０２（例えば、患者の解剖学的構造の骨又は軟組織）である。他の実施形態では、センサデバイスの共通ターゲットは、介入器具又は埋め込まれる装置であり得る。記載されるように、センサデバイスの測定される形状及び１又は複数の場所におけるそれらの既知の運動学的関係が、ターゲット構造のより正確な位置を生成するために使用されることができる。

この構成では、センサデバイス１６、１８の近位端部１６ａ、１８ａはそれぞれインタロゲーションシステム１２に接続されている。センサデバイス１６は、位置Ａにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４によって保持され、センサデバイス１８は、位置Ｃにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４によって保持される。位置Ａ及びＣにおいて、センサデバイス間の３次元位置オフセット及びセンサデバイス間の３次元配向オフセットは既知である。センサデバイス１６の遠位端部１６ｂは位置Ｂでターゲット固定具２６に結合され、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂは位置Ｄでターゲット固定具２６に結合される。ターゲット固定具２６は、遠位端部１６ｂ、１８ｂを、ターゲット固定具に対して及び互いに対して、固定された運動学的姿勢に保持する。位置Ｂ及びＤにおいて、センサデバイス間の３次元位置オフセット及びセンサデバイス間の３次元配向オフセットは既知である。ターゲット固定具２６は、患者の解剖学的構造に固定される。ターゲット固定具２６が、例えば、呼吸、心臓の動作、患者移動、又は介入処置の間の臨床医による組織操作のために、患者の解剖学的構造とともに動くとき、センサ部分１６ｂ、１８ｂは、互いに対して固定した運動学的関係に維持される。

この実施形態では、位置ＡとＢとの間のセンサデバイス１６の長さは、位置ＣとＤとの間のセンサデバイス１８の長さと異なる（この実施形態では長い）。センサデバイス１６、１８は、ＡＢとＣＤそれぞれの間の長さに沿ったいずれかの患者の解剖学的構造に入り得る。例えば、各センサデバイスは、患者の外部の解剖学的構造に結合され得る又は基準固定具とターゲット固定具との間の長さの大部分に対して患者の解剖学的構造を囲む自由空間内に延び得るとともにそれがターゲット固定具に取り付けられるところでセンサデバイスの遠位端部のすぐ近くの患者の解剖学的構造に入り得る。基準固定具とターゲット固定具との間のセンサデバイスの部分は、光ファイバの完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を保護するが外部の患者の解剖学的構造に沿った又は患者の解剖学的構造を囲む自由空間の中でセンサデバイスの曲げ及び移動を可能にする堅牢なコーティングの中に収容され得る。例えば、３ｍｍ直径の保護ジャケットが患者の解剖学的構造の外側のセンサデバイスを覆い得る。代替的には、センサデバイスは、ターゲット固定具及びターゲット組織に到達するために、自然又は外科的に作られた開口部を通って患者の解剖学的構造に入り得るとともに自然又は外科的に作られた解剖学的管腔を通過し得る。

図７は、図６に構成されるようなセンサシステム１０を使用する方法２１０を示す。２１２において、センサシステム１０は、図６に構成されるように、ターゲット組織２０２に取り付けられるターゲット固定具２６を備える。ターゲット組織２０２は、例えば、椎体又は股関節の一部のような、骨であり得る。代替的には、ターゲット組織２０２は、患者腹部の臓器又は患者の脳の一部のような軟組織であり得る。２１４において、方法２１０は、基準固定具１４に固定される位置Ａにおけるセンサデバイス１６の姿勢を得ることを含む。例えば、位置Ａにおけるセンサデバイス１６の姿勢を得ることは、較正手順に基づいて始点がセンサデバイスに沿っているところ及びセンサデバイスが位置Ａにおいて基準固定具に取り付けられているという事実を知ることを含み得る。代替的には、位置Ａにおけるセンサデバイス１６の姿勢を得ることは、センサデバイスの既知の特徴（例えば、９０度の曲げ又は小さい突起）を検出することを含み得る。既知の形状の特徴の使用は、“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ｓｅｎｓｅ Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｐａｒｔｉａｌ−Ｐｏｓｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｓｈａｐｅ Ｓｅｎｓｏｒ”を開示する、２００９年１１月１３日に出願された米国特許出願第１２／６１７，９９５号にさらに詳細に記載されており、これは参照により本出願にその全体が援用される。２１６において、センサデバイス１６は、位置ＡとＢとの間のセンサデバイスの形状を決定するためにインタロゲート（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅｄ）される。２１８において、センサデバイス１６の遠位端部１６ｂの姿勢が、センサデバイスの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＡで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの合成形状が、ＡとＢとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ａにおける固定された姿勢に累積的に適用され（ａｐｐｌｉｅｄ）得る。この方法を使用することで、センサデバイス１６の遠位端部１６ｂの姿勢が決定され得る。

２２０において、方法２１０は、それが基準固定具１４に固定されている位置Ｃにおけるセンサデバイス１８の姿勢を得ることを含む。２２２において、センサデバイス１８は、位置ＣとＤとの間のセンサデバイスの形状を決定するためにインタロゲートされる。２２４において、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの姿勢が、センサデバイスの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＣで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの合成形状が、ＣとＤとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ｃにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することで、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの姿勢が決定され得る。

２２６において、方法２１０は、ターゲット固定具２６における（すなわち、Ｂ及びＤそれぞれにおける）センサデバイス１６、１８の間の３次元オフセット距離及び／又は配向差（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を得ることを含む。２２８において、方法は、基準固定具１４における（すなわち、Ａ及びＣそれぞれにおける）センサデバイス１６、１８の間の３次元オフセット距離及び／又は配向差を得ることを含む。

２３０において、方法は、形状センサ１６の遠位端部１６ｂに対する修正された姿勢を決定することを含む。例えば、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの姿勢は、センサデバイス１６の遠位端部１６ｂの冗長決定又はセンサデバイス１６の遠位端部１６ｂの修正された姿勢を生成するために、位置Ａ及びＣ並びに位置Ｂ及びＤにおけるセンサデバイスの間の既知のオフセットにより調整され得る。同様に、遠位端部１６ｂは、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの冗長決定又はセンサデバイス１８の遠位端部１８ｂの修正された姿勢を生成するために、位置Ａ及びＣ並びに位置Ｂ及びＤにおけるセンサデバイスの間の既知のオフセットにより調整され得る。この方法により、ターゲットの位置及び配向が、単一のセンサデバイスそれ自体を使用して可能であるよりはるかに高精度で決定され得る。

ループセンサデバイス
図８は、本開示の他の実施形態によるセンサシステム１０の構成２５０を示す。この実施形態では、単一のセンサデバイスが、共通基準固定具１４から、ターゲットに、そしてまた基準固定具にループにされる。記載されるように、基準固定具とターゲットとの間のセンサデバイスセクションの測定される形状及び１又は複数の場所におけるそれらの既知の運動学的関係が、ターゲット構造のより正確な位置を生成するために使用されることができる。

この構成では、センサデバイス１６の近位端部１６ａはインタロゲーションシステム１２に接続されている。センサデバイス１６は、位置Ａにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４によって保持される。センサデバイス１６の他の部分は、位置Ｂでターゲット固定具２６に結合される。センサデバイス１６の遠位端部１６ｂは、位置Ｃにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４に結合される。したがって、センサデバイス１６は、ＡとＣとの間でセンサデバイス部分の既知の３次元位置オフセット及びＡとＣとの間でセンサデバイス部分の既知の３次元配向オフセットを持つループを形成する。ターゲット固定具２６は、ターゲット固定具に対して固定された運動学的姿勢にセンサデバイス１６の中間部分を保持する。ターゲット固定具２６は、患者の解剖学的構造のターゲット組織２０２に取り付けられる。ターゲット固定具２６が患者の解剖学的構造とともに動くとき、ターゲット固定具２６に結合されたセンサ部分は、ターゲット固定具に対して固定した運動学的関係に維持される。この構成では、ＡとＢとの間のセンサデバイスセクションは第１の形状センサとして働き、ＣとＢとの間のセンサデバイスセクションは第２の形状センサとして働く。位置ＡとＢとの間のセンサデバイス１６の長さは、位置ＣとＢとの間の長さと異なり得る（この実施形態では短い）。センサデバイス１６は、ＡＢの間の長さに沿ったいずれかで患者の解剖学的構造に入り得るとともに、ＢＣの間の長さに沿ったいずれかで患者の解剖学的構造を出得る。例えば、センサデバイスは、患者の外部の解剖学的構造に結合され得る又は基準固定具とターゲット固定具との間の長さの大部分に対して患者の解剖学的構造を囲む自由空間内に延び得るとともにターゲット固定具に取り付けられるセンサデバイスの部分のすぐ近くの患者の解剖学的構造に入り得る／出得る。基準固定具とターゲット固定具との間のセンサデバイスの部分は、光ファイバの完全性を保護するが外部の患者の解剖学的構造に沿った又は患者の解剖学的構造を囲む自由空間の中でセンサデバイスの曲げ及び移動を可能にする堅牢なコーティングの中に収容され得る。代替的には、センサデバイスは、ターゲット固定具及びターゲット組織に到達するために、自然又は外科的に作られた開口部を通って患者の解剖学的構造に入り得るとともに自然又は外科的に作られた解剖学的管腔を通過し得る。

図８の実施形態では、ループセンサデバイス１６は、センサデバイスの光ファイバが、よじれる、過度にねじれる、過度に曲がる、又は高いひずみを引き起こす又はファイバに損傷を与える他の配置なしに、滑らかに曲げられるように、ターゲット固定具に結合され得る。例えば、ターゲット固定具２６は、形状センサ１６を受ける大きさにされた予め形成された溝を造られ得るとともに予め決まられた湾曲形状にそれを保持し得るので、ターゲット固定具におけるよじれ及び過度なねじれを妨げる。

図９は、図８に構成されるようなセンサシステム１０を使用する方法２６０を示す。２６２において、センサシステム１０は、図８に構成されるように、ターゲット組織２０２に取り付けられるターゲット固定具を備える。２６４において、方法２６０は、センサデバイス１６が基準固定具１４に固定される位置Ａにおけるセンサデバイス１６の姿勢を得ることを含む。２６６において、センサデバイス１６は、位置ＡとＢとの間のセンサデバイスの第１のセクションの形状を決定するためにインタロゲートされる。２６８において、位置Ｂでターゲット固定具に結合されたセンサデバイス１６の部分の姿勢が、位置ＡとＢとの間のセンサデバイスの第１のセクションの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＡで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの第１のセクションの合成形状が、ＡとＢとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ａにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することで、位置Ｂにおけるセンサデバイスの第１のセクションの姿勢が決定され得る。

２７０において、方法２６０は、センサデバイス１６が基準固定具１４に固定されている位置Ｃにおけるセンサデバイス１６の姿勢を得ることを含む。２７２において、センサデバイス１６は、位置ＣとＢとの間のセンサデバイスの第２のセクションの形状を決定するためにインタロゲートされる。２７４において、Ｂにおいてターゲット固定具に結合されたセンサデバイス１６の部分の姿勢が、ＣとＢとの間のセンサデバイスの第２のセクションの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＣで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの第２のセクションの合成形状が、ＣとＢとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ｃにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することで、位置Ｂにおけるセンサデバイスの第２のセクションの姿勢が決定され得る。

２７６において、方法２６０は、Ｂにおける第１のセクション（Ａ−Ｂ）の姿勢及びＢにおける第２のセクション（Ｃ−Ｂ）の姿勢に基づいてターゲットにおけるセンサデバイスの姿勢を決定することを含む。例えば、ターゲットにおけるセンサデバイス姿勢の決定は、（Ａ及びＣにおける修正された起点姿勢が仮定されて）Ｂにおける第１及び第２のセクションの姿勢を平均化することによって決定され得る。この方法により、Ｂにおけるターゲットの位置及び配向が、基準固定具とターゲットとの間に単一のセンサデバイスを使用して可能であるよりはるかに高精度で決定され得る。

図１０は再びセンサシステム１０の構成２５０を示す。この構成では、形状センサ１６は、前述のように、Ａにおいて基準固定具１４に、Ｂにおいてターゲット固定具２６に、そしてＣにおいて基準固定具１４に結合される。この実施形態は、位置ＡとＣ’との間の、センサデバイス１６の測定される形状２５２を使用することによってＢにおけるセンサの姿勢を決定するための誤差補正及び冗長性を提供する。ＡとＣ’との間の第３の形状センサ部分の測定される形状２５２は、ＡとＣとの間の第３の形状センサ部分の実際の形状とわずかに異なり得る。実際の位置Ｃと測定される位置Ｃ’との間の多次元補正係数を測定することは、センサデバイス１６で生成される累積誤差を補正するための情報を提供する。この情報は、位置Ｂ’の位置を決定することにおける誤差を減少させるために使用され得る。

図１１は、Ｂにおけるターゲットの位置及び配向を補正するための、図１０に構成されるようなセンサシステム１０を使用する方法２８０を示す。２８２において、ＡとＣとの間のセンサデバイス１６は、位置ＡとＣ’との間のセンサデバイスの測定される形状２５２を決定するためにインタロゲートされる。２８４において、Ｂ’及びＣ’におけるセンサデバイス１６の姿勢が、センサデバイスの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＡで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの合成形状が、Ｂ’及びＣ’におけるものを含む、センサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を測定するために、Ａにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。２８６において、センサデバイスが基準固定具１４に固定されるＣにおけるセンサデバイス１６の既知の実際の姿勢が得られる。２８８において、３次元の第１の補正係数が、Ｃにおけるセンサデバイスの実際の姿勢とＣ’におけるセンサデバイスの計算された姿勢との間で計算される。２８９において、３次元の第２の補正係数が、第１の補正係数に基づいて、Ｂ’におけるターゲットの計算された姿勢を補正するために決定される。例えば、補正係数が１つの方向において２ｃｍである場合、第２の補正係数は、同じ方向において半分（すなわち、１ｃｍ）であり得る。他の代替では、第２の補正係数は、第１の補正係数の半分より大きい又は小さくなり得る。第２の補正係数を使用することで、測定される位置Ｂ’は、ターゲット位置Ｂにおけるセンサデバイス１６の姿勢の向上した近似値を決定するために２９０においてさらに補正され得る。補正された位置Ｂは、３次元の第２の補正係数により位置Ｂ’を調整することによって決定される。この方法により、Ｂにおけるループセンサデバイスの位置及び配向が、単一の非ループセンサデバイスを使用して可能であるよりはるかに高精度で決定され得る。

冗長センサ及び介入器具
図１２は、本開示の他の実施形態によるセンサシステム１０の構成３１０を示す。この実施形態では、３つの形状デバイスが、共通の基準固定具に取り付けられ、異なるツール又は解剖学的位置の延び、且つ再び共通ターゲットにおいて接合する。記載されるように、センサデバイスの測定される形状及び１又は複数の位置におけるそれらの既知の運動学的関係は、ターゲット構造のより正確な位置を生成するために使用されることができる。この構成では、センサデバイス１６、１８、２０の近位端部１６ａ、１８ａ、２０ａはそれぞれインタロゲーションシステム１２に接続されている。センサデバイス１６は、位置Ａにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４によって保持され、センサデバイス１８は、位置Ｅにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４によって保持され、センサデバイス２０は、位置Ｆにおいて固定された運動学的姿勢で基準固定具１４によって保持される。位置Ａ及びＥにおいて、ＡとＥとの間のセンサデバイス１６、１８の位置オフセット及びＡとＥとの間のセンサデバイスの配向オフセットは既知である。位置Ａ及びＦにおいて、ＡとＦとの間のセンサデバイス１６、２０の３次元位置オフセット及びＡとＦとの間のセンサデバイスの３次元配向オフセットは既知である。位置Ｅ及びＦにおいて、ＥとＦとの間のセンサデバイス１８、２０の３次元位置オフセット及びＥとＦとの間のセンサデバイスの３次元配向オフセットは既知である。センサデバイス１６の遠位端部１６ｂは、位置Ｃにおいてターゲット固定具２６ｂに結合され、（基準固定具１４と遠位端部１６ｂとの間でセンサデバイスの軸方向長さに沿って位置する）センサデバイス１６の中間部分は、位置Ｂにおいてターゲット固定具２６ａに結合される。センサデバイス１８の遠位端部１８ｂは、位置Ｄにおいてターゲット固定具２６ｂに結合される。ターゲット固定具２６ｂは、遠位端部１６ｂ及び１８ｂを、ターゲット固定具２６ｂに対して及び互いに対して固定された運動学的姿勢に保持する。位置Ｃ及びＤにおいて、ＣとＤとの間のセンサデバイスの位置オフセット及びＣとＤとの間のセンサデバイスの配向オフセットは既知である。ターゲット固定具２６ａは、患者の解剖学的構造のターゲット組織２０４に取り付けられ、ターゲット固定具２６ｂは、患者の解剖学的構造のターゲット組織２０２に取り付けられる。ターゲット固定具２６ｂが患者の解剖学的構造とともに動くとき、センサ遠位端部１６ｂ、１８ｂは、互いに対して固定された運動学的関係に維持される。ターゲット固定具２６ａが患者の解剖学的構造とともに動くとき、センサデバイス１６の中間部分は、ターゲット固定具２６ａと固定された運動学的関係に維持される。位置ＡとＣとの間のセンサデバイス１６の長さは、位置ＥとＤとの間のセンサデバイス１８の長さと異なり得る（この実施形態では長い）。センサデバイス１６、１８は、それぞれＡＢ及びＥＤの間の長さに沿ったいずれかで患者の解剖学的構造に入り得る。ＢＣの間のセンサデバイス１６は、患者の解剖学的構造から出得るとともに患者の解剖学的構造に再び入り得る。代替的には、ＢＣの間のセンサデバイス１６は、患者の解剖学的構造の中の自然の又は外科的に作られた通路を通過し得る。この実施形態では、センサデバイス２０の遠位端部２０ｂは、介入器具２２に取り付けられるとともに、介入器具に対する固定された運動学的関係に維持される。

１つの例では、ターゲット組織２０２、２０４は患者の解剖学的構造の中の骨であり得るとともに、センサデバイスは、骨の相対位置及び相対移動を決定するためにターゲット組織に取り付けられ得る。センサデバイスは、骨スクリュー、接着剤、又は他の結合システムを含む、ターゲット固定具によって骨に取り付けられ得る。

センサデバイス１６、１８，２０は、単一のファイバ又は平行に配置された多数のファイバを含み得る。代替的には、センサデバイスは、接続部を超えるインタロゲーションを可能にする光学カプラによって接続される直列に接続されるファイバセグメント（すなわち、「デイジーチェーン接続された」セグメント）を有し得る。したがって、１つのセグメントは、例えば位置Ａ、Ｂの間に延びるとともに、このセグメントは、位置Ｂ、Ｃの間に延びる他のセグメントに接続される。

図１３は、図１２に構成されるようなセンサシステム１０を使用する方法３２０を示す。３２２において、センサシステム１０は、図１２に構成されるように、ターゲット組織２０４に取り付けられるターゲット固定具２６ａ及びターゲット組織２０２に取り付けられるターゲット固定具２６ｂを備える。３２４において、方法３２０は、センサデバイス１６が基準固定具１４に固定される位置Ａにおけるセンサデバイス１６の姿勢を得ることを含む。３２６において、センサデバイス１６は、位置ＡとＢとの間のセンサデバイスの第１のセクションの形状を決定するためにインタロゲートされる。３２８において、位置Ｂにおけるセンサデバイス１６の姿勢が、第１のセクションのセンサデバイスの決定された形状を使用して得られる。例えば、センサデバイスの部分が基準固定具１４によってＡで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの第１のセクションの合成形状が、ＡとＢとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ａにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することで、位置Ｂにおけるセンサデバイスの姿勢が決定され得る。３３０において、方法は、位置Ａにおける基準固定具１４と位置Ｃにおけるターゲット固定具との間のセンサデバイス１６の形状を決定することを含む。３３２において、位置Ｃにおけるセンサデバイス１６の遠位端部１６ｂの姿勢が、ＡとＣとの間のセンサデバイス１６の形状から決定される。この方法により、センサデバイス１６、１８は、両方のターゲット組織２０２、２０４の位置の決定を向上させるために使用され得る運動学的ループを形成する。

３３４において、方法３２０は、センサデバイス１８が基準固定具１４に固定される位置Ｅにおけるセンサデバイス１８の姿勢を得ることを含む。３３６において、センサデバイス１８は、位置ＥとＤとの間のセンサデバイスの形状を決定するためにインタロゲートされる。３３８において、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの姿勢が、センサデバイスの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＥで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイスの合成形状が、ＥとＤとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ｅにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することにより、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの姿勢が決定され得る。

３４０において、方法３２０は、基準固定具１４における（すなわち、Ａ及びＥそれぞれにおける）センサデバイス１６、１８の間の３次元オフセット距離及び／又は配向差を得ることを含む。３４２において、ターゲット固定具２６ｂにおける、すなわち、Ｃ及びＤそれぞれにおける、センサデバイス１６、１８の間の３次元オフセット距離及び／又は配向差が得られる。３４４において、基準固定具１４における（すなわち、Ａ及びＦそれぞれにおける）センサデバイス１６、２０の間の３次元オフセット距離及び／又は配向差が得られる。３４６において、基準固定具１４における（すなわち、Ｅ及びＦそれぞれにおける）センサデバイス１８、２０の間の３次元オフセット距離及び／又は配向差が得られる。

３４８において、方法３２０は、センサデバイス２０が基準固定具１４に固定されている位置Ｆにおけるセンサデバイス２０の姿勢を得ることを含む。３５０において、センサデバイス２０は、位置ＦとＧとの間のセンサデバイスの形状を決定するためにインタロゲートされる。３５２において、センサデバイス２０の遠位端部２０ｂの姿勢が、センサデバイスの決定された形状を使用して得られる。例えば、光ファイバの部分が基準固定具１４によってＦで固定された姿勢に保持された状態で、センサデバイス２０の合成形状が、ＦとＧとの間のセンサデバイスの軸方向長さに沿った中間部分の姿勢を決定するために、Ｆにおける固定された姿勢に累積的に適用され得る。この方法を使用することにより、センサデバイス２０の遠位端部２０ｂの姿勢が決定され得る。センサデバイス２０の遠位端部２０ｂは、図１に示されるように介入器具２２の遠位端部に固定され得る。代替的には、センサデバイス２０の遠位端部２０ｂは、図１２に示されるように介入器具２２の近位端部に固定され得る。様々な他の構成では、センサデバイス２０の遠位端部２０ｂは、臨床医が追跡することに関心を持ち得る介入器具の他のポイントに固定され得る。

３５４において、方法３２０は、形状センサ１６の遠位端部１６ｂに対する修正された姿勢を決定することを含む。例えば、センサデバイス１８の遠位端部１８ｂの姿勢が、センサデバイス１６の遠位端部１６ｂの冗長決定又はセンサデバイス１６の遠位端部１６ｂの修正された姿勢を生成するために、位置Ａ、Ｅの間の既知のオフセット及び位置Ｃ、Ｄの間のオフセットに基づいて調整され得る。この方法により、センサデバイス１６の遠位端部１６ｂの位置及び配向が、単一のセンサデバイス１６それ自体を使用して可能であるよりはるかに高精度で決定され得る。３５６において、遠位端部１６ｂの修正された姿勢が、介入器具２２によって担持されるセンサデバイス２０の遠位端部２０ｂに対して追跡される。

センサ２０の遠位端部２０ｂ（又はセンサ２０の遠位端部２０ｂに対して固定された介入器具２２の部分）は、センサ１６の遠位端部１６ｂの位置を正確にするための冗長性を提供するために使用され得る。例えば、センサの遠位端部２０ｂが（遠位端部１６ｂと一致する又は遠位端部１６ｂと既知の運動学的関係にある）ターゲット基準固定具で保持される一方センサデバイス２０がインタロゲートされる場合、センサ２０の結果として得られる形状は、ターゲットにおける遠位端部２０ｂの位置を決定するために使用され得る。したがって、遠位端部２０ｂの位置及び基準固定具におけるセンサとターゲット固定具との間の既知の３次元オフセットが、冗長センサデバイス１８のために使用されるものと同様の方法を使用して遠位端部１６ｂの姿勢を正確にするために使用され得る。

記載されたセンサシステム構成のいずれかが、医療介入処置において支援するために使用されることができ、コンピュータ支援システムを含む。コンピュータ支援システムは、ロボット介入システムのような遠隔操作介入システムを含み得る。図１４の図を参照すると、例えば、手術、診断、治療、又は生検処置での使用のための遠隔操作介入システムが、参照数字４００によって概して示される。図１に示されるように、遠隔操作介入システム４００は概して、その上に患者Ｐが位置する手術台Ｏに又は同手術台Ｏの近くに取り付けられたロボットアセンブリ４０２を含む。介入器具システム４０４は、ロボットアセンブリ４０２に動作可能に結合されている。オペレータ入力システム４０６は、外科医Ｓが手術部位を見ること及び介入器具システム４０４の動作を制御することを可能にする。

オペレータ入力システム４０６は、通常手術台Ｏと同じ部屋に配置される外科医コンソールに配置され得る。しかし、外科医Ｓは、患者Ｐと異なる部屋又は完全に異なる建物に位置することができることが理解されるべきである。オペレータ入力システム４０６は概して、介入器具システム４０４を制御するための１又は複数の制御デバイスを含む。制御デバイスは、任意の数の様々な入力デバイス、例えば、ハンドグリップ、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガ−ガン、手動コントローラ、音声認識デバイス、タッチスクリーン、体動又は存在センサ等を含み得る。幾つかの実施形態では、制御デバイスは、外科医にテレプレゼンスを、又は外科医が器具を直接的に制御している強い感覚を有するように制御デバイスが器具と一体であるという認識を提供するように、ロボットアセンブリの介入器具と同じ自由度を備える。他の実施形態では、制御デバイスは、関連付けられた介入器具より多い又は少ない自由度を有し得るが、依然として外科医にテレプレゼンスを提供し得る。幾つかの実施形態では、制御デバイスは、６自由度で動くとともに、器具を作動させる（例えば、把持ジョーを閉じる、電極に電位を与える、薬物による処置を加える等）ための作動可能なハンドルも含み得る手動入力デバイスである。

ロボットアセンブリ４０２は、介入器具システム４０４を支持するとともに、１又は複数の非サーボ制御リンク（例えば、一般的にセットアップ構造と呼ばれる、手動で位置決めされ得るとともに所定位置でロックされ得る１又は複数のリンク）の運動学的構造及びロボットマニピュレータを有し得る。ロボットアセンブリ４０２は、介入器具４０４の入力部を駆動する複数のアクチュエータ（例えば、モータ）を含む。これらのモータは、制御システム（例えば、制御システム４１２）からの指令に応じて能動的に動く。モータは、介入器具４０４に結合されるとき、介入器具を、自然又は外科的に作られた解剖学的開口の中に前進させ得る及び／又は介入器具の遠位端部を多自由度で動かし得る駆動システムを含み、この多自由度は、３自由度の直線運動（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト軸に沿った直線運動）及び３自由度の回転運動（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト軸周りの回転）を含み得る。加えて、モータは、生検デバイス等のジョーにおいて組織を把持するために器具の作動可能なエンドエフェクタを作動させるために使用されることができる。

ロボット介入システム４００はまた、ロボットアセンブリの器具に関する情報を受信するために１又は複数のサブシステムを持つセンサシステム４０８を含む。センサシステム４０８は、例えば、上述のいずれかの構成の形状センサデバイス１０を含み得る。センササブシステムはまた、電磁（ＥＭ）位置センサシステム及び／又はカテーテルシステムの遠位端部から画像をキャプチャするための可視化システムを含み得る。

ロボット介入システム４００はまた、センサシステム４０８のサブシステムによって生成された手術部位及び介入器具４０４の画像を表示するためのディスプレイシステム４１０を含む。ディスプレイ４１０及びオペレータ入力システム４０６は、オペレータが、介入器具システム４０４及びオペレータ入力システム４０６を、作業スペースを実質的に実際の存在（ｔｒｕｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ）中に見るかのように、制御できるように配向され得る。実際の存在は、表示された組織画像が、オペレータに、まるでオペレータが画像位置に物理的に存在するとともに画像の視点から組織を直接的に見るかのように、見えることを意味する。

代替的に、又は追加で、ディスプレイシステム４１０は、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、蛍光透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、サーマルイメージング、インピーダンスイメージング、レーザイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のような、イメージング技術を手術前に使用して記録された及び／又はモデル化された手術部位の画像を提供し得る。提供される手術前の画像は、２次元、３次元、又は（例えば、時間ベースの又は速度ベースの情報を含む）４次元画像及びモデルを含み得る。

幾つかの実施形態では、ディスプレイシステム４１０は、介入器具の実際の位置が、外科医に手術器具の先端の位置における内部手術部位の仮想画像を提供するために、手術前の又は同時画像（ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｉｍａｇｅｓ）と位置合わせされる（例えば、動的に参照される）、仮想視覚化画像を表示し得る。

他の実施形態では、ディスプレイシステム４１０は、介入器具の実際の位置が、外科医に手術部位における介入器具の仮想画像を提供するために、（手術前に記録された画像を含む）以前の画像又は同時画像と位置合わせされる、仮想視覚化画像を表示し得る。介入器具４０４の一部の画像が、介入器具を制御する外科医を支援するために仮想画像に重ね合わされ得る。

ロボット介入システム４００はまた制御システム４１２を含む。制御システム４１２は、介入器具４０４、オペレータ入力システム４０６、センサシステム４０８、及びディスプレイシステム４１０の間の制御をもたらすために、少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）、典型的に複数のプロセッサを含む。制御システム４１２は、演算若しくは論理加算器、及び１又は複数のメモリデバイスのような、ロジックユニットを含む一般的なコンピュータ構成要素を含み得る。制御システム４１２はまた、本明細書に記載された方法の幾つか又は全てを実装するためのプログラムされた命令（例えば、命令を記憶するコンピュータ可読媒体）を含む。

制御システム４１２は図１の概略図に単一のブロックとして示されているが、システムは任意選択で、ロボットアセンブリ４０２で又はロボットアセンブリ４０２に隣接して実行される処理の部分、オペレータ入力システム４０６で実行される部分等を備える幾つかのデータ処理回路を有し得る。制御システム４１２及びセンサ処理及び制御システム２７は、制御システムの構成要素であり得る。任意の幅広い集中又は分散データ処理アーキテクチャが用いられ得る。同様に、プログラムされた命令は、幾つかの別々のプログラム又はサブルーチンとして実装され得る、又はそれらは、本出願に記載されるロボットシステムの幾つかの他の態様に組み込まれ得る。１つの実施形態では、制御システム４１２は、ブルートゥース、ＩｒＤＡ、ＨｏｍｅＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ、及び無線テレメトリのような無線通信プロトコルをサポートする。

幾つかの実施形態では、制御システム４１２は、介入器具システム４０４からオペレータ入力システム４０６のための１又は複数の対応するサーボモータへの力及びトルクフィードバックを提供するために、１又は複数のサーボコントローラを含み得る。サーボコントローラはまた、患者の体の中の内部手術部位に体の開口を通じて延びる介入器具４０４を動かすように、ロボットアセンブリ４０２に指示する信号を送信し得る。任意の適切な従来の又は専用サーボコントローラが使用され得る。サーボコントローラは、ロボットアセンブリ４０２から分離され得る、又はロボットアセンブリ４０２と一体にされ得る。幾つかの実施形態では、サーボコントローラ及びロボットアセンブリは、患者の体に隣接して位置するロボットアームカートの部分として提供される。

制御システム４１２はさらに、介入器具４０４へのナビゲーション支援を提供するための仮想視覚化システムを含み得る。仮想視覚化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的通路の３次元構造に関連付けられる取得されたデータセットの参照に基づく。より具体的には、仮想視覚化システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、蛍光透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、サーマルイメージング、インピーダンスイメージング、レーザイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のような、イメージング技術を使用して記録された及び／又はモデル化された手術部位の画像を処理する。ソフトウェアが、記録された画像を部分的又は全体の解剖学的臓器又は解剖学的領域の２次元又は３次元モデルに変換するために使用される。モデルは、通路の様々な場所及び形状並びにそれらの接続性（ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ）を表す。モデルを生成するために使用される画像は、手術前に又は医療処置の間に手術中に記録され得る。代替実施形態では、仮想視覚化システムは、標準モデル（すなわち、患者特有でない）又は標準モデルと患者特有データのハイブリッドを使用し得る。モデル及びモデルによって生成された任意の仮想画像は、動きの１又は複数の段階の間の（例えば、肺の吸気／呼気サイクルの間の）又は引き起こされた解剖学的構造の動きの間の（例えば、患者再位置決め又は器具が原因の変形）変形可能な解剖学的領域の静的姿勢を示し得る。

仮想ナビゲーション手順の間、センサシステム４０８は、患者の解剖学的構造に対する器具のおおよその位置を計算するために使用され得る。位置は、患者の解剖学的構造のマクロレベルの追跡画像及び患者の解剖学的構造の仮想内部画像を作るために使用されることができる。仮想視覚化システムからのもののような、手術前に記録された手術画像とともに介入器具を位置合わせ及び表示するために光ファイバセンサを使用するための様々なシステムは既知である。例えば、参照により本出願にその全体が援用される、“Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｎ Ａｎａｔｏｍｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｉｍａｇｅ−Ｇｕｉｄｅｄ Ｓｕｒｇｅｒｙ”を開示する、２０１１年５月１３日に出願された米国特許出願第１３／１０７，５６２号は、１つのこのようなシステムを開示している。

ロボット介入システム４００はさらに、照射システム、操向制御システム、洗浄システム、及び／又は吸引システムのような、任意選択の動作及びサポートシステム（図示せず）を含み得る。代替実施形態では、ロボットシステムは、１より多いロボットアセンブリ及び／又は１より多いオペレータ入力システムを含み得る。マニピュレータアセンブリの正確な数は、他の要因の中で、外科処置及び手術室内のスペース制約に依存する。オペレータ入力システムは、一緒に配置され得る、又はそれらは別々の場所に配置され得る。複数のオペレータ入力システムは、１より多いオペレータが１又は複数のマニピュレータアセンブリを様々な組み合わせで制御することを可能にする。

本発明の実施形態における１つ又は複数の要素は、制御システム４１２のようなコンピュータシステムのプロセッサ上で実行するようにソフトウェアに実装され得る。ソフトウェアに実装されるとき、本発明の実施形態の要素は、本質的に、必要なタスクを行うコードセグメントである。プログラム又はコードセグメントは、プロセッサ可読記憶媒体又は装置に記憶されることができ、伝送媒体又は通信リンクにわたる搬送波に埋め込まれるコンピュータデータ信号としてダウンロードされ得る。プロセッサ可読記憶装置は、光媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を記憶することができる任意の媒体を含み得る。プロセッサ可読記憶装置の例は、電子回路、半導体デバイス、半導体メモリデバイス、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能プログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フロッピーディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置を含む。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のコンピュータネットワークを介してダウンロードされ得る。

提示されたプロセス及び表示は、いかなる特定のコンピュータ又は他の装置にも本質的には関連しないということに留意されたい。種々のこれらのシステムに対して要求される構造は、特許請求の範囲における要素として明らかになるであろう。加えて、本発明の実施形態は、いかなる特定のプログラム言語を参照しても記載されない。種々のプログラム言語が、本明細書において記載される本発明の教示を実装するために使用され得ることは理解されるであろう。

本発明の特定の例示的な実施形態が記載されるとともに添付の図面に示されてきたが、そのような実施形態は単に幅広い本発明を例示したものであって、その幅広い本発明を限定するのではないということ、及び、本発明の実施形態は、種々の他の修正が当業者に対して生じ得るため、図示され且つ記載された特定の構造及び配置に限定されないということが理解されるべきである。

Claims (17)

1. プロセッサを有する形状センシング装置を動作させる方法であって：
   前記プロセッサが、基準固定具に結合される第１の場所と第１のターゲットに結合される第２の場所との間に延びる第１の細長い光ファイバセクションを含む第１の形状センサセクションから第１の形状データを受信するステップであって、前記第１の形状データは前記第１の細長い光ファイバセクションの合成形状である、ステップ；
   前記プロセッサが、前記基準固定具に結合される第３の場所と前記第１のターゲットに結合される第４の場所との間に延びる第２の細長い光ファイバセクションを含む第２の形状センサセクションから第２の形状データを受信するステップであって、前記第２の形状データは前記第２の細長い光ファイバセクションの合成形状であり、前記第１の細長い光ファイバセクションの前記第１の場所と前記第２の細長い光ファイバセクションの前記第３の場所は、第１の既知の運動学的関係に維持され、前記第１の細長い光ファイバセクションの前記第２の場所と前記第２の細長い光ファイバセクションの前記第４の場所は、第２の既知の運動学的関係に維持される、ステップ；及び
   前記プロセッサが、前記第１の形状センサセクションからの前記第１の形状データと、前記第２の形状センサセクションからの前記第２の形状データと、前記第１及び前記第２の既知の運動学的関係とを使用して前記第１の形状センサセクションの端部の位置を決定するステップ；を含む、
   方法。
2. 前記第１の形状センサセクションの前記端部の位置を決定する前記ステップは、前記プロセッサが、前記第１の場所と前記第３の場所との間の距離に基づいて前記第２の形状データを調整するステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記プロセッサが、第５の場所において前記基準固定具に結合される第３の細長い光ファイバセクションを含む第３の形状センサセクションから第３の形状データを受信するステップであって、前記第３の形状データは前記第３の細長い光ファイバセクションの合成形状である、ステップ；及び
   前記プロセッサが、前記第１の形状センサセクションの前記端部に対する前記第３の形状センサセクションの動きを追跡するステップ；をさらに含む、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の形状センサセクションの前記端部の位置を決定する前記ステップは、前記プロセッサが、前記第２の場所と前記第４の場所との間の距離に基づいて前記第２の形状データを調整するステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の細長い光ファイバセクションは、第５の場所において第２のターゲットに結合される、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記第１及び前記第２の細長い光ファイバセクションは、実質的に異なる長さを有する、
   請求項１に記載の方法。
7. 単一の細長い光ファイバが、直列に配置された前記第１及び前記第２の細長い光ファイバセクションを含む、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の場所及び前記第４の場所は、同じ場所に配置される、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記プロセッサが、前記第１の場所と前記第３の場所との間で前記単一の細長い光ファイバから第３の形状データを受信するステップをさらに含み、前記第３の形状データは前記単一の細長い光ファイバの合成形状であり、前記第１の形状センサセクションの前記端部の前記位置を決定するステップは、前記プロセッサが、前記第１の場所と前記第３の場所との間の前記単一の細長い光ファイバに対する形状補正係数を決定するステップを含む、
   請求項７に記載の方法。
10. 前記第１の形状センサセクションは、前記第１の細長い光ファイバセクションの中に複数の光学コアを含み、前記第１の形状センサセクションから前記第１の形状データを受信する前記ステップは、前記プロセッサが、前記複数の光学コアの第１のサブセットからの３次元形状データを前記複数の光学コアの第２のサブセットからの３次元形状データと組み合わせるステップを含む、
    請求項１に記載の方法。
11. プロセッサを有する形状センシング装置を動作させる方法であって：
    前記プロセッサが、基準固定具に結合される第１の部分及び第１のターゲットに結合される第２の部分を有する第１の形状センサから第１の形状データを受信するステップであって、前記第１の形状データは前記第１の形状センサの合成形状である、ステップ；
    前記プロセッサが、前記基準固定具に結合される第１の部分及び前記第１のターゲットに結合される第２の部分を有する第２の形状センサから第２の形状データを受信するステップであって、前記第２の形状データは前記第２の形状センサの合成形状であり、前記第１及び前記第２の形状センサの前記第１の部分は、第１の既知の運動学的関係に維持され、前記第１及び前記第２の形状センサの前記第２の部分は、第２の既知の運動学的関係に維持される、ステップ；及び
    前記プロセッサが、前記第１の形状センサからの前記第１の形状データと、前記第２の形状センサからの前記第２の形状データと、前記第１及び前記第２の既知の運動学的関係とを使用して前記第１の形状センサの前記第２の部分の位置を決定するステップ；を含む、
    方法。
12. 前記第１及び前記第２の形状センサの少なくとも１つは、細長い光ファイバを含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記細長い光ファイバは、少なくとも３つの光学コアを含む、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の形状センサの前記第１の部分と前記第２の部分との間の長さは、前記第２の形状センサの前記第１の部分と前記第２の部分との間の長さと実質的に異なる、
    請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１の形状センサの前記第２の部分の前記位置を決定する前記ステップは、前記プロセッサが、前記第１の部分と前記第２の部分との間の前記第１の形状センサの形状を決定するステップ及び前記プロセッサが、前記第１の部分と前記第２の部分との間の前記第２の形状センサの形状を決定するステップを含む、
    請求項１１に記載の方法。
16. 前記第１の形状センサは、第２のターゲットに結合される第３の部分を有し、前記方法は、前記プロセッサが、前記第１の部分と前記第３の部分との間の前記第１の形状センサから第３の形状データを受信するステップをさらに含み、前記第３の形状データは前記第１の形状センサの合成形状である、
    請求項１１に記載の方法。
17. 前記プロセッサが、前記基準固定具に結合される第１の部分及び介入器具に結合される第２の部分を有する第３の形状センサから第３の形状データを受信するステップであって、前記第３の形状データは前記第３の形状センサの合成形状である、ステップ、及び
    前記プロセッサが、前記第１のターゲットに結合される前記第１の形状センサの前記第２の部分の前記位置に対する前記介入器具の位置を追跡するステップ、をさらに含む、
    請求項１１に記載の方法。

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