相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2014年10月17日提交的標(biāo)題為“systemsandmethodsforreducingmeasurementerrorusingopticalfibershapesensing(用于使用光纖形狀感測(cè)減小測(cè)量誤差的系統(tǒng)和方法)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)62/065,349的提交日期的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。

本公開涉及用于減小形狀感測(cè)光纖中的測(cè)量誤差的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及使用醫(yī)療儀器中的形狀感測(cè)光纖來(lái)減小測(cè)量誤差的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

微創(chuàng)醫(yī)學(xué)技術(shù)旨在減少在診斷或手術(shù)治療期間損傷的組織的量，從而減少患者恢復(fù)時(shí)間、不適和有害的副作用。此類微創(chuàng)技術(shù)可以通過(guò)患者解剖結(jié)構(gòu)中的自然孔口或通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)手術(shù)切口來(lái)執(zhí)行。通過(guò)這些自然孔口或切口，臨床醫(yī)生可以插入醫(yī)療儀器以到達(dá)目標(biāo)組織位置。為了到達(dá)目標(biāo)組織位置，微創(chuàng)醫(yī)療儀器可以在諸如肺、結(jié)腸、腸、腎臟、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等的解剖學(xué)系統(tǒng)中導(dǎo)航自然或外科手術(shù)產(chǎn)生的通道。導(dǎo)航輔助系統(tǒng)幫助臨床醫(yī)生傳送醫(yī)療儀器，并且避免損傷解剖結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)能夠結(jié)合形狀傳感器的使用，以更準(zhǔn)確地描述在實(shí)際空間中或相對(duì)于術(shù)前或并發(fā)圖像的醫(yī)療儀器的形狀、位置、取向和姿勢(shì)。這些形狀傳感器的準(zhǔn)確度和精密度可能受到許多因素(包括傳感器的扭轉(zhuǎn)、溫度變化、形狀傳感器在儀器內(nèi)的位置以及在傳感器上的軸向載荷)的影響。

需要改進(jìn)的系統(tǒng)和方法來(lái)提高導(dǎo)航輔助系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精密度，包括使危害形狀傳感器準(zhǔn)確度的因素的影響最小化。本文公開的設(shè)備、系統(tǒng)和方法克服了現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)中的一個(gè)或更多個(gè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例由下面的權(quán)利要求書概述。

在一個(gè)實(shí)施例中，裝置包括具有細(xì)長(zhǎng)軸的儀器。裝置還包括第一形狀傳感器，第一形狀傳感器包括在距中性軸線第一徑向距離處在細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)延伸的細(xì)長(zhǎng)光纖。該裝置還包括抗扭轉(zhuǎn)特征，抗扭轉(zhuǎn)特征經(jīng)配置減少細(xì)長(zhǎng)光纖相對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸的扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許細(xì)長(zhǎng)光纖在細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)的軸向平移。

在另一實(shí)施例中，操作形狀感測(cè)裝置的方法包括提供包括沿細(xì)長(zhǎng)軸設(shè)置的形狀傳感器的儀器并且從形狀傳感器接收形狀數(shù)據(jù)。形狀傳感器包括在細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)延伸的細(xì)長(zhǎng)光纖，并且沿細(xì)長(zhǎng)光纖的至少一部分聯(lián)接到抗扭轉(zhuǎn)特征。抗扭轉(zhuǎn)特征經(jīng)配置限制光纖相對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸的扭轉(zhuǎn)。該方法還包括基于接收的形狀數(shù)據(jù)生成儀器彎曲測(cè)量值。

在另一實(shí)施例中，裝置包括具有細(xì)長(zhǎng)軸的儀器和第一形狀傳感器，第一形狀傳感器包括在距中性軸線間隔第一徑向距離處在細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)延伸的細(xì)長(zhǎng)光纖。該裝置還包括經(jīng)配置減少第一形狀傳感器的至少一部分中的軸向應(yīng)變的扭轉(zhuǎn)減輕特征。

附圖說(shuō)明

當(dāng)與附圖一起閱讀時(shí)，從下面詳細(xì)描述中可以最好地理解本公開的各方面。需要強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種特征不是按比例繪制的。實(shí)際上，為了清楚地討論，可以任意增加或減少各種特征的尺寸。此外，本公開可以重復(fù)各種示例中的參考標(biāo)號(hào)和/或字母。該重復(fù)是為了簡(jiǎn)單和清楚的目的，本身并不表示所討論的各種實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系

圖1示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的示例性遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。

圖2示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的利用遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的方面的醫(yī)療儀器系統(tǒng)。

圖3和圖4是包括根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的光纖形狀傳感器的醫(yī)療儀器的橫截面圖。

圖5示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的包括含有光纖形狀傳感器的纖維腔和示例性抗扭轉(zhuǎn)特征的示例性醫(yī)療儀器的橫截面視圖。

圖6a和圖6b示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的光纖形狀傳感器和示例性抗扭轉(zhuǎn)特征。圖6a是透視圖并且圖6b是橫截面圖。

圖7a-圖7c示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的光纖形狀傳感器和示例性抗扭轉(zhuǎn)特征。圖7a是透視圖并且圖7b和圖7c是橫截面圖。

圖8a是根據(jù)本公開的實(shí)施例的光纖形狀傳感器和示例性鍵鎖特征(keyingfeature)的透視圖。

圖8b是圖8a所示的光纖形狀傳感器和示例性鍵鎖特征的橫截面圖。

圖8c是根據(jù)本公開的實(shí)施例的包括定位在示例性纖維腔內(nèi)的光纖形狀傳感器和示例性鍵鎖特征和參考傳感器的示例性醫(yī)療儀器的橫截面圖。

圖9a是根據(jù)本公開的實(shí)施例的光纖形狀傳感器和示例性鍵鎖特征的透視圖。

圖9b是根據(jù)本公開的實(shí)施例的光纖形狀傳感器和示例性鍵鎖特征的透視圖。

圖10是根據(jù)本公開的實(shí)施例的包括光纖形狀傳感器和示例性纖維腔的示例性醫(yī)療儀器的橫截面圖。

圖11a-圖11d是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的不同的示例性醫(yī)療儀器的橫截面圖，不同的示例性醫(yī)療儀器各自包括光纖形狀傳感器、抗扭轉(zhuǎn)特征和參考傳感器。

圖12a和圖12b是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的不同的示例性醫(yī)療儀器的橫截面圖，不同的示例性醫(yī)療儀器各自包括光纖形狀傳感器和抗扭轉(zhuǎn)特征。

圖13示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的具有螺旋纏繞的光纖形狀傳感器的醫(yī)療儀器系統(tǒng)。

圖14示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的具有遠(yuǎn)側(cè)固定的光纖形狀傳感器的醫(yī)療儀器系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

為了促進(jìn)對(duì)本公開原理的理解的目的，現(xiàn)在將參考附圖中所示的實(shí)施例，并且將使用特定語(yǔ)言來(lái)描述本發(fā)明的原理。然而，應(yīng)當(dāng)理解，這不旨在限制本公開的范圍。在下面的詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)公開的實(shí)施例的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本公開的實(shí)施例。在其他情況下，還未詳細(xì)描述眾所周知的方法、程序、部件和電路，以免不必要地模糊本公開的實(shí)施例的方面。

如本公開所涉及的領(lǐng)域的技術(shù)人員通常會(huì)想到的，對(duì)所描述的設(shè)備、儀器、方法以及本公開的原理的任何進(jìn)一步的應(yīng)用的任何改變和進(jìn)一步的修改被完全設(shè)想。特別地，完全設(shè)想到關(guān)于一個(gè)實(shí)施例描述的特征、部件和/或過(guò)程可以與關(guān)于本公開的其他實(shí)施例描述的特征、部件和/或過(guò)程結(jié)合。此外，本文提供的尺寸是針對(duì)具體示例的，并且可設(shè)想可以利用不同的大小、尺寸和/或比率來(lái)實(shí)施本公開的概念。為了避免不必要的描述性重復(fù)，根據(jù)一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例描述的一個(gè)或更多個(gè)部件或動(dòng)作能夠在適用于其他說(shuō)明性實(shí)施例的情況下被使用或省略。為了簡(jiǎn)潔起見，這些組合的大量迭代將不會(huì)分開描述。為了簡(jiǎn)單起見，在某些情況下，貫穿附圖使用相同的參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同或相似的部分。

下面的實(shí)施例將描述根據(jù)儀器在三維空間中的狀態(tài)的各種儀器和儀器的部分。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“位置”是指物體或物體的一部分在三維空間中(例如，沿笛卡爾x、y、z坐標(biāo)的三個(gè)平移自由度)的定位。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“取向”是指物體或物體的一部分的旋轉(zhuǎn)布置(三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度—例如滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航)。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“姿勢(shì)”是指物體或物體的一部分在至少一個(gè)平移自由度中的位置和物體或物體的部分在至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(總共最多六個(gè)自由度)中的取向。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“形狀”是指沿細(xì)長(zhǎng)物體測(cè)量的一組姿勢(shì)、位置或取向。

應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語(yǔ)“近側(cè)”和“遠(yuǎn)側(cè)”在本文中參考操縱從臨床醫(yī)生延伸到手術(shù)部位的儀器的端部的臨床醫(yī)生使用。術(shù)語(yǔ)“近側(cè)”是指儀器靠近臨床醫(yī)生的部分，以及術(shù)語(yǔ)“遠(yuǎn)側(cè)”是指儀器進(jìn)一步遠(yuǎn)離臨床醫(yī)生并且更接近手術(shù)部位的部分。為了簡(jiǎn)明扼要，參考附圖本文可以使用諸如“水平”、“豎直”、“上面”和“下面”之類的空間術(shù)語(yǔ)。然而，醫(yī)療儀器用于許多取向和位置中，而且術(shù)語(yǔ)并不旨在是限制性和絕對(duì)的。

本公開一般涉及使用形狀傳感器系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)、估計(jì)和/或預(yù)測(cè)用于各種醫(yī)療程序(包括但不限于診斷、手術(shù)和/或治療程序)中的醫(yī)療儀器的形狀和/或位置。特別地，在一些實(shí)施例中，本文公開的形狀傳感器系統(tǒng)依賴于從聯(lián)接到醫(yī)療儀器的柔性體的光學(xué)形狀傳感器纖維中獲得和解釋光學(xué)數(shù)據(jù)的能力。特別地，本公開的一些實(shí)施例通過(guò)在操作者在微創(chuàng)程序期間使用醫(yī)療儀器時(shí)最大限度地減小扭轉(zhuǎn)對(duì)光纖的影響，來(lái)與形狀和/或位置跟蹤有關(guān)。在一些實(shí)施例中，形狀感測(cè)系統(tǒng)可以聯(lián)接到遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。本文公開的實(shí)施例可以通過(guò)減少在醫(yī)療儀器的操縱期間由光纖的扭轉(zhuǎn)引入的誤差和不準(zhǔn)確性，來(lái)改善聯(lián)接到遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的形狀感測(cè)系統(tǒng)的位置和形狀評(píng)估能力。特別地，本文所述的一些實(shí)施例通過(guò)非限制性的示例，利用機(jī)械元件例如花鍵(spline)和粘合劑來(lái)約束光纖關(guān)于醫(yī)療儀器的本體的移動(dòng)。例如，在一些實(shí)施例中，光纖聯(lián)接到醫(yī)療儀器內(nèi)的各種點(diǎn)和/或其他傳感器(例如，em位置傳感器)，以最小化扭轉(zhuǎn)對(duì)光纖的影響。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文公開的形狀感測(cè)系統(tǒng)可以用在受益于更準(zhǔn)確的形狀和/或位置感測(cè)的類似(例如，非遠(yuǎn)程操作)應(yīng)用中。通過(guò)利用本文公開的形狀感測(cè)系統(tǒng)和方法，用戶可以體驗(yàn)與聯(lián)接到遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的醫(yī)療儀器和其它部件更直觀和更有效的交互。

根據(jù)各種實(shí)施例，可以使用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行微創(chuàng)醫(yī)療程序，以指導(dǎo)儀器傳送和操作。參考附圖中的圖1a，用于例如包括診斷、治療或外科手術(shù)程序的醫(yī)療程序的遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)通常由參考標(biāo)號(hào)10指示。如將要描述的，本公開的遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)在外科醫(yī)生的遠(yuǎn)程操作的控制下。在替代實(shí)施例中，遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)可以在編程為執(zhí)行過(guò)程或子過(guò)程的計(jì)算機(jī)的部分控制下。在另外的其他替代實(shí)施例中，在編程為執(zhí)行過(guò)程或子過(guò)程的計(jì)算機(jī)的完全控制下的完全自動(dòng)化的醫(yī)療系統(tǒng)可以用于執(zhí)行程序或子程序。如圖1所示，遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)10通常包括靠近或安裝到手術(shù)臺(tái)o的遠(yuǎn)程操作組件12，患者p定位在該手術(shù)臺(tái)o上。遠(yuǎn)程操作組件12可以被稱為患者側(cè)操縱器(psm)。醫(yī)療儀器系統(tǒng)14可操作地聯(lián)接到遠(yuǎn)程操作組件12。操作者輸入系統(tǒng)16允許外科醫(yī)生或其他類型的臨床醫(yī)生s查看手術(shù)部位的圖像或表示手術(shù)部位的圖像，并且控制醫(yī)療儀器系統(tǒng)14的操作。操作者輸入系統(tǒng)16可以被稱為主控或外科醫(yī)生的控制臺(tái)。能夠用于實(shí)施在本公開中描述的系統(tǒng)和技術(shù)的遠(yuǎn)程操作手術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)示例是由加利福尼亞州桑尼維爾的intuitivesurgical，inc.制造的手術(shù)系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程操作組件12支撐醫(yī)療儀器系統(tǒng)14，并且可以包括一個(gè)或更多個(gè)非伺服受控鏈接的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)(例如，可以手動(dòng)定位并鎖定在適當(dāng)位置的一個(gè)或更多個(gè)鏈接，通常被稱為設(shè)置結(jié)構(gòu)(set-upstructure))和遠(yuǎn)程操作操縱器。遠(yuǎn)程操作組件12包括驅(qū)動(dòng)在醫(yī)療儀器系統(tǒng)14上的輸入的多個(gè)馬達(dá)。這些馬達(dá)響應(yīng)于來(lái)自控制系統(tǒng)22的命令而移動(dòng)。馬達(dá)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)被聯(lián)接到醫(yī)療儀器系統(tǒng)14時(shí)可以將醫(yī)療儀器推進(jìn)到自然的或手術(shù)創(chuàng)建的解剖孔口中。其他機(jī)動(dòng)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(motorizeddrivesystem)可以以多個(gè)自由度(其可以包括三個(gè)線性運(yùn)動(dòng)度(例如，沿x、y、z笛卡兒軸線的線性運(yùn)動(dòng)))和以三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)度(例如，圍繞x、y、z笛卡爾軸線的旋轉(zhuǎn)))來(lái)移動(dòng)醫(yī)療儀器的遠(yuǎn)端。另外，馬達(dá)能夠用于致動(dòng)儀器的可鉸接的末端執(zhí)行器。

遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)10還包括圖像捕獲系統(tǒng)18，圖像捕獲系統(tǒng)18包括諸如內(nèi)窺鏡的圖像捕獲或成像設(shè)備以及相關(guān)的圖像處理硬件和軟件。成像設(shè)備可以整體地或可拆卸地聯(lián)接到醫(yī)療儀器系統(tǒng)14。附加地或替代地，附接到單獨(dú)的操縱器組件的單獨(dú)的成像裝置可以與醫(yī)療儀器系統(tǒng)一起使用，以對(duì)外科手術(shù)部位進(jìn)行成像。

遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)10還包括控制系統(tǒng)22，其可操作地鏈接到遠(yuǎn)程操作組件12的傳感器、馬達(dá)、致動(dòng)器和其他部件、操作者輸入系統(tǒng)16以及圖像捕獲系統(tǒng)18。操作者輸入系統(tǒng)16可以位于外科醫(yī)生的控制臺(tái)處，該控制臺(tái)通常位于與手術(shù)臺(tái)o相同的房間中。然而，應(yīng)當(dāng)理解，外科醫(yī)生s能夠位于與患者p不同的房間或完全不同的建筑物中。操作者輸入系統(tǒng)16通常包括用于控制醫(yī)療儀器系統(tǒng)14的一個(gè)或更多個(gè)控制設(shè)備。更具體地，響應(yīng)于外科醫(yī)生的輸入命令，控制系統(tǒng)22實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)械運(yùn)動(dòng)醫(yī)療儀器系統(tǒng)14。(一個(gè)或更多個(gè))控制設(shè)備可以包括任何數(shù)量的各種輸入設(shè)備中的一個(gè)或更多個(gè)，例如手柄、操縱桿、軌跡球、數(shù)據(jù)手套、觸發(fā)槍、手動(dòng)控制器、腳操作的控制器、語(yǔ)音識(shí)別裝置、觸摸屏、身體運(yùn)動(dòng)或存在傳感器等。在一些實(shí)施例中，(一個(gè)或更多個(gè))控制設(shè)備將被提供與遠(yuǎn)程操作組件的醫(yī)療儀器相同的自由度，以向外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，即(一個(gè)或更多個(gè))控制設(shè)備與儀器一體的感知，使得外科醫(yī)生具有直接控制儀器的很強(qiáng)的感覺，如同置身于于手術(shù)部位處。在其他實(shí)施例中，(一個(gè)或更多個(gè))控制設(shè)備可以具有比相關(guān)聯(lián)的醫(yī)療儀器更多或更少的自由度，并且仍然為外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，(一個(gè)或更多個(gè))控制設(shè)備是以六個(gè)自由度移動(dòng)的手動(dòng)輸入設(shè)備，并且還可以包括用于致動(dòng)儀器(例如，用于閉合夾持爪、向電極施加電勢(shì)、遞送藥物治療等)的可致動(dòng)手柄。

系統(tǒng)操作者看到圖像，該圖像由圖像捕獲系統(tǒng)18捕獲，呈現(xiàn)在可操作地聯(lián)接到或并入操作者輸入系統(tǒng)16的顯示系統(tǒng)20上用于觀看。顯示系統(tǒng)20顯示由圖像捕獲系統(tǒng)18的子系統(tǒng)生成的手術(shù)部位和(一個(gè)或更多個(gè))醫(yī)療儀器系統(tǒng)14的圖像或表示。顯示系統(tǒng)20和操作者輸入系統(tǒng)16可以被取向成使得操作者能夠借助遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的感知來(lái)控制醫(yī)療儀器系統(tǒng)14和操作者輸入系統(tǒng)16。顯示系統(tǒng)20可以包括多個(gè)顯示器，例如用于向操作者的每個(gè)眼睛呈現(xiàn)單獨(dú)的圖像的單獨(dú)的左顯示器和右顯示器，從而允許操作者觀看立體圖像。

替代地或附加地，顯示系統(tǒng)20可以使用成像技術(shù)(例如，計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)(ct)、磁共振成像(mri)、熒光鏡檢查、熱紅外成像、超聲波、光學(xué)相干斷層掃描(oct)、熱成像、阻抗成像、激光成像、納米管x射線成像等)來(lái)呈現(xiàn)術(shù)前或術(shù)中記錄的和/或成像的手術(shù)部位的圖像。所呈現(xiàn)的術(shù)前或術(shù)中的圖像可以包括二維、三維或四維(包括例如，基于時(shí)間或基于速度的信息)圖像和用于再現(xiàn)圖像的相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)集。圖像可以是例如由成像設(shè)備(諸如定位在手術(shù)部位內(nèi)的內(nèi)窺鏡)捕獲的二維(2d)或三維(3d)圖像。在一些實(shí)施例中，顯示系統(tǒng)20可以顯示虛擬導(dǎo)航圖像，其中醫(yī)療儀器的實(shí)際位置使用術(shù)前圖像動(dòng)態(tài)地參考，以在醫(yī)療儀器尖端的位置處向外科醫(yī)生s呈現(xiàn)手術(shù)部位的虛擬圖像。醫(yī)療儀器的尖端或其他圖形或字母數(shù)字指示器的圖像可以疊加在虛擬圖像上，以輔助外科醫(yī)生控制醫(yī)療儀器。顯示系統(tǒng)20可以被實(shí)現(xiàn)為硬件、固件、軟件或其組合，其與可以包括控制系統(tǒng)22的處理器的一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器交互或以其他方式由所述一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行。

控制系統(tǒng)22包括至少一個(gè)存儲(chǔ)器和至少一個(gè)處理器(未示出)，并且通常為多個(gè)處理器，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)12、醫(yī)療儀器系統(tǒng)14、操作者輸入系統(tǒng)16、圖像捕獲系統(tǒng)18和顯示系統(tǒng)20之間的控制。控制系統(tǒng)22還包括編程的指令(例如，存儲(chǔ)指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì))，以實(shí)施根據(jù)本文公開的方面描述的方法中的一些或全部。雖然在圖1的簡(jiǎn)化示意圖中將控制系統(tǒng)22示出為單個(gè)塊，但是系統(tǒng)可以包括兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)處理電路，其中處理的一部分可選地在遠(yuǎn)程操作組件12上或附近執(zhí)行，處理的另一部分在操作者輸入系統(tǒng)16處執(zhí)行等等。可以采用各種集中或分布式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)中的任何一種。類似地，編程的指令可以被實(shí)施為多個(gè)單獨(dú)的程序或子程序，或者它們可以集成到本文描述的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的許多其它方面。在一個(gè)實(shí)施例中，控制系統(tǒng)22支持無(wú)線通信協(xié)議，諸如藍(lán)牙、irda、homerf、ieee802.11、dect和無(wú)線遙測(cè)。

在一些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)22可以包括從醫(yī)療儀器系統(tǒng)104接收力和/或扭矩反饋的一個(gè)或更多個(gè)伺服控制器。響應(yīng)于反饋，伺服控制器向操作者輸入系統(tǒng)16傳送信號(hào)。(一個(gè)或更多個(gè))伺服控制器還可以傳送指示遠(yuǎn)程操作組件12用以移動(dòng)經(jīng)由身體中的開口延伸到患者體內(nèi)的內(nèi)部手術(shù)部位的(一個(gè)或更多個(gè))醫(yī)療儀器系統(tǒng)14的信號(hào)。可以使用任何合適的常規(guī)或?qū)Ｓ玫乃欧刂破鳌Ｋ欧刂破骺梢耘c遠(yuǎn)程操作組件12分離或與遠(yuǎn)程操作組件12集成。在一些實(shí)施例中，伺服控制器和遠(yuǎn)程操作組件被提供作為遠(yuǎn)程操作臂推車的鄰近患者身體定位的部分。

遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)10可以進(jìn)一步包括可選的操作和支持系統(tǒng)24，諸如照明系統(tǒng)、眼睛跟蹤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)和/或抽吸系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以可操作地聯(lián)接到或并入操作者輸入系統(tǒng)16。在替代實(shí)施例中，遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)可以包括多于一個(gè)的遠(yuǎn)程操作組件和/或多于一個(gè)的操作者輸入系統(tǒng)。操縱器組件的精確數(shù)量取決于外科手術(shù)程序和手術(shù)室內(nèi)的空間限制等其他因素。操作者輸入系統(tǒng)可以并置，或者它們可以被定位在分開的位置中。多個(gè)操作者輸入系統(tǒng)允許多于一個(gè)的操作者以各種組合控制一個(gè)或更多個(gè)操縱器組件。

圖2示出包括醫(yī)療儀器系統(tǒng)14及其接口系統(tǒng)的形狀感測(cè)裝置118。醫(yī)療儀器系統(tǒng)14包括通過(guò)接口(interface)122聯(lián)接到遠(yuǎn)程操作組件12和圖像捕獲系統(tǒng)18的可轉(zhuǎn)向儀器120。在圖2的實(shí)施例中，儀器118在遠(yuǎn)程操作手術(shù)系統(tǒng)10內(nèi)被遠(yuǎn)程操作。在替代實(shí)施例中，遠(yuǎn)程操作組件12可以由直接的操作者控制來(lái)代替。在直接的操作替代方案中，可以包括各種手柄和操作者接口用于儀器的手持式操作。

儀器120具有柔性主體124(例如，插管)，在其遠(yuǎn)端128處的可轉(zhuǎn)向尖端126和在其近端130處的接口122。主體124容納接口122和尖端126之間延伸以可控地彎曲或轉(zhuǎn)動(dòng)尖端的電纜、連桿機(jī)構(gòu)(linkages)或其它轉(zhuǎn)向控制件(未示出)，例如通過(guò)彎曲尖端126的虛線形式所示出的，并且在一些實(shí)施例中控制可選的末端執(zhí)行器132。末端執(zhí)行器是用于醫(yī)療功能(例如，用于對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行預(yù)定的治療)的可操縱的工作遠(yuǎn)端部分。例如，一些末端執(zhí)行器具有單個(gè)工作構(gòu)件，諸如手術(shù)刀、刀片或電極。例如，其他末端執(zhí)行器(諸如圖2的實(shí)施例)具有一對(duì)或多個(gè)工作構(gòu)件，諸如鑷子、抓緊器，剪刀或夾具裝置。電激活的末端執(zhí)行器的示例包括電外科電極、轉(zhuǎn)換器、傳感器等。末端執(zhí)行器還可以包括輸送流體、氣體或固體的管道，以進(jìn)行例如抽吸、吹入、沖洗、需要流體輸送的治療、附件引入、活檢提取等。在其他實(shí)施例中，柔性主體124能夠限定一個(gè)或更多個(gè)腔，通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)腔能夠在目標(biāo)手術(shù)位置處部署并使用醫(yī)療儀器。

儀器120還能夠包括圖像捕獲元件134，圖像捕獲元件可以包括設(shè)置在遠(yuǎn)端128處的立體或單視場(chǎng)的攝像機(jī)，用于捕獲傳送到圖像捕獲系統(tǒng)18并由圖像捕獲系統(tǒng)18處理以供顯示系統(tǒng)20顯示的圖像。替代地，圖像捕獲元件134可以是聯(lián)接到諸如纖維鏡的儀器120的近端上的成像和處理系統(tǒng)的相干光纖束。圖像捕獲元件134可以是單光譜或多光譜，用于在可見或紅外線/紫外線的光譜中捕獲圖像數(shù)據(jù)。

跟蹤系統(tǒng)136與傳感器系統(tǒng)138連接，用于確定遠(yuǎn)端128和/或沿儀器120的一個(gè)或更多個(gè)段137的形狀(和可選地，姿勢(shì))。雖然在圖2中僅描繪了示例性的一組段137，但是儀器120在遠(yuǎn)端128和近端130之間并且包括尖端126的整個(gè)長(zhǎng)度可以被有效地分成多個(gè)段，該多個(gè)段的形狀(和位置、姿勢(shì)和/或定位)可以由傳感器系統(tǒng)138確定。跟蹤系統(tǒng)136可以被實(shí)施為硬件、固件、軟件或其組合，其可以與一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器進(jìn)行交互或可以由一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器以其他方式執(zhí)行，所述一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器可以包括控制系統(tǒng)22的處理器。

傳感器系統(tǒng)138包括與柔性主體124對(duì)齊的光纖形狀傳感器140(例如，設(shè)置在內(nèi)部通道(未示出)內(nèi)或者被外部安裝)。跟蹤系統(tǒng)136聯(lián)接到光纖形狀傳感器140的近端。在該實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140具有大約200μm的直徑。在其他實(shí)施例中，尺寸可以更大或更小。

光纖形狀傳感器140形成用于確定儀器120的形狀的光纖彎曲傳感器。在一個(gè)示例中，包括光纖布拉格光柵(fbg)的光纖用于在一個(gè)或更多個(gè)維度中提供結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變測(cè)量值。用于監(jiān)測(cè)在三個(gè)維度中的光纖的形狀和相對(duì)位置的各種系統(tǒng)和方法被描述在于2005年7月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)公開no.2006/0013523和于2004年7月16日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/588,336以及于1998年6月17日提交的美國(guó)專利no.6,389,187中，這些專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容全部并入本文。在其他替代方案中，采用其他應(yīng)變感測(cè)技術(shù)諸如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射和熒光散射的傳感器可以是合適的。在其他替代實(shí)施例中，可以使用其他技術(shù)來(lái)確定儀器120的形狀。例如，如果儀器尖端的姿勢(shì)的歷史被存儲(chǔ)達(dá)小于刷新導(dǎo)航顯示或交替運(yùn)動(dòng)(例如，吸入和呼出)的周期的時(shí)間間隔，則姿勢(shì)歷史能夠用于在所述時(shí)間間隔內(nèi)重建設(shè)備的形狀。作為另一示例，可以沿交替運(yùn)動(dòng)(例如呼吸)的循環(huán)為儀器的已知點(diǎn)存儲(chǔ)歷史姿勢(shì)、位置或取向數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可用于開發(fā)關(guān)于儀器的形狀信息。

光纖形狀傳感器140用于監(jiān)測(cè)儀器120的至少一部分的形狀。更具體地，通過(guò)光纖形狀傳感器140的光由跟蹤系統(tǒng)136處理，用于檢測(cè)醫(yī)療儀器120的形狀并且用于利用該信息以輔助外科手術(shù)。跟蹤系統(tǒng)136可以包括檢測(cè)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生和檢測(cè)用于確定儀器120的形狀的光。此信息進(jìn)而能夠用于確定其他相關(guān)變量，諸如醫(yī)療儀器的零件的速度和加速度。通過(guò)實(shí)時(shí)獲得這些變量中的一個(gè)或更多個(gè)的準(zhǔn)確測(cè)量值，控制器能夠提高機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度并且補(bǔ)償在驅(qū)動(dòng)部件零件中引入的誤差。感測(cè)可以僅限于由機(jī)器人系統(tǒng)致動(dòng)的自由度，或者可以應(yīng)用于被動(dòng)(例如，關(guān)節(jié)之間的剛性構(gòu)件的未致動(dòng)的彎曲)和主動(dòng)(例如，儀器的致動(dòng)運(yùn)動(dòng))自由度二者。

來(lái)自跟蹤系統(tǒng)136的信息可以被發(fā)送到導(dǎo)航系統(tǒng)142，在導(dǎo)航系統(tǒng)142該信息與從圖像捕獲系統(tǒng)18和/或術(shù)前拍攝的圖像的信息結(jié)合，以在顯示系統(tǒng)20上向外科醫(yī)生或其他操作者提供實(shí)時(shí)位置信息，用于儀器120的控制。導(dǎo)航系統(tǒng)142可以是圖1中所示的控制系統(tǒng)22的一部分。替代地，導(dǎo)航系統(tǒng)142可以是圖1中所示的可選系統(tǒng)24的一部分。導(dǎo)航系統(tǒng)142和/或控制系統(tǒng)22可以利用位置信息作為用于定位儀器120的反饋。用于使用光纖傳感器以配準(zhǔn)和顯示醫(yī)療儀器與外科手術(shù)圖像的各種系統(tǒng)被提供在題目為“medicalsystemprovidingdynamicregistrationofamodelofananatomicalstructureforimage-guidedsurgery(為圖像引導(dǎo)的外科手術(shù)提供解剖結(jié)構(gòu)的模型的動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)的醫(yī)療系統(tǒng))”的美國(guó)專利申請(qǐng)no.13/107,562中，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。

在一些實(shí)施例中，一系列沿儀器定位的位置傳感器(諸如電磁(em)傳感器)能夠附加地或替代地用于形狀感測(cè)。來(lái)自儀器上的位置傳感器(諸如，em傳感器)的在手術(shù)期間的數(shù)據(jù)歷史可以用來(lái)表示儀器的形狀，特別是如果解剖通道通常是靜態(tài)的。例如，在所描繪的實(shí)施例中，儀器118包括位置傳感器150(例如，電磁(em)傳感器系統(tǒng))，如果位置傳感器150由于例如來(lái)自在手術(shù)套件中的其他設(shè)備的磁干擾而變得不可靠，或者如果其他導(dǎo)航跟蹤系統(tǒng)更加可靠，則位置傳感器150可以被操作者或自動(dòng)系統(tǒng)(例如，控制系統(tǒng)22的功能)禁用。位置傳感器150可以是包括一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電線圈的em傳感器系統(tǒng)，所述一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電線圈可以經(jīng)受從外部產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。em傳感器系統(tǒng)150的每個(gè)線圈然后產(chǎn)生具有取決于該線圈相對(duì)于從外部產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的位置和取向的特性的感應(yīng)電信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，em傳感器系統(tǒng)可以經(jīng)配置并且定位成測(cè)量六個(gè)自由度(“6-dof”)，例如，三個(gè)位置坐標(biāo)x、y、z和指示基點(diǎn)的俯仰、偏轉(zhuǎn)和滾動(dòng)的三個(gè)取向角，或五個(gè)自由度，例如，三個(gè)位置坐標(biāo)x、y、z和指示基點(diǎn)的俯仰、偏轉(zhuǎn)的兩個(gè)取向角。em傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步的描述被提供在于1999年8月11日提交的公開為“six-degreeoffreedomtrackingsystemhavingapassivetransponderontheobjectbeingtracked(具有在被跟蹤對(duì)象上的被動(dòng)轉(zhuǎn)調(diào)器的六自由度跟蹤系統(tǒng))”的美國(guó)專利no.6,380,732中，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。在所描繪的實(shí)施例中，位置傳感器150被示出定位在靠近儀器118的遠(yuǎn)端128的主體124內(nèi)。在其它實(shí)施例中，位置傳感器150可以沿儀器118、在儀器118的內(nèi)部或在儀器118的外部定位在各種位置中的任何一處。

在一些實(shí)施例中，替代地或附加地，其中位置或取向被外部磁場(chǎng)控制的無(wú)線設(shè)備可以用于形狀感測(cè)。其位置的歷史可以用來(lái)確定用于導(dǎo)航的通道的形狀。

圖3和圖4是包括根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的光纖形狀傳感器140的醫(yī)療儀器120的橫截面圖。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，已省略了轉(zhuǎn)向部件和視覺成像系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。該說(shuō)明不是按比例繪制。在本實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140包括包含在單個(gè)包層146內(nèi)的四個(gè)芯144a-144d。每個(gè)芯可以是具有使芯分離的足夠的距離和包層的單模式，使得在每個(gè)芯中的光不與其他芯中所攜帶的光顯著地相互作用。在其它實(shí)施例中，芯的數(shù)量可以改變或每個(gè)芯可以被包含在一個(gè)單獨(dú)的光纖中。在圖3和圖4的實(shí)施例中，纖維芯圍繞光纖形狀傳感器140的中心成90°的間隔布置。在其他實(shí)施例中，四個(gè)芯可以被布置成一個(gè)芯在纖維的中心和三個(gè)芯圍繞中心以120°的間隔隔開。

在一些實(shí)施例中，fbg陣列設(shè)置在每個(gè)芯內(nèi)。每個(gè)fbg包括芯的折射率的一系列的調(diào)制，以便產(chǎn)生折射率的空間周期性。可以選擇間隔，使得來(lái)自各指標(biāo)變化的部分反射針對(duì)波長(zhǎng)的窄頻帶相干地增加，并且因此僅反射波長(zhǎng)的該窄頻帶，同時(shí)通過(guò)一個(gè)寬得多的頻帶。在fbg的制造期間，調(diào)制被一個(gè)已知的距離間隔開，從而引起波長(zhǎng)的已知頻帶的反射。然而，當(dāng)在纖維芯上引起應(yīng)變時(shí)，調(diào)制的間距將根據(jù)芯中的應(yīng)變量而改變。替代地，隨著光纖的彎曲度而改變的反向散射或其他光學(xué)現(xiàn)象能夠用于確定每個(gè)芯內(nèi)的應(yīng)變。

因此，為了測(cè)量應(yīng)變，光被發(fā)送到纖維的下面，并且測(cè)量返回光的特性。例如，fbg產(chǎn)生作為光纖上的應(yīng)變及其溫度的函數(shù)的反射波長(zhǎng)。這種fbg技術(shù)可以從各種來(lái)源商業(yè)地獲得，諸如英國(guó)布拉克內(nèi)爾的智能纖維有限公司。fbg技術(shù)在用于機(jī)器人手術(shù)的位置傳感器中的使用被描述在美國(guó)專利no.7,930,065中，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。

形狀傳感器可以以應(yīng)變數(shù)據(jù)的形式向圖2所示的跟蹤系統(tǒng)136提供形狀數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)變數(shù)據(jù)可以用與扭轉(zhuǎn)誤差、光響應(yīng)、溫度誤差、或可以有助于確定形狀的其他數(shù)據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充。當(dāng)施加到多芯纖維時(shí)，光纖的彎曲在芯上引起應(yīng)變，該應(yīng)變能夠通過(guò)在每個(gè)芯中監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)偏移來(lái)測(cè)量。通過(guò)具有離軸設(shè)置在纖維中的兩個(gè)或更多個(gè)芯，纖維的彎曲在芯中的每個(gè)上引起不同的應(yīng)變。這些應(yīng)變是纖維的局部彎曲半徑、芯的相對(duì)于纖維中心線的徑向位置以及芯圍繞芯中心線相對(duì)于纖維彎曲的平面的角位置的函數(shù)。例如，在包含位于其中纖維彎曲的點(diǎn)處的fbg的芯的區(qū)域中應(yīng)變引起的波長(zhǎng)偏移，從而能夠用于確定在那些點(diǎn)處的彎曲量。與fbg區(qū)域的已知間距結(jié)合的這些數(shù)據(jù)能夠用于重建該纖維的形狀。此系統(tǒng)已經(jīng)由美國(guó)弗吉尼亞州布萊克斯堡的lunainnovations.inc.描述。

在圖3和圖4所示的實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140包括圍繞光纖形狀傳感器140的軸線以間隔相等的徑向距離和相等的角度間隔設(shè)置的四個(gè)光學(xué)芯144a-144d，使得在橫截面中，相對(duì)的一對(duì)芯144a-144c和144b-144d形成正交軸線。沿四個(gè)光學(xué)芯的感測(cè)位置被對(duì)齊，使得來(lái)自每個(gè)芯的測(cè)量值來(lái)自于基本上沿光纖相關(guān)的軸向區(qū)域。該纖維芯144可以包括多個(gè)fbg或其沿每個(gè)芯144a-144d軸向分布的fbg組。在各種實(shí)施例中，fbg可以是連續(xù)的、重疊的或部分重疊的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)芯144a-144d包括沿每個(gè)芯144a-144d的長(zhǎng)度設(shè)置在已知位置處的共線fbg的陣列，使得用于所有四個(gè)芯144a-144d的fbg144a-d在多個(gè)傳感器段137(包括可轉(zhuǎn)向的尖端126)處縱向?qū)R(例如，相對(duì)于距醫(yī)療儀器120的遠(yuǎn)端128的距離)。

光纖形狀傳感器140在傳感器段137中的一個(gè)中的彎曲將相對(duì)于相對(duì)的芯144a-144d使至少一個(gè)芯144a-144d變長(zhǎng)。沿纖維的長(zhǎng)度差異的解調(diào)(interrogation)使彎曲的角度和半徑能夠被提取。該解調(diào)可以使用跟蹤系統(tǒng)136來(lái)執(zhí)行。存在多路復(fù)用fbg的各種方法，使得單個(gè)纖維芯能夠攜帶許多傳感器并且能夠區(qū)別每個(gè)傳感器的讀數(shù)。各種方法中的一些被描述在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/049,012中，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。

在替代實(shí)施例中，可以使用具有更少或更多的芯的纖維。同樣地，纖維芯可以以不同的模式布置，諸如，中央芯具有(軸向是指纖維取向，而不是間隔)圍繞中央芯以角間隔隔開的附加的芯。在一個(gè)實(shí)施例中，中空實(shí)用通道可以為可移除設(shè)備(包括可移除的醫(yī)療儀器、可移除的轉(zhuǎn)向部件、可移除的可視化部件等)提供通路。在一些實(shí)施例中，儀器主體124可以包括尺寸被設(shè)定成容納光纖140并且將其與轉(zhuǎn)向或可視化部件分離的內(nèi)部通道或纖維腔，轉(zhuǎn)向或可視化部件本身可以通過(guò)單獨(dú)的通道被容納。在圖3和圖4中，例如，光纖形狀傳感器140被定位在纖維腔162內(nèi)。纖維腔162可以在醫(yī)療儀器120的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸。

在圖3中，光纖形狀傳感器140在距中性軸線160徑向距離d1處居中，中性軸線160在本實(shí)施例中沿儀器的縱向軸線la縱向地延伸穿過(guò)儀器120。中性軸線160是儀器120的在彎曲期間沿中性軸線160沒(méi)有或者幾乎沒(méi)有(由于張力、扭轉(zhuǎn)或壓縮的)軸向應(yīng)變發(fā)生的軸線。在其它實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140可以被定位在中性軸線160處，或者沿中性軸線160定位。在替代實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140(和纖維腔162)可以以中性軸線160為中心或者位于不同的徑向距離處。在該實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140可以從中性軸線160偏移，以容納儀器120的其它部件，諸如可以以中性軸線160為中心或者圍聚在中性軸線160的周圍的電纜或其它轉(zhuǎn)向部件或可視化部件(未示出)。在該實(shí)施例中，中性軸線160大致沿儀器120的中心軸線延伸。在替代實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140可以在距中性軸線的其他距離或在與中性軸線成其他角位移處被定位在儀器120內(nèi)(例如，在纖維腔162內(nèi))。

當(dāng)光纖形狀傳感器140從中性軸線偏移定位時(shí)，光纖形狀傳感器140在彎曲期間經(jīng)受軸向拉伸力和壓縮力，其拉緊所有的纖維芯，并且可以帶來(lái)彎曲測(cè)量誤差。在光纖形狀傳感器140中的扭轉(zhuǎn)可以引起光纖形狀傳感器140上的應(yīng)變或應(yīng)力(例如，除由醫(yī)療儀器120的彎曲引起的應(yīng)變之外)，應(yīng)變或應(yīng)力帶來(lái)彎曲測(cè)量誤差。在光纖形狀傳感器140中的扭轉(zhuǎn)可以由(例如當(dāng)醫(yī)療儀器在多個(gè)方向上被轉(zhuǎn)向或引導(dǎo)時(shí)由醫(yī)療儀器120的扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的位移而導(dǎo)致。當(dāng)光纖形狀傳感器140的近側(cè)部分164相對(duì)于光纖形狀傳感器140的遠(yuǎn)側(cè)部分166圍繞光纖形狀傳感器140的縱向軸線oa旋轉(zhuǎn)時(shí)，在光纖形狀傳感器中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。例如，光學(xué)芯168可以相對(duì)于縱向軸線oa以不同的徑向角位于遠(yuǎn)側(cè)部分166和近側(cè)部分164中。因?yàn)橛捎谳S向力導(dǎo)致的在光纖形狀傳感器140上的應(yīng)變可以與由扭轉(zhuǎn)引起的明顯的應(yīng)變是不可區(qū)別的，所以可能由于軸向力與扭轉(zhuǎn)相對(duì)(versus)而難以確定彎曲測(cè)量誤差的大小。除非來(lái)自fbg的數(shù)據(jù)能夠被解析成來(lái)自由于彎曲導(dǎo)致的應(yīng)力或應(yīng)變的反射的光讀數(shù)和來(lái)自由于扭轉(zhuǎn)或扭曲導(dǎo)致的應(yīng)力或應(yīng)變的反射的光學(xué)讀數(shù)的可辨別的分量，從光學(xué)數(shù)據(jù)確定的位移信息能夠包括估計(jì)醫(yī)療儀器120的位置或形狀的不準(zhǔn)確性或誤差。

因此，為了使用光纖120準(zhǔn)確地估計(jì)或預(yù)測(cè)如上所述細(xì)長(zhǎng)的醫(yī)療儀器120的位置或形狀，可能需要在醫(yī)療儀器120的操縱(例如，轉(zhuǎn)向和/或彎曲)期間減小光纖120的扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的可能性。在本文描述的一些實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140被機(jī)械地約束，以防止或減少光纖形狀傳感器140的近側(cè)部分164相對(duì)于遠(yuǎn)側(cè)部分166的扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許通過(guò)醫(yī)療儀器120(例如，平行于縱向軸線la)沿縱向軸線軸向平移。在某些情況下，光纖形狀傳感器140由抗扭轉(zhuǎn)特征170被機(jī)械地防止或限制圍繞縱向軸線oa扭轉(zhuǎn)。

例如，圖5示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的與示例性醫(yī)療儀器173相關(guān)聯(lián)的示例性抗扭轉(zhuǎn)特征170的橫截面圖，示例性醫(yī)療儀器173包括在纖維腔175內(nèi)延伸的光纖形狀傳感器。醫(yī)療儀器173可以與圖2所示的醫(yī)療儀器120相同。在圖示的實(shí)施例中，抗扭轉(zhuǎn)特征170被設(shè)置在光纖形狀傳感器140和纖維腔175的腔壁174之間。抗扭轉(zhuǎn)特征170可以包括經(jīng)配置最小化或防止光纖形狀傳感器140的扭轉(zhuǎn)的各種機(jī)械元件中的任何一種，包括光纖形狀傳感器140本身的特征，纖維腔175的特征，以及獨(dú)立的特征(非限制性地舉例來(lái)說(shuō)，諸如涂層、護(hù)套和鍵鎖特征)。

在圖示的實(shí)施例中，纖維腔175包括形成在儀器173的主體176內(nèi)的中空的管狀空間。主體176形成具有內(nèi)表面177和外表面178的細(xì)長(zhǎng)的柔性管。主體176的內(nèi)表面177限定中心腔179。中心腔179可以包括醫(yī)療儀器173的工作通道。醫(yī)療儀器173包括在主體176內(nèi)延伸的多個(gè)致動(dòng)通道180，所述多個(gè)致動(dòng)通道180經(jīng)配置接收致動(dòng)電纜182。

在替代實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140能夠適當(dāng)?shù)芈?lián)接、結(jié)合或附接到內(nèi)表面177或外表面178。在其它的替代實(shí)施例中，內(nèi)表面177還可以限定凹槽，光纖形狀傳感器140可以被定位在所述凹槽中。在又一些其它的實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140能夠使用例如合適的粘合劑或結(jié)合劑聯(lián)接到外表面178或與外表面178整體形成，和/或光纖形狀傳感器140可以定位在形成在外表面178內(nèi)的孔或凹槽內(nèi)。進(jìn)一步地，光纖140能夠以將光纖140的一部分聯(lián)接在儀器173的近側(cè)部分上的已知參考位置處的方式聯(lián)接到儀器173。

圖6a和圖6b示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的聯(lián)接到示例性抗扭轉(zhuǎn)特征170'的光纖形狀傳感器140。圖6a示出光纖形狀傳感器140和抗扭轉(zhuǎn)特征170'的透視圖，并且圖6b示出光纖形狀傳感器140和抗扭轉(zhuǎn)特征170'的穿過(guò)圖6a中的線6b-6b的橫截面圖。在一些實(shí)施例中，如圖6a和圖6b所示，抗扭轉(zhuǎn)特征170'包括抗扭轉(zhuǎn)護(hù)套或覆蓋物171，非限制性地舉例來(lái)說(shuō)，諸如海波管或編織護(hù)套，其聯(lián)接到光纖形狀傳感器140的至少一部分。此護(hù)套171可以在形狀傳感器140和纖維腔175之間產(chǎn)生摩擦，從而限制扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此護(hù)套171使形狀傳感器140沿醫(yī)療儀器120的長(zhǎng)度的至少一部分抵抗在纖維腔175內(nèi)的扭轉(zhuǎn)。在替代實(shí)施例中，抗扭轉(zhuǎn)特征170'可以是限制形狀傳感器140的扭轉(zhuǎn)的纖維腔175的網(wǎng)紋表面。在另外的其它替代方案中，護(hù)套171或腔175的紋理可以被選擇以創(chuàng)建比抵抗軸向滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)更大的抵抗扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的阻力。在替代實(shí)施例中，護(hù)套171可以包括固有地抵抗扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性配置，從而減少與其聯(lián)接的光纖形狀傳感器140的扭轉(zhuǎn)。

替代地，如圖7a-圖7c所示，抗扭轉(zhuǎn)特征170”可以包括由具有相對(duì)低的摩擦系數(shù)的材料制成的涂層172，非限制性地舉例來(lái)說(shuō)，諸如特氟隆涂層、潤(rùn)滑劑涂層、或聚合物涂層。通過(guò)降低光纖形狀傳感器140和纖維腔(例如，圖5所示的纖維腔175)的壁之間的摩擦系數(shù)，當(dāng)醫(yī)療儀器在使用期間曲折、彎曲、以及扭轉(zhuǎn)時(shí)，涂層172可以促進(jìn)光纖形狀傳感器140(例如，光纖形狀傳感器140的近側(cè)部分164和遠(yuǎn)側(cè)部分166兩者的)在纖維腔175內(nèi)的自由旋轉(zhuǎn)。

圖7a和圖7b示出沿其長(zhǎng)度l1的至少一部分由涂層172包圍的光纖形狀傳感器140。圖7a示出光纖形狀傳感器140和抗扭轉(zhuǎn)特征170”的透視圖，并且圖7b示出光纖形狀傳感器140和抗扭轉(zhuǎn)特征170”的穿過(guò)圖7a中的線7b-7b的橫截面圖。在其它實(shí)施例中，代替涂層172被聯(lián)接到光纖形狀傳感器140，涂層172被聯(lián)接到纖維腔。圖7c示出沿其長(zhǎng)度的至少一部分涂覆有涂層172的示例性纖維腔185的橫截面圖。在圖示的實(shí)施例中，纖維腔185包括內(nèi)壁187，并且涂層172覆蓋或涂覆沿纖維腔185的長(zhǎng)度的至少一部分的內(nèi)壁187。光纖形狀傳感器140被示出在纖維腔185的中心腔189內(nèi)延伸。

另外或替代地，如圖8a、圖8b和圖8c所示，抗扭轉(zhuǎn)特征包括鍵鎖特征195，鍵鎖特征195沿光纖形狀傳感器140的長(zhǎng)度的至少一部分延伸，并且經(jīng)配置限制光纖形狀傳感器圍繞縱向軸線oa的扭轉(zhuǎn)。圖8a和圖8b示出聯(lián)接到鍵鎖特征195的光纖形狀傳感器140。圖8a示出光纖形狀傳感器140和鍵鎖特征195的透視圖，并且圖8b示出光纖形狀傳感器140和鍵鎖特征195的穿過(guò)圖8a中的線8b-8b的橫截面圖。鍵鎖特征195包括聯(lián)接到形狀傳感器140的花鍵200。花鍵200可以包括金屬線、聚合物桿、玻璃纖維，或其它合適的剛性或半剛性構(gòu)件的長(zhǎng)度。花鍵200的形狀可以是圓柱形的，或者可以包括細(xì)長(zhǎng)的平坦的或彎曲的表面。花鍵200可以用粘合劑和/或其他機(jī)械聯(lián)接或捆綁(諸如花鍵護(hù)套205)固定到形狀傳感器140。花鍵200與光纖形狀傳感器140的外表面配合，以限制光纖形狀傳感器140至少在鍵鎖特征195的位置處的旋轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)。

圖8c示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的包括光纖形狀傳感器140、鍵鎖特征195和參考傳感器(例如，如在圖2中所示的位置傳感器150)的示例性醫(yī)療儀器400的橫截面圖。除了本文所述的不同之外，醫(yī)療儀器400基本上類似于圖5所示的醫(yī)療儀器173。在醫(yī)療儀器400中，鍵鎖特征195可以通過(guò)將傳感器140的布置固定在纖維腔405內(nèi)來(lái)起作用以限制或消除光纖形狀傳感器140的扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)位移，纖維腔405具有類似于鍵鎖特征195的橫截面形狀的橢圓形或其它細(xì)長(zhǎng)的橫截面形狀。如在圖8c中所示，鍵鎖特征195限制光纖形狀傳感器140通常相對(duì)于醫(yī)療儀器400和/或特別地相對(duì)于位置傳感器150的旋轉(zhuǎn)位移或扭轉(zhuǎn)。其他實(shí)施例可以缺少位置傳感器150。如在圖8c中所示，纖維腔405可以被設(shè)置在醫(yī)療儀器400的主體壁410內(nèi)，從而提供用于光纖形狀傳感器140的導(dǎo)管，該導(dǎo)管使扭轉(zhuǎn)最小化而不增加醫(yī)療儀器400的整體外徑d1。

如在圖8a-圖8c的實(shí)施例中所示，花鍵200可選地包括經(jīng)成形且配置成與光纖形狀傳感器140的外表面210相配合(例如，齊平地坐定)的凹的彎曲的外配合表面215。花鍵護(hù)套205經(jīng)成形且配置成緊緊地包圍光纖形狀傳感器140和花鍵200并且保持它們的配合配置。如圖8b最佳所示，粘結(jié)材料220可選地可以被包括在花鍵護(hù)套205內(nèi)部剩余的空間(即，由光纖形狀傳感器140或者花鍵200未占用的空間)內(nèi)。粘結(jié)材料可以由包括但不限于有粘合力和無(wú)粘合力的填充材料的各種材料中的任何一種形成。

如在圖8a的圖示的實(shí)施例所示，花鍵200包括通常至少與位置傳感器150的長(zhǎng)度(例如，在圖11a中所示的長(zhǎng)度l3)一樣長(zhǎng)的長(zhǎng)度l2。在一些實(shí)施例中，鍵鎖特征195的長(zhǎng)度l2稍長(zhǎng)于位置傳感器150的長(zhǎng)度l3，以考慮鍵鎖特征195(例如，花鍵200)在儀器400的纖維腔405內(nèi)的預(yù)期的平移。在給定的實(shí)施例中，鍵鎖特征195的長(zhǎng)度l1可達(dá)光纖形狀傳感器140的固定旋轉(zhuǎn)的期望的長(zhǎng)度。

在各種實(shí)施例中，鍵鎖特征195的形狀和尺寸可以被設(shè)定成適合于限制光纖形狀傳感器140的旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)的各種形狀和尺寸中的任何一種。例如，雖然圖8a和圖8b所示的鍵鎖特征195被成形為平行圓筒，但是鍵鎖特征195可以包括各種形狀或結(jié)構(gòu)特征中的任何一個(gè)，非限制性地舉例來(lái)說(shuō)，諸如線材、杠桿臂、凹口、或突出部，其經(jīng)成形且被配置成與醫(yī)療儀器120的內(nèi)表面或?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)屬性接合(例如，在纖維腔405內(nèi))，以形成限制或防止光纖形狀傳感器140在醫(yī)療儀器400內(nèi)的扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的鍵形布置。

在一個(gè)實(shí)施例中，如在圖9a中所示，鍵鎖特征195'包括一系列單獨(dú)的花鍵250。在各種實(shí)施例中，鍵鎖特征195'可以包括任何數(shù)量的任何形狀和尺寸的各個(gè)花鍵。在圖示的實(shí)施例中，鍵鎖特征195'包括類似的形狀和尺寸的四個(gè)花鍵250a、250b、250c和250d。花鍵250a、250b、250c和250d各自串聯(lián)地附接到光纖形狀傳感器140，其中在每個(gè)花鍵之間具有小的空間。串聯(lián)地聯(lián)接到光纖形狀傳感器140的多個(gè)花鍵的配置可以允許傳感器140彎曲并保持低的彎曲剛度，同時(shí)保留傳感器140的長(zhǎng)帶鍵部分，以防止傳感器的扭轉(zhuǎn)。

圖9b示出包括一系列單獨(dú)的花鍵260a、260b、260c和260d的鍵鎖特征195”。除本文所述的差異之外，該鍵鎖特征195”基本上類似于在圖9a中示出的鍵鎖特征195'。花鍵260a、260b、260c和260d彼此偏移，使得相鄰的花鍵以相對(duì)于彼此稍微不同的角度(以相對(duì)于光纖形狀傳感器140的縱向軸線oa稍微不同的徑向角度)取向。例如，在圖示的實(shí)施例中，花鍵260a和260c與花鍵260b和260d成角度α取向。在一些實(shí)施例中，偏移可以由將單獨(dú)的花鍵聯(lián)接在一起的彈性緊固件來(lái)實(shí)現(xiàn)。彈性緊固件可以包括各種緊固材料中的任何一種，非限制性地舉例來(lái)說(shuō)，諸如粘合劑。偏移配置可以用作消隙機(jī)構(gòu)，消隙機(jī)構(gòu)創(chuàng)建對(duì)抗經(jīng)配置攜帶光纖形狀傳感器140和鍵鎖特征195”的醫(yī)療儀器的纖維腔的預(yù)加載(例如，在圖8c中所示的纖維腔405)。例如，偏移花鍵260b和260d可以被偏置成對(duì)纖維腔(例如，在圖8c中示出的纖維腔405)的腔表面施加更大程度的摩擦和壓力。

圖10示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的包括纖維腔305的示例性醫(yī)療儀器300的橫截面圖。醫(yī)療儀器300可以與上面參考圖2所述的醫(yī)療儀器120相同。主體310形成具有內(nèi)表面315和外表面320的細(xì)長(zhǎng)的柔性管。主體310的內(nèi)表面315限定中心腔325。中心腔325可以包括醫(yī)療儀器300的工作通道。醫(yī)療儀器300包括經(jīng)配置接收致動(dòng)電纜335的在主體310內(nèi)的多個(gè)致動(dòng)通道330。在其它的實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140能夠被適當(dāng)?shù)芈?lián)接、結(jié)合或附接到內(nèi)表面315或外表面320。內(nèi)表面315還可以限定凹槽，光纖形狀傳感器140可以被定位在凹槽中。在又一些其它的實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140能夠使用例如合適的粘合劑或結(jié)合劑聯(lián)接到外表面320或與外表面320整體形成，并且/或光纖形狀傳感器140可以被定位在孔或凹槽內(nèi)，孔或凹槽形成在外表面320內(nèi)。進(jìn)一步地，光纖140能夠以將光纖140的一部分聯(lián)接在儀器300的近側(cè)部分上的已知參考位置處的方式被聯(lián)接到儀器300。

在圖示的實(shí)施例中，纖維腔305包括經(jīng)配置接收光纖形狀傳感器140的形成在儀器300的主體310內(nèi)的中空管狀空間。在圖示的實(shí)施例中，纖維腔具有橢圓形的橫截面形狀。在其它的實(shí)施例中，纖維腔305可以具有各種橫截面形狀中的任何一種，包括但不限于卵形、圓形、矩形、長(zhǎng)菱形、月牙形、蛇形和螺旋形。在一些實(shí)施例中，如上所述，纖維腔305可以包括經(jīng)配置與沿光纖形狀傳感器140和/或抗扭轉(zhuǎn)特征170形成的對(duì)應(yīng)的凹口、凹陷或突出部配合的至少一個(gè)凹口、凹陷或突出部。在一些實(shí)施例中，抗扭轉(zhuǎn)特征170和纖維腔305可以共享類似的橫截面形狀或輪廓，以限制光纖形狀傳感器140圍繞光纖形狀傳感器140的縱向軸線oa的扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)位移(如上面參考圖8c所述)。

一些實(shí)施例可能缺少單獨(dú)的抗扭轉(zhuǎn)特征170或鍵鎖特征195，并且光纖形狀傳感器140'可以成形為具有與纖維腔305對(duì)應(yīng)的橫截面形狀。換言之，纖維腔305的橫截面形狀可以基本上匹配光纖形狀傳感器140'的橫截面形狀，使得纖維腔自身的形狀限制光纖形狀傳感器140'的扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)位移。在圖示的實(shí)施例中，纖維腔305的橫截面輪廓是橢圓形的，并且纖維腔305緊密地且可滑動(dòng)地接收光纖形狀傳感器140'，光纖形狀傳感器140'也具有橢圓形的橫截面形狀。在此類實(shí)施例中，抗扭轉(zhuǎn)特征170包括光纖形狀傳感器140'和纖維腔305的對(duì)應(yīng)的橫截面形狀。

圖11a-圖11d是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的各自包括光纖形狀傳感器140和另一傳感器(例如，位置傳感器150)的各種醫(yī)療儀器的橫截面圖。圖11a-圖11d分別示出示例性醫(yī)療儀器500、600、700和800。醫(yī)療儀器500、600、700和800可以各自與如圖2所示的醫(yī)療儀器120相同。在一些實(shí)施例中，醫(yī)療儀器500、600、700和800可以各自基本上類似于上述的醫(yī)療儀器173、300或400。下面附圖中的每個(gè)展示了光纖形狀傳感器140、抗扭轉(zhuǎn)特征170(例如，上述的抗扭轉(zhuǎn)特征170'、抗扭轉(zhuǎn)特征170”和/或鍵鎖特征195)和參考傳感器(例如，位置傳感器150)相對(duì)于彼此并且相對(duì)于根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的醫(yī)療儀器的遠(yuǎn)側(cè)部分的示例性布置。在一些實(shí)施例中，醫(yī)療儀器的遠(yuǎn)側(cè)部分接近主動(dòng)可轉(zhuǎn)向的部分。在其他實(shí)施例中，醫(yī)療儀器的遠(yuǎn)側(cè)部分包括醫(yī)療儀器的遠(yuǎn)端。在所示實(shí)施例中的每個(gè)中，光學(xué)纖維形狀傳感器140在沿其長(zhǎng)度的第一位置處被固定到位置傳感器150或醫(yī)療儀器(例如，固定成創(chuàng)建光纖形狀傳感器140和位置傳感器150之間的標(biāo)準(zhǔn)參考關(guān)系)，并且在沿其長(zhǎng)度的第二位置處的聯(lián)接到抗扭轉(zhuǎn)特征170。該配置允許光纖形狀傳感器140到至少一個(gè)參考點(diǎn)的配準(zhǔn)，并且限制光纖形狀傳感器140的扭轉(zhuǎn)，同時(shí)使其能夠在醫(yī)療儀器內(nèi)軸向地平移。

在一些實(shí)施例中，如圖11a所示，光纖形狀傳感器140在與醫(yī)療儀器500的位置傳感器150相同的軸向位置處(例如，在沿醫(yī)療儀器500的縱向軸線la距醫(yī)療儀器500的遠(yuǎn)端相同的軸向距離處)被固定到醫(yī)療儀器500的主體505，以創(chuàng)建用于光纖形狀傳感器140的至少一個(gè)固定的參考點(diǎn)。在圖示的實(shí)施例中，光纖傳感器形狀140(在纖維腔510內(nèi))經(jīng)由結(jié)合劑515(非限制性地舉例來(lái)說(shuō)，諸如粘合劑)被聯(lián)接到主體505。光纖形狀傳感器140被聯(lián)接到靠近或鄰近醫(yī)療儀器500的遠(yuǎn)側(cè)部分520的抗扭轉(zhuǎn)特征170。因此，光纖形狀傳感器140被機(jī)械地防止或限制在遠(yuǎn)側(cè)部分520處扭轉(zhuǎn)，同時(shí)仍然被允許在遠(yuǎn)側(cè)部分520處在纖維腔510內(nèi)平移。

在一些實(shí)施例中，如圖11b所示，光纖形狀傳感器140通過(guò)在位置傳感器150的軸向位置處聯(lián)接到扭轉(zhuǎn)抗性特征170，被機(jī)械地防止或限制在位置傳感器150的軸向位置處扭轉(zhuǎn)。在圖示的實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140(在纖維腔602內(nèi))在靠近或鄰近醫(yī)療儀器600的遠(yuǎn)側(cè)部分610處被固定到醫(yī)療儀器600的主體605。在圖示的實(shí)施例中，光纖形狀傳感器140經(jīng)由結(jié)合劑615被聯(lián)接到主體605。

在一些實(shí)施例中，如圖11c所示，光纖形狀傳感器140被固定到位置傳感器150，位置傳感器150將它本身粘附到醫(yī)療儀器700的主體705，以對(duì)形狀傳感器140提供參考點(diǎn)。在圖示的實(shí)施例中，位置傳感器150和光纖形狀傳感器140經(jīng)由結(jié)合劑710a被粘附到主體705，并且光纖形狀傳感器140經(jīng)由結(jié)合劑710b被直接粘附到位置傳感器150。光纖形狀傳感器140由抗扭轉(zhuǎn)特征170機(jī)械地限制在醫(yī)療儀器700的遠(yuǎn)側(cè)部分715(例如，接近可轉(zhuǎn)向的尖端)處的扭轉(zhuǎn)。抗扭轉(zhuǎn)特征170在遠(yuǎn)側(cè)部分715處被聯(lián)接到光纖形狀傳感器140。

在一些實(shí)施例中，如圖11d所示，光纖形狀傳感器140經(jīng)由結(jié)合劑805被粘附到位置傳感器150。抗扭轉(zhuǎn)特征170在與位置傳感器150相同的軸向位置處被聯(lián)接到光纖形狀傳感器140。然而，光纖形狀傳感器140和位置傳感器150兩者都被允許沿醫(yī)療儀器800的縱向軸線la平移(例如，既不是光纖形狀傳感器140也不是位置傳感器150被粘附到醫(yī)療儀器的主體810內(nèi)的軸向位置)。

在一些實(shí)施例中，關(guān)于在光纖形狀傳感器140中產(chǎn)生壓縮和拉伸的軸向力的知識(shí)可以用于識(shí)別在彎曲測(cè)量方面的扭轉(zhuǎn)力和旋轉(zhuǎn)位移的大小和/或影響，并且還可以用于分離通過(guò)軸向力對(duì)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。關(guān)于軸向力的影響和扭轉(zhuǎn)程度的信息然后可以用于創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，以在算法上描述光纖形狀傳感器140的固定點(diǎn)和參考傳感器(即，位置傳感器150)之間的扭轉(zhuǎn)，以補(bǔ)償用于儀器的計(jì)算的彎曲測(cè)量值。儀器內(nèi)的扭轉(zhuǎn)測(cè)量誤差的知識(shí)還可以允許分離扭轉(zhuǎn)和軸向力的影響，并且允許識(shí)別它們?cè)趶澢鷾y(cè)量方面的各自的影響。算法補(bǔ)償技術(shù)然后用于從最終的彎曲測(cè)量值中去除扭轉(zhuǎn)的影響。

光纖的扭轉(zhuǎn)也能夠通過(guò)減小形狀傳感器140的整體感測(cè)到的長(zhǎng)度來(lái)減輕。圖12a和圖12b示出醫(yī)療儀器900、910，醫(yī)療儀器900、910通過(guò)將感測(cè)到的部分減少到儀器的遠(yuǎn)端和已知的參考點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，來(lái)減輕在光纖形狀傳感器140的感測(cè)部分中的扭轉(zhuǎn)。醫(yī)療儀器900、910可以各自與圖2所示的醫(yī)療儀器120相同。圖12a示出醫(yī)療儀器900，其中光纖形狀傳感器140的基準(zhǔn)標(biāo)記902聯(lián)接到位置傳感器150。基準(zhǔn)標(biāo)記902可以是彎曲、環(huán)狀物、或由跟蹤系統(tǒng)136可檢測(cè)到的其他標(biāo)記。聯(lián)接到位置傳感器150的基準(zhǔn)標(biāo)記902提供軸向參考點(diǎn)。光纖140的形狀可以從基準(zhǔn)標(biāo)記902到光纖的遠(yuǎn)側(cè)尖端904來(lái)測(cè)量。在該實(shí)施例中，光纖的遠(yuǎn)側(cè)尖端位于醫(yī)療儀器900的遠(yuǎn)側(cè)尖端處，但是在替代實(shí)施例中，光纖可以終止于儀器的遠(yuǎn)側(cè)尖端的近端。在可測(cè)量位置中固定基準(zhǔn)標(biāo)記902的位置可以消除對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)標(biāo)記902和光纖140的近端之間的光纖140的易扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度的形狀的需要。

圖12b示出醫(yī)療儀器910，其中光纖形狀傳感器140的基準(zhǔn)標(biāo)記912置保持在與儀器910的遠(yuǎn)側(cè)尖端間隔固定的軸向偏移距離d處。光纖形狀傳感器140的長(zhǎng)度d在不受約束的情況下在儀器910的纖維腔內(nèi)穿過(guò)。纖維在纖維腔內(nèi)的自由運(yùn)動(dòng)可以減少纖維的長(zhǎng)度d的扭轉(zhuǎn)。

圖13示出醫(yī)療儀器920，其通過(guò)在儀器的遠(yuǎn)側(cè)部分(例如可轉(zhuǎn)向的尖端126)的縱向軸線周圍螺旋形地纏繞光纖形狀傳感器140，來(lái)減輕扭轉(zhuǎn)和/或改善用于儀器的長(zhǎng)度的測(cè)量。醫(yī)療儀器920可以與如圖2所示的醫(yī)療儀器120相同。位置傳感器150被示出為位于遠(yuǎn)側(cè)部分126的近端附近，但是可以位于沿導(dǎo)管的其他位置處。可選地，可以省略位置傳感器。如圖13所示，光纖形狀傳感器140可以被螺旋形地纏繞并且固定在可轉(zhuǎn)向的尖端126中的柔性主體124的壁內(nèi)。螺旋形纏繞的特性(包括相對(duì)于柔性主體的縱向軸線的纏繞的角度和彎曲部的最小允許半徑)被選擇以最小化對(duì)光纖的軸向應(yīng)變(壓縮或延長(zhǎng))。例如，螺旋形圖案的特性可以被選擇以將軸向應(yīng)變限制到小于大約1％。在該實(shí)施例中，纖維140在儀器的近端130處的軸向運(yùn)動(dòng)可以不受約束。纖維可以移進(jìn)和移出儀器的近端130，在儀器的近端附近經(jīng)歷最小的軸向應(yīng)變。光纖140可以可選地包括儀器近端130近側(cè)的輔助管束回路(serviceloop)922，輔助管束回路922允許光纖根據(jù)需要軸向地移進(jìn)和移出儀器近端，以適應(yīng)儀器的運(yùn)動(dòng)而沒(méi)有拉伸光纖。輔助管束回路922可以是光纖的任何松弛部分，并且不必是完整的回路。可選地，機(jī)械基準(zhǔn)924(諸如標(biāo)記或傳感器)可以附接到儀器近端130近側(cè)的光纖140。跟蹤機(jī)械基準(zhǔn)提供用于確定光纖的近側(cè)部分的扭轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)。在光纖形狀傳感器中的軸向應(yīng)變使扭轉(zhuǎn)測(cè)量模糊，但是因?yàn)楣饫w軸向應(yīng)變?cè)趦x器的可轉(zhuǎn)向部分126中被最小化，所以光纖140能夠測(cè)量?jī)x器920的遠(yuǎn)側(cè)部分126的扭轉(zhuǎn)。該扭轉(zhuǎn)測(cè)量可以與在儀器的近端處測(cè)量的扭轉(zhuǎn)結(jié)合，以計(jì)算在儀器920中的總扭轉(zhuǎn)。

在替代實(shí)施例中，光纖可以沿柔性主體124的整個(gè)長(zhǎng)度被螺旋形地纏繞并嵌入壁中。在沿整個(gè)長(zhǎng)度纏繞纖維的情況下，軸向應(yīng)變被最小化從而允許扭轉(zhuǎn)在儀器的長(zhǎng)度上被測(cè)量。在該實(shí)施例中，可以在不將光纖的近端固定到機(jī)械基準(zhǔn)的情況下測(cè)量扭轉(zhuǎn)。

圖14示出醫(yī)療儀器930，其通過(guò)將光纖形狀傳感器140的遠(yuǎn)端固定到柔性主體124的遠(yuǎn)端并且將光纖形狀傳感器的近端固定在已知的或可測(cè)量的位置中，減輕了扭轉(zhuǎn)和/或改善了用于任何扭轉(zhuǎn)的測(cè)量。醫(yī)療儀器930可以與如圖2所示的醫(yī)療儀器120相同。位置傳感器150被示出為位于遠(yuǎn)側(cè)部分126的近端附近，但是其可以位于沿導(dǎo)管的其他位置處。可選地，可以省略位置傳感器。光纖例如使用粘合劑、機(jī)械聯(lián)接、或通過(guò)將纖維嵌入柔性主體的壁中可以被附接到柔性主體的遠(yuǎn)端。在該實(shí)施例中，纖維140的在柔性主體124和遠(yuǎn)側(cè)固定位置的近側(cè)內(nèi)的部分可以在柔性主體的形狀傳感器腔內(nèi)自由地浮動(dòng)。纖維140可以包括在儀器近端130近側(cè)的輔助管束回路922，輔助管束回路922允許光纖在儀器彎曲時(shí)根據(jù)需要軸向地移進(jìn)和移出儀器近端。因?yàn)槔w維被允許移進(jìn)和移出儀器的近端130，所以當(dāng)儀器彎曲時(shí)其可經(jīng)歷最小的軸向應(yīng)變。光纖140的近端可以聯(lián)接到參考已知的坐標(biāo)系被固定在已知的位置中的固定裝置933。坐標(biāo)系可以相對(duì)于保持儀器的遠(yuǎn)程操作臂934被固定。遠(yuǎn)程操作臂934可以參照患者圖像，諸如術(shù)前ct圖像，或者參照涉及遠(yuǎn)程操作臂934的坐標(biāo)系的附接到患者的位置傳感器。在該實(shí)施例中，導(dǎo)管的扭轉(zhuǎn)用光纖形狀傳感器140從固定裝置933到纖維的遠(yuǎn)側(cè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

在一些配置中，可能期望使用沿纖維長(zhǎng)度的扭轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)推斷在特定位置處的扭轉(zhuǎn)。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，纖維可以被固定在具有適量松弛的兩個(gè)端部處，以允許沿纖維軸線的滑動(dòng)(例如，圖14)。可以計(jì)算在沿導(dǎo)管的參考系(referenceframe)處(例如在em傳感器150處)的扭轉(zhuǎn)。雖然扭轉(zhuǎn)能夠由纖維直接測(cè)量，但是數(shù)學(xué)模型可以有助于測(cè)量纖維相對(duì)于腔或?qū)Ч艿呐まD(zhuǎn)，纖維能夠相對(duì)于導(dǎo)管上的期望的參考系自由地扭轉(zhuǎn)。一個(gè)模型假定纖維相對(duì)于腔的扭轉(zhuǎn)線性地與距固定點(diǎn)(例如，導(dǎo)管尖端)的距離成比例。其他數(shù)學(xué)模型可以包括適合相對(duì)扭轉(zhuǎn)的多項(xiàng)式或指數(shù)函數(shù)。替代地，扭轉(zhuǎn)可以通過(guò)一些其他的方法來(lái)經(jīng)驗(yàn)地測(cè)量，以測(cè)量纖維相對(duì)于導(dǎo)管針對(duì)特定的彎曲角度或方向的扭轉(zhuǎn)。

如果在導(dǎo)管內(nèi)已知的位置處使用兩個(gè)或更多個(gè)形狀傳感器，則導(dǎo)管扭轉(zhuǎn)的測(cè)量可以使用纖維的相對(duì)形狀(位置)來(lái)測(cè)量，而不考慮任何個(gè)別形狀傳感器的扭轉(zhuǎn)輪廓。在該配置中，纖維可被允許在腔中自由地浮動(dòng)以允許任何施加的扭轉(zhuǎn)的減輕。在扭轉(zhuǎn)的測(cè)量之后，在導(dǎo)管上的參考系諸如em傳感器，可以在相對(duì)于多個(gè)傳感器的某一點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量。

雖然光纖形狀傳感器和位置傳感器系統(tǒng)在本文中已相對(duì)于遠(yuǎn)程操作或手動(dòng)操作的外科手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行描述，但是這些傳感器能夠在各種醫(yī)療和非醫(yī)療儀器中找到應(yīng)用，其中準(zhǔn)確的儀器彎曲測(cè)量否則將由于形狀傳感器的扭轉(zhuǎn)或其他旋轉(zhuǎn)移位而受損。

在本發(fā)明的實(shí)施例中的一個(gè)或更多個(gè)元件可以用軟件實(shí)施，以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(諸如控制系統(tǒng)108)的處理器上執(zhí)行。當(dāng)用軟件實(shí)施時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例的元件本質(zhì)上是執(zhí)行必要任務(wù)的代碼段。該程序或代碼段能夠被存儲(chǔ)在處理器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)或設(shè)備中，該程序或代碼段可以已經(jīng)通過(guò)實(shí)施在傳輸介質(zhì)或通信鏈路上的載波中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)下載。該處理器可讀存儲(chǔ)設(shè)備可以包括能夠存儲(chǔ)信息的任何介質(zhì)(包括光學(xué)介質(zhì)、半導(dǎo)體介質(zhì)和磁介質(zhì))。處理器可讀存儲(chǔ)設(shè)備的示例包括電子電路；半導(dǎo)體器設(shè)備、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備、只讀存儲(chǔ)器(rom)、閃速存儲(chǔ)器、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(eprom)；軟盤、cd-rom、光盤、硬盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備。代碼段可以經(jīng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)諸如因特網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)等來(lái)下載。

注意，呈現(xiàn)的處理和顯示可并不固有地與任何特定的計(jì)算機(jī)或其他裝置相關(guān)。各種通用系統(tǒng)可以根據(jù)本文的教導(dǎo)與程序一起使用，或者可以證明便于構(gòu)造更加專業(yè)的裝置以執(zhí)行描述的操作。用于各種這些系統(tǒng)的所要求的結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)為權(quán)利要求書中的元件。另外，本發(fā)明的實(shí)施例并沒(méi)有參考任何特定的編程語(yǔ)言來(lái)描述。應(yīng)當(dāng)理解，各種編程語(yǔ)言可以用于實(shí)施如本文所述的本發(fā)明的教導(dǎo)。

雖然在附圖中已經(jīng)描述和示出本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解此類實(shí)施例對(duì)于寬泛的發(fā)明來(lái)說(shuō)僅僅是說(shuō)明性的，而不是限制性的，并且本發(fā)明的實(shí)施例并不限于所示和所述的特定構(gòu)造和布置，因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以想到各種其他修改。