用于光学形状感测的多用途内腔设计的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及光学形状感测仪器，并且更具体地涉及一种用于与形状感测光纤一起使用的内腔，其保护并允许光纤的旋转。
【背景技术】
[0002]光学形状感测(OSS)在手术介入期间使用沿多芯光纤的光用于设备定位和导航。基于光纤的形状感测利用常规光纤中的固有背向散射。所涉及的原理利用使用特征性的瑞利背向散射或受控的光栅图案的光纤中的分布的应变测量结果。
[0003]将光学形状感测纤维集成到医学设备中能够提供在身体内部的导航期间使用的定位信息。很多介入设备具有小的横截面足迹，这限制可用于包含光纤的空间量。另外，纤维被集成到设备中的方式能够影响OSS和设备的性能。
【发明内容】
[0004]根据本原理，一种形状感测启用仪器包括柔性纵向主体，所述柔性纵向主体包括封装内部特征的外表面。所述内部特征包括光纤内腔和机械构件，其中，所述光纤内腔被配置为接收用于光学形状感测的一个或多个光纤，所述机械构件形成沿所述主体纵向延伸的空腔。所述机械构件被配置为将所述光纤内腔容纳在所述机械构件中以准许光纤的旋转和平移并保护光纤。
[0005]—种形状感测系统包括形状感测启用医学仪器，所述形状感测启用医学仪器包括柔性纵向主体，所述柔性纵向主体包括封装内部特征的外表面。所述内部特征包括光纤内腔和机械构件，其中，所述光纤内腔被配置为接收用于光学形状感测的一个或多个光纤，所述机械构件形成沿所述主体纵向延伸的空腔。所述机械构件被配置为将所述光纤内腔容纳在所述机械构件中以准许光纤的旋转和平移并保护光纤。控制台被配置为从所述一个或多个光纤接收光学信号并解读所述光学信号以确定所述仪器的形状。
[0006]—种用于在形状感测启用仪器中感测形状的方法包括提供形状感测启用仪器，所述形状感测启用仪器包括柔性纵向主体，所述柔性纵向主体包括封装内部特征的外表面。所述内部特征包括光纤内腔和机械构件，其中，所述光纤内腔被配置为接收用于光学形状感测的一个或多个光纤，所述机械构件形成沿所述主体纵向延伸的空腔。所述机械构件被配置为将所述光纤内腔容纳在所述机械构件中以准许光纤的旋转和平移并保护光纤;从所述一个或多个光纤接收光学信号;并且解读所述光学信号以确定所述仪器的形状。
[0007]本公开的这些和其他目的、特征和优点将从要结合附图进行阅读的其说明性实施例的下面的【具体实施方式】中变得显而易见。
【附图说明】
[0008]本公开将参考以下附图详细呈现对优选实施例的以下描述，其中:
[0009]图1是示出了根据一个实施例的采用用于将纤维内腔或通道容纳在其中的机械构件的形状感测系统的框图/流程图；
[0010]图2是根据一个实施例的在支撑构件中具有纤维内腔的形状感测启用导丝的横截面视图；
[0011]图3是根据一个实施例的在中空支撑构件中具有纤维空腔的形状感测启用导管的横截面视图；
[0012]图4是根据另一实施例的在中空牵引线(pullwire)中具有纤维内腔的形状感测启用导管的横截面视图；
[0013]图5是示出了根据说明性实施例的用于在形状感测启用仪器中感测形状的方法的框图/流程图。
【具体实施方式】
[0014]根据本原理，一种光纤承载内腔被配置为通过阻止来自外部环境的振动、提供光滑连续且无挤压的内腔并且准许纤维在内腔内自由滑动来改善形状感测性能。形状感测性能还能够通过将设备的扭矩从纤维的扭转去耦而得到改善。
[0015]根据本原理，多用途内腔设计被采用于介入设备，其解决了纤维集成中的至少三个挑战。这些挑战包括设备中可用的有限的横截面面积、纤维与外部环境的保护和隔离以及外部扭矩从纤维扭转的去耦。
[0016]在许多介入设备内部，有限的横截面面积是可用的。呈现如下重大挑战:在给定介入设备的横截面足迹中可用的有限空间的条件下，创建针对纤维的最佳内腔。例如，纤维尺寸的外直径在几百微米量级。在许多情况下，介入设备在小的横截面面积(例如，在6个法国导管的情况下约2.1mm)内包括导丝通道、一个或多个支撑杆、结构编织和牵引线(在致动设备的情况下)。当前实施例通过配置医学设备的现有特征来创建针对光学形状感测纤维的内腔来克服该空间限制。在一些情况下，利用较大直径内腔来改善光学形状感测性能。
[0017]在OSS中需要与外部环境的保护和隔离，这采用对沿多芯光纤的应变的计算来重建沿纤维的形状。因此，形状稳定性和重建准确性容易受到张力、扭转、振动和挤压的变化的影响。将该技术集成到在动态环境中使用的介入设备中(例如脉管导航中的介入设备)能够导致由于至少以下效应引起的OSS性能的显著下降:I)由于在曲率诱发的路径长度改变期间在形状感测纤维与内腔壁之间的摩擦引起的纵向粘滑行为(张力)；以及2)由于在设备的扭转期间在纤维与内腔之间的摩擦引起的旋转粘滑;3)由于设备的弯曲以适应解剖结构引起的内腔的椭圆化引起的纤维的挤压;4)由于设备的尖端的壁刮擦、仪器的临床医生处理、设备周围的血流、心脏搏动运动等引起的振动。
[0018]包括设备内的光纤的内腔需要被仔细设计以降低在纤维上的振动、挤压、扭转和摩擦的负面影响。用于光学形状感测纤维的最佳内腔优选地包括:大内腔直径;结构化内腔横截面，其用于在弯曲期间内腔椭圆化的减小，振动阻尼效果和具有无过渡或挤压点的连续内腔。
[0019]关于扭转的去耦，光学形状感测位置的准确性随着沿感测器的长度增加的扭转而降低，由于医学仪器的扭转在许多流程中是常见的，在设计设备中存在相当大的值以将设备的扭矩从传感器的扭转去耦，或减小设备的扭矩。在仔细选择内腔位置和性质的情况下，能够将仪器扭矩从纤维的扭转去耦。
[0020]应当理解，本发明将在医学仪器方面进行描述;然而，本发明的教导更宽泛并且适用于任何光纤仪器。在一些实施例中，在跟踪或分析复杂生物或机械系统中采用本原理。具体地，本原理适用于生物系统的内部跟踪流程、身体的所有区域(例如肺部、胃肠、排泄器官、血管、等等)的流程。在附图中描绘的元件可以以硬件和软件的各种组合来实现，并且提供可以以单个元件或多个元件组合的功能。
[0021]在附图中示出的各种元件的功能能够通过使用专用硬件以及能够与适当软件联合执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，能够由单个专用处理器、单个共享处理器、或多个个体处理器来提供功能，其中一些能够共享。另外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当被解读为仅仅涉及能够执行软件的硬件，并且能够隐含地包括而不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM” )、非易失性存储器等。
[0022]另外，本文中记载本发明的原理、方面和实施例的所有表述及其特定实施例意为涵盖其结构和功能等效方案。另外，意图将这样的等效方案包括当前已知的等效方案以及未来开发的等效方案(即，开发的执行相同功能的任何元件，无论其结构如何)。因此，例如，本领域技术人员将理解，本文中呈现的框图表示实现本发明的原理的说明性系统部件和/或电路的概念性视图。类似地，将认识到，任何流程表、流程图等表示可以基本上被表示在计算机可读存储介质中并由计算机或处理器执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否明确示出。
[0023]另外，本发明的实施例能够采用可从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品，所述计算机可用存储介质或计算机可读存储介质提供用于由计算机或任何指令执行系统使用或与计算机或任何指令执行系统一起使用的程序代码。为了达到该描述的目的，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、通信、传播或传送由指令执行系统、装置或设备或与指令执行系统、装置或设备一起使用的程序的任何装置。所述介质能够是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光谱的当前范例包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)、蓝光tMPDVD。
[0024]现在参考附图，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件，并且首先参考图1，根