用于将光学形状感测使能的设备中的光纤扭曲最小化的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及医学仪器，并且更具体而言，用于降低医学应用中的形状感测光纤中的扭曲。
【背景技术】
[0002]基于光纤光学的形状感测利用常规光纤中的固有背散射。使用的原理是在具有特征瑞利散射模式的光纤中，例如在标准单模通信光纤中，的分布式应变测量。作为纤芯中的折射率的随机波动的结果，发生瑞利散射。这些随机波动能够利用沿长度的幅度和相位的随机变化来建模。光纤布拉格光栅也可以被采用。通过使用延伸在多芯光纤的单个长度内的3个或更多个芯中的这些效应，感兴趣表面的三维(3D)形状和动态能够被重建。
[0003]利用其中一个芯被定位在横截面的中央中的4个或更多个芯的光纤系统，人们能够分离由于弯曲和温度效应的应变，只要没有施加轴向应变(拉伸)，或者如果拉伸是已知和可控的(或能够被校准)。参考文件存储外部芯围绕中央芯的缠绕率的值(也被称为摆动)，但当出现过度扭曲时，变得更加难以辨别该效应，因为摆动的变化率以非线性速率增加。这常常导致关于光纤纵轴的超过231扭转的不准确性和超过631扭转的不稳定性。
[0004]将光纤集成到固定端部光学形状感测(OSS)使能的设备涉及将光纤的起始区域固定在起始固定件内，并且将光纤的端部固定在仪器的远端内。假设起始固定件被刚性地附接到操作台或其他结构，这两个固定点当仪器在介入期间被扭转时会导致沿光纤的长度的扭曲的累积。该扭曲值的知识被用于测量仪器的滚动自由度。然而，OSS光纤仅能够直到关于其轴在任一方向上的近似231扭曲产生准确的形状重建，在接近于631的累积扭曲失去稳定性。
[0005]扭曲能够在操纵期间由操作者旋转仪器而引入，或者当仪器被移动时由光纤与仪器腔之间的摩擦(粘贴-滑动)而引入。在临床使用期间，尤其是在脉管流程中，医师常常将导丝/仪器旋转(或扭转)通过多个转。这样的扭转导致固定端部设备中的扭曲的累积，其尽管对于测量设备的取向必要，但是令形状感测失去准确性，然后稳定性，并且最终导致形状重建的故障。这种限制严重影响固定端部OSS设备的临床适用性，因为其对临床医师施加限制。因此，以下是重要的:将由临床医师施加在光纤上的扭曲量最小化，同时确保仪器的取向仍然已知，并且仍然能够以普通方式操作和扭转仪器。
【发明内容】
[0006]根据本原理，一种用于光学形状感测使能的仪器的光纤扭曲降低系统包括:可旋转起始固定件，其被配置为容纳光纤。光学形状感测使能的设备包括被设置于其中的所述光纤。旋转机构被配置为响应于所述光纤的扭曲来旋转所述光纤，以降低沿其长度的累积的扭曲。
[0007]—种用于光学形状感测使能的仪器的纤维扭曲降低系统包括:光学形状感测使能的设备，其具有包括被设置于其中的至少一条光纤。可旋转起始固定件被配置为容纳所述至少一条光纤，并且旋转机构被配置为旋转所述至少一条光纤的起始区域。控制器被耦合到所述旋转机构，并且被配置为使得所述旋转机构能够响应于所述至少一条光纤的扭曲，以至少降低所述至少一条光纤内的累积的扭曲。
[0008]—种用于降低针对形状感测使能的设备的光纤中的累积的扭曲的方法包括:提供被配置为容纳至少一条光纤的可旋转光纤起始固定件，包括被设置于其中的所述至少一条光纤的光学形状感测使能的设备，以及被配置为旋转被设置在所述可旋转光纤起始固定件中的所述光纤的旋转机构;测量被设置在所述光学形状感测使能的设备内的所述至少一条光纤中的扭曲；并且响应于所述扭曲，使用所述旋转机构来旋转所述光纤起始固定件，以至少降低在所述至少一条光纤内的累积的扭曲。
[0009]根据对本公开的下面的说明性实施例的【具体实施方式】详细描述一一要结合附图进行阅读一一本公开内容的这些及其他目标、特征和优点将变得显而易见。
【附图说明】
[0010]本公开将参考以下附图来详细地呈现下面的优选实施例的描述，其中:
[0011]图1是示出根据说明性实施例的具有可旋转起始固定件和控制的形状感测系统的方框/流程图；
[0012]图2是根据说明性实施例的可旋转起始固定件的缺省位置的透视视图；
[0013]图3是示出针对具有固定端部的光学形状感测设备的通过绘制扭曲(弧度)对指数计数的累积扭曲的曲线图；
[0014]图4是示出针对根据本发明的原理的具有扭曲补偿的具有固定端部的光学形状感测设备的通过绘制扭曲(弧度)对指数计数的累积扭曲的曲线图；
[0015]图5是示出根据说明性实施例的在第一方向上的补偿的扭曲的可旋转起始固定件的透视图；
[0016]图6是示出根据说明性实施例的在第二方向上的补偿的扭曲的可旋转起始固定件的透视图；
[0017]图7是示出根据说明性实施例的用于在光学形状感测光纤中的累积的扭曲降低的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]根据本发明的原理，提供一种装置和方法，用于例如使用单个自由度致动的起始固定件来对光学形状感测(OSS)中的扭曲进行测量和计数。固定件操纵OSS光纤的起始区域，以将沿光纤的长度的累积的扭曲最小化。在一个实施例中，所述装置包括电机、编码器、电机控制器以及适合沿光纤的轴旋转起始区域的机构。通过以下方式来将扭曲最小化:利用来自光纤的扭曲信号闭合电机控制回路，使得当在光纤中观察扭曲的累积时，电机将旋转起始区域以将扭曲值驱动到零。
[0019]因为该旋转也将有效地改变光纤重建的坐标系(例如，其将引起关于光纤的z轴，即沿其纵轴的旋转)，因此需要编码器来测量起始区域经历的实际角位移，使得能够在正确的参考框架内准确地重建光纤的形状和取向。单自由度(1-DoF)机构被致动以将固定端部设备中的扭转累积最小化，这也允许测量设备的滚动自由度。机器人或机电机构可以被采用，其以将扭曲最小化的方式来移动光纤的起始/近端段，如描述的。
[0020]因此，本原理将由临床医师施加在光纤上的扭曲量最小化，同时确保仪器的取向仍然已知。所述仪器仍然能够由临床医师以普通方式来操作和扭转。各个实施例可以包括机器人/机电机构，所述机器人/机电机构以将扭曲最小化的方式来移动光纤的起始/近端段。
[0021]还应当理解，将关于医学仪器来描述本发明；然而，本发明的教导要宽泛得多，并且，本发明可应用于任何光纤光学仪器。在一些实施例中，采用本发明的原理来追踪或分析复杂的生物系统或机械系统。具体而言，本发明的原理可应用于:生物系统的内部追踪流程、身体的所有区域(例如肺、胃肠道、排泄器官血管等)中的流程。图中描绘的元件可以在硬件和软件的各种组合中进行实现，并且提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功會K。
[0022]可以通过使用专用硬件和能够执行软件的与适当的软件相关联的硬件来提供附图中示出的各种元件的功能。在由处理器提供时，可以由单个的