针对光学形状感测纤维的智能工具夹具的制作方法
【专利摘要】一种在介入程序期间夹持并操纵工具的方法、系统和程序产品。所述设备包括：夹具主体，其与形状感测光纤纤维固定相接；多个工具中的一个，其所述夹具主体夹持为与所述形状感测光纤纤维耦合对齐。
【专利说明】针对光学形状感测纤维的智能工具夹具
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]相关申请为“Flexible Tether with Integrated Sensors for DynamicInstrument Tracking”,美国专利商标局s/n61/391137,于2010年10月8日递交，在此通过引用将其并入并作为本申请的部分。
【技术领域】
[0003]本发明涉及医学图像引导介入领域，并且尤其涉及用于介入或外科手术程序的针对光学形状感测纤维的智能工具夹具。
【背景技术】
[0004]光纤 形状感测(OSS)系统对于设备跟踪非常有价值，因为它们提供沿设备整个长度的3D位置和形状信息。这例如允许将仪器配准到术中或术前医学图像，由此在介入或外科手术程序期间辅助引导导航。
[0005]由于小的纤维覆盖尺寸(小于约400 μ m)，OSS使能的设备可以被用于血管内和腔内介入中的导航，所述介入涉及穿过小直径的血管和腔。该小的覆盖尺寸也允许OSS使能的设备以微创方式，接近标准内窥镜所不能到达的诸如外围气道的区域。
[0006]然而，仅到达靶点并不是最终目标，并且在大多数医学程序中，在导航步骤之后，执行诸如活检或药物递送的动作。目前的OSS使能的设备不适于执行这样的动作。
【发明内容】
[0007]提供一种用于在介入程序期间夹持工具的设备和方法。所述设备包括:夹具主体，其与形状感测光纤纤维固定相接；多个工具中的一个，其被所述夹具主体夹持为与所述形状感测光纤纤维耦合对齐。
[0008]根据一个实施例，同时使用并夹持至少两个工具。在一个实施例中，至少一个工具为传感器，并且另一个工具响应于来自所述传感器的读数而被部署。
[0009]根据一个实施例，多个工具中的一个由所述工具夹具操作。所述夹具主体可以部署或以其他方式，响应于来自用户的手动输入，响应于由用户通过工作站或直接输入设备生成的信号，或者响应于来自所述夹具主体上或由所述夹具主体夹持的传感器的信号，来操作所述工具。
[0010]根据一个实施例，所述工具夹具还包括逻辑设备，其中，所述逻辑设备激活多个工具中的所述一个。所述激活可以包括从所述夹具主体伸出所述工具。可选地，所述激活可以包括为工具动作提供动力。
[0011]根据一个实施例，多个工具被存储在所述夹具主体中，并且所述多个工具中的一个由致动器通过夹头部署。所述致动器可以由通过所述形状感测光纤纤维的光学信号触发。
[0012]根据一个实施例，所述设备可以还包括处理器设备和传感器，其中，所述多个工具包括标识，并且所述传感器感测被夹持在所述夹头中的所述工具中的所述一个上的所述标识，并将所述标识发送到所述处理设备，以识别所述多个工具中被夹持在所述夹头中的一个。在一个实施例中，所述处理设备使用所述标识来选择所述工具中的一个。
[0013]根据一个实施例，所述夹具主体包括邻近所述光纤的远端的光收发器，用于发送和接收通过所述光纤的数据。
[0014]根据一个实施例，所述夹具主体包括用于收集样品的腔室。
[0015]根据一个实施例，所述夹具的主体尺寸与所述光纤纤维大体相同。
[0016]根据本发明的另一方面，提供一种用于执行医学介入的系统，所述系统包括:形状感测光纤线缆、被固定到所述形状感测光纤纤维的远端的工具夹具、至少一个处理器、可操作地与所述至少一个处理器连接的至少一个存储器以及由所述夹具主体夹持为与所述光纤线缆耦合对齐的至少一个工具，其中，所述处理器启动所述至少一个工具的动作。
[0017]根据一个实施例，所述动作为所述至少一个工具的运动。可选地，所述动作可以为给所述至少一个工具提供动力。根据另一实施例，所述动作为选择所述至少一个工具中的一个。根据另一实施例，所述动作为传送来自所述至少一个工具的数据。[0018]在其他实施例中，可以由所述处理器启动其他动作以及动作的各种组合。
[0019]根据本发明的另一方面，提供一种用于用被固定到形状感测光纤的远端的工具夹具来执行介入的方法。所述方法包括:接收刺激以执行工具动作；以及触发所述工具动作。
[0020]根据一个实施例，所述刺激为由用户启动的命令。根据另一实施例，所述刺激为来自被附接到所述工具夹具的传感器的读数。
[0021]根据一个实施例，所述动作是所述至少一个工具的运动。根据其他实施例，所述动作可以为:给所述至少一个工具提供动力，选择所述至少一个工具中的一个，以及传送来自所述至少一个工具的数据。
[0022]根据一个实施例，所述工具动作是用患者外部的所述夹具主体执行的。根据其他实施例，所述工具动作是用患者内部的夹具主体以及用部分在患者内部的所述夹具主体执行的。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]在结合附图阅读时，本发明的特征和优点将从以下对优选实施例的详细描述而被更清楚地理解。附图中包括下图:
[0024]图1为根据本发明的一个实施例的、用于在介入程序中夹持工具的设备的截面视图；
[0025]图2为根据本发明的另一实施例的、用于在介入程序期间夹持工具的设备的截面视图；
[0026]图3为根据本发明的另一实施例的、用于在介入程序期间夹持工具的设备的截面视图；
[0027]图4为图3中的设备部署了多个工具中的一个的截面视图；
[0028]图5为根据本发明的实施例的、用于用远程触发的工具动作执行介入的方法的流程图；
[0029]图6为根据本发明的实施例的、用于用自动触发的动作执行介入的方法的流程图；
[0030]图7为根据本发明的实施例的、用于用智能工具夹具与OSS工作站之间的通信执行介入的方法的流程图；以及
[0031]图8为根据本发明的实施例的智能工具夹具的方框图。
【具体实施方式】
[0032]本发明提供一种用于在介入程序期间夹持工具的设备和方法。根据一个实施例，工具夹具主体20被附接到OSS使能的线缆10。工具夹具主体20的尺寸可以与光纤线缆10相近或小于光纤线缆10的尺寸，以允许导航通过小的血管/腔，或者允许接近外围气道
坐坐寸寸O
[0033]夹具主体20可以通过任意合适的附接手段被附接到光纤线缆10，例如机械的、气动的、电磁压接、夹接、粘接、模接或任意其他合适的固定技术。
[0034]与光纤线缆10相对，多个工具中的一个工具40可交换地被夹具主体20夹持为与形状感测光纤线缆10耦合对齐。根据一个实施例，所述工具被夹头30夹持为耦合对齐。夹头30可以通过螺纹接合、焊接、粘接、模接或任意其他合适的附接技术，被附接到夹具主体20。夹头30可以为套爪夹具、指形夹头、磁性夹头、真空夹头或者适用于与光纤纤维耦合相接地夹持手术工具的任意其他类型的夹头。
[0035]工具40可以为用于切割的工具，例如刀片、手术刀、剪刀等等。工具40可以可选地为用于收集样品或活检或用于抽取流体的工具，例如钳、刷、钩或弯弧、吸引设备等等。工具40可以可选地为用于注射药物、干细胞等等的针等等。工具40可以为扩张设备，例如气囊或扩张网，用于扩大腔或用于在组织或器官内创建腔。工具40可以为感测/成像设备，例如相机、超声换能器等等。工具40也可以为可由外部成像系统探测的指针，用于在结构处定点或用于配准。工具40也可以为消融工具，递送热、射频能量、激光、电能或适用于腔内或血管内或其他内部消融程序的任意其他能量源。工具40也可以为成形、形成或路径选择设备，例如用于在规划且受控的方向钻孔的钻，用于在整形或牙科应用中绘制轮廓线或形成表面的修磨钻头。所述多个工具可以包括前面提及的工具和/或适用于介入程序的任意其他工具的任意组合。在程序期间可以使用不同工具或者在不同程序中用相同的OSS纤维和夹具主体，以减少与形状感测光纤纤维相关联的成本。
[0036]所述工具可以可移除地或永久性地被附接到夹具主体20。同样所述工具可以是可重复使用的或一次性的，并且可以可附接到不同OSS纤维的远端。
[0037]根据可选的实施例，一个或多个工具可以可移除地或永久性地通过可选的夹持手段被工具夹具主体20夹持，例如:被与夹具主体20整体模接，使用粘结，螺纹接合，任意其他机械的、化学的、气动的或电磁的，或适用于暂时或永久附接的其他固定技术，被附接到所述夹具主体。
[0038]如在图2中所示，多个工具22、40可以同时被夹具主体20夹持。在所图示的范例中，永久整体工具22，例如传感器或抽吸工具通过永久性附接被夹持，或者通过被整体形成或加工成夹具主体20 而被夹持。同时，另一工具40，其通过举例的方式可以为用于切割的解剖刀，使用夹头30被所述夹具主体夹持。因此，在解剖刀40进行切割时，第一工具22可以为传感器，其感测所述切割的位置，或者感测所述切割的完成；或者可以为用于捕获所切割的组织的抽吸工具。本领域技术人员将理解，前文仅为可以在用于各种医学介入程序的OSS使能的设备上有用的工具的各种组合的范例。
[0039]根据一个实施例，夹具主体20可以还包括用于收集组织或流体的样品的灭菌腔室25，如在图2中所示。例如，抽吸工具可以被用于提取流体的样品或被切割的组织的样品，并且所述样品可以被存储在腔室25中，直到其在所述介入期间或之后被排出。
[0040]根据另一实施例，被附接到OSS使能的线缆10的工具夹具20可以包括一个或多个可部署工具。如在图3中所示，一个或多个工具40A、40B、40C可以被设置在夹具主体20内的致动设备50上。所述致动设备可以包括一个或多个致动器42，例如弹簧、螺线管等等，以通过夹持手段32 (例如锥形夹头等)操纵选择的工具40A与光纤纤维10耦合对齐，如在图4中所示。
[0041]致动设备50可以响应于手动用户输入、用户输入的信号、来自成像系统的信号或来自包括被固定到夹具主体20的另一工具的传感器的信号，来部署选择的工具40A。根据一个实施例，用户例如在 所述用户确定所述夹具主体已被成功导航到介入靶时，提供输入以部署选择的工具40A。所述用户输入可以通过光纤纤维或通过有线或无线信号，或通过任意其他合适的传输手段被传输。
[0042]所述手动用户输入可以包括，例如推或拉释放机构或被附接到释放机构的线，其将所选择的工具保持在所述夹具主体中的未部署位置。
[0043]根据另一实施例，制动设备50包括逻辑设备，或可操作地与逻辑设备连接，所述逻辑设备确定何时部署所选择的工具40A并触发所述致动。所述逻辑设备可以在夹具主体20内部，或者可以为通过光纤纤维、无线传输或任意其他合适的通信手段与所述致动设备通信的工作站。所述逻辑设备可以基于来自传感器(其为由夹具主体20夹持的所述工具中的一个)的读数，或者基于来自成像系统的计算结果(例如来自对夹具主体20在靶位置处的形状感测的确定结果)，确定何时部署选择的工具40A。根据一个实施例，所述逻辑设备可以为一个或多个处理器，例如微处理器，可编程逻辑设备，例如EPR0MS/EEPR0M，或任意其他合适的设备。可以通过来自逻辑单元、时间距离、磁性刺激、光刺激或它们的任意组合的有线或无线信号，来触发所述致动设备。
[0044]根据一个实施例，工具40A、40B等具有可以被夹具主体20读取的标识，以识别选择的工具。所述标识可以为蚀刻或涂绘的标志、RFID芯片、磁性标识，或适合于用定位于夹具主体20中的光学、射频、磁性或任意其他传感器读取的任意其他标识。
[0045]可以将所述标识与被存储于工具夹具20中的、可由所述工具夹具访问的或可由与所述工具夹具通信的工作站访问的存储器中的数据库组合。所述库可以包括例如，用于在成像系统上准确表示所选择的工具的数据。同样，所述数据可以被用于优化配准，或者与所述成像和监测环境组合的所述工具的其他用途。
[0046]根据一个实施例，数据存储设备可以被附接到每个工具或者可以是与每个工具一体的。所述数据存储设备可以存储有关所述工具的数据，例如用于在尖端外推中使用的工具标识和工具配置，以在所述OSS或其他成像显示上准确表示所述工具。为了读取所述数据存储设备上的所述数据，所述工具夹具可以被装配有合适的传感器，例如光学扫描器，其可以定位于致动设备50中，例如，以读取每个工具后端的数据存储设备。
[0047]根据一个实施例，工具夹具20被装配有光探测器24，如在图2中所示，用于通过光纤纤维10接收通信信号。光探测器24也可以为光收发器，在夹具主体20接收和发送信号两者，允许到OSS成像工作站和从OSS成像工作站的通信。所述光探测器或光收发器被定位为邻近所述光纤的所述远端，以将光学信号发送到所述纤维并从所述纤维接收光学信号。
[0048] 逻辑设备和传感器可以被用于选择、部署、伸出、改变并操作工具夹具主体20中的各种工具。例如，用户命令可以通过光纤10被发送到图2中所示的光探测器24。所述光探测器器可以然后将所述命令信号发送到所述逻辑设备，所述逻辑设备使用所述工具上的数据存储设备，以定位所识别的工具，并触发对应的制动设备50，以部署在所述命令中识别的所选择的工具。同样，位于每个工具后端附近的传感器可以感测标识以及有关所述工具的其他数据，并将该数据提供给所述逻辑设备。例如，可以从热敏电阻接收温度数据，该温度数据可以例如被提供给所述逻辑设备并且被用于确定何时停止消融工具。
[0049]可选地，所述逻辑设备可以被操作性地连接到决策支持数据库，使得所述逻辑设备基于应用特异的要求和/或实时信息选择或建议特定工具。
[0050]可以在所述夹具主体在患者外部、患者内部或部分在患者内部时，部署或操作选择的工具。
[0051]图5为根据本发明的实施例的用于用远程触发的工具动作执行介入的方法的流程图。图8中所示的逻辑设备830，例如微处理器，接收信号以执行工具动作(步骤510)。所述动作可以为对工具进行部署、伸出、缩回、启动、停止或改变，或者其可以为可以由工具执行的任意其他动作。所述信号可以为通过有线连接或无线连接850传输的用户启动的电子信号，或者通过光纤纤维10被传输到可操作地连接到逻辑设备830的光探测器24的用户启动的光学信号。可选地，所述信号可以由所述OSS工作站基于图像分析而启动，并通过任意合适的手段被传送到光探测器24或连接850。
[0052]当多于一个工具被工具夹具20夹持时，所述信号可以指示或指定哪个工具执行动作。逻辑设备830识别所指定的工具(步骤520)。亦即，逻辑设备830使用一个或多个传感器820，以读取来自所述工具的数据810。所述数据可以为被涂绘或蚀刻到所述工具背上的标记、被存储在附接到所述工具后部的所述数据存储设备中的数字数据、被附接到所述工具后部的RFID芯片或适用于在所述工具上存储数据的任意其他形式。传感器820为光学扫描器、有线或无线连接器、RFID接收器，或适用于从所述工具取回数据810的其他传感器。
[0053]所述逻辑设备触发所述合适的工具动作(步骤530)。根据一个实施例，逻辑设备830被可操作地与致动器50连接，并且逻辑设备830发送引起所述致动器致动的信号。例如，所述信号可以引起弹簧制动器释放锁，引起所述弹簧伸出并将所述工具推入伸出位置。可选地，所述信号可以触发螺线管以致动并伸出或缩回所述工具，或者推出注射工具的柱塞，或者打开或关闭抓取工具。根据其他实施例，所述信号可以打开针对钻具或抽吸工具的电机，打开针对消融工具的电源，改变工具，启动任意其他合适的工具动作。
[0054]图6为根据本发明的实施例用自动触发的动作执行介入的方法的流程图。逻辑设备830接收触发阈值(步骤610)。所述触发阈值可以是，例如从所述OSS工作站、从另一处理设备、直接从用户输入或任意其他合适的源被接收的。所述触发阈值可以为针对工具夹具20中的传感器工具的传感器读数、时间段或针对工具动作的任意其他合适的参数。[0055]逻辑设备830接收参数数据(步骤620)。所述参数数据可以为传感器读数、来自计时电路的经过时间或其他合适的数据。
[0056]逻辑设备830将所述参数数据与所述阈值进行比较(步骤625)。如果所述数据满足所述阈值，则所述逻辑设备触发工具动作(步骤630)。如果所述数据不满足所述阈值，则所述逻辑设备继续将所述数据与所述阈值进行比较(步骤625)。
[0057]图7为根据本发明的实施例的、用智能工具驾驭与OSS工作站之间的通信执行介入的方法的流程图。逻辑设备830取回工具标识(步骤710)。工具标识可以使用传感器820从所述工具取回。逻辑设备830还从工具配置数据库取回配置数据(步骤720)。使用所述配置数据，所述逻辑设备外推所述工具的所述尖端相对于所述形状感测纤维的所述远端的位置(步骤730)。所述逻辑设备将所述外推的尖端数据发送到所述OSS工作站(步骤740)。所述尖端数据可以经由光收发器24通过所述光纤或者通过另一种连接850被发送到所述工作站(图8)。可选地，所述数据可以通过有线或无线连接器从逻辑设备830被发送到所述OSS工作站或任意其他处理设备。类似地，数据可以通过光收发器24或其他连接850被从所述OSS工作站或任意其他处理设备被发送到工具夹具主体20中的逻辑设备830。
[0058]本发明可以采取完全硬件的实施例或包含硬件与软件元件两者的实施例的形式。在示范性实施例中，本 发明在软件中实施，其包括但不限于固件、驻留软件、微代码等等。
[0059]此外，本发明可以采取可从计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品，提供用于由计算机或结合计算机或任意指令执行系统或设备使用的程序代码。出于该描述的目的，计算机可用或计算机可读介质可以为能包含或存储用于由指令运行系统、装置或设备使用或结合指令运行系统、装置或设备使用的任意装置。
[0060]前述方法可以通过程序产品得以实现，所述程序产品包括具有指令的机器可执行程序的机器可读介质，所述机器可执行程序在被机器(例如计算机)执行时，执行所述方法的步骤。该程序产品可以被存储在多种已知的机器可读介质中的任意上，包括但不限于压缩盘、软盘、USB存储设备等。
[0061]所述介质可以为电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除电脑磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读 / 写(CD-R/W)和 DVD。
[0062]前文的描述和附图旨在示例并且不是对本发明的限制。本发明的范围旨在涵盖对所附权利要求书最大程度的等价变型与配置。
【权利要求】
1.一种用于在介入程序期间夹持工具的设备，所述设备包括: 夹具主体，其与形状感测光纤纤维固定相接； 多个工具中的一个，其由所述夹具主体夹持为与所述形状感测光纤纤维耦合对齐。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，至少两个工具被同时使用和夹持。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，至少一个工具为传感器，并且另一工具被响应于来自所述传感器的读数而部署。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，多个工具中的所述一个由所述夹具主体操作。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括逻辑设备，其中，所述逻辑设备激活多个工具中的所述一个。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述激活包括从所述夹具主体伸出所述工具。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述激活包括为工具动作提供动力。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，多个工具被存储在所述夹具主体中，并且所述多个工具中的一个由致动器通过所述夹头部署。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述致动器由通过所述形状感测光纤纤维的光学信号触发。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括处理器设备和传感器，其中，所述多个工具包括标识，并且所述传感器感测所述工具中被夹持在所述夹头中的所述一个上的所述标识并将所述标识发送到所述处理设备，以识别所述多个工具中被夹持在所述夹头中的所述一个。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括处理设备和传感器，其中，所述多个工具包括标识，并且所述传感器感测所述标识并且所述处理设备使用所述标识来选择所述工具中的一个。
12.根据权利要求1所述的设备，还包括邻近所述光纤的远端的光收发器，所述光收发器用于通过所述光纤发送和接收数据。
13.根据权利要求1所述的设备，还包括用于收集样品的腔室。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述夹具主体的尺寸与所述光纤纤维的尺寸大约相同。
15.一种用于执行医学介入的系统，所述系统包括: 形状感测光纤线缆； 工具夹具，其被固定到所述形状感测光纤纤维的远端； 至少一个处理器； 至少一个存储器，其能操作地与所述至少一个处理器连接；以及至少一个工具，其被所述夹具主体夹持为与所述光纤耦合对齐；其中，所述处理器启动所述至少一个工具的动作。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述动作为所述至少一个工具的运动。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述动作为给所述至少一个工具提供动力。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述动作为选择所述至少一个工具中的一个。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述动作为传送来自所述至少一个工具的数据。
20.一种用于用被固定到形状感测光纤的远端的工具夹具来执行介入的方法，所述方法包括: 接收刺激以执行工具动作；并且 触发所述工具动作。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述刺激为由用户启动的命令。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述刺激为来自被附接到所述工具夹具的传感器的读数。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述动作为所述至少一个工具的运动。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述动作为给所述至少一个工具提供动力。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述动作为选择所述至少一个工具中的一个。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述动作为传送来自所述至少一个工具的数据。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，所述工具动作是用患者外部的所述夹具主体来执行的。
28.根据权利要 求20所述的方法，其中，所述工具动作是用患者内部的所述夹具主体来执行的。
29.根据权利要求20所述的方法，其中，所述工具动作是用部分处于患者内部的所述夹具主体来执行的。
【文档编号】A61B19/00GK103957833SQ201280052571
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2011年10月26日
【发明者】B·拉马钱德兰, R·曼茨克, R·陈 申请人:皇家飞利浦有限公司