使用扭轉(zhuǎn)不敏感的形狀傳感器進行絕對三維測量的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】使用扭轉(zhuǎn)不敏感的形狀傳感器進行絕對H維測量的方法和 系統(tǒng)
[0001]本申請是國際申請日為2011年1月28日，進入國家階段日為2012年8月13日的名稱 為"使用扭轉(zhuǎn)不敏感的形狀傳感器進行絕對=維測量的方法和系統(tǒng)"的中國專利申請 201180009341 .X的分案申請。
[000^ 相關(guān)申請
[0003] 本申請要求W下各項的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益：2010年2月12日提交的，標(biāo)題為"Method and System for Absolute Three-Dimensional Measurements Using a Twist-Insensitive Shape Sensor(使用扭轉(zhuǎn)不敏感的形狀傳感器進行絕對S維測量的方法和系 統(tǒng) r 的美國臨時申請No. 61/304,094,其發(fā)明人為Giuseppe M. Pri SCO、Theodore W.Rogers、Vincent Duindam、Myriam J.Curet、Catherine J.Mohr、Katherine D.Stoy，通 過引用將其全文結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明的多個方面設(shè)及感知信息來表征微創(chuàng)手術(shù)器械，并且更具體地設(shè)及用來獲 得微創(chuàng)手術(shù)器械的形狀信息和絕對=維姿態(tài)信息的形狀傳感器。
【背景技術(shù)】
[0005] 微創(chuàng)手術(shù)中的一個重發(fā)性問題是確定手術(shù)中使用的一個器械的姿態(tài)和/或形狀。 而且，確定病人體內(nèi)的解剖學(xué)位置W及將MRI圖像或其他圖像與在手術(shù)過程中獲得的病人 圖像相關(guān)聯(lián)需要=維的測量。
[0006] 目前用來獲得關(guān)于柔性手術(shù)器械的形狀信息的方法包括基于相機和視覺的方法、 基于慣性傳感器和巧螺儀傳感器的方法、W及基于電磁場傳感器的方法。而且，存在可W觸 及兩個不同的位置并且確定運兩個位置之間的相對關(guān)系的機械系統(tǒng)。
[0007] 運些方法在感知精度和準(zhǔn)度、對環(huán)境條件的敏感性、實際應(yīng)用中的浸入力方面受 到限制，并且一般僅可W提供手術(shù)器械的某個離散數(shù)目的點的位置信息。而且，所測量的距 離是相對距離而非絕對距離。
[000引已知光纖形狀傳感器。參見例如美國專利號5,798,521(1997年2月27日提交）、美 國專利號US 6，389，187B1 (1998年6月17日提交）、美國專利申請公開號US 2006/0013523A1 (2005年 7 月 13 日提交）、W及Roger G.Duncan et 日1，畑 aracterization of a Fiber-Optic Shape and Position Sensor,Smart Structures and Materials 2006：Smart Sensor Monitoring Systems and Applications(D.Inaudi et al.eds.)， 6167Proceedings of SPIE 616704(2006年3月16日），將所有運些通過引用結(jié)合在此。光纖 形狀傳感器已經(jīng)被用于感知微創(chuàng)手術(shù)器械中的接頭角度。參見例如美國專利申請公開號US 2007/0156019 Al (2006年7月20提交）W及NASA Tech Briefs ,NASA-Inspired Siape-Sensing Fibers Enable Minimally Invasive Surgery(2008年2月I日），http :// WWW. techbriefs. com/content/view/2585/，二者均通過引用結(jié)合在此。
[0009] 典型地，光纖形狀傳感器通過光時域反射測量術(shù)(OTDR)或通過光頻域反射測量術(shù) (OFDR)來工作。大多數(shù)途徑使用了一種背散射方法，該方法測量由光纖形狀的變化所造成 的背散射光的變化。使用的散射原理包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射W及巧光散射。 在形狀感知傳感器中還使用了光纖布拉格光柵W及克爾效應(yīng)。一些光纖布拉格光柵形狀傳 感器對扭轉(zhuǎn)(twist)是不敏感的。因此，如果該形狀傳感器被扭轉(zhuǎn)，則使用該扭轉(zhuǎn)的形狀傳 感器獲得的姿態(tài)信息是不正確的。
[0010] 對于形狀感知還使用了其他技術(shù)。例如，將電磁場與安裝在內(nèi)窺鏡上的傳感器結(jié) 合使用W確定一個內(nèi)窺鏡的位置。參見美國專利申請公開號2007/0249901 AU2006年3月 28 日提交，披露了 ('Instrument Havin邑 Radio Frequency Identification Systems and Methods for Use(具有射頻標(biāo)識系統(tǒng)的器械和使用方法n，將其通過引用W其整體結(jié)合 在此。而且，已經(jīng)使用了壓阻式柔性形狀傳感器的阻力變化來測量形狀變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 在一個方面，一種設(shè)備包括一個參照夾具。該參照夾具包括一個接頭、并且在一個 方面包括追蹤該接頭運動的一個接頭追蹤器。該設(shè)備還包括一個手術(shù)器械。一個系鏈被連 接在該接頭與該手術(shù)器械之間。一個形狀傳感器從該參照夾具延伸穿過該接頭、穿過該系 鏈、并且進入該手術(shù)器械中。該形狀傳感器基本上沒有扭轉(zhuǎn)/扭絞(twist)。
[0012] 來自該形狀傳感器的信息與來自該接頭追蹤器的信息相結(jié)合提供了相對于該參 照夾具的絕對=維信息，即，提供了在一個固定的通用參照系內(nèi)的絕對=維信息。在該固定 的通用參照系內(nèi)的運種絕對S維信息與來自傳統(tǒng)方法的信息形成了對比，所述傳統(tǒng)方法提 供一個手術(shù)器械的多個元件之間的相對距離、多個手術(shù)器械之間的相對距離、或進行醫(yī)療 手術(shù)的病人體內(nèi)的多個位置之間的相對距離。
[0013] 在固定的通用參照系內(nèi)獲得絕對的=維形狀和姿態(tài)數(shù)據(jù)的能力在醫(yī)療手術(shù)中提 供了新水平的能力。此外，在該固定的通用參照系內(nèi)的絕對的=維姿態(tài)數(shù)據(jù)(位置和取向） 允許記錄例如在該固定的通用參照系內(nèi)的不同的圖像，并且疊加所需要的圖像W促進一個 更熟悉的手術(shù)過程。
[0014] 在一個方面，該接頭僅具有一個自由度。例如，該接頭是一個滾動接頭并且運一個 自由度是滾動。在另一個例子中，該接頭包括一個球和螺桿接頭/螺旋接頭(screw ioint)。 在另一個方面，該接頭具有多個自由度，其中包括該一個自由度。
[0015] 對該接頭或接頭組合中的自由度數(shù)目進行選擇W輔助外科醫(yī)生移動該手術(shù)器械。 手術(shù)器械與參考結(jié)構(gòu)之間的扭轉(zhuǎn)剛性的系鏈可W抑制/限制外科醫(yī)生操縱該手術(shù)器械。因 此，在參考結(jié)構(gòu)中使用一個接頭或接頭組合來輔助W該手術(shù)器械的所有自由度來操縱該手 術(shù)器械。在該系鏈沒有抑制該手術(shù)器械的操縱或者運種抑制作用在手術(shù)器械的使用中不顯 著的方面，可W在參考結(jié)構(gòu)中使用具有零個自由度的接頭并且不需要接頭追蹤器。
[0016] 該系鏈限定了沿著該系鏈的縱向軸線延伸的一個內(nèi)腔，并且該形狀傳感器延伸穿 過該內(nèi)腔。在一個方面，該系鏈?zhǔn)桥まD(zhuǎn)剛性的。
[0017] 在另一方面，一個襯里延伸穿過了該系鏈中的內(nèi)腔。該襯里包括一個襯里內(nèi)腔并 且該形狀傳感器延伸穿過了該襯里內(nèi)腔。該襯里由一種材料制成，使得該形狀傳感器在該 襯里內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。在一個方面，該材料是一種氣化聚合物。
[0018] 在另一方面，一個處理器對來自連接到參照夾具上的接頭追蹤器的信息進行處理 W產(chǎn)生第一姿態(tài)。該接頭追蹤器測量了連接在該系鏈上的接頭的運動。該系鏈將該接頭連 接至手術(shù)器械。該參照夾具被固定到一個位置W限定一個用于微創(chuàng)手術(shù)的固定的通用參照 系/參照框架。
[0019] 該處理器還處理來自形狀傳感器的信息W產(chǎn)生第二姿態(tài)信息，該形狀傳感器延伸 穿過該接頭和該系鏈。該處理器使用該第一姿態(tài)信息和第二姿態(tài)信息來在該固定的通用參 照系內(nèi)產(chǎn)生該手術(shù)器械的近端部分的絕對=維姿態(tài)。
[0020] 在一個方面，該形狀傳感器延伸至該手術(shù)器械的一個遠(yuǎn)端部分。該處理器對來自 該形狀傳感器的運個區(qū)段的信息進行處理W產(chǎn)生第=姿態(tài)信息。該處理器使用該第一姿態(tài) 信息、第二姿態(tài)信息W及第=姿態(tài)信息來在該固定的通用參照系內(nèi)產(chǎn)生該手術(shù)器械的遠(yuǎn)端 部分的絕對=維姿態(tài)。該處理器還在該固定的通用參照系內(nèi)產(chǎn)生了該手術(shù)器械的形狀。 [0021 ]在一個方面，該手術(shù)器械是一種柔性手術(shù)器械，如內(nèi)窺鏡。在另一方面，該手術(shù)器 械是一種插管。在又一個方面，該手術(shù)器械是一種蛇形機器人手術(shù)器械，運是柔性手術(shù)器械 的一個例子。
[0022] 在另一方面，一種方法將手術(shù)器械連接到系鏈的遠(yuǎn)端上。該系鏈的一個近端被連 接到一個參考結(jié)構(gòu)的接頭上。該參考結(jié)構(gòu)還包括測量該接頭的運動的接頭追蹤器。運種方 法使形狀傳感器延伸穿過該接頭和該系鏈而進入該手術(shù)器械中。該形狀傳感器提供了信 息，用于相對于該參考結(jié)構(gòu)來確定該手術(shù)器械的一個部分/部件的絕對=維姿態(tài)。
[0023] 在一個方面，運種方法中的手術(shù)器械是一種插管并且該方法還包括將該參考結(jié)構(gòu) 連接到支撐遙控操作微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的操縱器的臂上。
【附圖說明】
[0024] 圖1是一種微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的一部分的圖解視圖，該系統(tǒng)包括多個元件用來在固定 的通用參照系內(nèi)產(chǎn)生絕對=維姿態(tài)和形狀數(shù)據(jù)從而表征手術(shù)器械。
[0025] 圖2A是具有第一非圓形截面的系鏈和形狀傳感器的截面視圖。
[0026] 圖2B是具有第二非圓形截面的系鏈和形狀傳感器的截面視圖。
[0027] 圖3是參照夾具的一個方面的透視截面圖。
[0028] 圖4A是一種遙控操作的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的一部分的圖解視圖，該系統(tǒng)包括多個元件 用來在固定的通用參照系內(nèi)產(chǎn)生絕對=維姿態(tài)，用于多個手術(shù)器械。
[0029] 圖4B是一種遙控操作的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的一部分的圖解視圖，該系統(tǒng)包括多個元件 用來在固定的通用參照系內(nèi)產(chǎn)生絕對=維姿態(tài)和形狀數(shù)據(jù)，用于另外多個手術(shù)器械。
[0030] 圖5是光纖忍的圖解視圖。
[0031] 圖6是光纖的近端的圖解視圖，具有示意性的參照系。
[0032] 圖7是一個圖解視圖，其圖示了在用于形狀感知的光纖中多個區(qū)段開始位置處的 參照系。
[0033] 在運些圖中，一個參考號的第一位表示帶有該參考號的要素首次出現(xiàn)的圖。
【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明的多個方面包括一種設(shè)備100,該設(shè)備進而包括W下