專利名稱：用于外科手術(shù)儀器的干涉型力傳感器的制作方法
用于外科手術(shù)儀器的干涉型力傳感器
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2010年7月20日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/365，995的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用合并于此。
本發(fā)明是在由衛(wèi)生和公共事業(yè)部門(Department of Health and HumanServices, NIH)授予的、批準(zhǔn)N0.1R01EB007969-01的政府支持下完成的。美國(guó)政府具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明的當(dāng)前所要求的實(shí)施方式的領(lǐng)域涉及外科手術(shù)儀器和包括外科手術(shù)儀器的系統(tǒng)，更具體地涉及具有集成的力傳感器的系統(tǒng)和外科手術(shù)儀器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)行實(shí)踐中，在無手動(dòng)的儀器的手術(shù)顯微鏡下進(jìn)行視網(wǎng)膜外科手術(shù)。人的局限性包括不能清楚地觀察外科手術(shù)目標(biāo)、生理性的手部顫動(dòng)和缺少工具到組織的相互作用的觸覺反饋。此外，諸如缺少 接近檢測(cè)或者智能功能的工具局限性是增加外科手術(shù)危險(xiǎn)性和降低完成外科手術(shù)目標(biāo)的可能性的重要因素。當(dāng)前的儀器不提供生理性的或者甚至基本的解釋性的信息，例如，該儀器施加于視網(wǎng)膜組織上的力。常規(guī)的儀器不能克服的技術(shù)障礙部分地限制了外科手術(shù)的結(jié)果(成功和失敗)。
在視網(wǎng)膜顯微手術(shù)中通常遇到的工具到組織的相互作用的力一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人類的感知極限[1-4]。如果在視網(wǎng)膜上施加了太大的力，那么視網(wǎng)膜可能被損壞。通常，外科醫(yī)生完全依靠組織變形的視覺評(píng)估來估計(jì)工具到組織的力接近不可接受的極限有多近。然而，這種技能不容易學(xué)到并且即使是非常熟練的外科醫(yī)生也難以做出這種估計(jì)。在其它顯微手術(shù)學(xué)科中，包括非視網(wǎng)膜眼科手術(shù)、神經(jīng)外科、耳科手術(shù)[6-9]、微細(xì)血管手術(shù)等，也可以發(fā)現(xiàn)類似的挑戰(zhàn)。即使是在實(shí)際的工具到組織的力可能大于顯微外科手術(shù)中遇到的力的外科手術(shù)情況下，例如，內(nèi)窺鏡手術(shù)，由于摩擦、機(jī)械約束、操作限制等，也可能難以測(cè)量工具到組織的力，或者外科醫(yī)生難以直接評(píng)估工具到組織的力。這些考慮已經(jīng)引導(dǎo)許多研究人員考慮將力傳感器結(jié)合至外科手術(shù)儀器中的方法?？梢砸远喾N方式使用這種力的信息來協(xié)助外科醫(yī)生，包括以“感官替代”的方式(例如，[1，3，10-12])使用，以多種觸覺反饋的形式(例如，[10，15])使用 ，或以結(jié)合至機(jī)器人裝置的控制裝置中(例如，[10，16])的其它方式使用。
例如，在視網(wǎng)膜手術(shù)中(圖1)，外科手術(shù)工具穿過鞏膜被插入眼睛內(nèi)以在視網(wǎng)膜手術(shù)中執(zhí)行對(duì)纖弱組織的操作。對(duì)施加于組織與工具尖端之間的力進(jìn)行測(cè)量是極具挑戰(zhàn)性的。力感應(yīng)儀器應(yīng)當(dāng)能夠以亞毫牛的分辨率測(cè)量三維空間中組織到工具的力。該傳感器應(yīng)當(dāng)放置為盡可能靠近眼睛內(nèi)的工具尖端以避免干擾鞏膜到工具的力。因此該傳感器必須被加工成必要的小尺寸，從而使它能夠被結(jié)合至具有亞毫米直徑的儀器內(nèi)。其它要求包括生物適應(yīng)性、可消毒性以及對(duì)電噪聲的免疫性。
一種用于測(cè)量工具-組織的力的方法是將(通常，多自由度的)力傳感器結(jié)合至外科手術(shù)工具的手柄內(nèi)。該方法已經(jīng)被應(yīng)用于顯微手術(shù)的力感應(yīng)設(shè)備(例如，[4，9])。然而，在諸如視網(wǎng)膜手術(shù)的工具到鞏膜的相互作用的力可與工具到組織的相互作用的力一樣大或大于工具到組織的相互作用的力的情況下，這種方法具有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。因此，人們已經(jīng)開始關(guān)注研發(fā)放置于外科手術(shù)工具的遠(yuǎn)端部分上、穿過鞏膜的插入件的下方的顯微手術(shù)力傳感器[13，14]。對(duì)于腹腔鏡檢查工具，盡管一些類似的方法已經(jīng)被采用(例如，[17-19])，但工具到套管針的力同樣可以掩蓋工具到組織的力，這對(duì)于工具軸直徑可能為0.5至0.7mm或更小的顯微視網(wǎng)膜手術(shù)來說，挑戰(zhàn)尤其嚴(yán)重。約翰-霍布金斯大學(xué)(Johns Hopkins) [I]的一些早期工作在對(duì)解剖的豬的視網(wǎng)膜的“開放式”實(shí)驗(yàn)中使用安裝在工具軸上的應(yīng)變儀來測(cè)量使工具偏轉(zhuǎn)的I自由度(DOF)的力，但這種工具對(duì)于穿過鞏膜的插入件來說并不實(shí)用。其它方法包括將電傳感器(諸如應(yīng)變儀)結(jié)合至微小的顯微手術(shù)儀器中。
對(duì)于外科手術(shù)應(yīng)用(例如，[13,14, 20-23])來說，已經(jīng)提出過若干種光纖力傳感器，以及若干種其它用于手術(shù)力感應(yīng)的光學(xué)方法(例如，[24，25])。這些傳感器使用多種物理原理，包括反射的或發(fā)送的光強(qiáng)度的修改、偏振的變化、光纖布拉格光柵(f i b e r -B r a g ggrating, FBG)感應(yīng)等。FBG傳感器通過產(chǎn)生折射率的調(diào)制(B卩，“光柵”)而沿光纖的長(zhǎng)度構(gòu)造[20]。拉伸光纖引起這種光柵的間距的變化，并且因此引起沿光纖向上反射回的光的波長(zhǎng)的間距的變化。測(cè)量這種波長(zhǎng)位移以確定光纖的光柵部分的應(yīng)變量。除我們的工作[13,14]外，其它團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將FBG力傳感器應(yīng)用于其它種類的外科手術(shù)儀器。例如，穆勒(Mueller)等[22]已經(jīng)報(bào)道了基于FBG傳感器的6-D0F的FBG基礎(chǔ)的力/轉(zhuǎn)矩傳感器，該FBG傳感器將適于以在某種程度上與[9]相似的方式安裝于工具手柄中或機(jī)器人外科手術(shù)儀器的近端處。
對(duì)于顯微手術(shù)應(yīng)用來說，基于光纖的傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)。光纖和傳感器是廉價(jià)的。它們可通過多種普通的方式消毒。它們可以被制成生物相容的。它們可以被制成極小的。它們不受電噪聲和磁場(chǎng)影響。它們不涉及電流?？梢允褂枚喾N感應(yīng)原理來測(cè)量微小位移和力。此外，雖然視網(wǎng)膜手術(shù)不考慮這點(diǎn)，但它們是核磁共振成像(MRI)兼容的。
在前面所述的工作[13，14]中，我們的JHU團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將FBG光纖結(jié)合至具有0.5至0.7mm的工具軸的顯微手術(shù)儀器中以形成力分辨率為0.25mN數(shù)量級(jí)的1-D0F和2-D0F的力感應(yīng)工具。我們的團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)研發(fā)出基于FBG的3-D0F的顯微手術(shù)儀器。圖2A中示出為3-D0F的力感應(yīng)工具 的一種概念。這里，通過FBG傳感器測(cè)量側(cè)向力；就像在我們的2-D0F的工具中那樣，并通過手柄中的力傳感器測(cè)量軸向力。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單。然而，一個(gè)最大的缺點(diǎn)在于，雖然消除了由側(cè)向的鞏膜-工具的相互作用引起的不定性(ambiguity)，但沒有消除由鞏膜到工具的摩擦引起的軸向不定性。
這種考慮已經(jīng)引導(dǎo)我們開發(fā)了在眼睛內(nèi)進(jìn)行所有感應(yīng)的3-D0F的原型工具，如圖2B所示。在這種設(shè)計(jì)中，沿軸的側(cè)面的FBG傳感器測(cè)量側(cè)向力導(dǎo)致的工具軸的側(cè)向偏轉(zhuǎn)，和我們的2-D0F的工具的情況幾乎一樣。原則上，也可以測(cè)量工具軸的響應(yīng)于軸向力的軸向延伸，但存在數(shù)個(gè)缺點(diǎn)。首先，該工具在軸向方向上非常堅(jiān)硬，從而導(dǎo)致靈敏度低。其次，該工具的熱力學(xué)膨脹也可能拉伸所有光纖。因此，使用3個(gè)FBG傳感器計(jì)算兩個(gè)側(cè)向力時(shí)，實(shí)際計(jì)算出的側(cè)向力有差異。對(duì)于軸向力來說，我們使用軸向穿過工具中間部分并附連于工具軸的微加工柔順部段的遠(yuǎn)端的第四FBG光纖。
然而，基于FBG感應(yīng)的顯微手術(shù)傳感器存在多種問題，我們的當(dāng)前發(fā)明力圖解決這些問題。這些問題中的一些問題包括:
.FBG光纖必須沿工具的側(cè)面牢固地附連。這可能涉及困難的制造工藝，并且FBG與工具軸之間的膠粘物柔順性、粘性響應(yīng)、以及滯后性可能引起問題?！拜S向”光纖也存在相似的(甚至更具有挑戰(zhàn)性的)的制造和附連問題，這些光纖必須被預(yù)加載。
.FBG光纖具有相當(dāng)大的剛度。這尤其影響了工具的軸向力敏感度，因?yàn)槭チ斯ぞ咻S的彎曲對(duì)側(cè)部FBG光纖的拉伸方面帶來的機(jī)械優(yōu)勢(shì)。
如圖2B所示，在工具軸內(nèi)微加工出的用以形成柔順部段的凹槽可能被材料堵塞，因此影響工具的校準(zhǔn)并且如果再次使用工具的話也產(chǎn)生清潔/消毒的問題。
獲得良好的信噪特性需要FGB光柵相當(dāng)長(zhǎng)(在我們的顯微外科手術(shù)工具上通常為約10mm)。這限制了工具的設(shè)計(jì)，并且如果外力施加于工具軸的包含光柵的部分或靠近于該光柵的部分上，也可能引起問題。
因此，仍然存在對(duì)用于顯微手術(shù)應(yīng)用的改進(jìn)的外科手術(shù)工具和系統(tǒng)的需求。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的外科手術(shù)工具系統(tǒng)包括外科手術(shù)工具，以及光學(xué)耦接至該外科手術(shù)工具的干涉測(cè)量系統(tǒng)。該外科手術(shù)工具包括主體部段、傳感器部段以及外科手術(shù)部段，至少一個(gè)傳感器部段附連至該主體部段或與該主體部段一體，至少一個(gè)外科手術(shù)部段在傳感器部段的與主體部段相對(duì)的端部處附連至該傳感器部段或該傳感器部段一體。該傳感器部段包括限定參考距離的干涉型光學(xué)傳感器，該參考距離響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具的外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的外科手術(shù)工具包括主體部段、傳感器部段以及外科手術(shù)部段，至少一個(gè)傳感器部段附連至該主體部段或與該主體部段一體，至少一個(gè)外科手術(shù)部段在該傳感器部段的與主體部段相對(duì)的端部處附連至該傳感器部段或與該傳感器部段一體。該傳感器部段包括限定參考距離的干涉型光學(xué)傳感器，該參考距離響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具的外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。


通過對(duì)說明、附圖以及示例的考慮，其他的目的以及優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。
圖1示出了顯微外科手術(shù)工具以及視網(wǎng)膜手術(shù)[13，14]時(shí)可能發(fā)生的力以幫助解釋本發(fā)明的一些概念；
圖2A和圖2B示出了基于FBG的3D0F的力感應(yīng)工具的概念。圖2A示出了來自工具軸上的FBG傳感器和手柄中的軸向力傳感器的側(cè)向力。圖2B示出了來自對(duì)工具軸的側(cè)向偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量的FBG傳感器的側(cè)向力和來自對(duì)軸的微加工的柔順部段的延伸進(jìn)行測(cè)量的額外光纖的軸向力；
圖3示出了本發(fā)明的一些實(shí)施方式中使用的內(nèi)置式和外置式法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉測(cè)量?jī)x[5]的概念；
圖4是對(duì)應(yīng)于圖3的下部示意圖的典型的外置式法布里-珀羅傳感器[27]的詳細(xì)視圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的外科手術(shù)工具和外科手術(shù)工具系統(tǒng)的示意性視圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的外科手術(shù)工具和外科手術(shù)工具系統(tǒng)的示意性視圖7A和圖7B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的外科手術(shù)工具和外科手術(shù)工具系統(tǒng)的不意性視圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的外科手術(shù)工具和外科手術(shù)工具系統(tǒng)的不意性視圖9A至圖9C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的包括鎳鈦諾彎曲部分的示例的外科手術(shù)工具的不圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的光學(xué)感應(yīng)光纖的替代性布置；
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的使用加工的鎳鈦諾管的示例的柔順部段的一些概念；示出了在ImN軸向偏轉(zhuǎn)下的偏轉(zhuǎn)；
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的帶有塑性柔順部段的3-D0F的力感應(yīng)工具的示例。具體實(shí)施例
以下詳細(xì)描述本發(fā)明的一些實(shí)施方式。在描述的實(shí)施方式中，為了清楚起見使用特定術(shù)語。然而，本發(fā)明并非旨在局限于所選擇的特定術(shù)語。相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)至IJ，在不偏離本發(fā)明的廣義概念的情況下可以使用其他的等同部件并開發(fā)其他的方法。在本說明書中任何地方列舉的所有參考好像每個(gè)參考單獨(dú)地被合并一樣通過參引方式被合并。
雖然FBG傳感器相對(duì)容易使用并且已經(jīng)被若干團(tuán)體(包括我們的團(tuán)體)用于外科手術(shù)力的測(cè)量，但他們確實(shí)具有一些顯著的缺點(diǎn)，尤其是在但不限于顯微外科手術(shù)環(huán)境中。
光纖布拉格光柵反射光的取決于不同折射率的周期模式的間隔的窄波段。(本文所使用的術(shù)語“光”具有廣泛的含義，可以包括，例如，可見光、紅外光以及紫外光。)已知多種其他調(diào)相型傳感器或干涉型傳感器的類型[5，20]。一種這種類型的傳感器是法布里-珀羅干涉儀。調(diào)相型傳感器的一般概念是該傳感器使用兩條光纖。光被分裂為兩個(gè)臂狀物內(nèi)并注入每個(gè)臂狀物內(nèi)。一個(gè)臂狀物作為參考物，而另一個(gè)臂狀物可受到環(huán)境的擾動(dòng)。當(dāng)一個(gè)臂狀物相對(duì)于參考光纖被 擾動(dòng)時(shí)，可以通過該干涉儀精確地測(cè)量諸如相移的干涉條紋的變化。法布里-珀羅干涉儀僅需要一條光纖。該光束被單獨(dú)的反射器反射，之后干涉來源于光纖尖端[5，20]的參考物。該構(gòu)型可以是內(nèi)置的或是外置的，如圖3所示。
圖4示出了與圖3中下部示意圖相應(yīng)的典型的外置構(gòu)型的特寫視圖。在引導(dǎo)光纖與反射光纖之間存在空氣間隙的情況下，形成了兩個(gè)反射表面，即，位于引導(dǎo)光纖的端部處的第一反射表面以及位于反射光纖面處的第二反射表面。光束在第一表面處被部分地反射并被部分地發(fā)送至該空氣間隙內(nèi)。已發(fā)送的光束在第二表面處再次發(fā)生上述情況(第二反射表面可以部分反射或全部反射)。第二反射表面處的光束之后至少部分地被反射回來并再次進(jìn)入引導(dǎo)光纖內(nèi)。與第一次反射中的光相比，第二次反射行進(jìn)了較長(zhǎng)的距離(兩倍空氣間隙長(zhǎng)度)[27]，[5]。
因此，本發(fā)明的一些實(shí)施方式利用干涉感應(yīng)的形式而不是FBG感應(yīng)的形式來測(cè)量顯微外科手術(shù)儀器中微小的幾何形狀的改變，因?yàn)檫@種形式順應(yīng)工具到組織的力。術(shù)語“干涉型傳感器”意在排除本質(zhì)上為波長(zhǎng)選擇反射器的FBG裝置，而非排除將兩種光束混合以確定光學(xué)相位差的裝置。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的外科手術(shù)工具系統(tǒng)100的示意圖。外科手術(shù)工具系統(tǒng)100包括外科手術(shù)工具102以及光學(xué)耦接至外科手術(shù)工具102的干涉測(cè)量系統(tǒng)104。外科手術(shù)工具102包括主體部段106、傳感器部段108以及外科手術(shù)部段110，至少一個(gè)傳感器部段108附連至主體部段106或與主體部段106 —體，至少一個(gè)外科手術(shù)部段110在傳感器部段108的與所述主體部段106相對(duì)的端部112處附連至傳感器部段108或與傳感器部段108 —體。傳感器部段108包括限定參考距離114的干涉型光學(xué)傳感器，參考距離114響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具102的外科手術(shù)部段108的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而改變。
干涉測(cè)量系統(tǒng)104包括布置為將光發(fā)送至干涉型光學(xué)傳感器的光發(fā)送器116、布置為檢測(cè)從該干涉型光學(xué)傳感器返回的光從而提供輸出信號(hào)的光接收器118、以及構(gòu)造為與光接收器118通信以接收該輸出信號(hào)的信號(hào)處理器120。光發(fā)送器116、光接收器118以及信號(hào)處理器120可以被包裝在一起，或是分開的單個(gè)部件和/或分散的部件。該信號(hào)處理器可以是專用的、硬接線的裝置和/或可編程的裝置，例如但不限于電腦。信號(hào)處理器120構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器118的輸出信號(hào)來確定干涉型光學(xué)傳感器的參考距離114的變化，并且構(gòu)造為確定所施加的力、所施加的轉(zhuǎn)矩或局部溫度變化中的至少一者。在一實(shí)施方式中，信號(hào)處理器120可以構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器118的輸出信號(hào)來確定干涉型光學(xué)傳感器108的參考距離114的變化，并利用該變化來確定考慮到局部溫度變化的情況下組織124施加于外科手術(shù)部段110的工具尖端122上的力。
傳感器部段108中的干涉型光學(xué)傳感器是諸如圖3的上部示意圖中描述的內(nèi)置式法布里-珀羅傳感器。該干涉型光學(xué)傳感器的參考距離114由固體材料的兩個(gè)相對(duì)的表面限定。這兩個(gè)相對(duì)表面中的每一個(gè)表面均是至少部分反射的表面。如果需要，反射表面126可以是全反射表面，而由于具有不同折射率的兩種材料的交界面導(dǎo)致相對(duì)的反射表面是部分反射表面。固體材料傳感器部段108是柔順固體材料傳感器，該柔順固體材料能夠響應(yīng)于施加至外科手術(shù)部段110的變化的力而被壓縮并被拉長(zhǎng)以提供參考距離114的變化。
外科手術(shù)工具系統(tǒng)100還包括沿主體部段106的內(nèi)部延伸至外科手術(shù)工具102的傳感器部段108的光纖 128。
在一些實(shí)施方式中,夕卜科手術(shù)工具102可以是但不限于顯微外科手術(shù)工具。在一些實(shí)施方式中，該顯微外科手術(shù)工具可以是但不限于針、拾取器(pick)、手術(shù)刀、鑷子、剪刀或套管針。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的外科手術(shù)工具系統(tǒng)200的示意圖。外科手術(shù)工具系統(tǒng)200包括外科手術(shù)工具202以及光學(xué)耦接至外科手術(shù)工具202的干涉測(cè)量系統(tǒng)204。外科手術(shù)工具202包括主體部段206、傳感器部段208以及外科手術(shù)部段210，至少一個(gè)傳感器部段208附連至主體部段206或與主體部段206 —體，至少一個(gè)外科手術(shù)部段210在傳感器部段208的與所述主體部段206相對(duì)的端部212處附連至傳感器部段208或與傳感器部段208 —體。傳感器部段208包括限定參考距離214的干涉型光學(xué)傳感器，參考距離214響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具202的外科手術(shù)部段208的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。
干涉測(cè)量系統(tǒng)204包括布置為使光發(fā)送至干涉型光學(xué)傳感器的光發(fā)送器216、布置為檢測(cè)從該干涉型光學(xué)傳感器返回的光從而提供輸出信號(hào)的光接收器218、以及構(gòu)造為與光接收器218通信以接收該輸出信號(hào)的信號(hào)處理器220。光發(fā)送器216、光接收器218以及信號(hào)處理器220可以被包裝在一起，或是單獨(dú)的單件和/或分散的部件。該信號(hào)處理器可以是專用的、硬接線的裝置和/或可編程的裝置，例如但不限于電腦。信號(hào)處理器220構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器218的輸出信號(hào)來確定干涉型光學(xué)傳感器的參考距離214的變化，并且構(gòu)造為確定所施加的力、所施加的轉(zhuǎn)矩或局部溫度變化中的至少一者。在一實(shí)施方式中，信號(hào)處理器220可以構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器218的輸出信號(hào)來確定干涉型光學(xué)傳感器208參考距離214的變化，并利用該變化來確定考慮到局部溫度變化的情況下組織224施加于外科手術(shù)部段210的工具尖端222上的力。
傳感器部段208中的干涉型光學(xué)傳感器是諸如圖3的下部示意圖和圖4中描述的外置式法布里-珀羅傳感器。該干涉型光學(xué)傳感器的參考距離214由間隙的兩個(gè)相對(duì)的表面限定。這兩個(gè)相對(duì)表面中的每一個(gè)表面均是至少部分反射的表面。如果需要，反射表面226可以是全反射表面,而由于具有不同折射率的兩種材料的交界面導(dǎo)致相對(duì)的反射表面是部分反射的表面。傳感器部段208可以包括柔順材料或結(jié)構(gòu)，該柔順材料或結(jié)構(gòu)可以響應(yīng)于施加至外科手術(shù)部段210的變化的力而被壓縮并被拉長(zhǎng)以提供參考距離214的變化。例如，傳感器部段208可以包括但不·限于圓筒形彈性材料或微加工的圓筒形部段。
外科手術(shù)工具系統(tǒng)200還包括沿主體部段206的內(nèi)部延伸至外科手術(shù)工具202的傳感器部段208的光纖228。
在一些實(shí)施方式中，夕卜科手術(shù)工具202可以是但不限于顯微外科手術(shù)工具。在一些實(shí)施方式中，該顯微外科手術(shù)工具可以是但不限于針、拾取器、手術(shù)刀、鑷子、剪刀或套管針。
圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的外科手術(shù)工具系統(tǒng)300的示意圖。夕卜科手術(shù)工具系統(tǒng)300包括外科手術(shù)工具302以及光學(xué)耦接至外科手術(shù)工具302的干涉測(cè)量系統(tǒng)304。外科手術(shù)工具302包括主體部段306、傳感器部段308以及外科手術(shù)部段310，至少一個(gè)傳感器部段308附連至主體部段306或與主體部段306 —體，至少一個(gè)外科手術(shù)部段310在傳感器部段308的與所述主體部段306相對(duì)的端部312處附連至傳感器部段308或與傳感器部段308 —體。傳感器部段308包括限定相應(yīng)的參考距離314的多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器，參考距離314響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具302的外科手術(shù)部段308的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。(注意，同樣地，圖7B對(duì)應(yīng)于圖7A中示出的剖切線。)在本示例中，沿圓周方向布置有四個(gè)法布里-珀羅干涉儀。然而，本發(fā)明的設(shè)想并不限于干涉儀的具體數(shù)量和布置。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以存在一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)干涉儀，甚至更多。它們也可以布置為不同的圖案，例如但不限于一個(gè)干涉儀位于中央，并且在周向上不布置干涉儀、布置一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)干涉儀。然而，根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式可以使用干涉儀的其它布置。
干涉測(cè)量系統(tǒng)304包括布置為將光發(fā)送至多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器的光發(fā)送器316、布置為檢測(cè)從所述多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器返回的光從而提供輸出信號(hào)的光接收器318、以及構(gòu)造為與光接收器318通信以接收該輸出信號(hào)的信號(hào)處理器320。光發(fā)送器316、光接收器318以及信號(hào)處理器320可以被包裝在一起，或是單獨(dú)的單件和/或分散的部件。該信號(hào)處理器可以是專用的、硬接線的裝置和/或可編程的裝置，例如但不限于電腦。信號(hào)處理器320構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器318的輸出信號(hào)來確定多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器的參考距離314的變化，并且構(gòu)造為確定所施加的力、所施加的轉(zhuǎn)矩或局部溫度變化中的至少一者。在一實(shí)施方式中，信號(hào)處理器320可以構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器318的輸出信號(hào)來確定干涉型光學(xué)傳感器的參考距離314的變化，并利用該變化來確定考慮到局部溫度變化的情況下組織324施加于外科手術(shù)部段310的工具尖端322上的力。
傳感器部段308中的干涉型光學(xué)傳感器是諸如圖3的上部示意圖中描述的內(nèi)置式法布里-珀羅傳感器。然而，一個(gè)或更多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器可被構(gòu)造為外置式法布里-珀羅傳感器。這些傳感器例如可被構(gòu)造為與關(guān)于上述實(shí)施方式描述的內(nèi)置式和外置式法布里-珀羅傳感器相似。
外科手術(shù)工具系統(tǒng)300還包括沿著主體部段306的內(nèi)部延伸至外科手術(shù)工具302的傳感器部段308的多條光纖328。
在一些實(shí)施方式中，夕卜科手術(shù)工具302可以是但不限于顯微外科手術(shù)工具。在一些實(shí)施方式中，該顯微外科手術(shù)工具可以是但不限于針、拾取器、手術(shù)刀、鑷子、剪刀或套管針。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的外科手術(shù)工具系統(tǒng)400的示意圖。外科手術(shù)工具系統(tǒng)400包括外科手術(shù)工具402以及光學(xué)耦接至外科手術(shù)工具402的干涉測(cè)量系統(tǒng)404。外科手術(shù)工具402包括主體部段406、傳感器部段408以及外科手術(shù)部段410，至少一個(gè)傳感器部段408附連至主體部段406或與主體部段406 —體，至少一個(gè)外科手術(shù)部段410在傳感器部段408的與所述主體部段406相對(duì)的端部412處附連至傳感器部段408或與傳感器部段408 —體。傳感器部段408包括限定相應(yīng)的參考距離414的多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器，參考距離414響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具402的外科手術(shù)部段408的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。(注意，同樣地，圖8B對(duì)應(yīng)于圖8A中示出的剖切線。)在本示例中，沿圓周方向布置有四個(gè)法布里-珀羅干涉儀。然而，本發(fā)明的設(shè)想并不限于干涉儀的具體數(shù)量和布置。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以存在一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)干涉儀，甚至更多。它們也可以布置為不同的圖案，例如但不限于一個(gè)干涉儀位于中央，并且在周向上不布置干涉儀、布置一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)干涉儀。然而，根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式可以使用干涉儀的其它布置。
干涉測(cè)量系統(tǒng)404包括布置為將光發(fā)送至多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器的光發(fā)送器416、布置為檢測(cè)從所述多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器返回的光從而提供輸出信號(hào)的光接收器418、以及構(gòu)造為與光接收器418通信以接收該輸出信號(hào)的信號(hào)處理器420。光發(fā)送器416、光接收器418以及信號(hào)處理器420可以被包裝在一起，或是單獨(dú)的單件和/或分散的部件。該信號(hào)處理器可以是專用的、硬接線的裝置和/或可編程的裝置，例如但不限于電腦。信號(hào)處理器420構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器418的輸出信號(hào)來確定多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器的參考距離414的變化，并且構(gòu)造為確定所施加的力、所施加的轉(zhuǎn)矩或局部溫度變化中的至少一者。在一實(shí)施方式中，信號(hào)處理器420可以構(gòu)造為根據(jù)來自光接收器418的輸出信號(hào)來確定干涉型光學(xué)傳感器的參考距離414的變化，并利用該變化來確定考慮到局部溫度變化的情況下組織424施加于外科手術(shù)部段410的工具尖端422上的力。
傳感器部段308中的干涉型光學(xué)傳感器是諸如圖3的上部示意圖中描述的內(nèi)置式法布里-珀羅傳感器。然而，一個(gè)或更多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器可被構(gòu)造為內(nèi)置式法布里-珀羅傳感器。這些傳感器例如可被構(gòu)造為與關(guān)于上述實(shí)施方式描述的內(nèi)置式和外置式法布里-珀羅傳感器相似。
外科手術(shù)工具系統(tǒng)400還包括沿著主體部段306的內(nèi)部延伸至外科手術(shù)工具402的傳感器部段408的多個(gè)光纖428。
在一些實(shí)施方式中，夕卜科手術(shù)工具402可以是但不限于顯微外科手術(shù)工具。在一些實(shí)施方式中，該顯微外科手術(shù)工具可以是但不限于針、拾取器、手術(shù)刀、鑷子、剪刀、或套管針。
根據(jù)本發(fā)明的多種實(shí)施方式的傳感器部段可以包括柔順部件，例如，該柔順部件是包括彎曲部分的微加工管。在一些實(shí)施方式中，該微加工管可以由鎳鈦諾材料組成，但根據(jù)預(yù)期應(yīng)用所需的剛度和其他操作特性也可以使用其他彈性材料代替。示例包括但不限于鋼和鈦。在一些實(shí)施方式中，該傳感器部段還可以包括布置于微加工管的彎曲部分之間的間隙中的柔順密封材料。該柔順部段可以包括干涉型光學(xué)傳感器的工作波長(zhǎng)可透過的材料。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的傳感器部段還可以包括繞該柔順部段附連以提供護(hù)罩的柔性膜狀物。
現(xiàn)在，我們可以說明如圖5和圖6所示的簡(jiǎn)單的1-D0F軸向力感應(yīng)工具的一些概念。在本示例中，小的柔順部段放置于工具軸的遠(yuǎn)端部分上，并靠近于工具尖端的可以經(jīng)受任意工具-組織的相互作用力的部分。為了簡(jiǎn)單起見，我們將假設(shè)該柔順部段僅順應(yīng)沿平行于該工具軸線的方向施加于工具尖端的力。可以使用多種已知結(jié)構(gòu)中的任意一種結(jié)構(gòu)來提供柔順部段。例如:
彎曲結(jié)構(gòu)可被蝕刻到或加工到顯微外科手術(shù)工具軸的端部中。
單獨(dú)的柔順材料(與工 具軸的柔順材料不同)可以被制成并附連至該工具軸的端部。這種材料的一個(gè)示例可以是聚合材料。
光纖向下通過該工具軸，從而使通過該光纖的光從與該工具的工具尖端部分(SP，位于該柔順部段的遠(yuǎn)端的部分)一起移動(dòng)的反射表面反射并返回至該光纖中。在一些應(yīng)用中，可能有必要使用本領(lǐng)域已知的標(biāo)準(zhǔn)手段在該光纖的遠(yuǎn)端上提供額外的參考反射表面。該柔順部段被構(gòu)造為使得光能夠通過光纖至反射表面并再次返回。如果該柔順部段具有通常的管的形式，可以容易地實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，從而在光纖與反射表面之間存在無障礙的路徑。例如，圖2B中的機(jī)加工的彎曲結(jié)構(gòu)具有這種形式。可替代地，該柔順結(jié)構(gòu)可以由具有一致彈性性能的一些透明固體材料制成。如果這種材料的折射率與光纖的材料的折射率不同，那么需要將半反射鏡添加到該光纖的端部。在又一種實(shí)施方式中，可能需要使用低剛度的透明柔順材料填充諸如圖2B中示出的彎曲式柔順結(jié)構(gòu)以排除污染?？商娲?，可以使用適當(dāng)?shù)膹椥宰o(hù)套覆蓋該柔順結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)防止污染的目的。
可以使用本領(lǐng)域已知的任意干涉測(cè)量方法[5，20]來測(cè)量反射表面響應(yīng)于施加至該工具上的軸向力的力變化量Dfz的軸向位移變化量Dz。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以使用法布里-珀羅干涉測(cè)量?jī)x[5，20，27]。在另一實(shí)施方式中，可以使用共用路徑的光學(xué)相干層析成像(CPOCT)系統(tǒng)[28-30]。在這兩種情況下，為了實(shí)現(xiàn)高敏感度，需要使用相敏測(cè)量裝置?？梢允褂靡韵鹿?，從干涉圖中提取法布里-珀羅干涉測(cè)量?jī)x的相位:
權(quán)利要求
1.一種外科手術(shù)工具系統(tǒng)，包括: 外科手術(shù)工具；以及 干涉測(cè)量系統(tǒng)，所述干涉測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)耦接至所述外科手術(shù)工具， 其中，所述外科手術(shù)工具包括: 主體部段； 傳感器部段，至少一個(gè)所述傳感器部段附連至所述主體部段或與所述主體部段一體；以及 外科手術(shù)部段，至少一個(gè)所述外科手術(shù)部段在所述傳感器部段的與所述主體部段相對(duì)的端部處附連至所述傳感器部段或與所述傳感器部段一體，并且 所述傳感器部段包括限定參考距離的干涉型光學(xué)傳感器，所述參考距離響應(yīng)施加于所述外科手術(shù)工具的所述外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述干涉測(cè)量系統(tǒng)包括: 光發(fā)送器，所述光發(fā)送器布置為將光發(fā)送至所述干涉型光學(xué)傳感器； 光接收器，所述光接收器布置為檢測(cè)從所述干涉型光學(xué)傳感器返回的光以提供輸出信號(hào)；以及 信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器構(gòu)造為與所述光接收器通信以接收所述輸出信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)處理器構(gòu)造為根據(jù)來自所述光接收器的所述輸出信號(hào)確定所述干涉型光學(xué)傳感器的所述參考距離的變化，并且構(gòu)造為確定所施加的力、所施加的轉(zhuǎn)矩或局部溫度變化中的至少一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)處理器構(gòu)造為根據(jù)來自所述光接收器的所述輸出信號(hào)來確定所述干涉型光學(xué)傳感器的所述參考距離的變化，并且構(gòu)造為確定考慮到局部溫度變化的情況下所施加的力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述干涉型光學(xué)傳感器的所述參考距離由固體材料的兩個(gè)相對(duì)的表面限定，其中，所述兩個(gè)相對(duì)的表面的每一個(gè)表面均是至少部分反射的表面，所述固體 材料是能夠響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)部段的變化的力而被壓縮并被拉長(zhǎng)以提供所述參考距離的變化的柔順固體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述干涉型光學(xué)傳感器的所述參考距離是由相應(yīng)的固體材料的兩個(gè)相對(duì)的表面限定的間隙，所述兩個(gè)相對(duì)的表面是至少部分反射的表面，從而在所述兩個(gè)相對(duì)的表面之間保留所述間隙，所述間隙由布置于所述主體部段與所述外科手術(shù)部段之間的柔順材料進(jìn)一步限定，使得所述柔順材料能夠響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)部段的變化的力而被壓縮并被拉長(zhǎng)以提供保留在所述兩個(gè)相對(duì)的表面之間的所述間隙的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述傳感器部段包括在一端附連至所述主體部段并且在相對(duì)端附連至所述外科手術(shù)部段的柔順部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述柔順部件是包括彎曲部分的微加工管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述傳感器部段還包括設(shè)置于所述微加工管的所述彎曲部分之間的間隙中的柔順密封材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述柔順部段包括所述干涉型光學(xué)傳感器的工作波長(zhǎng)基本上可透過的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述傳感器部段還包括繞所述柔順部段附連以提供護(hù)罩的柔性膜狀物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述傳感器部段還包括限定各自的參考距離的多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器，所述參考距離響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)工具的所述外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩、或所述外科手術(shù)工具的所述傳感器部段的溫度變化中的至少一者而變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)處理器構(gòu)造為確定所述多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器的所述參考距離的變化，并且構(gòu)造為確定多個(gè)施加的分力或多個(gè)施加的轉(zhuǎn)矩分量中的至少一者。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，還包括沿所述主體部段的內(nèi)部延伸至所述外科手術(shù)工具的所述傳感器部段的光纖。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，還包括沿所述主體部段的內(nèi)部延伸至所述外科手術(shù)工具的所述傳感器部段的多個(gè)光纖。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，還包括設(shè)置于所述主體部段中的光纖布拉格光柵傳感器，所述光纖布拉格光柵傳感器對(duì)所述外科手術(shù)工具的所述主體部段的至少一部分的彎曲度進(jìn)行測(cè)量。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述外科手術(shù)工具是顯微外科手術(shù)工具。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的外科手術(shù)工具系統(tǒng)，其中，所述微型外科手術(shù)工具是針、拾取器、手術(shù)刀、鑷子、剪刀、或套管針中的一者。
19.一種外科手術(shù)工具,包括: 主體部段； 傳感器部段，至少一個(gè)所述傳感器部段附連至所述主體部段或與所述主體部段一體；以及 外科手術(shù)部段，至少一個(gè)所述外科手術(shù)部段在所述傳感器部段的與所述主體部段相對(duì)的端部處附連至所述傳感器部段或與所述傳感器部段一體， 其中，所述傳感器部段包括限定參考距離的干涉型光學(xué)傳感器，所述參考距離響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)工具的所述外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科手術(shù)工具，其中，所述參考距離由固體材料的兩個(gè)相對(duì)的表面限定，其中，所述兩個(gè)相對(duì)的表面的每一個(gè)表面均是至少部分反射的表面，所述固體材料是能夠響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)部段的變化的力而被壓縮并被拉長(zhǎng)以提供所述參考距離的變化的柔順固體材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科手術(shù)工具，其中，所述參考距離是由對(duì)應(yīng)的固體材料的兩個(gè)相對(duì)的表面限定的間隙，所述兩個(gè)相對(duì)的表面是至少部分反射的表面，從而在所述兩個(gè)相對(duì)的表面之間保留 所述間隙，所述間隙由布置于所述主體部段與所述外科手術(shù)部段之間的柔順材料進(jìn)一步限定，使得所述柔順材料能夠響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)部段的變化的力而被壓縮并被拉長(zhǎng)以提供保留在所述兩個(gè)相對(duì)的表面之間的間隙的變化。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科手術(shù)工具，其中，所述傳感器部段包括在一端附連至所述主體部段而在相對(duì)端附連至所述外科手術(shù)部段的柔順部件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的外科手術(shù)工具，其中，所述柔順部件是包括彎曲部分的微加工管。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的外科手術(shù)工具，其中，所述傳感器部段還包括設(shè)置于所述微加工管的所述彎曲部分之間的間隙中的柔順密封材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的外科手術(shù)工具，其中，所述柔順部段包括所述干涉型光學(xué)傳感器的工作波長(zhǎng)基本上可透過的材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的外科手術(shù)工具，其中，所述傳感器部段還包括繞所述柔順部段附連以提供護(hù)罩的柔性膜狀物。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科手術(shù)工具，其中，所述傳感器部段還包括限定各自的參考距離的多個(gè)干涉型光學(xué)傳感器，所述參考距離響應(yīng)于施加至所述外科手術(shù)工具的所述外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩、或所述外科手術(shù)工具的所述傳感器部段的溫度變化中的至少一者而變化。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科手術(shù)工具，還包括沿著所述主體部段的內(nèi)部延伸至所述外科手術(shù)工具的所述傳感器部段的光纖。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的外科手術(shù)工具，還包括沿著所述主體部段的內(nèi)部延伸至所述外科手術(shù)工具的所述傳感器部段的多個(gè)光纖。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科手術(shù)工具，還包括設(shè)置于所述主體部段中的光纖布拉格光柵傳感器，所述光纖布拉格光柵傳感器對(duì)所述外科手術(shù)工具的所述主體部段的至少一部分的彎曲度進(jìn) 行測(cè)量。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的一種外科手術(shù)工具系統(tǒng)包括外科手術(shù)工具以及光學(xué)耦接至外科手術(shù)工具的干涉測(cè)量系統(tǒng)。外科手術(shù)工具包括主體部段、傳感器部段以及外科手術(shù)部段，至少一個(gè)傳感器部段附連至主體部段或與主體部段一體，至少一個(gè)所述外科手術(shù)部段在傳感器部段的與主體部段相對(duì)的端部處附連至傳感器部段或與傳感器部段一體。傳感器部段包括限定參考距離的干涉型光學(xué)傳感器，參考距離響應(yīng)于施加至外科手術(shù)工具的外科手術(shù)部段的力或轉(zhuǎn)矩中的至少一者而變化。
文檔編號(hào)A61B19/00GK103153248SQ201180045297
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者拉塞爾·H·泰勒, 尤利安·約爾德基策, 康金, 林宣 申請(qǐng)人:約翰霍普金斯大學(xué)