用于定位可移動目標(biāo)的形狀傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及使用形狀傳感器系統(tǒng)追蹤解剖目標(biāo)和/或介入器械的系統(tǒng)和方法，并 且更具體地涉及使用冗余的形狀傳感器提高形狀傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)意圖減少在介入程序期間損傷的組織量，從而減少患者恢復(fù)時間、 不適感和有害的副作用。為了追蹤解剖目標(biāo)、植入設(shè)備和/或介入器械(包括手術(shù)器械、診斷 器械、治療器械或活檢器械)在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置，微創(chuàng)傳感器系統(tǒng)可以被使用。在現(xiàn) 有系統(tǒng)中，電磁(EM)導(dǎo)航可以用于追蹤介入器械、植入設(shè)備或目標(biāo)在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的運(yùn) 動。雖然EM導(dǎo)航系統(tǒng)對于許多程序是有用的，但是它們可能受到來自手術(shù)間中的其它裝備 的磁場干擾。例如，熒光成像系統(tǒng)或金屬器械的C型臂可以產(chǎn)生與EM導(dǎo)航系統(tǒng)的磁場干擾， 從而導(dǎo)致介入器械的追蹤中的不可接受的誤差。在其它現(xiàn)有系統(tǒng)中，光纖形狀傳感器系統(tǒng) 可以用于追蹤患者解剖結(jié)構(gòu)中的介入器械的運(yùn)動。光纖形狀傳感器系統(tǒng)監(jiān)測在沿單個光纖 的各個點(diǎn)處的應(yīng)變以確定光纖的形狀。根據(jù)單個光纖的形狀，能夠獲得沿光纖的各個點(diǎn)的 姿態(tài)(方位和取向）。由于誤差積累，所以與得到的沿單個光纖的各個點(diǎn)的姿態(tài)相關(guān)的誤差 可以隨距光纖詢問器的距離而增加。需要改進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)和方法以便追蹤手術(shù)環(huán)境中的介 入器械、植入設(shè)備和解剖目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的實施例由隨附的權(quán)利要求概括。
[0004] 在一個實施例中，一種方法包含接收來自第一形狀傳感器中的第一細(xì)長光纖部段 的第一形狀數(shù)據(jù)。該第一細(xì)長光纖部段延伸在參考固定裝置(reference fixture)和耦連 到患者解剖結(jié)構(gòu)的第一解剖學(xué)固定裝置之間。該方法進(jìn)一步包含根據(jù)第一形狀數(shù)據(jù)確定第 一解剖學(xué)固定裝置的姿態(tài)和追蹤第一解剖學(xué)固定裝置的姿態(tài)變化。
[0005] 在另一個實施例中，一種系統(tǒng)包含骨固定設(shè)備、形狀傳感器參考固定裝置以及耦 連在形狀傳感器參考固定裝置和骨固定設(shè)備之間的光纖形狀傳感器設(shè)備。該光纖形狀傳感 器被配置成提供第一形狀數(shù)據(jù)用于確定骨固定設(shè)備的姿態(tài)。
[0006] 在另一個實施例中，一種系統(tǒng)包含骨固定設(shè)備、形狀傳感器參考固定裝置以及耦 連在形狀傳感器參考固定裝置和骨固定設(shè)備之間的形狀傳感器設(shè)備。該形狀傳感器被配置 成提供第一形狀數(shù)據(jù)用于確定骨固定設(shè)備的姿態(tài)。該形狀傳感器設(shè)備包括多個光纖，多個 光纖耦連到細(xì)長的條帶材料從而以預(yù)定的空間關(guān)系維持多個光纖。
[0007] 在另一個實施例中，一種系統(tǒng)包含骨固定設(shè)備、形狀傳感器參考固定裝置以及光 纖形狀傳感器設(shè)備，光纖形狀傳感器設(shè)備在近端處耦連到形狀傳感器參考固定裝置并且在 遠(yuǎn)端處可拆卸地耦連到骨固定設(shè)備。該光纖形狀傳感器被配置成提供第一形狀數(shù)據(jù)用于確 定骨固定設(shè)備的姿態(tài)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包含用于將骨固定設(shè)備的遠(yuǎn)端可拆卸地耦連到光纖形 狀傳感器設(shè)備的聯(lián)接器。
[0008] 在另一個實施例中，一種方法包含接收來自第一形狀傳感器中的第一細(xì)長光纖部 段的第一形狀數(shù)據(jù)，該第一細(xì)長光纖部段延伸在參考固定裝置和耦連到醫(yī)療器械的器械固 定裝置之間。該方法還包含根據(jù)第一形狀數(shù)據(jù)確定器械固定裝置的姿態(tài)和追蹤器械固定裝 置的姿態(tài)變化。
[0009] 根據(jù)下面的【具體實施方式】，本公開的附加方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變的顯而易見。
【附圖說明】
[0010] 當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，根據(jù)下面的【具體實施方式】，本公開的各方面被最好地理解。特 別強(qiáng)調(diào)，根據(jù)行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)慣例，各種特征未按比例繪制。事實上，為了清晰的討論，各種特 征的尺寸可以被任意地增加或減少。此外，本公開可以在各種示例中重復(fù)參考數(shù)字和/或字 母。這種重復(fù)是為了簡化和清晰的目的，并且其本身并不指定討論的各種實施例和/或配置 之間的關(guān)系。
[0011]圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的傳感器系統(tǒng)。
[0012] 圖2是圖1的傳感器系統(tǒng)的多核芯光纖部件。
[0013] 圖3是圖2的多核芯光纖部件的橫截面視圖。
[0014] 圖4是根據(jù)本公開的另一個實施例的具有多個光纖傳感器的傳感器系統(tǒng)。
[0015] 圖5圖示說明使用圖4的傳感器系統(tǒng)的方法。
[0016] 圖6是根據(jù)本公開的另一個實施例的具有按順序鏈接的光纖傳感器的傳感器系 統(tǒng)。
[0017] 圖7是根據(jù)本公開的另一個實施例的具有多個光纖傳感器的傳感器系統(tǒng)。
[0018] 圖8是根據(jù)本公開的另一個實施例的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。
[0019] 圖9是根據(jù)本公開的另一個實施例的并入無菌帷簾的傳感器系統(tǒng)。
[0020] 圖10是根據(jù)本公開的另一個實施例的具有多個冗余的光纖傳感器的傳感器系統(tǒng)。
[0021] 圖11圖示說明根據(jù)本公開的另一個實施例的條帶配置中的多個冗余的光纖傳感 器。
[0022] 圖12圖示說明根據(jù)本公開的另一個實施例的條帶配置中的多個冗余的光纖傳感 器。
[0023] 圖13圖示說明根據(jù)本公開的另一個實施例的集成到骨固定硬件(bone fixation hardware)的光纖傳感器。
[0024] 圖14圖示說明根據(jù)本公開的另一個實施例的在骨固定硬件的聯(lián)接構(gòu)件處終止的 光纖傳感器。
[0025] 圖15圖示說明根據(jù)本公開的另一個實施例的在骨固定硬件的聯(lián)接器處具有應(yīng)變 消除的光纖傳感器。
[0026] 圖16是根據(jù)本公開的一個實施例的機(jī)器人介入系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0027] 在本發(fā)明的各方面的以下【具體實施方式】中，許多具體細(xì)節(jié)被闡明，以便提供對所 公開的實施例的全面理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在沒有這些具體細(xì)節(jié)的 情況下，本公開的實施例也可以被實踐。在其它情況下，熟知方法、程序、部件和電路未被詳 細(xì)描述，以免不必要地模糊本發(fā)明的實施例的各方面。另外，為了避免不必要的重復(fù)描述， 根據(jù)一個說明性實施例描述的一個或多個部件或動作能夠被使用或省略以適用于其它說 明性實施例。
[0028]下面的實施例將根據(jù)設(shè)備在三維空間中的狀態(tài)來描述各種設(shè)備和設(shè)備的各部分。 如本文所使用的，術(shù)語"方位"指對象或部分對象在三維空間中（例如，沿笛卡爾X、Y、Z坐標(biāo) 的三個平移自由度)的位置。如本文所使用的，術(shù)語"取向"指對象或部分對象的可旋轉(zhuǎn)的放 置(三個旋轉(zhuǎn)自由度-例如，滾動、俯仰和偏擺）。如本文所使用的，術(shù)語"姿態(tài)"指對象或部分 對象在至少一個平移自由度中的方位并且指對象或部分對象在至少一個旋轉(zhuǎn)自由度中的 取向（多達(dá)總共六個自由度）。如本文所使用的，術(shù)語"形狀"指沿細(xì)長對象測量的一組姿態(tài)、 方位或取向。為了說明，本文描述的方法和系統(tǒng)通常在矯形手術(shù)方面來描述。然而，相同的 系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用于在患者解剖結(jié)構(gòu)的其它區(qū)域上進(jìn)行的程序。
[0029] 用于微創(chuàng)手術(shù)程序的傳統(tǒng)光學(xué)導(dǎo)航程序通常需要具有到解剖參考固定裝置和工 具導(dǎo)引參考固定裝置的直接視線的大攝像機(jī)頭。若干缺點(diǎn)可能與傳統(tǒng)導(dǎo)航途徑相關(guān)。例如， 傳統(tǒng)光學(xué)追蹤系統(tǒng)需要攝像機(jī)和參考固定裝置的追蹤標(biāo)記之間的連續(xù)視線。視線的中斷能 夠?qū)е鹿ぷ髁骱桶踩珕栴}。在關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中，例如，堆滿器械和關(guān)節(jié)鏡的小手術(shù)區(qū)域可能不 允許視線光學(xué)追蹤。傳統(tǒng)光學(xué)追蹤系統(tǒng)還采用必須通過一個或多個骨螺釘固定到患者的參 考固定裝置。這些參考固定裝置可能是笨重的并且限制手術(shù)入路。本公開的方法和系統(tǒng)可 以用作傳統(tǒng)光學(xué)追蹤系統(tǒng)和方法的替代或增補(bǔ)。通常，本公開的方法和系統(tǒng)涉及形狀傳感 器系統(tǒng)的使用，以定位和追蹤在介入程序期間的解剖目標(biāo)和器械。
[0030] 參考圖1，用于例如手術(shù)、診斷、治療、活檢、醫(yī)療監(jiān)測或醫(yī)療評價的傳感器系統(tǒng)總 體由參考數(shù)字10指示。傳感器系統(tǒng)10通常包括詢問系統(tǒng)12、參考固定裝置14、傳感器設(shè)備 16、18、20、30、介入器械22、數(shù)字化探針23、控制系統(tǒng)24、目標(biāo)固定裝置26以及傳感器處理和 控制系統(tǒng)27。在各種實施例中，傳感器系統(tǒng)的這些部件中的一個或多個可以被省略，或者多 個相同類型的部件可以被包括。如將在下面詳細(xì)描述的，傳感器系統(tǒng)10可以包括冗余的傳 感器部件，其增加系統(tǒng)的形狀感測和姿態(tài)確定功能的準(zhǔn)確性。冗余的傳感器部件還可以識 別例如在急彎曲、高張力或顯著扭曲的區(qū)域中的傳感器誤差的源和位置并校正那些誤差。 [0031 ]詢問系統(tǒng)12產(chǎn)生光并檢測返回的光以確定傳感器設(shè)備16、18、20、30的當(dāng)前形狀。 詢問系統(tǒng)12還可以處理返回的數(shù)據(jù)以便顯示給臨床醫(yī)生。這種信息轉(zhuǎn)而能夠用于確定其它 相關(guān)變量，諸如傳感器設(shè)備所連接的目標(biāo)或器械的姿態(tài)、速度和加速度。傳感器設(shè)備16、18 分別在近端16a、18a處耦連到詢問系統(tǒng)12。這些近端可以并置排列或可以分開已知或可測 量距離和取向。通過使用已知變換，共用基礎(chǔ)坐標(biāo)系能夠被使用。傳感器設(shè)備16、18還分別 具有遠(yuǎn)端16b、18b。傳感器設(shè)備20在近端20a處耦連到詢問系統(tǒng)12并且在遠(yuǎn)端20b處耦連到 介入器械22。雖然傳感器設(shè)備20被示出完全地在介入器械內(nèi)或沿介入器械延伸，但是在各 種替代實施例中，傳感器設(shè)備可以僅部分地在介入器械內(nèi)或沿介入器械延伸。介入器械22 耦連到控制系統(tǒng)24以接收例如電力信號和通信信號。傳感器設(shè)備30在近端30a處耦連到詢 問系統(tǒng)12并且在遠(yuǎn)端30b處耦連到數(shù)字化探針23。雖然傳感器設(shè)備30被示出完全地在探針 23內(nèi)或沿探針23延伸，但是在各種替代實施例中，傳感器設(shè)備可以僅部分地在探針內(nèi)或沿 探針延伸。數(shù)字化探針23耦連到操作的控制系統(tǒng)24,以接收例如電力信號和通信信號。數(shù)字 化探針23可以用于識別和記錄導(dǎo)航界標(biāo)。
[0032] 傳感器設(shè)備16、18、20、30中的每一個沿其在近端和遠(yuǎn)端之間的長度在中間部分處 耦連到參考固定裝置14。傳感器設(shè)備16、18、20、30的耦連部分的姿態(tài)由參考固定裝置14保 持和固定。另外，傳感器設(shè)備16、18、20、30的耦連部分的姿態(tài)關(guān)于彼此