使用扭轉不敏感的形狀傳感器進行絕對三維測量的方法和系統技術方案

一種設備包括一個參照夾具。該參照夾具包括一個接頭、以及追蹤該接頭運動的一個接頭追蹤器。該設備還包括一個手術器械。一個系鏈被連接在該接頭與該手術器械之間。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、并且進入該手術器械中。該形狀傳感器基本上沒有扭轉。該接頭追蹤器測量該接頭的運動。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合提供了相對于該參照夾具的絕對三維信息，即，提供了在一個固定的通用參照系內的絕對三維信息。

【技術實現步驟摘要】
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“使用扭轉不敏感的形狀傳感器進行絕對三維測量的方法和系統”的中國專利申請201180009341.X的分案申請。相關申請本申請要求以下各項的優先權和權益：2010年2月12日提交的，標題為“MethodandSystemforAbsoluteThree-DimensionalMeasurementsUsingaTwist-InsensitiveShapeSensor(使用扭轉不敏感的形狀傳感器進行絕對三維測量的方法和系統)”的美國臨時申請No.61/304,094，其專利技術人為GiuseppeM.Prisco、TheodoreW.Rogers、VincentDuindam、MyriamJ.Curet、CatherineJ.Mohr、KatherineD.Stoy，通過引用將其全文結合在此。
本專利技術的多個方面涉及感知信息來表征微創手術器械，并且更具體地涉及用來獲得微創手術器械的形狀信息和絕對三維姿態信息的形狀傳感器。
技術介紹
微創手術中的一個重發性問題是確定手術中使用的一個器械的姿態和/或形狀。而且，確定病人體內的解剖學位置以及將MRI圖像或其他圖像與在手術過程中獲得的病人圖像相關聯需要三維的測量。目前用來獲得關于柔性手術器械的形狀信息的方法包括基于相機和視覺的方法、基于慣性傳感器和陀螺儀傳感器的方法、以及基于電磁場傳感器的方法。而且，存在可以觸及兩個不同的位置并且確定這兩個位置之間的相對關系的機械系統。這些方法在感知精度和準度、對環境條件的敏感性、實際應用中的浸入力方面受到限制，并且一般僅可以提供手術器械的某個離散數目的點的位置信息。而且，所測量的距離是相對距離而非絕對距離。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US6,389,187B1(1998年6月17日提交)、美國專利申請公開號US2006/0013523A1(2005年7月13日提交)、以及RogerG.Duncanetal，CharacterizationofaFiber-OpticShapeandPositionSensor，SmartStructuresandMaterials2006：SmartSensorMonitoringSystemsandApplications(D.Inaudietal.eds.)，6167ProceedingsofSPIE616704(2006年3月16日)，將所有這些通過引用結合在此。光纖形狀傳感器已經被用于感知微創手術器械中的接頭角度。參見例如美國專利申請公開號US2007/0156019A1(2006年7月20提交)以及NASATechBriefs，NASA-InspiredShape-SensingFibersEnableMinimallyInvasiveSurgery(2008年2月1日)，http://www.techbriefs.com/content/view/2585/，二者均通過引用結合在此。典型地，光纖形狀傳感器通過光時域反射測量術(OTDR)或通過光頻域反射測量術(OFDR)來工作。大多數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、布里淵散射以及熒光散射。在形狀感知傳感器中還使用了光纖布拉格光柵以及克爾效應。一些光纖布拉格光柵形狀傳感器對扭轉(twist)是不敏感的。因此，如果該形狀傳感器被扭轉，則使用該扭轉的形狀傳感器獲得的姿態信息是不正確的。對于形狀感知還使用了其他技術。例如，將電磁場與安裝在內窺鏡上的傳感器結合使用以確定一個內窺鏡的位置。參見美國專利申請公開號2007/0249901A1(2006年3月28日提交，披露了“InstrumentHavingRadioFrequencyIdentificationSystemsandMethodsforUse(具有射頻標識系統的器械和使用方法)”)，將其通過引用以其整體結合在此。而且，已經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。
技術實現思路
在一個方面，一種設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。該設備還包括一個手術器械。一個系鏈被連接在該接頭與該手術器械之間。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、并且進入該手術器械中。該形狀傳感器基本上沒有扭轉/扭絞(twist)。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合提供了相對于該參照夾具的絕對三維信息，即，提供了在一個固定的通用參照系內的絕對三維信息。在該固定的通用參照系內的這種絕對三維信息與來自傳統方法的信息形成了對比，所述傳統方法提供一個手術器械的多個元件之間的相對距離、多個手術器械之間的相對距離、或進行醫療手術的病人體內的多個位置之間的相對距離。在固定的通用參照系內獲得絕對的三維形狀和姿態數據的能力在醫療手術中提供了新水平的能力。此外，在該固定的通用參照系內的絕對的三維姿態數據(位置和取向)允許記錄例如在該固定的通用參照系內的不同的圖像，并且疊加所需要的圖像以促進一個更熟悉的手術過程。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這一個自由度是滾動。在另一個例子中，該接頭包括一個球和螺桿接頭/螺旋接頭(screwioint)。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。對該接頭或接頭組合中的自由度數目進行選擇以輔助外科醫生移動該手術器械。手術器械與參考結構之間的扭轉剛性的系鏈可以抑制/限制外科醫生操縱該手術器械。因此，在參考結構中使用一個接頭或接頭組合來輔助以該手術器械的所有自由度來操縱該手術器械。在該系鏈沒有抑制該手術器械的操縱或者這種抑制作用在手術器械的使用中不顯著的方面，可以在參考結構中使用具有零個自由度的接頭并且不需要接頭追蹤器。該系鏈限定了沿著該系鏈的縱向軸線延伸的一個內腔，并且該形狀傳感器延伸穿過該內腔。在一個方面，該系鏈是扭轉剛性的。在另一方面，一個襯里延伸穿過了該系鏈中的內腔。該襯里包括一個襯里內腔并且該形狀傳感器延伸穿過了該襯里內腔。該襯里由一種材料制成，使得該形狀傳感器在該襯里內自由轉動。在一個方面，該材料本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種設備，其包括：參照夾具，該參照夾具被安裝在固定的通用參照系的第一位置處；位于所述固定的通用參照系內的插管，所述插管具有近端和所述近端處的插管開口；形狀傳感器，該形狀傳感器延伸穿過該參照夾具，所述形狀傳感器包括第一部分和近端，其中所述形狀傳感器的第一部分連接到所述插管的所述近端并且所述形狀傳感器的所述近端鄰近所述參照夾具終止；和第一系鏈本體，其在所述參照夾具和所述插管的近端之間延伸超過所述形狀傳感器；其中來自所述形狀傳感器的信息用于產生相對于所述固定的通用參照系的三維信息。

【技術特征摘要】
2010.02.12 US 61/304,094;2010.07.20 US 12/839,6421.一種設備，其包括：
參照夾具，該參照夾具被安裝在固定的通用參照系的第一位置處；
位于所述固定的通用參照系內的插管，所述插管具有近端和所述近端
處的插管開口；
形狀傳感器，該形狀傳感器延伸穿過該參照夾具，所述形狀傳感器包
括第一部分和近端，其中所述形狀傳感器的第一部分連接到所述插管的所
述近端并且所述形狀傳感器的所述近端鄰近所述參照夾具終止；和
第一系鏈本體，其在所述參照夾具和所述插管的近端之間延伸超過所
述形狀傳感器；
其中來自所述形狀傳感器的信息用于產生相對于所述固定的通用參照
系的三維信息。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述形狀傳感器的第一部分是所述
形狀傳感器的遠端。
3.如權利要求1所述的設備，其中來自所述形狀傳感器的信息用于產
生所述插管的近端的三維姿態信息。
4.如權利要求1所述的設備，進一步包括：
手術器械，其尺寸被設計為插入所述插管，其中所述形狀傳感器包括
連接到所述手術器械的第一部分的遠端，并且所述形狀傳感器的第一部分
在所述形狀傳感器的遠端和近端之間。
5.如權利要求4所述的設備，其中來自所述形狀傳感器的信息用于產
生所述手術器械的第一部分的三維姿態信息。
6.如權利要求4所述的設備，進一步包括：
第二系鏈本體，其在所述插管的近端和所述手術器械之間延伸超過所

\t述形狀傳感器。
7.如權利要求1所述的設備，進一步包括：
位于所述固定的通用參照系內的第二插管，所述第二插管具有近端和
所述近端處的第二插管開口；和
第二形狀傳感器，所述第二形狀傳感器延伸穿過所述參照夾具，所述
第二形狀傳感器包括遠端和近端，其中所述第二形狀傳感器的遠端連接到
所述第二插管的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G·M·普里斯科，T·W·羅杰斯，V·多文戴姆，M·J·科瑞特，C·J·莫爾，K·D·斯托伊，
申請(專利權)人：直觀外科手術操作公司，
類型：發明
國別省市：美國;US