利用光学形状感测的对表面接触的检测制造技术

一种用于检测仪器与表面相互作用的系统，包括形状感测使能的仪器(102)，所述形状感测使能的仪器被配置为沿着所述表面通过。相互作用评估模块(148)被配置为监测来自所述仪器的形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触。

Surface contact detection using optical shape sensing

A system for detecting the interaction of an instrument with a surface, including an instrument for sensing a sense of energy (102), and the shape sensing enabled apparatus is configured to pass along the surface. Interaction evaluation module (148) configured to monitor the shape from the instrument sensor feedback to determine the shape sensing feedback mode, the sense of shape pattern recognition measurement feedback whether with the surface of the contact.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用光学形状感测的对表面接触的检测
本公开涉及医学仪器，并且更具体而言涉及在检测与表面的相互作用的过程中所采用的形状感测光纤。
技术介绍
光学形状感测(OSS)使用沿着多芯光纤的光以用于在手术介入期间的设备定位和导航。所涉及的一种原理利用在光纤中的、使用特征瑞利背散射或者受控的光栅图案的分布式应变测量。沿着所述光纤的形状开始于沿着传感器的特定点处，已知为起始点或z＝0，并且延伸到纤维的端部。针对临床使用，所述形状感测纤维被集成到医学设备中，诸如导管、导丝、内窥镜、机器人工具等。这通常通过将纤维放置到设备的壁内的腔中来完成。根据对形状感测数据的重建来提供多个形状参数。这些参数包括x、y、z位置、轴向应变和扭转等。最后，根据来自形状感测纤维内的多个芯(例如，4个芯)的相位的测量结果来导出所有这些参数。所述形状感测测量使用来自使用输入光源进行扫掠的一个范围的照射频率(例如，20nm)的数据。这需要一些有限量的时间(例如，1-10ms)来执行测量。在该时间期间，在芯中的相位的改变会导致不正确的读取以及对应的不正确的形状重建。在导航期间，这些不正确的形状通常通过被检测并移除。由于扭转是通过中央芯来归一化的三个外部芯的平均，其提供在所有芯中的相位的总计。在血管内流程中，存在由于在导航期间的介入设备的刮擦而产生栓塞颗粒的风险。在导航期间移位的这些栓塞颗粒可能导致不利的状况，例如在脉管系统的其他区域中的血栓。血栓继而可能导致诸如脑卒中的不利事件。对于操作者而言，难以获知设备的端部在导航期间与血管壁相接触的程度。
技术实现思路
根据本原理，一种用于检测仪器与表面相互作用的系统，包括形状感测使能的仪器，所述形状感测使能的仪器被配置为沿着所述表面通过。相互作用评估模块被配置为监测来自所述仪器的形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触。一种用于检测仪器与表面相互作用的系统，包括柔性仪器，所述柔性仪器被配置为沿着表面通过。光学形状感测系统被集成到所述仪器中并且被配置为提供光学形状感测信号作为形状感测反馈。包括处理器以及被耦合到所述处理器的存储器。相互作用评估模块被存储在所述存储器中并且配置为监测来自所述仪器的形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触。致动模块被配置为根据所述形状感测反馈的模式来调节所述仪器。一种用于检测仪器与表面相互作用的方法，包括：接收来自被配置为沿着所述表面通过的柔性形状感测使能的仪器的形状感测反馈；并且使用被配置为监测来自所述仪器的所述形状感测反馈的相互作用评估模块来评估所述形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触。通过下文对其说明性实施例的详细描述，本公开的这些和其他特征和优点将变得显而易见，要结合附图进行理解。附图说明本公开将在下文将参考以下附图来呈现对优选实施例的详细描述，其中：图1是示出了根据一个实施例的形状感测系统的框图/流程图，所述形状感测系统采用相互作用评估模块，所述相互作用评估模块用于检测接触是否是由仪器与血管的壁进行的；图2示出了仪器到血管壁相互作用的两个范例；图3示出了两幅扭转曲线绘图，其示出了正常扭转曲线和由于振动干扰的错误扭转曲线；图4示出了扭转曲线绘图，该扭转曲线绘图示出了信号的远端区域被振动干扰破坏；图5示出了根据本原理的针对三个数据集的相对于帧数绘制的端部振动度量(tvm)，其中，数据集1示出了在体模内无端部刮擦，数据集2示出了在体模内的壁刮擦，并且数据集3示出了相对于皮肤的端部刮擦；并且图6是示出了根据说明性实施例的方法的框图/流程图，所述方法用于检测仪器是否已经与壁或表面相接触。具体实施方式根据本原理，公开了系统和方法以识别介入设备的一部分何时与表面相接触，所述表面诸如是血管壁、皮肤的表面、心脏、骨骼、非生物学表面等。这样的技术优选可以采用光学形状感测信号，但是可以采用多种方案。在一些实施例中，可以采用包括但不限于光学形状感测的技术的组合以提供对表面接触或壁刮擦的有意义的表示。能够以多种方式从所述光学形状感测信号中提取壁刮擦信息。这些可以包括，例如，通过在扭转信号中的不连续来识别振动的存在，通过所述扭转信号的频率分量来识别振动的存在，根据轴向应变信号来检测在所述设备的端部处的压缩，根据设备的形状——特别是在远端部分中的高的曲率来预测壁接触，使用设备的运动概况来分离指示接触的信号等。将医学设备导航到目标血管中可以使用预弯曲的导管和导丝来实现，其彼此相互作用以及与脉管壁相相互作用。与脉管壁的该相互作用会导致在导航期间移位的栓塞颗粒的产生。这样的颗粒会导致在脉管系统中的其他区域中的栓塞，导致诸如脑卒中的不利事件。在常规的情景中，对于操作者而言，难以获知在导航期间设备的端部与血管壁的接触程度，因为所述设备是从身体的外部操纵的，并且由端部接触诱发的任何高频振动在被操作者感知到之前被阻尼掉。此外，在机器人流程中，其中，操作者不再具有来自设备的触觉反馈，获知设备的端部与血管壁之间的相互作用是尤其重要的。在光学形状感测测量期间发生的振动被采集到形状感测参数内。例如，在存在振动的情况下，扭转参数往往示出不连续和尖峰。这些振动能够沿着所述传感器的长度被空间地定位。类似地，振动能够自身表现为在纤维中测量的终止反射的宽化。当曲率的半径在所述设备的远端部分中变得非常小时，另一形状参数，曲率，能够指示与所述壁的接触。通过根据本原理来检查形状感测数据针对这些和其他特征的表现，能够对在导航期间发生的壁刮擦的量进行量化。在手动操作的情况下，该值可以被报告给操作者。针对机器人操作，该信息可以是控制环的一部分，以支持针对所述设备的远端部分的替代位置或形状。例如，可以采用致动模块，所述致动模块采用关于形状感测使能的仪器的信息，以确定例如所述仪器何时与所述血管壁相接触，并且减少或者防止这样的接触，以预测何时要进行所述接触，并且降低其影响(力)，以确定是否正在与表面(例如骨骼或皮肤的表面)进行充分的接触，以绘制针对整形外科应用的特征，例如全膝置换或者其他流程(例如当刮擦组织时，本原理能够确定骨骼是否已经与皮肤或肌肉等相接触等)。应当理解，将关于医学仪器描述本专利技术；然而，本专利技术的教导要宽泛的多，并且其适用于任何光纤仪器。在一些实施例中，在跟踪或分析负责生理或机械系统中采用本原理。具体地，本原理适用于对生物学系统的内部跟踪流程、在身体的所有区域(例如肺、胃肠道、排泄器官、血管等)中的流程。在附图中描绘的元件可以被实施为硬件和软件的各种组合，并且提供可以在单个元件或多个元件中的组合的功能。在附图中所示的各种元件的功能，能够通过使用专用硬件以及能够与合适的软件相关联来运行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器来提供，由单个共享处理器，由多个个体处理器(其中的一些能够是共享的)。此外，不应将词语“处理器”或“控制器”的明确使用解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，并且能够隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)和非易失性存储器等。此外，文本中记载本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测仪器与表面相互作用的系统，包括：形状感测使能的仪器(102)，其被配置为沿着所述表面通过；以及相互作用评估模块(148)，其被配置为监测来自所述仪器的形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.08 US 62/047,3631.一种用于检测仪器与表面相互作用的系统，包括：形状感测使能的仪器(102)，其被配置为沿着所述表面通过；以及相互作用评估模块(148)，其被配置为监测来自所述仪器的形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述形状感测使能的仪器(102)包括光学形状感测系统(104)，所述光学形状感测系统被配置为提供光学形状感测信号作为所述形状感测反馈。3.根据权利要求2所述的系统，其中，形状感测反馈的所述模式包括通过所述光学形状感测信号中的不连续信息或频率响应信息中的一个或多个而识别出的振动。4.根据权利要求2所述的系统，其中，形状感测反馈的所述模式包括温度、轴向应变和曲率中的一个或多个。5.根据权利要求2所述的系统，其中，形状感测反馈的所述模式包括在来自所述仪器(102)的所述光学形状感测信号中识别出的压缩。6.根据权利要求2所述的系统，其中，形状感测反馈的所述模式包括形状配置，所述形状配置根据所述光学形状感测信号被确定并且被预测以指示所述仪器(102)与所述表面之间的接触。7.根据权利要求2所述的系统，其中，形状感测反馈的所述模式包括运动概况，所述运动概况根据指示所述仪器(102)与所述表面之间的接触的所述光学形状感测信号而被确定。8.根据权利要求1所述的系统，还包括复合度量(524)，所述复合度量被配置为使用所述形状感测反馈的两个或更多个参数来确定所述仪器与所述表面之间的相互作用。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述复合度量的所述两个或更多个参数包括以下中的至少一个：所述仪器(102)的振动信息、所述仪器的轴向应变、所述仪器的曲率、温度、或者所述仪器的运动样式。10.根据权利要求1所述的系统，还包括对所述表面的表示(134)，对所述表面的表示被配置为与由所述仪器的所述光学形状感测所确定的位置和取向进行比较，以确定表面接触是否已经发生，或者识别所述仪器与所述表面之间已经发生表面接触之处的位置。11.根据权利要求1所述的系统，还包括致动模块(140)，所述致动模块被配置为根据所述形状感测反馈的所述模式来调节所述仪器，所述形状感测反馈的所述模式识别是否与所述表面进行了接触。12.一种用于检测仪器与表面相互作用的系统，包括：柔性仪器(102)，其被配置为沿着表面通过；光学形状感测系统(104)，其被集成到所述仪器中并且被配置为提供光学形状感测信号作为形状感测反馈；处理器(114)；存储器(116)，其被耦合到所述处理器；相互作用评估模块(148)，其被存储在所述存储器中并且被配置为监测来自所述仪器的所述形状感测反馈，以确定所述形状感测反馈的模式，所述形状感测反馈的模式识别是否与所述表面进行了接触；以及致动模块(140)，其被配置为根据所述形状感测反馈的所述模式来调节所述仪器。13.根据权利要求12所述的系统，其中，形状感测反馈的所述模式包括通过所述光学形状感测信号中的不连续信...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·L·弗莱克斯曼，D·P·努南，B·拉马钱德兰，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL