用于將光學形狀感測使能的設備中的光纖扭曲最小化的系統和方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及醫學儀器，并且更具體而言，用于降低醫學應用中的形狀感測光纖中的扭曲。
【背景技術】
[0002]基于光纖光學的形狀感測利用常規光纖中的固有背散射。使用的原理是在具有特征瑞利散射模式的光纖中，例如在標準單模通信光纖中，的分布式應變測量。作為纖芯中的折射率的隨機波動的結果，發生瑞利散射。這些隨機波動能夠利用沿長度的幅度和相位的隨機變化來建模。光纖布拉格光柵也可以被采用。通過使用延伸在多芯光纖的單個長度內的3個或更多個芯中的這些效應，感興趣表面的三維(3D)形狀和動態能夠被重建。
[0003]利用其中一個芯被定位在橫截面的中央中的4個或更多個芯的光纖系統，人們能夠分離由于彎曲和溫度效應的應變，只要沒有施加軸向應變(拉伸)，或者如果拉伸是已知和可控的(或能夠被校準)。參考文件存儲外部芯圍繞中央芯的纏繞率的值(也被稱為擺動)，但當出現過度扭曲時，變得更加難以辨別該效應，因為擺動的變化率以非線性速率增加。這常常導致關于光纖縱軸的超過231扭轉的不準確性和超過631扭轉的不穩定性。
[0004]將光纖集成到固定端部光學形狀感測(OSS)使能的設備涉及將光纖的起始區域固定在起始固定件內，并且將光纖的端部固定在儀器的遠端內。假設起始固定件被剛性地附接到操作臺或其他結構，這兩個固定點當儀器在介入期間被扭轉時會導致沿光纖的長度的扭曲的累積。該扭曲值的知識被用于測量儀器的滾動自由度。然而，OSS光纖僅能夠直到關于其軸在任一方向上的近似231扭曲產生準確的形狀重建，在接近于631的累積扭曲失去穩定性。
[0005]扭曲能夠在操縱期間由操作者旋轉儀器而引入，或者當儀器被移動時由光纖與儀器腔之間的摩擦(粘貼-滑動)而引入。在臨床使用期間，尤其是在脈管流程中，醫師常常將導絲/儀器旋轉(或扭轉)通過多個轉。這樣的扭轉導致固定端部設備中的扭曲的累積，其盡管對于測量設備的取向必要，但是令形狀感測失去準確性，然后穩定性，并且最終導致形狀重建的故障。這種限制嚴重影響固定端部OSS設備的臨床適用性，因為其對臨床醫師施加限制。因此，以下是重要的:將由臨床醫師施加在光纖上的扭曲量最小化，同時確保儀器的取向仍然已知，并且仍然能夠以普通方式操作和扭轉儀器。
【發明內容】
[0006]根據本原理，一種用于光學形狀感測使能的儀器的光纖扭曲降低系統包括:可旋轉起始固定件，其被配置為容納光纖。光學形狀感測使能的設備包括被設置于其中的所述光纖。旋轉機構被配置為響應于所述光纖的扭曲來旋轉所述光纖，以降低沿其長度的累積的扭曲。
[0007]—種用于光學形狀感測使能的儀器的纖維扭曲降低系統包括:光學形狀感測使能的設備，其具有包括被設置于其中的至少一條光纖。可旋轉起始固定件被配置為容納所述至少一條光纖，并且旋轉機構被配置為旋轉所述至少一條光纖的起始區域。控制器被耦合到所述旋轉機構，并且被配置為使得所述旋轉機構能夠響應于所述至少一條光纖的扭曲，以至少降低所述至少一條光纖內的累積的扭曲。
[0008]—種用于降低針對形狀感測使能的設備的光纖中的累積的扭曲的方法包括:提供被配置為容納至少一條光纖的可旋轉光纖起始固定件，包括被設置于其中的所述至少一條光纖的光學形狀感測使能的設備，以及被配置為旋轉被設置在所述可旋轉光纖起始固定件中的所述光纖的旋轉機構;測量被設置在所述光學形狀感測使能的設備內的所述至少一條光纖中的扭曲；并且響應于所述扭曲，使用所述旋轉機構來旋轉所述光纖起始固定件，以至少降低在所述至少一條光纖內的累積的扭曲。
[0009]根據對本公開的下面的說明性實施例的【具體實施方式】詳細描述一一要結合附圖進行閱讀一一本公開內容的這些及其他目標、特征和優點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0010]本公開將參考以下附圖來詳細地呈現下面的優選實施例的描述，其中:
[0011]圖1是示出根據說明性實施例的具有可旋轉起始固定件和控制的形狀感測系統的方框/流程圖；
[0012]圖2是根據說明性實施例的可旋轉起始固定件的缺省位置的透視視圖；
[0013]圖3是示出針對具有固定端部的光學形狀感測設備的通過繪制扭曲(弧度)對指數計數的累積扭曲的曲線圖；
[0014]圖4是示出針對根據本發明的原理的具有扭曲補償的具有固定端部的光學形狀感測設備的通過繪制扭曲(弧度)對指數計數的累積扭曲的曲線圖；
[0015]圖5是示出根據說明性實施例的在第一方向上的補償的扭曲的可旋轉起始固定件的透視圖；
[0016]圖6是示出根據說明性實施例的在第二方向上的補償的扭曲的可旋轉起始固定件的透視圖；
[0017]圖7是示出根據說明性實施例的用于在光學形狀感測光纖中的累積的扭曲降低的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]根據本發明的原理，提供一種裝置和方法，用于例如使用單個自由度致動的起始固定件來對光學形狀感測(OSS)中的扭曲進行測量和計數。固定件操縱OSS光纖的起始區域，以將沿光纖的長度的累積的扭曲最小化。在一個實施例中，所述裝置包括電機、編碼器、電機控制器以及適合沿光纖的軸旋轉起始區域的機構。通過以下方式來將扭曲最小化:利用來自光纖的扭曲信號閉合電機控制回路，使得當在光纖中觀察扭曲的累積時，電機將旋轉起始區域以將扭曲值驅動到零。
[0019]因為該旋轉也將有效地改變光纖重建的坐標系(例如，其將引起關于光纖的z軸，即沿其縱軸的旋轉)，因此需要編碼器來測量起始區域經歷的實際角位移，使得能夠在正確的參考框架內準確地重建光纖的形狀和取向。單自由度(1-DoF)機構被致動以將固定端部設備中的扭轉累積最小化，這也允許測量設備的滾動自由度。機器人或機電機構可以被采用，其以將扭曲最小化的方式來移動光纖的起始/近端段，如描述的。
[0020]因此，本原理將由臨床醫師施加在光纖上的扭曲量最小化，同時確保儀器的取向仍然已知。所述儀器仍然能夠由臨床醫師以普通方式來操作和扭轉。各個實施例可以包括機器人/機電機構，所述機器人/機電機構以將扭曲最小化的方式來移動光纖的起始/近端段。
[0021]還應當理解，將關于醫學儀器來描述本發明；然而，本發明的教導要寬泛得多，并且，本發明可應用于任何光纖光學儀器。在一些實施例中，采用本發明的原理來追蹤或分析復雜的生物系統或機械系統。具體而言，本發明的原理可應用于:生物系統的內部追蹤流程、身體的所有區域(例如肺、胃腸道、排泄器官血管等)中的流程。圖中描繪的元件可以在硬件和軟件的各種組合中進行實現，并且提供可以被組合在單個元件或多個元件中的功會K。
[0022]可以通過使用專用硬件和能夠執行軟件的與適當的軟件相關聯的硬件來提供附圖中示出的各種元件的功能。在由處理器提供時，可以由單個的