使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对三维测量的方法和系统技术方案

一种设备包括一个参照夹具。该参照夹具包括一个接头、以及追踪该接头运动的一个接头追踪器。该设备还包括一个手术器械。一个系链被连接在该接头与该手术器械之间。一个形状传感器从该参照夹具延伸穿过该接头、穿过该系链、并且进入该手术器械中。该形状传感器基本上没有扭转。该接头追踪器测量该接头的运动。来自该形状传感器的信息与来自该接头追踪器的信息相结合提供了相对于该参照夹具的绝对三维信息，即，提供了在一个固定的通用参照系内的绝对三维信息。

【技术实现步骤摘要】
本申请是国际申请日为2011年1月28日，进入国家阶段日为2012年8月13日的名称为“使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对三维测量的方法和系统”的中国专利申请201180009341.X的分案申请。相关申请本申请要求以下各项的优先权和权益：2010年2月12日提交的，标题为“MethodandSystemforAbsoluteThree-DimensionalMeasurementsUsingaTwist-InsensitiveShapeSensor(使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对三维测量的方法和系统)”的美国临时申请No.61/304,094，其专利技术人为GiuseppeM.Prisco、TheodoreW.Rogers、VincentDuindam、MyriamJ.Curet、CatherineJ.Mohr、KatherineD.Stoy，通过引用将其全文结合在此。
本专利技术的多个方面涉及感知信息来表征微创手术器械，并且更具体地涉及用来获得微创手术器械的形状信息和绝对三维姿态信息的形状传感器。
技术介绍
微创手术中的一个重发性问题是确定手术中使用的一个器械的姿态和/或形状。而且，确定病人体内的解剖学位置以及将MRI图像或其他图像与在手术过程中获得的病人图像相关联需要三维的测量。目前用来获得关于柔性手术器械的形状信息的方法包括基于相机和视觉的方法、基于惯性传感器和陀螺仪传感器的方法、以及基于电磁场传感器的方法。而且，存在可以触及两个不同的位置并且确定这两个位置之间的相对关系的机械系统。这些方法在感知精度和准度、对环境条件的敏感性、实际应用中的浸入力方面受到限制，并且一般仅可以提供手术器械的某个离散数目的点的位置信息。而且，所测量的距离是相对距离而非绝对距离。已知光纤形状传感器。参见例如美国专利号5,798,521(1997年2月27日提交)、美国专利号US6,389,187B1(1998年6月17日提交)、美国专利申请公开号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)，将所有这些通过引用结合在此。光纤形状传感器已经被用于感知微创手术器械中的接头角度。参见例如美国专利申请公开号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/，二者均通过引用结合在此。典型地，光纤形状传感器通过光时域反射测量术(OTDR)或通过光频域反射测量术(OFDR)来工作。大多数途径使用了一种背散射方法，该方法测量由光纤形状的变化所造成的背散射光的变化。使用的散射原理包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射以及荧光散射。在形状感知传感器中还使用了光纤布拉格光栅以及克尔效应。一些光纤布拉格光栅形状传感器对扭转(twist)是不敏感的。因此，如果该形状传感器被扭转，则使用该扭转的形状传感器获得的姿态信息是不正确的。对于形状感知还使用了其他技术。例如，将电磁场与安装在内窥镜上的传感器结合使用以确定一个内窥镜的位置。参见美国专利申请公开号2007/0249901A1(2006年3月28日提交，披露了“InstrumentHavingRadioFrequencyIdentificationSystemsandMethodsforUse(具有射频标识系统的器械和使用方法)”)，将其通过引用以其整体结合在此。而且，已经使用了压阻式柔性形状传感器的阻力变化来测量形状变化。
技术实现思路
在一个方面，一种设备包括一个参照夹具。该参照夹具包括一个接头、并且在一个方面包括追踪该接头运动的一个接头追踪器。该设备还包括一个手术器械。一个系链被连接在该接头与该手术器械之间。一个形状传感器从该参照夹具延伸穿过该接头、穿过该系链、并且进入该手术器械中。该形状传感器基本上没有扭转/扭绞(twist)。来自该形状传感器的信息与来自该接头追踪器的信息相结合提供了相对于该参照夹具的绝对三维信息，即，提供了在一个固定的通用参照系内的绝对三维信息。在该固定的通用参照系内的这种绝对三维信息与来自传统方法的信息形成了对比，所述传统方法提供一个手术器械的多个元件之间的相对距离、多个手术器械之间的相对距离、或进行医疗手术的病人体内的多个位置之间的相对距离。在固定的通用参照系内获得绝对的三维形状和姿态数据的能力在医疗手术中提供了新水平的能力。此外，在该固定的通用参照系内的绝对的三维姿态数据(位置和取向)允许记录例如在该固定的通用参照系内的不同的图像，并且叠加所需要的图像以促进一个更熟悉的手术过程。在一个方面，该接头仅具有一个自由度。例如，该接头是一个滚动接头并且这一个自由度是滚动。在另一个例子中，该接头包括一个球和螺杆接头/螺旋接头(screwioint)。在另一个方面，该接头具有多个自由度，其中包括该一个自由度。对该接头或接头组合中的自由度数目进行选择以辅助外科医生移动该手术器械。手术器械与参考结构之间的扭转刚性的系链可以抑制/限制外科医生操纵该手术器械。因此，在参考结构中使用一个接头或接头组合来辅助以该手术器械的所有自由度来操纵该手术器械。在该系链没有抑制该手术器械的操纵或者这种抑制作用在手术器械的使用中不显著的方面，可以在参考结构中使用具有零个自由度的接头并且不需要接头追踪器。该系链限定了沿着该系链的纵向轴线延伸的一个内腔，并且该形状传感器延伸穿过该内腔。在一个方面，该系链是扭转刚性的。在另一方面，一个衬里延伸穿过了该系链中的内腔。该衬里包括一个衬里内腔并且该形状传感器延伸穿过了该衬里内腔。该衬里由一种材料制成，使得该形状传感器在该衬里内自由转动。在一个方面，该材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，其包括：参照夹具，该参照夹具被安装在固定的通用参照系的第一位置处；位于所述固定的通用参照系内的插管，所述插管具有近端和所述近端处的插管开口；形状传感器，该形状传感器延伸穿过该参照夹具，所述形状传感器包括第一部分和近端，其中所述形状传感器的第一部分连接到所述插管的所述近端并且所述形状传感器的所述近端邻近所述参照夹具终止；和第一系链本体，其在所述参照夹具和所述插管的近端之间延伸超过所述形状传感器；其中来自所述形状传感器的信息用于产生相对于所述固定的通用参照系的三维信息。

【技术特征摘要】
2010.02.12 US 61/304,094;2010.07.20 US 12/839,6421.一种设备，其包括：
参照夹具，该参照夹具被安装在固定的通用参照系的第一位置处；
位于所述固定的通用参照系内的插管，所述插管具有近端和所述近端
处的插管开口；
形状传感器，该形状传感器延伸穿过该参照夹具，所述形状传感器包
括第一部分和近端，其中所述形状传感器的第一部分连接到所述插管的所
述近端并且所述形状传感器的所述近端邻近所述参照夹具终止；和
第一系链本体，其在所述参照夹具和所述插管的近端之间延伸超过所
述形状传感器；
其中来自所述形状传感器的信息用于产生相对于所述固定的通用参照
系的三维信息。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述形状传感器的第一部分是所述
形状传感器的远端。
3.如权利要求1所述的设备，其中来自所述形状传感器的信息用于产
生所述插管的近端的三维姿态信息。
4.如权利要求1所述的设备，进一步包括：
手术器械，其尺寸被设计为插入所述插管，其中所述形状传感器包括
连接到所述手术器械的第一部分的远端，并且所述形状传感器的第一部分
在所述形状传感器的远端和近端之间。
5.如权利要求4所述的设备，其中来自所述形状传感器的信息用于产
生所述手术器械的第一部分的三维姿态信息。
6.如权利要求4所述的设备，进一步包括：
第二系链本体，其在所述插管的近端和所述手术器械之间延伸超过所

\t述形状传感器。
7.如权利要求1所述的设备，进一步包括：
位于所述固定的通用参照系内的第二插管，所述第二插管具有近端和
所述近端处的第二插管开口；和
第二形状传感器，所述第二形状传感器延伸穿过所述参照夹具，所述
第二形状传感器包括远端和近端，其中所述第二形状传感器的远端连接到
所述第二插管的...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·M·普里斯科，T·W·罗杰斯，V·多文戴姆，M·J·科瑞特，C·J·莫尔，K·D·斯托伊，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US