(57)【要約】      （修正有）【課題】参照マーカー（例えば、電磁気参照マーカー、光学参照マーカー、放射性参照マーカー等）を使用することにより、１つ又は複数の開始ポイントを特定する光学形状検出システムを提供する。【解決手段】各参照マーカー４１は、参照座標系４２における特定可能な参照追跡位置を持つ。光学ファイバ２０は、参照座標系４２における上記光学ファイバ２０の形状再構成の実行に関する基礎として機能する参照座標系４２における再構成開始ポイント２１を持つ。光学ファイバ２０の再構成開始ポイント２１は、参照座標系４２における再構成開始ポイント２１の特定を容易にするため、各参照マーカー４１と既知の空間関係を持つ。【選択図】図１
2018072352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学形状検出システムであって、
光学ファイバと、
少なくとも１つの参照マーカーとを有し、
各参照マーカーが、参照座標系における特定可能な参照追跡位置及び特定可能な参照追跡方向の少なくとも１つを持ち、
前記光学ファイバは、前記参照座標系における前記光学ファイバの形状再構成の実行に関する基礎として機能する、前記参照座標系における再構成開始ポイントを持ち、
前記光学ファイバの前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの特定を容易にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ、光学形状検出システム。
【請求項２】
前記参照座標系を確立する電磁気参照追跡システムを更に有し、各参照マーカーが、電磁気参照マーカーである、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項３】
前記参照座標系を確立する光学追跡システムを更に有し、各参照マーカーが、光学参照マーカーである、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項４】
前記参照座標系を確立する撮像追跡システムを更に有し、各参照マーカーが、撮像追跡システムにより生成される画像において特定可能である、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項５】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における各参照追跡位置から間隔を置いて配置される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項６】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記少なくとも１つの参照追跡位置の少なくとも１つと一致する、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項７】
細長いデバイスを更に有し、
前記光学ファイバが、前記細長いデバイスに埋め込まれ、前記少なくとも１つの参照マーカーは、前記細長いデバイスから間隔を置いて配置される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項８】
細長いデバイスを更に有し、
前記光学ファイバ及び前記少なくとも１つの参照マーカーが、前記細長いデバイスに埋め込まれる、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項９】
各参照追跡位置が、前記参照座標系において固定される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１０】
各参照追跡位置が、前記参照座標系において移動可能である、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１１】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系において固定される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１２】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系において移動可能である、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１３】
前記再構成開始ポイントが、前記光学ファイバの全体の形状再構成に関する基礎として機能する、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１４】
前記再構成開始ポイントが、前記光学ファイバのセグメントの形状再構成に関する基礎として機能する、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１５】
前記光学ファイバが、前記参照座標系における複数の再構成開始ポイントを持ち、
各再構成開始ポイントは、前記参照座標系における前記光学ファイバの形状再構成の実行に関する基礎として機能するよう動作可能であり、
前記光学ファイバの各再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの特定を容易にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１６】
光学ファイバ及び少なくとも１つの参照マーカーを含む光学形状検出システムに関する光学形状検出方法において、
参照座標系における各参照マーカーに対する特定可能な参照追跡位置及び特定可能な参照追跡方向の少なくとも１つを特定するステップと、
前記参照座標系における前記光学ファイバの再構成開始ポイントを特定するステップであって、前記光学ファイバの前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの特定を可能にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ、ステップと、
前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの特定に基づき、前記参照座標系における前記光学ファイバの形状再構成を実行するステップとを有する、方法。
【請求項１７】
前記光学ファイバの再構成開始ポイントと各参照マーカーとの前記既知の空間関係を維持しつつ、前記参照座標系における前記少なくとも１つの参照マーカー及び前記光学ファイバを移動するステップと、
参照座標系における各参照マーカーに対する特定可能な参照追跡位置及び特定可能な参照追跡方向の少なくとも１つを再特定するステップと、
前記参照座標系における光学ファイバの再構成開始ポイントを再特定するステップであって、前記光学ファイバの前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの再特定を可能にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ、ステップと、
前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの前記再特定に基づき、前記参照座標系における前記光学ファイバの形状再構成を実行するステップとを更に有する、請求項１６の光学形状検出方法。
【請求項１８】
前記参照座標系における前記光学ファイバの前記再構成開始ポイントの特定に続いて、前記参照座標系における前記光学ファイバ及び前記少なくとも１つの参照マーカーの少なくとも一方の運動を検出するステップと、
前記参照座標系における前記光学ファイバ及び前記少なくとも１つの参照マーカーの少なくとも一方の前記検出された運動を示すフィードバックを提供するステップとを更に有する、請求項１６の光学形状検出方法。
【請求項１９】
前記参照座標系における前記光学ファイバの前記再構成開始ポイントの特定の前に、複数の再構成開始ポイントから前記再構成開始ポイントを選択するステップを更に有する、請求項１６の光学形状検出方法。
【請求項２０】
前記複数の再構成開始ポイントから前記再構成開始ポイントの選択を可能にするため、前記複数の再構成開始ポイントを表示するステップを更に有する、請求項１９の光学形状検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、光学ファイバの形状再構成に関する。より詳細には、本発明は、光学ファイバの正確な形状再構成のための開始ポイントの信頼性が高い特定に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において既知の光学形状検出システムは、光学形状検出システムが、リアルタイムな態様で、内視鏡、カテーテル又はガイドワイヤといったデバイス内で囲まれる光学ファイバの形状を表示する可能性があることから、今日介入的な環境において実行される最小侵襲的手術手順に革命をもたらし、これを変化させる能力を持つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これらの光学ファイバは、正確な形状再構成のため既知の参照位置から開始されることを必要とする。
【０００４】
特に、光学ファイバの形状再構成は、以下の式
2018072352.tif 000003
に基づき、統合的な態様で実行されることができる。ここで、
2018072352.tif 000004
は、形状検出光学ファイバに沿った第１の空間要素に対する位置ベクトルであり、
2018072352.tif 000005
は、光学ファイバの実際の圧力測定から得られる再構成されたインクリメンタルステップベクトルである。形状再構成に関して、
2018072352.tif 000006
は、
2018072352.tif 000007
であると設定されることができる。明らかに、例えば測定ノイズが原因の、再構成されたインクリメンタルステップベクトル
2018072352.tif 000008
において取得される任意のエラーは、前方伝搬し、光学ファイバの形状再構成精度に影響を与える。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
光学ファイバの正確な開始ポイントについての知識は従って、正確な形状再構成にとって重要である。本発明は、参照マーカー（例えば、電磁気参照マーカー、光学参照マーカー、放射性参照マーカー等）を使用することにより、１つ又は複数の開始ポイントを特定する光学形状検出システムを提供する。
【０００６】
更に、現在の光学形状検出システムにおいて、開始ポイントの位置に変化がある場合、形状再構成は失敗するだろう。本発明の光学形状検出システムは、初めて、開始ポイントの位置における変化の検出と、その後続の補償とを可能にする。
【０００７】
追加的に、光学検出形状、電磁気追跡及び光学追跡といった異なる追跡技術を結合することにより、本発明の光学形状検出システムは、これらの技術の固有の限界を克服する。限界とは、例えば、電磁気追跡のフィールド歪みに対する感度、光学追跡のラインオブサイト限界、及び温度及び圧力／振動ベースの変動に対する光学検出形状の感度である。
【０００８】
本発明の１つの形式は、光学ファイバ及び１つ又は複数の参照マーカーを使用する光学形状検出システムである。各参照マーカーは、参照座標系における特定可能な参照追跡位置及び特定可能な参照追跡方向の一方又は両方を持つ。光学ファイバは、参照座標系における光学ファイバの形状再構成の実行に関する基礎として機能する、参照座標系における再構成開始ポイントを持つ。光学ファイバの再構成開始ポイントは、参照座標系における再構成開始ポイントの特定を容易にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ。
【０００９】
本発明の第２の形式は、光学形状検出方法であり、この方法は、参照座標系における各参照マーカーに対する特定可能な参照追跡位置及び特定可能な参照追跡方向の１つ又は両方を特定するステップと、参照座標系における光学ファイバの再構成開始ポイントを特定するステップであって、上記光学ファイバの上記再構成開始ポイントが、上記参照座標系における上記再構成開始ポイントの特定を可能にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ、ステップとを含む。この光学形状検出方法は更に、上記参照座標系における上記再構成開始ポイントの特定に基づき、上記参照座標系における上記光学ファイバの形状再構成を実行するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による光学形状検出システムの例示的な実施形態を示す図である。
【図２】本発明による光学形状検出デバイスの例示的な実施形態を示す図である。
【図３】本発明による光学形状検出デバイスの例示的な実施形態を示す図である。
【図４】本発明による光学形状検出デバイスの例示的な実施形態を示す図である。
【００１１】
【図５】本発明による光学形状検出デバイスの例示的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の前述及び他の形式並びに本発明の様々な特徴及び効果が、添付の図面と共に、本発明の様々な例示的な実施形態の以下の詳細な説明から更に明らかになる。詳細な説明及び図面は、本発明を限定するものではなく、単に説明するものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等の範囲によって規定される。
【００１３】
図１に示されるように、本発明の光学形状検出システムは、細長いデバイス２０に埋め込まれる光学ファイバ１０を使用する。
【００１４】
実際には、光学ファイバ１０は、細長いデバイス２０を光学的に追跡するのに適した任意のタイプの光学ファイバとすることができる。光学ファイバ１０の例は、以下に限定されるものではないが、従来において知られるファイバの長さに沿って一体化されるファイバーブラッグ格子のアレイを組み込む柔軟で光学的に透過的なガラス又はプラスチックファイバー、及び、従来において知られるファイバ（例えば、レイリー散乱ベースの光学ファイバ）の長さに沿って発生するその光学屈折率における自然な変動を持つ、柔軟で光学的に透過的なガラス又はプラスチックファイバーを含む。光学ファイバ１０は、単一のコアファイバー、又は好ましくは、マルチコアファイバーとすることができる。
【００１５】
実際には、細長いデバイス２０は、細長いデバイス２０を光学的に追跡するため光学ファイバ１０を埋め込むのに適した任意のタイプのデバイスとすることができる。細長いデバイス２０の例は、内視鏡、カテーテル及びガイドワイヤを含むが、これに限定されるものではない。
【００１６】
なお図１を参照すると、システムは更に、光学監視端末１０及び参照追跡システム４０を使用する。
【００１７】
実際には、光学監視端末１０は、光学ファイバ２０へ光を送信し、及び光学ファイバ２０から反射された光を受信するよう構造的に構成される任意のデバイス又はシステムとすることができる。ある実施形態では、光学監視端末１０は、従来において知られる光学フーリエドメイン反射計及び他の適切な電子部品／デバイスを使用する。
【００１８】
実際には、参照追跡システム４０は、参照マーカー４１を使用する任意のタイプの撮像誘導システムとして、本書において広く規定される。各参照マーカー４１は、参照座標系４２を用いて、参照追跡位置及び／又は参照追跡方向を持つ。
【００１９】
ある実施形態では、参照追跡システム４０は、電磁気追跡端末、磁場生成器及びセンサコイルの形の参照マーカー４１を使用する電磁気追跡システムである。
【００２０】
第２の実施形態において、参照追跡システム４０は、光学追跡端末と、アクティブ発光ダイオード又は受動的な球体の形の参照マーカー４１とを使用する光学追跡システムである。
【００２１】
第３の実施形態において、参照追跡システム４０は、参照座標系４２内の撮像光学ファイバ２０に関する撮像モダリティを使用する撮像追跡システムである。従来技術において知られる撮像追跡システムの例は、以下に限定されるものではないが、Ｘ線システム、ＭＲＩシステム、ＣＴシステム、超音波システム、ＩＶＵＳシステム、ＰＥＴシステム、ＳＰＥＣＴシステム又はこれらの組み合わせを含む。
【００２２】
実際には、参照マーカー４１の形式は、撮像追跡システムのタイプに依存する。例えば、参照マーカー４１は、Ｘ線画像において見えるヨウ素ベースのマーカーとすることができる。追加的な例により、参照マーカー４１は、核ベースの撮像追跡システム（例えば、ＰＥＴシステム又はＳＰＥＣＴシステム）において特定可能な放射性又は放射線不透過性マークとすることができる。
【００２３】
光学監視端末１０は更に、例えば、図１に示される再構成開始ポイント２１といった再構成開始ポイントに対する光学ファイバ２０の形状を再構成するための、従来において知られる形状再構成アルゴリズムを使用する。再構成開始ポイント２１（１）は、従来において知られる光学ファイバ２０の全体の形状再構成の基礎として機能する。一方、開始ポイント２１（２）及び２１（３）は、従来において知られる光学ファイバ２０の異なるセグメントの形状再構成の基礎として機能する。
【００２４】
各再構成開始ポイント２１に対する１つ又は複数の参照マーカー４１の双方向矢印により示されるように、本発明は、既知の空間関係（例えば、既知の距離及び／又は角方向）を前提とする。これにより、参照座標系４２における参照マーカー４１の参照追跡位置及び／又は参照追跡方向の特定が、参照座標系４２における再構成開始ポイント２１の特定を可能にする。
【００２５】
より詳細には、動作において、参照追跡システム４０は、参照座標系４２における各参照マーカー４１の参照追跡位置及び／又は参照追跡方向を特定する。これは、参照座標系４２における光学ファイバ２０に関する１つ又は複数の再構成開始ポイント２１を特定するために利用される。その後、追跡手順が完了するまで、又は、参照追跡システム４０が、参照座標系４２における１つ又は複数の参照マーカー４１の動きを伝達するまで、光学監視端末１０は、光学ファイバ２０の形状再構成を実行する。後者の場合、参照追跡システムは、参照座標系４２における各参照マーカー４１の新しい参照追跡位置及び／又は参照追跡方向を再特定する。これは、参照座標系４２における光学ファイバ２０に関する１つ又は複数の再構成開始ポイント２１を再特定するために利用される。その後、追跡手順が完了するまで、又は、参照追跡システム４０が、参照座標系４２における１つ又は複数の参照マーカー４１及び光学ファイバ２０の別の運動を伝達するまで、光学監視端末１０は、光学ファイバ２０の形状再構成を再実行する。
【００２６】
実際には、複数の再構成開始ポイントを持つ実施形態に関して、特定の再構成開始ポイント２１が、様々な手段により選択されることができる。例えば、再構成開始ポイント２２は、表示されることができる。これにより、システムのユーザは、再構成開始ポイント２２の１つを選択することができる。
【００２７】
図２〜図５は、本発明による光学形状検出デバイスの様々な実施形態を示す。
【００２８】
図２に示されるように、光学形状検出デバイス５０は、光学コイル２０に関する細長いデバイス５１及びハンドル５２（例えば、カテーテル及びカテーテルハンドル）を使用する。この実施形態において、参照マーカー４１は、図示されるように細長いデバイス５１に埋め込まれ、参照マーカー４１及び再構成開始ポイント２１の空間関係は、既知である。
【００２９】
図３に示されるように、光学形状検出デバイス５３は、光学コイル２０に関する細長いデバイス５４及びハンドル５５を使用する。この実施形態において、自由度６のマーカー４１が、ハンドル５５に埋め込まれ、参照マーカー４１及び再構成開始ポイント２１の空間関係は、既知である。
【００３０】
図４に示されるように、光学形状検出デバイスは、患者６０を支持する動作テーブル６１に取り付けられるプラットフォーム６２を使用する。この実施形態において、参照マーカー４１は、プラットフォーム６２につけられ又はこれに埋め込まれ、光学ファイバ２０は、再構成開始ポイント２１で細長いデバイス６３に埋め込まれる。更に、参照マーカー４１及び再構成開始ポイント２１の空間関係は、既知である。
【００３１】
図５に示されるように、光学形状検出デバイスは、Ｘ線システムのＣ―アーム６４に結合されるプラットフォーム６５を使用する。この実施形態において、参照マーカー４１は、プラットフォーム６５につけられ、光学ファイバ２０は、再構成開始ポイント２１で細長いデバイス６６に埋め込まれる。更に、参照マーカー４１及び再構成開始ポイント２１の空間関係は、既知である。
【００３２】
図１〜図５の説明から、当業者は、多数の手術手順に対して本発明による光学形状検出システムを製造及び使用する方法に関して追加的な認識を持つであろう。
【００３３】
本発明の様々な例示的な実施形態が図示及び記載されてきたが、本書において記載される本発明の例示的な実施形態が、説明的なものであること、さまざまな変更及び修正がなされることができること、及び本発明の真の範囲から逸脱することなく均等物がその要素に対して置換されることができることは当業者であればよく理解されているだろう。例えば、本発明は、本書においてＦＢＧに関して説明されるが、一般に形状検出又はローカライゼーションに関する光ファィバを含むことを理解されたい。これは、例えば、ＦＢＧ又は他の光学機器の存在の有無にかかわらず、後方散乱、光学ファイバフォース検出（optical fiber force sensing）、ファイバ位置センサ又はレイリー散乱を用いて、ファイバにおける１つ又は複数の断面における変動の検出又はこの検出からのローカライゼーションを含む。更に、その中心の範囲から逸脱しない範囲で本発明の教示に適合する多くの変形例がなされることができる。従って、本発明は、本発明を実行するために想定されるベストモードとして開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むものである。
【図１】
2018072352.tif 000009
【図２】
2018072352.tif 000010
【図３】
2018072352.tif 000011
【図４】
2018072352.tif 000012
【図５】
2018072352.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月26日(2017.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学形状検出システムであって、
細長いデバイスと、
光学ファイバであって、前記光学ファイバの少なくとも一部が前記細長いデバイス内に組み込まれる、光学ファイバと、
参照座標系における特定可能な参照追跡位置及び特定可能な参照追跡方向の少なくとも１つを有する参照マーカーと、
前記参照座標系における前記参照マーカーの前記特定可能な参照追跡位置及び前記特定可能な参照追跡方向の少なくとも１つを特定するように構成される追跡システムと
を有し、
再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記参照マーカーの前記特定可能な参照追跡位置又は前記特定可能な参照追跡方向の、前記追跡システムによる特定に基づいて、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの、前記追跡システムによる特定を容易にするため、前記参照マーカーと既知の空間関係を有し、
光学監視端末が、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの、前記追跡システムによる特定に応じて前記再構成開始ポイントに対して前記参照座標系における前記光学ファイバの全体又はセグメントの形状を再構成するように構成される、
光学形状検出システム。
【請求項２】
前記参照座標系を確立する電磁気参照追跡システムを更に有し、前記参照マーカーが、電磁気参照マーカーである、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項３】
前記参照座標系を確立する光学追跡システムを更に有し、前記参照マーカーが、光学参照マーカーである、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項４】
前記参照座標系を確立する撮像追跡システムを更に有し、前記参照マーカーが、撮像追跡システムにより生成される画像において特定可能である、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項５】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における各参照追跡位置から間隔を置いて配置される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項６】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記少なくとも１つの参照追跡位置の少なくとも１つと一致する、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項７】
細長いデバイスを更に有し、
前記光学ファイバが、前記細長いデバイスに組み込まれ、前記少なくとも１つの参照マーカーは、前記細長いデバイスから間隔を置いて配置される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項８】
細長いデバイスを更に有し、
前記光学ファイバ及び前記少なくとも１つの参照マーカーが、前記細長いデバイスに組み込まれる、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項９】
各参照追跡位置が、前記参照座標系において固定される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１０】
各参照追跡位置が、前記参照座標系において移動可能である、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１１】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系において固定される、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１２】
前記再構成開始ポイントが、前記参照座標系において移動可能である、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１３】
前記再構成開始ポイントが、前記光学ファイバの全体の形状再構成に関する基礎として機能する、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１４】
前記再構成開始ポイントが、前記光学ファイバのセグメントの形状再構成に関する基礎として機能する、請求項１の光学形状検出システム。
【請求項１５】
前記光学ファイバが、前記参照座標系における複数の再構成開始ポイントを持ち、
各再構成開始ポイントは、前記参照座標系における前記光学ファイバの形状再構成の実行に関する基礎として機能するよう動作可能であり、
前記光学ファイバの各再構成開始ポイントが、前記参照座標系における前記再構成開始ポイントの特定を容易にするため、各参照マーカーと既知の空間関係を持つ、請求項１の光学形状検出システム。
【外国語明細書】
2018072352000001.pdf