ВОЗБУЖДАЮЩЕЕ ЗАЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОСПРИЯТИЯ ФОРМЫ
LAUNCH FIXTURE DEVICE FOR OPTICAL SHAPE SENSING

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Это раскрытие относится к медицинским инструментам, а более конкретно, к воспринимающим форму оптическим волокнам при медицинских применениях.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Оптическое восприятие формы (ОВФ) является технологией, которая позволяет осуществлять точную трехмерную (3М) реконструкцию формы волокна по всей длине его. Для встраивания волокна в инструмент с поддержкой оптического восприятия формы требуется связь волокна с инструментом, чтобы можно было реконструировать любое перемещение приспособления относительно фиксированной системы отсчета. Чтобы выполнять корреляцию и согласование эталонных данных с выборочными, необходимо иметь фиксированную или статическую область возбуждения, поскольку при фиксированной области обеспечивается поисковый эталон для алгоритма реконструкции. Инициализация реконструкции происходит после этой фиксированной области. Кроме того, фиксированной областью задается система отсчета (0, 0, 0) для оптического восприятия формы и по существу система координат в пространстве восприятия формы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ
Согласно представленным принципам возбуждающее зажимное устройство для оптического восприятия формы (ОВФ) включает в себя первое устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления оптического волокна. Участок сохранения волокна выполнен с возможностью приема и поддержания оптического волокна в пределах заданных размеров. Второе устройство фиксации выполнено с возможностью приема и закрепления гибкого инструмента с поддержкой оптического восприятия формы. Область возбуждения выполнена с возможностью приема и поддержания оптического волокна в известной геометрической конфигурации до ввода во второе устройство фиксации. Предусмотрен элемент для выравнивания и соединения с основанием возбуждающего зажимного устройства, который выполнен с возможностью закрепления возбуждающего зажимного устройства.
Система оптического восприятия формы (ОВФ) включает в себя основание возбуждающего зажимного устройства, выполненное с возможностью соединения с опорной конструкцией, и возбуждающее зажимное устройство, выполненное с возможностью закрепления на основании возбуждающего зажимного устройства посредством по меньшей мере одного элемента, предназначенного для выравнивания и соединения основания возбуждающего зажимного устройства с возбуждающим зажимным устройством. Возбуждающее зажимное устройство включает в себя первое устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления оптического волокна; участок сохранения волокна, выполненный с возможностью приема и поддержания оптического волокна в пределах заданных размеров; второе устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления гибкого инструмента с поддержкой оптического восприятия формы; и область возбуждения, выполненную с возможностью приема и поддержания оптического волокна в известной геометрической конфигурации до ввода во второе устройство фиксации.
Способ оптического восприятия формы (ОВФ) включает в себя образование (502) возбуждающего зажимного устройства, имеющего первое устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления оптического волокна, участок сохранения волокна, выполненный с возможностью приема и поддержания оптического волокна в пределах заданных размеров, второе устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления гибкого инструмента с поддержкой оптического восприятия формы, область возбуждения, выполненную с возможностью приема и поддержания оптического волокна в известной геометрической конфигурации до ввода во второе устройство фиксации, и по меньшей мере один элемент для выравнивания и соединения с основанием возбуждающего зажимного устройства, который выполнен с возможностью закрепления возбуждающего зажимного устройства; и восприятие формы оптического волокна.
Эти и другие объекты, признаки и преимущества настоящего раскрытия станут очевидными из нижеследующего подробного описания иллюстративных вариантов осуществления его, которое следует читать в сочетании с сопровождающими чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Это раскрытие будет подробно представлено в нижеследующем описании предпочтительных вариантов осуществления с обращением к нижеследующими чертежам, на которых:
фиг. 1 - структурная/функциональная схема системы определения формы, в которой использовано возбуждающее зажимное устройство с управляемым расположением волокна, согласно одному варианту осуществления;
фиг. 2 - перспективный вид возбуждающего зажимного устройства с управляемым расположением волокна согласно одному варианту осуществления;
фиг. 3 - перспективный вид основания возбуждающего зажимного устройства, выполненного с возможностью закрепления одного или нескольких возбуждающих зажимных устройств, согласно одному варианту осуществления;
фиг. 4 - перспективный вид множества установленных друг над другом возбуждающих зажимных устройств с управляемым расположением волокна согласно одному варианту осуществления;
фиг. 5 - вид сбоку стоечного основания возбуждающих зажимных устройств, предназначенного для сохранения множества возбуждающих зажимных устройств, согласно одному варианту осуществления;
фиг. 6 - перспективный вид возбуждающего зажимного устройства для обслуживания множества приспособлений с поддержкой восприятия формы, с управляемым положением волокна согласно другому варианту осуществления;
фиг. 7 - перспективный вид модульного возбуждающего зажимного устройства с прикрепляемыми/отделяемыми модулями согласно одному варианту осуществления;
фиг. 8А - вид сбоку границы стерильности между возбуждающим зажимным устройством и основанием возбуждающего зажимного устройства согласно одному варианту осуществления;
фиг. 8В - вид сверху открытого возбуждающего зажимного устройства с границей стерильности, образованной перегородкой между дистальной и проксимальной частями возбуждающего зажимного устройства, согласно одному варианту осуществления;
фиг. 9 - вид сверху направляющей для перемещения основания возбуждающего зажимного устройства согласно одному варианту осуществления; и
фиг. 10 - блок-схема последовательности действий, показывающая способ оптического восприятия формы согласно иллюстративному варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно представленным принципам возбуждающим зажимным устройством и основанием возбуждающего зажимного устройства обеспечиваются быстрые привязка и отвязка одного или нескольких гибких инструментов с поддержкой оптического восприятия формы (ОВФ) к фиксированному началу отсчета в операционной. Кроме того, зажимное устройство может быть расположено в переходной зоне между стерильной и нестерильной зонами в операционной, что позволяет персоналу быстро заменять приспособления с поддержкой оптического восприятия формы в нестерильной зоне без нарушения барьера стерильности.
Согласно одному варианту осуществления возбуждающим зажимным устройством гарантируется, что геометрические соотношения между системами отсчета соседних инструментов и системой отсчета основания возбуждающего зажимного устройства являются известными, так что каждый инструмент автоматически совмещается с основанием возбуждающего зажимного устройства после соединения. При условии, что основание возбуждающего зажимного устройства совмещается с системой отсчета пациента или формирования сигналов изображения до начала процедуры, в этой архитектуре обеспечивается быстрое развертывание каждого инструмента в совмещении с системой отсчета. Кроме того, общая площадь, занимаемая инструментами в операционной может быть минимизирована путем использования последовательного размещения по вертикали, горизонтали или под углом.
Вполне вероятно, что во время клинического применения многочисленные инструменты с поддержкой восприятия формы будут развертываться и заменяться в течение определенной процедуры. В одной архитектуре системы каждый инструмент может быть прикреплен к операционному столу при использовании особого основания возбуждающего зажимного устройства. Однако по мере повышения количества используемых инструментов количество компонентов, прикрепляемых к столу, будет соответственно возрастать. Это будет мешать перемещению врача вокруг стола и приводить к затруднению доступа к операционному полю. Кроме того, поскольку оптически воспринимающее форму волокно в каждом инструменте воссоздает форму инструмента относительно системы отсчета, расположенной в возбуждающем зажимном устройстве этого инструмента, каждый инструмент необходимо индивидуально совмещать с системой отсчета пациента/системы формирования сигналов изображения.
В соответствии с представленными принципами площадь, занимаемая возбуждающими зажимными устройствами инструментов в операционной, минимизируется, как и время, затрачиваемое на совмещение приспособлений. Возбуждающее зажимное устройство и основание возбуждающего зажимного устройства позволяют быстро заменять приспособления при сохранении заданного геометрического соотношения между системами отсчета, так что повторное совмещение не требуется. Эта фиксированная система отсчета включена в возбуждающее зажимное устройство, которое соединено с проксимальным концом гибкого инструмента и включает в себя конструктивные элементы, которые позволяют надежно и прочно соединять волокно с инструментом. При жестком прикреплении этого возбуждающего зажимного устройства к основанию возбуждающего зажимного устройства, которое само может быть жестко соединено с операционным столом, могут быть вычислены необходимые преобразования между системой отсчета инструмента и системами отсчета пациента/формирования сигналов изображения. Поэтому реконструированная форма инструмента может быть наложена на пред- и интраоперационные изображения и использована для навигационных целей.
Следует понимать, что настоящее изобретение будет описано применительно к медицинским инструментам; однако идеи настоящего изобретения намного шире и применимы к любым инструментам с волоконно-оптическим восприятием формы. Согласно некоторым вариантам осуществления представленные принципы используются при отслеживании или анализе сложных биологических или механических систем. В частности, представленные принципы применимы к процедурам внутреннего отслеживания биологических систем, процедурам во всех частях тела, таких как легкие, желудочно-кишечный тракт, выделительные органы, кровеносные сосуды и т.д. Элементы, показанные на чертежах, могут быть реализованы различными сочетаниями аппаратного обеспечения и программного обеспечения и могут выполнять функции, которые могут быть сочетаться в одном элементе или многочисленных элементах.
Функции различных элементов, показанных на чертежах, могут выполняться при использовании специализированного аппаратного обеспечения, а также аппаратного обеспечения, способного выполнять программное обеспечение совместно с соответствующим программным обеспечением. При выполнении функций процессором они могут выполняться одним специализированным процессором, одним совместно используемым процессором или множеством индивидуальных процессоров, некоторые из которых могут использоваться совместно. Кроме того, явное использование термина «процессор» или «контроллер» не следует толковать исключительно относительно аппаратного обеспечения, способного выполнять программное обеспечение, и термин безусловно может охватывать без ограничения цифровой процессор сигналов (ЦПС), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для сохранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство и т.д.
Кроме того, все положения в этой заявке с изложением принципов, аспектов и вариантов осуществления изобретения, а также конкретных примеров его предполагаются охватывающими структурные и функциональные эквиваленты. В дополнение к этому предполагается, что такие эквиваленты включают в себя известные в настоящее время эквиваленты, а также эквиваленты, разрабатываемые на перспективу (то есть, любые разрабатываемые элементы, которые выполняют ту же самую функцию независимо от структуры). Таким образом, например, для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что на структурных схемах, представленных в этой заявке, отображены концептуальные виды компонентов и/или схем иллюстративной системы, реализующих принципы изобретения. Аналогично этому, должно быть понятно, что на любых картах последовательности действий, блок-схемах последовательности действий и т.п. представлены различные процессы, которые могут быть по существу представлены на считываемых компьютером носителях данных и поэтому могут выполняться компьютером или процессором независимо от того, показан явно компьютер или процессор или нет.
Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут иметь форму компьютерного программного продукта, доступного с используемого компьютером или считываемого компьютером носителя данных, снабженного программным кодом, предназначенным для использования непосредственно или в сочетании с компьютером или любой системой выполнения инструкций. Для задач этого описания используемый компьютером или считываемый компьютером носитель данных может быть любым устройством, которое может включать в себя, сохранять, передавать, распространять или переносить программу, предназначенную для использования непосредственно или в сочетании с системой выполнения инструкций, инструментальным средством или устройством. Носитель может быть электронной, магнитной, оптической, электромагнитной, инфракрасной или полупроводниковой системой (или инструментальным средством, или устройством) или средой распространения. Примеры считываемого компьютером носителя включают в себя полупроводниковое или твердотельное запоминающее устройство, магнитную ленту, съемную компьютерную дискету, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), жесткий магнитный диск и оптический диск. Имеющиеся на данный момент примеры оптических дисков включают в себя компакт-диск, доступный только для чтения (CD-ROM), компакт-диск с возможностью перезаписи (CD-R/W), диск, работающий на основе сине-фиолетового лазера (Blu-Ray™), и цифровой универсальный диск.
Теперь обратимся к чертежам, на которых одинаковыми позициями обозначены одни и те же или подобные элементы, и прежде всего к фиг. 1, на которой иллюстративно показана система 100 для оптического определения формы согласно представленным вариантам осуществления. Система 100 может включать в себя рабочую станцию или консоль 112, с помощью которой осуществляют наблюдение и/или управление процедурой. Предпочтительно, чтобы рабочая станция 112 включала в себя один или несколько процессоров 114 и память 116 для сохранения программ и приложений. В памяти 116 может сохраняться модуль 115 оптических измерений, выполненный с возможностью интерпретации сигналов оптической обратной связи с устройства или системы 104 восприятия формы. Модуль 115 оптических измерений выполнен с возможностью использования сигналов оптической обратной связи (или любой другой обратной связи, например электромагнитного (ЭМ) отслеживания) для реконструкции деформаций, отклонений и других изменений, связанных с медицинским приспособлением или инструментом 102 и/или прилегающей зоной. Медицинское приспособление 102 может включать в себя катетер, проволочный направитель, зонд, эндоскоп, робот, электрод, фильтровальный прибор, баллонное устройство или другой медицинский компонент и т.д.
Система 104 восприятия формы в приспособлении 102 включает в себя одно или несколько оптических волокон 126, которые связаны с приспособлением 102 соответственно заданной схеме или схемам. Оптические волокна 126 соединены с рабочей станцией 112 с помощью кабельной сети 127. Кабельная сеть 127 может включать в себя оптические волокна, электрические соединения, при необходимости другое техническое оборудование и т.д.
Система 104 восприятия формы с использованием оптических волокон может быть основана на волоконно-оптической брэгговской решетке. Волоконно-оптическая брэгговская решетка (ВОБР) представляет собой короткий отрезок оптического волокна, в котором отражается свет с отдельными длинами волн и пропускается свет со всеми другими. Этого достигают приданием показателю преломления сердцевины волокна периодического изменения, и этим образуют диэлектрическое зеркало для конкретной длины волны. Поэтому волоконную брэгговскую решетку можно использовать в качестве встроенного оптического фильтра для задерживания определенных длин волн или в качестве отражателя для конкретной длины волны.
Основным принципом, лежащим в основе работы волоконной брэгговской решетки, является френелевское отражение на каждой из границ раздела, на которых изменяется показатель преломления. При некоторых длинах волн свет, отраженный из различных периодов, находится в фазе, так что при отражении имеется конструктивная интерференция и следовательно, деструктивная интерференция при пропускании. Брэгговская длина волны чувствительна к деформации, а также к температуре. Это означает, что брэгговские решетки можно использовать в качестве чувствительных элементов в волоконно-оптических датчиках. В датчике на основе волоконно-оптической брэгговской решетки измеряемая величина (например, деформация) вызывает сдвиг брэгговской длины волны.
Одно преимущество этого способа заключается в том, что различные чувствительные элементы можно распределять по длине волокна. Включение трех или большего количества сердцевин с различными датчиками (измерителями) по длине волокна, которое помещено в структуру, позволяет точно определять трехмерную форму такой структуры обычно с точностью лучше чем 1 мм. В различных местах по длине волокна можно помещать множество датчиков на основе волоконно-оптической брэгговской решетки (например, 3 или большее количество чувствительных сердцевин волокна). В этих местах по измерению деформации каждой волоконно-оптической брэгговской решеткой можно определять кривизну структуры. Общую трехмерную форму определяют на основании измерений в многочисленных местах.
В качестве альтернативы волоконно-оптическим брэгговским решеткам можно использовать собственное обратное рассеяние в обычном оптическом волокне. Один такой способ заключается в использовании рэлеевского рассеяния в стандартном одномодовом связном волокне. Рэлеевское рассеяние возникает в результате случайных флуктуаций показателя преломления в сердцевине волокна. Эти случайные флуктуации можно моделировать брэгговской решеткой со случайными изменениями амплитуды и фазы по длине решетки. При использовании этого эффекта в трех или большем количестве сердцевин, протянутых в одном отрезке многомодового волокна, можно отслеживать трехмерную форму и динамику поверхности, представляющей интерес.
В одном варианте осуществления рабочая станция 112 включает в себя модуль 148 формирования изображения, выполненный с возможностью приема обратной связи с устройства 104 восприятия формы и отображения положения/формы устройства 104 восприятия формы в объеме 131. Изображение 134 устройства 104 восприятия формы в пространстве или объеме 131 может отображаться на дисплейном устройстве 118. Рабочая станция 112 включает в себя дисплей 118 для наблюдения внутренних изображений субъекта (пациента) или объема 131 и может включать в себя изображение 134 в виде наложения или иного воспроизведения конфигураций устройства 104 восприятия формы. Кроме того, дисплей 118 может предоставлять пользователю возможность взаимодействия с рабочей станцией 112 и ее компонентами и функциями или с другим элементом в системе 100. Этому также способствует интерфейс 120, который может включать в себя клавиатуру, мышь, джойстик, тактильное устройство или любое другое периферийное или управляющее оборудование, предназначенное для обеспечения обратной связи от пользователя и взаимодействия с рабочей станцией 112.
Возбуждающее зажимное устройство 150 включает в себя механические элементы 152, выполненные с возможностью обеспечения соединения волокна 126 или устройства 104 восприятия формы с удлиненным инструментом 102, чтобы с помощью волокна оценивать изменения формы инструмента относительно фиксированной системы отсчета. Для каждого инструмента 102 с поддержкой оптического восприятия формы возбуждающее зажимное устройство (150) используется для задания фиксированной системы отсчета, которая может быть совмещена с системой 136 отсчета пациента, или с системой 138 отсчета формирования сигналов изображения, или с обеими.
Основание 160 возбуждающего зажимного устройства жестко закреплено на неподвижной части или опорной конструкции 162 в операционной (например, на операционном столе или аналогичной конструкции), и это позволяет многочисленные возбуждающие зажимные устройства 150 (и следовательно, многочисленные инструменты 102 с поддержкой оптического восприятия формы) прикреплять и совмещать с системой 136 отсчета пациента, или системой 138 отсчета формирования сигналов изображения, или с обеими. Согласно другому варианту осуществления в одном зажимном устройстве 150 находятся несколько инструментов 102 с поддержкой оптического восприятия формы. Возбуждение и системы координат этих волокон известны относительно друг друга, а также относительно систем 136, 138 отсчета пациента и формирования сигналов изображения, что позволяет быстрее использовать приспособления в сочетании, например, использовать совместно проволочный направитель и катетер.
Согласно еще одному варианту осуществления основание 160 возбуждающего устройства и/или возбуждающее зажимное устройство 150 может включать в себя средства для мониторинга использования возбуждающего зажимного устройства 150 и приспособлений 102. Например, механизм 135 сканирования может быть включен в основание 160 или зажимное устройство 150 (например, радиочастотный сканер), который будет автоматически обнаруживать, какой инструмент 102 с поддержкой оптического восприятия формы используется. Механизм 135 может контролировать количество закреплений тождественного приспособления (для контроля или предохранения) при использовании приспособления 102 в разные моменты времени. Механизм 135 может включать в себя индикатор (например, сигнальную лампу, счетчик или цветную полоску), который указывает на конец срока службы возбуждающего зажимного устройства 150 (например, после установки 1000 приспособлений) и оповещает сервисного инженера о необходимости технического обслуживания. Кроме того, предполагаются другие конфигурации механизма 135.
Согласно одному варианту осуществления положение основания 160 возбуждающего зажимного устройства (и/или возбуждающего зажимного устройства 150) относительно системы 110 формирования сигналов изображения отслеживается с использованием подходящего датчика 137 (позиционного кодового датчика, магнитного датчика отслеживания и т.д.). Этим обеспечивается легкое совмещение с системой 110 формирования сигналов изображения.
Другая особенность возбуждающего зажимного устройства 150 заключается в том, что оно может находиться в зоне, разделяющей стерильный участок 152 (внутри пунктирной рамки 153) и нестерильный участок 154 в операционной. Барьер 153 стерильности может быть расположен так, что проксимальная часть устройства 150 (в области 154) является нестерильной и дистальная часть устройства 150 (в области 155) находится на стерильном участке, который включает в себя механизм (барьер или уплотненную перегородку в устройстве 150) для исключения загрязнения стерильного участка 152 в операционной. При одной возможной организации рабочего процесса благодаря допуску нестерильного персонала, например медсестры, к выполнению проксимальных соединений с лазером и прикрепления возбуждающего зажимного устройства 150 к основанию 160 возбуждающего устройства и стерильного персонала к обращению с защищенным инструментом 102 с поддержкой оптического восприятия формы возбуждающее зажимное устройство 150 позволяет использовать приспособления 102 с поддержкой оптического восприятия формы без нарушения барьера стерильности. При другой возможной организации рабочего процесса основание 160 возбуждающего устройства также является стерильным и соединяется с опорой 162, снабженной расположенной выше стерильной простыней 155. Это сочетание также позволяет использовать в возбуждающем зажимном устройстве 150 инструмент 102 с поддержкой оптического восприятия формы без нарушения барьера 153 стерильности.
Обратимся к фиг. 2, на которой иллюстративно показано возбуждающее зажимное устройство 150, пригодное для управляемого присоединения волоконного устройства 104 оптического восприятия формы к гибкому инструменту 102. Возбуждающее зажимное устройство 150 включает в себя точку или устройство 172 фиксации для зажима оптического волокна 104 и его защитной трубки, кожуха или подобной конструкции 173 на месте в зажимном устройстве 150. Заданная траектория 174 придана избыточному волокну, чтобы оно могло быть включено в зажимное устройство 150 без превышения заданного минимального радиуса изгиба. Кроме того, эта траектория 174 может включать в себя характерные особенности, которые позволят выполнять автоматическое регулирование поляризации лазерной системы оптического восприятия формы при соединении инструмента с консолью оптического измерения формы. Когда волокно подвергается воздействию сильного изгиба, показатель преломления, ощущаемый светом на протяжении этого изгиба, будет изменяться в зависимости от ориентации света. Для ослабления этих эффектов двулучепреломления обычно выполняют оптические измерения формы при многочисленных поляризациях света. Один способ оптимального выбора (или регулирования) этих состояний поляризации заключается в использовании измеряемого оптического отклика на протяжении характерной особенности, такой как изгиб. Примером такой характерной особенности является заданная траектория 174 с кривизной, достаточной для наведения эффектов двулучепреломления в волокне. Эти эффекты двулучепреломления создают однозначные признаки в измеряемом оптическом сигнале, которые могут использоваться для автоматического регулирования поляризации системы. В идеальном случае эта кривизна должна иметь изгиб малого радиуса для усиления эффектов двулучепреломления и поэтому может обеспечивать более однозначный признак, на основе которого выполняется регулирование. Этот признак для выравнивания может существовать до области 176 возбуждения в возбуждающем зажимном устройстве 150.
В области 176 возбуждения можно физически определенным образом прикреплять волоконное устройство 104 восприятия формы к зажимному устройству 150 (например, по прямой линии или соответственно известной геометрии). На траектории до области 176 возбуждения могут иметься элементы 177, которыми гарантируется управляемый вход волокна в область 176 возбуждения (например, штыри, закругленные по радиусу элементы и т.д.). Траектория 178 (которая может быть включена в траекторию 174) выполняет функцию буфера или сервисной петли, делая возможной согласование изменений кривизны по длине траектории, наводимых изменением положения волокна в зажимном устройстве 150, без превышения заданного минимального радиуса изгиба. Такая сервисная петля может иметь несколько различных форм, например, сервисная буферная петля траектории 178 может включать в себя изгиб в пределах 90°, 360° и т.д. вместо или в дополнение к изгибу в пределах 180°, показанному на фиг. 2. Промежуток 171 для траектории 178 обеспечивает провисание, необходимое для манипулирования с волокном, но тем не менее защищает волокно от превышения минимального радиуса изгиба.
Точка или устройство 180 фиксации прижимает гибкий инструмент 102 к зажимному устройству 150, а изгибами/скруглениями 182 поверхности гарантируется, что переход между зажимным устройством 150 и гибким инструментом 102 будет происходить без отрицательного влияния на измерение деформации оптически воспринимающим форму волокном 104. Механические конструктивные элементы 184 позволяют воспроизводимо соединять (фиг. 1) в соответствии с известной геометрией зажимное устройство 150 с основанием 160 возбуждающего зажимного устройства или другими возбуждающими зажимными устройствами. Для достижения этого могут использоваться винты, магниты, защелки, пружинные зажимы, штыри или подобные механизмы. Элемент или элементы 184 с известной геометрией, кривизной или формой могут использоваться для совмещения приспособления 102 с другими приспособлениями с поддержкой оптического восприятия формы, системами 136, 138 отсчета пациента и формирования сигналов изображения. Элемент (элементы) 184 можно использовать для решения двух задач, прикрепления зажимного устройства 150 к основанию 160 возбуждающего устройства и прикрепления зажимных устройств 150 друг к другу. Элемент (элементы) 184 могут иметь зависящую от направления форму (например, квадратную, треугольную и т.д.) для гарантии надлежащего выравнивания основания 160 и зажимных устройств 150 относительно друг друга.
Возбуждающее зажимное устройство 150 в открытой конфигурации показано на фиг. 2. Крышка (непоказанная) может использоваться для покрытия открытого возбуждающего зажимного устройства 150 или другое возбуждающее зажимное устройство (непоказанное) может быть поставлено на возбуждающее зажимное устройство 150 или соединено с ним. Крышку или дополнительное возбуждающее зажимное устройство (150) можно привинчивать или иным образом соединять на месте с обоими компонентами на месте (на основании 160) и защищать волокно от окружающей среды, используя элементы 186. Элемент 186 может включать в себя аналогичный механизм, описанный для элементов 184.
Дополнительная особенность возбуждающего зажимного устройства 150 включает в себя заданную траекторию 179 волокна, дистального от области 176 выпуска, которую можно использовать для коррекции влияния любого поворота области возбуждения во время использования. На практике волокно прижато на месте в области 176 возбуждения; однако при некоторых обстоятельствах волокно может «поворачиваться» в зажиме и поэтому все совмещения могут становиться неточными. При знании формы на расстоянии от области возбуждения влияние этого поворота можно корректировать. Заданная траектория 179 может включать в себя криволинейную траекторию в двух или трех измерениях, например, полукруговую, составную криволинейную (например, синусоидальную), дуговую, спиральную и т.д. Заданная траектория 179 может находиться дистально по отношению к области 176 возбуждения в возбуждающем зажимном устройстве 150 или может быть образована в съемном модуле 169, который (как показано на фиг. 2) соединен с возбуждающим зажимным устройством.
Обратимся к фиг. 3, на которой показано основание 160 возбуждающего зажимного устройства согласно одному иллюстративному варианту осуществления. Основание 160 возбуждающего зажимного устройства включает в себя элементы 190, такие как отверстия, штыри, фиксаторы, выступы и т.д., выполненные с возможностью обеспечения жесткого соединения основания с неподвижной рамой в операционной (например, с операционным столом или чем-либо подобным). Основание 160 возбуждающего зажимного устройства можно воспроизводимо соединять с одним или несколькими возбуждающими зажимными устройствами 150 при использовании известного геометрического соотношения. Основание может включать в себя элементы 192, такие как отверстия, штыри, фиксаторы, выступы и т.д., выполненные с возможностью обеспечения легкого соединения и фиксации возбуждающего зажимного устройства (устройств) 150 или крышки на возбуждающем зажимном устройстве (устройствах) 150.
Что касается фиг. 4, то три возбуждающих зажимных устройства 150, 151 и 152 соединены с основанием 160 возбуждающего зажимного устройства, которое, в свою очередь, соединено с операционным столом (непоказанным) посредством, например, стальных стержней и опорной конструкции 168 и надлежащих зажимов, и т.д. В этой архитектуре известны преобразования между системами отсчета индивидуальных возбуждающих зажимных устройств (и следовательно, гибких инструментов 102, соединенных с возбуждающими зажимными устройствами 150, 151, 152) и основанием 160 возбуждающего зажимного устройства. В предположении, что преобразование между системами отсчета основания 160 возбуждающего зажимного устройства и пациента или системы формирования сигналов изображения является известным, различные возбуждающие зажимные устройства 150, 151, 152 могут быть соединены с основанием 160 возбуждающего зажимного устройства и использованы для направляемой изображением навигации без необходимости в этапе повторного совмещения. Известные геометрические соотношения между каждым возбуждающим зажимным устройством 150, 151, 152 и основанием 160 возбуждающего зажимного устройства можно использовать для минимизации времени, затрачиваемого на совмещение каждого приспособления с системой отсчета пациента/формирования сигналов изображения.
Согласно одному варианту осуществления возбуждающие зажимные устройства 150, 151, 152 могут быть жестко прикреплены к основанию 160 возбуждающего зажимного устройства с использованием резьбовых болтов 188. Крышка 165 может использоваться, а также закрепляться совместно с зажимными устройствами 150, 151, 152. Например, дополнительные возбуждающие зажимные устройства 151, 152 вместе с крышкой 165 могут быть прикреплены к исходному возбуждающему зажимному устройству 150 при использовании более длинных болтов. Согласно другим вариантам осуществления магниты, зажимы, защелки или подобные компоненты быстрого крепления могут быть использованы для крепления вместо болтов и при отсоединении возбуждающих зажимных устройств друг от друга и от основания 160 возбуждающего зажимного устройства. Механизмы быстрого соединения или магнитного закрепления (например, защелки наряду с фиксаторами, зажимами, шипами, выступами и канавками и т.д.) могут использоваться для быстрого выполнения надежных, но тем не менее разъемных соединений между основанием 160 и зажимными устройствами 150, 151, 152 и между зажимными устройствами 150, 151, 152. Геометрическое соотношение между соседними возбуждающими зажимными устройствами 150, 151, 152 (и следовательно, системами отсчета их инструментов) и основанием 160 возбуждающего зажимного устройства можно использовать для гарантии, что повторное совмещение многочисленных приспособлений не потребуется при замене приспособлений во время выполнения процедуры. Кроме того, при расположении зажимных устройств 150, 151, 152 и основания 160 на одном месте уменьшается беспорядок и поддерживается подготовленная и эффективная операционная.
Что касается фиг. 5, то согласно еще одному варианту осуществления возбуждающие зажимные устройства 150' соединены с основанием 160 возбуждающего зажимного устройства независимо (например, они не установлены друг на друга). Примеры такого варианта осуществления включают в себя основание стоечного типа или подобной архитектуры, в котором зажимные устройства могут размещаться последовательно по горизонтали, вертикали или под углом относительно операционного стола или другой опорной конструкции.
Согласно одному варианту осуществления соединительные элементы 167 могут включать в себя различные конфигурации для приема приспособлений 102 с поддержкой оптического восприятия формы. Например, квадратный, треугольный, круговой и т.д. элемент 167 может использоваться для ограничения типа приспособления 102 с поддержкой оптического восприятия формы, присоединяемого к возбуждающему зажимному устройству 150'. Например, проволочный направитель может иметь квадратный соединитель, катетер может иметь круглый соединитель и эндоскоп может иметь треугольный соединитель.
Обратимся к фиг. 6, на которой согласно еще одному варианту осуществления показано возбуждающее зажимное устройство 250, подобное возбуждающему зажимному устройству 150, но в одном зажимном устройстве 250 могут быть связаны два оптически воспринимающих форму волокна 104 с двумя гибкими инструментами 102. Показаны точка 254 входа одного волокна и точка 255 выхода одного гибкого инструмента 102. Кроме того, показаны точка 256 входа одного волокна и точка 257 выхода другого гибкого инструмента 102. При использовании двух инструментов 102 в одном зажимном устройстве 250 в этом варианте осуществления для одного инструмента 102 может использоваться буферная или сервисная петля 252, а для другого инструмента 102 сервисная петля 252 может не использоваться. Однако в других вариантах осуществления сервисная петля может быть предусмотрена для обоих инструментов. Согласно другим вариантам осуществления одно зажимное устройство может использоваться с большим количеством гибких инструментов. Траектория 258 волокна может использоваться для автоматической регулировки состояний поляризации источника, описанной выше.
Обратимся к фиг. 7, на которой показано модульное возбуждающее зажимное устройство 350 согласно одному варианту осуществления. Для иллюстрации зажимное устройство 350 включает в себя отдельные элементы или компоненты, необходимые для управляемого связывания оптически воспринимающего форму волокна с гибким инструментом. Для возбуждающего зажимного устройства 350 согласно этому конкретному варианту осуществления применен модульный подход при прикреплении каждого из множества элементов, описанных выше, к направляющей системе или основанию 362 возбуждающего зажимного устройства. Эта направляющая 362 может быть прикреплена к операционному столу и затем совмещена с системой отсчета пациента и/или системы формирования сигналов изображения.
Для иллюстрации возбуждающее зажимное устройство 350 включает в себя модуль 352 области возбуждения, модуль 354 буферной или сервисной петли, модуль 356 траектории избыточного волокна, модуль 358 зажима оболочки волокна и модуль 360 зажима для гибкого инструмента 102. Могут быть включены другие модули 364. Модули 352, 354, 356, 358, 362, 364 индивидуально отделены от основания 360 возбуждающего зажимного устройства и соседних модулей. Возбуждающее зажимное устройство 350 согласно модульному варианту осуществления может включать в себя многочисленные гибкие инструменты и/или располагаемые друг над другом возбуждающие зажимные устройства, каждый из которых имеет один или несколько гибких инструментов. Волокна в каждом модуле могут включать в себя оптические соединители, так что при необходимости модули можно легко заменять.
Что касается фиг. 8А, то защитный слой 380 (например, пластиковая пленка, стерильная простыня или что-либо подобное) расположен между основанием 160 возбуждающего зажимного устройства и возбуждающим зажимным устройством 150, что позволяет закреплять стерильное устройство в защитном пластике 382 на нестерильном основании 160 возбуждающего устройства и в то же время еще иметь компоновку, в которой сохраняется стерильность. Кроме того, предполагаются другие компоновки.
Согласно другому варианту осуществления основание 160 возбуждающего зажимного устройства может быть многократно используемым, стерилизуемым и соединяемым выше стерильной простыни 383. Возбуждающее зажимное устройство 150 может быть присоединено к стерильному основанию 160 возбуждающего зажимного устройства, что позволит использовать приспособление с поддержкой оптического восприятия формы в стерильном поле.
Что касается фиг. 8В, то защитная перегородка 386 (например, стенка из нержавеющей стали) с уплотненными отверстиями 388 расположена в возбуждающем зажимном устройстве 150, что позволяет иметь стерильное устройство на дистальной стороне (с инструментом 102) и нестерильное устройство на проксимальной стороне (с волокном 104). Кроме того, предполагаются другие компоновки.
Что касается фиг. 9, то согласно другому варианту осуществления основание 160 возбуждающего зажимного устройства связано с направляющей 402 или другой конструкцией, так что приспособление 102 с поддержкой оптического восприятия формы можно использовать для ввода в различные места тела 131, например, в бедренную артерию в противовес сонной артерии. Основание 160 возбуждающего зажимного устройство можно перемещать на заранее заданные уровни или места 404, 406 и закреплять на месте фиксатором 408 или другим закрепляющим элементом. Положения, ориентации и преобразования основания 160 на этих местах 404, 406 относительно других мест известны и поэтому совмещения многочисленных приспособлений 102 с поддержкой оптического восприятия формы должны быть понятными и простыми. Согласно одному варианту осуществления возбуждающее зажимное устройство 150 и/или основание 160 возбуждающего зажимного устройства может приводиться в действие и управляться с перемещением на различные места роботом при использовании или без использования направляющей 402 (направляющая 402 также может устанавливаться в заданное положение роботом). Поступательное перемещение и поворот направляющей 402, возбуждающего зажимного устройства 150 и/или основания 160 возбуждающего зажимного устройства могут осуществляться роботом при выполнении медицинских процедур (например, при эндоваскулярных, эндолюминальных и/или ортопедических применениях и т.д.) или других применениях. Согласно другим вариантам осуществления поступательное перемещение по направляющей 402 может выполняться вручную, а преобразования к системам координат пациента или формирования сигналов изображения или к обеим могут вычисляться по измерениям положений вдоль направляющей 402 с использованием устройства определения положения (потенциометра, оптического следящего устройства и т.д.). При использовании робота зажимные устройства 150 и основание 160 могут совмещаться с системой координат робота.
Что касается фиг. 10, то способ оптического восприятия формы (ОВФ) включает в себя согласно блоку 502 образование возбуждающего зажимного устройства для управляемого обращения с оптическим волокном. Возбуждающее зажимное устройство включает в себя первое устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления оптического волокна, участок сохранения волокна, выполненный с возможностью приема и поддержания оптического волокна в пределах заданных размеров, второе устройство фиксации, выполненное с возможностью приема и закрепления гибкого инструмента с поддержкой оптического восприятия формы, область возбуждения, выполненную с возможностью приема и поддержания оптического волокна в известной геометрической конфигурации до ввода во второе устройство фиксации, и по меньшей мере один элемент для выравнивания и соединения с основанием возбуждающего зажимного устройства, который выполнен с возможностью закрепления возбуждающего зажимного устройства. Возбуждающее зажимное устройство может включать в себя другие элементы, а также, например, заданную траекторию, которая может использоваться для коррекции влияния поворота области возбуждения волокна (описанной выше).
Согласно блоку 504 возбуждающее зажимное устройство снабжают по меньшей мере одним оптически воспринимающим форму волокном, которое сначала закрепляют в первом устройстве фиксации, и по меньшей мере одним приспособлением с поддержкой оптического восприятия формы, которое закрепляют во втором устройстве фиксации. Оптически воспринимающее форму волокно укладывают на буферном или петлевом участке, выполненном с возможностью поддержания требований к минимальным размерам волокна и обеспечения некоторого провисания для согласования с рабочим перемещением волокна без нарушения требований. Согласно блоку 506 возбуждающее зажимное устройство прикрепляют к основанию возбуждающего зажимного устройства. Основание возбуждающего зажимного устройства может быть прикреплено к операционному столу, направляющей системе, роботизированному инструменту, системе формирования сигналов изображения и т.д. Согласно одному варианту осуществления основание возбуждающего зажимного устройства может приводиться в движение для перемещения на другое место в операционной.
Согласно блоку 508 другие возбуждающие зажимные устройства располагают друг над другом на возбуждающем зажимном устройстве и/или крышку помещают поверх возбуждающего зажимного устройства. Согласно блоку 510 возбуждающее зажимное устройство или зажимные устройства и/или основание зажимного устройства совмещают с по меньшей мере одной из системы отсчета пациента и системы отсчета формирования сигналов изображения, хотя могут использоваться другие системы отсчета. Согласно блоку 512 барьер стерильности может использоваться на протяжении возбуждающего зажимного устройства (устройств), между возбуждающим зажимным устройством и основанием возбуждающего зажимного устройства или между модулями модульного возбуждающего зажимного устройства. Согласно блоку 514 гибкий инструмент с поддержкой оптического восприятия формы используют для восприятия формы оптического волокна.
При интерпретации прилагаемой формулы изобретения следует понимать, что:
а) слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или действий помимо перечисляемых в определенном пункте формулы изобретения;
b) неопределенный артикль, предшествующий элементу, не исключает наличия множества таких элементов;
с) любые позиции в формуле изобретения не ограничивают ее объема;
d) несколько «средств» могут быть представлены одним и тем же объектом или реализуемой аппаратным обеспечением или программным обеспечением структурой или функцией; и
е) определенная последовательность действий не предполагается необходимой, если особо не указано иное.
Следует отметить, что при наличии описанных предпочтительных вариантов осуществления возбуждающего зажимного устройства для оптического восприятия формы (которые предполагаются иллюстративными и не ограничивающими) специалисты в данной области техники в свете изложенных выше идей могут делать модификации и изменения. Поэтому должно быть понятно, что в раскрытых конкретных вариантах осуществления могут быть сделаны изменения, которые находятся в объеме вариантов осуществления, раскрытых в этой заявке, как и изложенных в прилагаемой формуле изобретения. Поэтому при наличии подробно описанного и с учетом особенности требований патентных законов то, что заявлено и требует защиты патентом на изобретение, изложено в прилагаемой формуле изобретения.