[发明专利]使用光纤形状感测生成解剖目标的三维数据的设备和方法

说明书

光纤外壳包含多个形状感测芯以及单个光芯。光纤外壳的远端可定位成将单个光芯引导至解剖目标的当前点。准直光在频率的第一范围内从单个光芯投射到当前点。OFDR用于检测从当前点散射的反射光，并且处理检测的光以确定到当前点的距离。光在频率的第二范围内通过多个形状感测光芯投射到光纤外壳的所述远端。OFDR用于测量通过多个形状感测光芯从光纤外壳的所述远端反射回的光，并且处理测量值以确定光纤外壳的所述远端在三维空间中的位置以及光纤外壳的远端的指向方向。基于光纤外壳的远端在三维空间中的确定的位置、光纤外壳的远端的指向方向以及确定的距离而确定当前点在三维空间中的位置。

相关申请

本专利申请要求2015年12月14日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FORGENERATING 3-D DATA FOR AN ANATOMICAL TARGET USING OPTICAL FIBER SHAPESENSING”的美国临时专利申请62/266,879的优先权以及申请日的权益，所述申请通过引用全文并入本文中。

技术领域

本技术涉及用于提供位置和取向信息的基于干涉测量的光纤位置感测。

背景技术

光学应变感测可用于测量由例如光纤的张力、压缩或温度变化引起的光纤的物理变形。多芯光纤由嵌入单光纤内的若干独立的波导或芯组成。通过使用扫频波长干涉法解释芯的光学响应，可以获得沿着芯的长度的连续应变测量。在了解芯沿着光纤长度的相对位置的情况下，可以组合这些独立的应变信号以获得施加到多芯光纤的应变分布的测量。光纤的应变分布是在高(例如，小于50微米)样本分辨率下沿着光纤长度施加的弯曲应变、扭转应变和/或轴向应变的测量。在通过引用并入本文的弗洛格特(Froggatt)等人的标题为“Optical Position and/or Shape Sensing”的共同转让的美国专利8,773,650中详述的已知为光学位置和/或形状感测的技术中，此应变分布信息用于重构光纤的三维位置。

断层扫描光学系统获得所扫描对象的特定截面的虚拟“切片”(断层扫描图像)。这些虚拟切片允许用户看到对象(例如，人体解剖目标)内部，而不需要物理地切割对象。断层扫描涉及从通过解剖目标透射的或从解剖目标反射的多个方向收集投射数据。所述投射数据随后通过重构算法处理以生成虚拟切片。不利的是，已知的断层扫描方法要求以高准确度和精确度获知发射器方位和检测器方位中的每一个。

常用形式的断层扫描包含CAT扫描、PET扫描和MRI扫描。例如，CAT扫描在不同位置使用多个x射线检测器，以测量从位于多个不同位置处的x射线发射器发出的x射线。由于CAT扫描仪较大并且在解剖目标之外，因此非常准确和精确地确定这些不同位置的坐标是相对容易的任务。

光学相干断层扫描(OCT)使用可见光或近红外光代替x射线，并且使用反射光代替透射光。然而，OCT不能深入组织并且通常可以仅扫描到毫米级的深度，例如，几毫米到几厘米。由于扫描深度限制，有必要将OCT探针放置于解剖目标内，以便有效地扫描解剖目标腔内的组织。将期望能够以更深深度执行OCT扫描。具有更大OCT测量范围，使得组织的表面可以从远距离定位和探测也将是有用的。

更进一步，能够执行轮廓测量将是有用的，其中测量解剖目标腔(例如，腹腔、肺、嘴、喉、鼻或耳)的外表面。这些测量值随后可以用于将先前拍摄的CAT扫描(或PET扫描或MRI扫描)记录到外科医生正努力提供CAT扫描图像与当前可见组织的“叠加”的坐标系。

尽管可以确定从OCT源的反射距离以及扫描镜子或光纤旋转时在测量之间的相对角度，但是难以确定源的绝对位置和角度。例如“FaroArm”的机器使用具有高分辨率编码器的多个铰接节段来测量三维方位和角度。但是例如CAT、PET和MRI机器等的FaroArm机器太大而无法放置于人类解剖目标内，甚至太具有侵入性而无法在手术室中的解剖目标外使用。

发明内容