[发明专利]外科末端执行器附近的外来对象的探测

说明书

本发明总体涉及解剖区域内的外科末端执行器附近的外来对象的探测。本发明具体涉及与外科末端执行器相关地使用一个或多个光纤“试探器（feeler）”，用于探测解剖区域内的外科末端执行器附近的外来对象。

外来对象在组织中的穿透是平民事故和军事战争期间普遍的伤害。最严重的伤害是穿透心脏的伤害。由于穿过胸腔和心包的直接穿透伤害或由于来自静脉脉管系统的外来物体的栓塞，可以发生此类型的伤害。在有症状的情况下，必需取出与血流接触的外来对象，以避免生命威胁状况，诸如例如，弹片在肺动脉或其它关键脉管床中的栓塞（例如，经由颈动脉的大脑循环），该栓塞潜在地引起脉管破裂或形成于与血流接触的外来对象上的血栓块的栓塞，这反过来潜在地引起局部缺血和梗塞。

本领域已知的用于探测外来对象的一种方法是感生铁磁弹片的振动，以利用三维（“3D”）多普勒超声图像来探测弹片。探测的位置用于引导机器人系统来捕获外来对象。然而，外来对象的超声跟踪可能提供对精度水平的局限，该精度水平受到超声图像的分辨率和与外来对象关联的信号覆盖区（footprint）的质量（即，信噪比/载噪比）的限制。此精度对于朝向外部对象引导机器人可能是足够的。然而，一旦机器人的外科末端执行器与瞄准的外部对象紧邻（例如，<10mm），则如果机器人系统是为了部署外部对象捕获机构，则需要更好的精度。另外，此方法仅对含铁弹片起作用。

本发明提供用于在外来对象与外科机器人系统的外科末端执行器紧邻时，感测外来对象的存在的光纤探测工具。与基于成像的引导相比，本发明的此光纤探测工具容许在外科末端执行器紧邻外部对象自身时，对外科末端执行器进行精细调节操控，基于成像的引导可以将宏观水平的操纵器导引至外来对象的通常位置。通过与外科末端执行器具有限定的空间关系的多个光纤“试探器”来实现此行为。对这些试探器进行光学询问，以容许试探器变位（deflection）/形状的高灵敏度表征，并且此信息可以作为视觉显示和/或声音警报耦合回到介入人员，以帮助操纵仪器。此信息也可以在闭反馈控制环内反馈，用于全自动方式的机器人操纵器引导。

本发明的光纤探测工具可以涉及通过将几何改变编码为传输到光纤中的光来进行光纤的变位分析或形状重建。具体地，可以通过利用光学折射率的变化来执行光纤的变位分析/形状重建，折射率的变化的发生归因于在光纤中引入布拉格光栅或归因于源自光纤的制造工艺的光学折射的性质不一致性。光纤布拉格光栅是光纤的反射特定波长的光并透射所有其它光的短的段。这通过在纤芯中增加折射率的周期性变化来实现，该周期性变化生成特定波长的二向色镜。光纤布拉格光栅对应变敏感，应变引起光纤布拉格光栅的与应变的幅度成比例的布拉格波长的频变Δλ_B。使用用于分布式感测的光纤布拉格光栅的主要优点是，可以沿单个光纤的长度询问大数量的变形光学传感器。以类似的方式，可以使用瑞利散射途径来感测光纤变形，瑞利散射途径利用沿光纤的长度发生的光学折射率的自然变化。

本发明的一种形式是一种光学探测工具，其采用外科末端执行器（例如，内窥镜、导管等）和光纤（例如，单芯或多芯）。操作中，所述外科末端执行器在解剖区域内相对于对所述解剖区域为外来的对象进行导航；并且所述光纤在所述外科末端执行器在所述解剖区域内进行导航时，生成指示所述光纤的应变测量结果分布的编码的光学信号。所述光纤具有与所述外科末端执行器成限定空间关系的探测段，其中在不存在所述外来对象与所述光纤的所述探测段的任何能测量接触时，所述应变测量结果分布表示正常分布，并且相反地，其中响应于所述外来对象与所述光纤的所述探测段的能测量接触，所述应变测量结果分布表示异常分布。

本发明的第二种形式是一种光纤探测方法，涉及：在解剖区域内相对于对所述解剖区域为外来的对象对外科末端执行器进行导航；以及在所述外科末端执行器在所述解剖区域内进行导航时，生成指示光纤的应变测量结果分布的编码的光学信号。所述光纤具有与所述外科末端执行器成限定空间关系的探测段，其中在不存在所述外来对象与所述光纤的所述探测段的任何能测量接触时，所述应变测量结果分布表示正常分布，并且相反地，其中响应于所述外来对象与所述光纤的所述探测段的能测量接触，所述应变测量结果分布表示异常分布。

根据本发明的结合附图阅读的各范例实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其它形式以及各种格正和优点将变得更加明显。该详细描述和图仅是示例本发明，而不是限制由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围。

图1示例根据本发明的光纤探测工具的第一范例实施例；

图2示例根据本发明的光纤探测工具的第二范例实施例；