[发明专利]外科手术形状传感光纤光学设备及其方法

说明书

用于组织和外科手术的形状传感设备，其包括处理装置和可调谐光源。可使用至少一个形状传感光纤且形状传感光纤具有多个单独的传感纤芯，所述传感纤芯具有分布在光纤内的光纤布拉格光栅。可包括光学开关，其被配置为在形状传感光纤内的单独的光纤的多路复用之间顺序切换以用于信号检测，并且可使用检测器以检测光纤信号。增强现实系统，其从形状传感设备接收跟踪数据，并在其显示器上叠加可视引导用于精确和直观的外科手术引导。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月10日提交的美国临时申请：62/570217的优先权，其公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过引用将其整体并入本文。

技术领域

本发明通常涉及形状传感光纤，更具体地涉及在手术期间检测外科手术器械的外科手术引导的多个点处的位置和取向。

背景技术

外科手术可在侵入性上改变，并且目前进行的许多外科手术曾经具有极大的侵入性，而现在正变得越来越小的侵入性。医疗装置的小型化已经使得能够开发用于人类疾病的诊断和治疗的新方法。内窥镜装置是一个非常深刻的例子，以允许进行具有非常小切口的微创外科手术过程来进行该过程。而且，正在开发或使用各种医疗装置/植入物来进行常规外科手术器械不容易接近的过程。例如，智能药丸用以对胃肠道成像。尽管内窥镜或微型装置能够检测它们的环境并执行干预，例如活组织检查，但精确地确定内窥镜装置在人体内的位置和几何结构是重要的。

一些人已经尝试通过使用箔应变仪测量形状变化。这些传感器虽然足以进行局部弯曲测量，但不能以足够的空间分辨率用以在除了最小距离外的所有距离上重建形状或相对位置。其他人已经使用光纤光学微弯曲传感器来测量形状。这种方法依赖于光纤中的损耗，这种损耗在现实应用中是不能控制的。Clements(美国专利No.6,888,623B2)描述了一种用于精确3D位置测量的光纤光学传感器。本发明的中央系统部件是柔性的“智能电缆”，其能够沿其长度精确地测量局部曲率和扭转。这些量用于推断电缆的一端相对于另一端的位置和姿态。

类似地，Chen等人(美国专利No.6,256,090B1)描述了一种用于确定柔性体的形状的方法和设备。该装置使用布拉格光栅传感器技术和时间、空间和波分复用，以沿一个光纤路径产生多个应变测量。使用多个光纤，可以以最小的模糊性进行主体和拖缆的形状确定。波分复用的使用具有其局限性，即在确定物体的形状和/或位置方面具有精度的能力是有限的。波分复用只能用在具有少于一百个传感器的传感器阵列，因此不足以用于以任何精度确定物体的形状和/或位置。

然而，用于切除的癌组织或其它靶组织的定位可能是困难的，并且导致相比必要的更多组织被去除。当前的方法不能提供植入装置的定量位置或该位置的实时可视反馈。这在大的再切除率和延长的外科手术时间方面产生了问题。这些因素随后导致较高的外科手术成本/浪费、高风险的并发症、以及患者的身体疼痛和情绪窘迫。因此，需要一种有效的外科手术成像设备，其能够提供切除区域的实时精确可视化，并在外科手术过程中为患者体内的外科手术器械产生可视引导。

发明概述