用于穩(wěn)定的形狀感測的溫度控制機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種光纖形狀感測系統(tǒng)包括具有近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備(116)。所述遠端區(qū)域包括第一溫度，在所述第一溫度上執(zhí)行形狀感測。溫度控制設(shè)備(102、104、106)被配置為控制所述形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域處的第二溫度，以匹配所述第一溫度。所述近端區(qū)域包括用于將光發(fā)射到所述光纖形狀感測設(shè)備的至少一條光纖中的發(fā)射區(qū)域(118)。
【專利說明】用于穩(wěn)定的形狀感測的溫度控制機構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及醫(yī)學儀器，更具體而言，涉及醫(yī)學應(yīng)用中的形狀感測光纖，其具有針對 溫度梯度區(qū)域的改進溫度控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于光纖的形狀感測利用了常規(guī)光纖中的固有反向散射。所涉及的原理通常使用 特征瑞利反向散射模式來利用光纖中的分布式應(yīng)變測量。光纖的實際長度和折射率內(nèi)在 地對環(huán)境參數(shù)、溫度、應(yīng)變敏感，并且在低得多的程度上對壓力、濕度、電磁場、化學暴露等 敏感。由于溫度變化ΔΤ或者沿光纖軸的應(yīng)變ε的原因?qū)е碌姆聪嗌⑸淠Ｊ降牟ㄩL偏移 Δ λ或頻率偏移Δ υ為：
[0003] Αλ/λ = -A = κτΔΤ+Κε ε，其中，& =1-^·(ρ.|2-υ(ρη?，12)卜
[0004] 溫度系數(shù)κτ是熱膨脹系數(shù)糧錄)(航/ 3Τ)和熱光系數(shù)ξ=(1細)(?續(xù)Τ) 之和，其典型值為〇· 55X 10-6 °C '并且對于摻雜了氧化鍺的二氧化硅芯光纖而言為 6.1x10-6°C'應(yīng)變系數(shù)是分組指數(shù)n、應(yīng)變光學張量的分量Pi」和泊松比μ的函數(shù)。 對于摻雜了氧化鍺的二氧化硅而言，針對n、 Pl2、Pll和μ給定的典型值將得到大約0.787 的Κε值。因而，溫度或應(yīng)變當中的偏移只是譜頻移Δ u的線性縮放（對于適中的溫度和 應(yīng)變范圍而言）。如果應(yīng)變接近了纖維的彈性極限或者溫度接近了纖維的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度， 那么這一線性模型自然不再適用。
[0005] 就一個芯位于截面中央的四芯或更多芯的纖維系統(tǒng)而言，只要不施加軸向應(yīng)變 (張力），或者假設(shè)存在軸向應(yīng)變但軸向應(yīng)變已知可控（因此其能夠被校準出），就能夠分出 由于彎曲和溫度效應(yīng)導致的應(yīng)變。
[0006] 光學形狀感測（0SS)對于環(huán)境溫度中的變化極為敏感。參考必須在位置和取向中 固定的初始發(fā)射（launch)點執(zhí)行所有的形狀感測測量。與參考測量的相關(guān)和相移的跟蹤 假設(shè)固定發(fā)射點。測得相位當中的偏移是由光纖幾何結(jié)構(gòu)的變化而引起的。發(fā)射點附近的 即使大約2°C的環(huán)境溫度提高也能夠?qū)е吕w維的膨脹（或收縮），其將改變有效發(fā)射點。在 極端情況下其能夠?qū)е赂檨G失和0SS故障。例如，對于以20微米截距的六自由度測量而 言，1. 5m長的纖維可能具有數(shù)萬個數(shù)據(jù)樣本。在發(fā)射點處導致多節(jié)偏移的纖維膨脹或壓縮 能夠造成形狀跟蹤的中斷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)這些原理，一種光纖形狀觀測系統(tǒng)包括具有近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖 形狀感測設(shè)備。所述遠端區(qū)域包括第一溫度，在所述第一溫度上執(zhí)行形狀感測。溫度控制設(shè) 備被配置為控制所述形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域處的第二溫度，以匹配所述第一溫度。 所述近端區(qū)域包括用于將光發(fā)射到所述光纖形狀感測設(shè)備的至少一條光纖中的發(fā)射區(qū)域。 [000 8] 在一個實施例中，一種用于光學形狀感測系統(tǒng)的系統(tǒng)包括處理器、耦合至所述處 理器的存儲器以及具有近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備。所述遠端區(qū)域包括 第一溫度，在所述第一溫度上執(zhí)行形狀感測。溫度控制器被存儲在所述存儲器中并被配置 為監(jiān)測并調(diào)整發(fā)射區(qū)域處的第二溫度，所述發(fā)射區(qū)域用于將光發(fā)射到所述光纖形狀感測設(shè) 備的至少一條光纖中。所述發(fā)射區(qū)域處于所述形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域中。至少一個 溫度控制元件響應(yīng)于所述溫度控制器以及來自一個或多個溫度傳感器的反饋以將所述第 二溫度與所述第一溫度匹配。
[0009] 在另一實施例中，一種用于光纖形狀感測的方法包括：提供具有近端區(qū)域和遠端 區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備以及位于所述形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域處的溫度控制 設(shè)備，所述近端區(qū)域包括將光發(fā)射到所述光纖形狀感測設(shè)備的至少一條光纖中的發(fā)射區(qū) 域；測量執(zhí)行形狀感測的所述遠端區(qū)域處的第一溫度；測量所述發(fā)射區(qū)域所處的所述近端 區(qū)域處的第二溫度；以及控制所述第二溫度以匹配所述第一溫度，從而為光學形狀感測提 供準確的發(fā)射區(qū)域參考。
[0010] 通過下文結(jié)合附圖閱讀的對本公開的說明性實施例的詳細描述，本公開的這些以 及其他目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 本公開將結(jié)合下面的附圖詳細介紹下述對優(yōu)選實施例的描述，其中：
[0012] 圖1是示出了根據(jù)一個實施例的采用處于發(fā)射區(qū)域的受到溫度控制的區(qū)域來匹 配參考溫度的形狀感測系統(tǒng)的框圖/流程圖；
[0013] 圖2是示出了根據(jù)一個實施例的采用工作站控制和監(jiān)測發(fā)射點區(qū)域中的溫度以 匹配參考溫度的另一形狀感測系統(tǒng)的框圖/流程圖；
[0014] 圖3是示出了根據(jù)一個實施例的其中集成了溫度傳感器和溫度控制設(shè)備的形狀 感測設(shè)備的截面圖；
[0015] 圖4是示出了根據(jù)另一實施例的其中集成了溫度傳感器和溫度控制設(shè)備的帶護 套形狀感測設(shè)備的透視圖；以及
[0016] 圖5是示出了根據(jù)一個實施例的用于利用受到溫度控制的發(fā)射區(qū)域進行形狀感 測的方法的框圖/流程圖。

【具體實施方式】
[0017] 根據(jù)這些原理，提供了用于控制溫度梯度區(qū)域中的溫度的系統(tǒng)和方法。在尤其有 用的實施例中，提供了一種系統(tǒng)以控制形狀感測纖維或纖維使能儀器的發(fā)射區(qū)域周圍的溫 度。在一個實施例中，所述系統(tǒng)包括用于測量參考溫度的模塊和儀器、用于通過加熱或冷卻 來控制溫度的模塊和儀器以及使用溫度測量作為輸入以提供控制和反饋從而保持平衡溫 度的處理單元。本原理包括溫度控制單元的不同實施例，例如,加熱和/或冷卻墊/板、通 過氣流的空氣溫度控制（與加熱器或空調(diào)/致冷器類似引入暖/冷空氣）、水/流體浴、由 保持溫度的材料包圍、可逆化學反應(yīng)等等。
[0018] 可以執(zhí)行對光學形狀感測（0SS)系統(tǒng)的功率循環(huán)，以解決溫度問題；然而，這一過 程需要再校準，并且在臨床環(huán)境下不切實際。此外，與參考信號的重復相關(guān)需要訪問在臨 床環(huán)境下一般無法訪問的專有數(shù)據(jù)。例如，與參考狀態(tài)的動態(tài)相關(guān)假定來自參考狀態(tài)的信 號是可得的，但情況并不總是這樣（這一原始信號通常是專有的，并且在臨床環(huán)境下不可 得）。在只有位置和取向信息可得的情況下，能夠在不需要將數(shù)據(jù)相關(guān)或者不需要廣泛再校 準的情況下在臨床環(huán)境（例如，介入室）中實施用于控制發(fā)射區(qū)域附近的形狀感測區(qū)域的 溫度的所述系統(tǒng)和方法。
[0019] 應(yīng)當理解，雖然將依據(jù)醫(yī)學儀器描述本發(fā)明；但是本發(fā)明的教導范圍要寬得多，并 且適用于任何光纖儀器。在一些實施例中，在復雜生物或機械系統(tǒng)的跟蹤或分析當中采用 本原理。具體而言，本原理適用于生物系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤過程，即身體中的所有區(qū)域當中的過 程，例如，肺、胃腸道、排泄器官、血管等中的過程。在附圖中描繪的元件可以通過各種硬件 和軟件的組合來實施，并且提供可以組合到單個元件或多個元件中的功能。
[0020] 能夠利用專用硬件以及與適當?shù)能浖嚓P(guān)聯(lián)的能夠執(zhí)行軟件的硬件來提供附圖 所示的各種元件的功能。在由處理器提供時，功能能夠由單個專用處理器、單個共享處理器 或者多個個體處理器（其中的一些處理器能夠是共享的）來提供。此外，詞語"處理器"或 "控制器"的明確使用不得被解釋為排他性地指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，并且能夠隱含地包 括但不限于數(shù)字信號處理器（DSP)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器（ROM)、隨機存取存儲 器（RAM)、非易失性存儲設(shè)備等。
[0021] 此外，文中所有記載本發(fā)明的原理、方面和實施例的陳述及其具體實例都旨在既 包含其結(jié)構(gòu)等價方案，又包含其功能等價方案。此外，旨在使這樣的等價方案既包括當前已 知的等價方案，又包括未來開發(fā)的等價方案（即，所開發(fā)出的執(zhí)行相同的功能的元件，而不 管其結(jié)構(gòu)如何）。因而，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，文中呈現(xiàn)的框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明 的原理的示范性系統(tǒng)部件和/或電路的概念圖。類似地，應(yīng)當認識到，任何流程圖、流程表 等均表示實質(zhì)上可以在計算機可讀存儲介質(zhì)中表示，因而由計算機或處理器執(zhí)行的各種過 程，而不管是否明確示出了這樣的計算機或處理器。
[0022]此外，本發(fā)明的實施例能夠采取計算機程序產(chǎn)品的形式，可由提供程序代碼的計 算機可用或計算機可讀存儲介質(zhì)訪問所述計算機程序產(chǎn)品，以供計算機或者任何指令執(zhí)行 系統(tǒng)使用，或者與計算機或者任何指令執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)合使用。就本說明書的目的而言，計算機 可用或計算機可讀存儲介質(zhì)能夠是可以包含、存儲、通信、傳播或轉(zhuǎn)移程序的任何裝置，所 述程序供指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備使用或者與指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備結(jié)合使用。所 述介質(zhì)能夠是電子、磁、光學、電磁、紅外或半導體系統(tǒng)（或者裝置或設(shè)備）或傳播介質(zhì)。計 算機可讀介質(zhì)的例子包括半導體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移除計算機軟盤、隨機存取存儲器 (RAM)、只讀存儲器（ROM)、剛性磁盤和光盤。當前的光盤的例子包括壓縮盤一只讀存儲器 (CD-ROM)、壓縮盤一讀 / 寫（CD-R/W)、Blu-Ray? 和 DVD。
[0023]現(xiàn)在參考附圖，其中，類似的附圖標記表示相同或類似的元件，并且首先來看圖l 其示出了根據(jù)一個說明性實施例的用于光纖發(fā)射區(qū)域的穩(wěn)定化的系統(tǒng)100。系統(tǒng)1〇〇包括 監(jiān)測介入、臨床或其他手術(shù)或測試環(huán)境中的溫度的控制器 1〇2。在一個實施例中，傳感器 110測量環(huán)境中的環(huán)境溫度。傳感器112測量對象114的溫度。所述對象可以包括機械系 統(tǒng)或患者的身體。在一個實施例中，所述對象可以包括用于訓練或其他目的的身體模型。一 個或多個傳感器10S測量反饋溫度，所述反饋溫度被用于調(diào)節(jié)光學形狀感測設(shè)備 116的至 少一部分的溫度。
[0024]將光學形狀感測設(shè)備116耦合至光學形狀感測模塊120,光學形狀感測模塊120提 供光信號并解讀反射光信號，以確定形狀感測設(shè)備116的形狀。形狀感測設(shè)備116進入對 象114,并在設(shè)備116從對象114中出來的位置處提供外殼104。外殼104提供了受控環(huán)境， 光學形狀感測設(shè)備116在操作期間被設(shè)置于該環(huán)境中，以避免光學形狀感測設(shè)備116的處 于對象114中的部分和光學形狀感測設(shè)備116的處于對象外的部分之間產(chǎn)生溫度梯度。光 學形狀感測設(shè)備116上的發(fā)射區(qū)域或點118包含在外殼104內(nèi)。發(fā)射區(qū)域118可以包括所 述纖維的處于實際發(fā)射點和光信號的扇出區(qū)域之間的部分。這一長度能夠長達例如10m，但 是預見到其他尺寸。發(fā)射區(qū)域118也可以是激光器周圍的區(qū)域或者是所述激光器和參考長 度的纖維（OSS模塊120)。不管是何種情況，這些區(qū)域中的任何及所有區(qū)域都可以被包含到 發(fā)射區(qū)域118中，并由針對最佳OSS性能被校準的溫度控制機構(gòu)來調(diào)節(jié)。
[0025] 可以使用一種或多種溫度控制方法對外殼104進行主動溫度控制。在一個實施例 中，采用傳感器108測量以下中的一者或多者：夕卜殼104的溫度、夕卜殼104內(nèi)的介質(zhì)的溫度、 光學形狀感測設(shè)備116的溫度等。控制器102根據(jù)來自傳感器108的反饋來控制溫度控制 元件106,以對外殼104進行加熱或冷卻。
[0026] 發(fā)射區(qū)域118附近的環(huán)境溫度的變化將導致相位跟蹤的丟失，從而導致表現(xiàn)為隨 機形狀跳躍的不穩(wěn)定形狀感測，并遞送不準確的結(jié)果。系統(tǒng)100將進行對環(huán)境溫度的波動 不敏感的形狀感測。在光學形狀感測設(shè)備116的發(fā)射區(qū)域118附近的環(huán)境溫度引發(fā)的光學 反向散射圖案的偏移被消除，由此遞送穩(wěn)定的形狀感測。
[0027] 在尤為有用的實施例中，傳感器108、110和112可以包括熱電偶、熱敏電阻、光纖 等。溫度控制元件106可以包括加熱和/或冷卻墊或板、電阻加熱器、通過氣流的空氣溫度 控制（例如，加熱通氣和空調(diào)（HVAC)系統(tǒng)）、熱交換器、水或其他流體浴、光學形狀感測設(shè)備 116的護套（利用能夠被動地或者通過電磁手段、化學手段（吸熱或放熱化學反應(yīng)）等主 動地保持溫度的熱絕緣材料）。在一個實施例中,將光學形狀感測模塊120包含到外殼104 內(nèi)，以確保保持適當?shù)臏囟取?br> [0028]參考圖2,其示出了根據(jù)另一說明性實施例的用于使光纖發(fā)射區(qū)域穩(wěn)定化的系統(tǒng) 200。系統(tǒng)2〇0可以包括工作站或控制臺2〇2,由工作站或控制臺202對過程進行監(jiān)督和/ 或管理。工作站2〇 2優(yōu)選包括一個或多個處理器214以及用于存儲程序和應(yīng)用的存儲器 216。存儲器21 6可以存儲光學感測和解讀模塊215,光學感測和解讀模塊215被配置為對 來自形狀感測設(shè)備或系統(tǒng) 2〇4的光學反饋信號進行解讀。光學感測模塊215被配置為使用 光信號反饋（以及任何其他反饋，例如，電磁（EM)跟蹤）重構(gòu)重建與醫(yī)學設(shè)備或儀器和/ 或其周圍區(qū)域相關(guān)聯(lián)的形變、偏轉(zhuǎn)和其他變化。所述醫(yī)學設(shè)備可以包括導管、導絲、探頭、內(nèi) 窺鏡、機器人、電極、過濾設(shè)備、氣囊設(shè)備或其他醫(yī)學部件等。
[0029]形狀感測設(shè)備2〇4包括位于其中的一條或多條光纖。所述光纖連接至包括光源 2〇6的光學詢問模塊2〇8。光學詢問模塊2〇8可以是工作站202的部分或者可以獨立于工 作站202。光源 2〇6向形狀感測設(shè)備2〇4的光纖提供光。在一些實施例中，可以將光源206 包含到發(fā)射區(qū)域中。光學感測和解讀模塊21 5也可以是工作站202的部分或者可以獨立于 工作站202。模塊215對光學詢問模塊208收集的形狀感測數(shù)據(jù)進行解讀，并將所述數(shù)據(jù)與 已知形狀進行比較，以確定形狀感測設(shè)備204相對于圖像圖的當前位置。
[0030]具有光纖的形狀感測設(shè)備204可以基于光纖布拉格光柵傳感器。光纖布拉格光柵 (FBG)是一短段光纖，其反射特定波長的光并使所有其他光透射。這是通過向纖芯的折射率 中添加周期性變化實現(xiàn)的，這生成波長特異性的介質(zhì)鏡。因此，能夠?qū)⒐饫w布拉格光柵用作 阻擋特定波長的內(nèi)嵌（inline)光學濾波器或者用作波長特異性的反射器。
[0031] 光纖布拉格光柵的操作背后的基本原理是每一折射率發(fā)生變化的界面處的菲涅 耳反射。對于特定波長而言，各種周期的反射光同相，使得針對反射存在相長干涉，繼而針 對透射存在相消干涉。布拉格波長對應(yīng)變以及溫度敏感。這意味著能夠使用布拉格光柵作 為光纖傳感器中的感測元件。在FBG傳感器中，被測量（例如，應(yīng)變）使得布拉格波長發(fā)生 偏移。
[0032] 這一技術(shù)的一個優(yōu)點在于能夠使各種傳感器元件分布在纖維的長度上。沿嵌入到 結(jié)構(gòu)當中的纖維的長度使三個或更多個芯與各種傳感器（測量儀器）結(jié)合將允許準確地確 定這樣的結(jié)構(gòu)的三維形式，其準確度通常高于Inrn。沿光纖的長度，在各種位置上，能夠定位 大量的FBG傳感器（例如，3個或更多個纖維感測芯）。能夠由每一 FBG的應(yīng)變測量推斷出 所述結(jié)構(gòu)在該位置上的曲率。由大量的測得位置，確定總的三維形式。
[0033] 作為光纖布拉格光柵的替代，能夠利用常規(guī)光纖中的固有反向散射。一個這樣的 方案是使用標準單模通信纖維中的瑞利散射。瑞利散射是由于纖芯中的折射率的隨機波動 而發(fā)生的。能夠?qū)⑦@些隨機波動建模為幅度和相位沿光柵長度隨機變化的布拉格光柵。通 過使用在多芯光纖的單一長度中延伸的三個或更多個纖芯中的這一效應(yīng)，能夠感興趣表面 的3D形狀和動態(tài)。
[0034] 系統(tǒng)200包括溫度控制器240,溫度控制器240存儲在存儲器216中并且被配置 為接收來自一個或多個溫度傳感器或反饋控制元件的溫度反饋。所述溫度傳感器可以包括 測量實驗室、門診或其他環(huán)境中的環(huán)境溫度的傳感器230、處于對象231上的傳感器232、處 于外殼212中的傳感器236以及處于形狀感測設(shè)備204上的傳感器234?？梢圆捎眠@些或 其他傳感器中的一些或全部的不同組合。在尤為有用的實施例中，傳感器230、232、234和 236可以包括熱電偶、熱敏電阻、光纖等。
[0035] 傳感器230、232、234和236向控制器240提供反饋?？刂破?40根據(jù)溫度反饋控 制一個或多個溫度控制元件222。溫度控制元件222可以包括加熱和/或冷卻墊或板、電阻 加熱器、通過氣流的空氣溫度控制、熱交換器、水或其他流體浴、光學形狀感測設(shè)備204的 護套（利用能夠被動地或者通過電磁手段、化學手段（吸熱或放熱化學反應(yīng)）等主動地保 持溫度的絕緣材料）。
[0036] 可以在過程期間采用成像系統(tǒng)210對對象231進行原位成像?？梢酝ㄟ^使用接收 自形狀感測設(shè)備204的數(shù)據(jù)來采用成像系統(tǒng)210對特定區(qū)域成像或者使圖像與形狀感測數(shù) 據(jù)配準。也可以采用成像系統(tǒng)210來收集和處理術(shù)中或術(shù)前圖像，從而繪制出對象231的 感興趣區(qū)域，由此建立用于與形狀感測空間配準的圖像體積。成像系統(tǒng)210可以包括熒光 透視系統(tǒng)、計算機斷層攝影（CT)系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、核成像系統(tǒng)（例如，正電子發(fā)射斷層攝影 (PET)、單光子發(fā)射計算機斷層攝影（SPECT))等。
[0037] 工作站202包括用于查看對象（患者）231的內(nèi)部圖像，包括形狀感測圖像的顯示 器218。顯示器218還可以允許用戶與工作站202及其部件和功能或者系統(tǒng)200中的任何 其他元件交互。這進一步由接口 220促進，所述接口可以包括鍵盤、鼠標、操縱桿、觸覺設(shè)備 或允許用戶得到來自工作站202的反饋以及與工作站202進行交互的任何其他外圍或控制 裝置。
[0038]外殼212包圍形狀感測設(shè)備204的遭受溫度梯度的部分。外殼212可以包括形狀 感測設(shè)備204穿過的空間的封閉體積。外殼212可以包括在形狀感測設(shè)備204之上延伸的 護套、鞘或罩。就封閉空間體積而言，可以利用諸如空氣、水、生理鹽水等的介質(zhì)填充外殼 212。使用溫度控制元件222對所述體積加熱或冷卻。所述體積可以在至少進入對象231 的進入點和至少光源206的連接點之間延伸。在一個實施例中，光源206表示形狀感測設(shè) 備204的光纖的受到監(jiān)測的發(fā)射區(qū)域。將所述發(fā)射區(qū)域包含到外殼 212的受到溫度控制的 空間中。
[0039]就用于外殼2丨2的護套而言，所述護套可以被配置為具有沿形狀感測設(shè)備204的 長度設(shè)置的溫度傳感器（234)和溫度控制元件222。所述護套可以在發(fā)射區(qū)域和對象231 之間覆蓋形狀感測設(shè)備204。
[0040] 溫度控制機構(gòu)224大致包括外殼212 (例如，形狀感測設(shè)備204的護套、鞘或罩）、 至少一個反饋傳感器2：34、（一個或多個）溫度控制元件222和控制器240。無論0SS纖維 的發(fā)射區(qū)域在哪，機構(gòu)2?都需要提供恒定溫度。所述溫度需要與對象231的溫度匹配。下 文將描述機構(gòu) 224可能所處位置的一些例子。能夠?qū)囟瓤刂茩C構(gòu)224或其部分提供到激 光控制臺（光源2〇6)內(nèi)。能夠?qū)囟瓤刂茩C構(gòu)224或其部分插入到小的單元（外殼212) 內(nèi)，所述小的單元可以被安裝到手術(shù)臺上/下、床頭推車上、（例如，成像系統(tǒng)的）C臂的探 測器上或者介入室中的裝置上或裝置中。溫度控制機構(gòu)224或其部分能夠被插入到諸如通 氣機、ECG監(jiān)測器等的設(shè)備內(nèi)或者與所述設(shè)備結(jié)合，被插入到能夠 0SS使能設(shè)備（204)的手 柄中，被插入到0SS使能設(shè)備的連接器中，等等。在一個實施例中，溫度控制機構(gòu)224或其 部分可以由對象 231佩戴，或者被固定在身體上面、下面或上方，并采用對象231的身體溫 度作為溫度調(diào)節(jié)機制。
[0041] 無論在哪采用OSS，都可以采用系統(tǒng)200。例如，本原理可以在用于心臟病的介入 X射線成套裝置當中采用，或者與其他介入系統(tǒng)和設(shè)備一起采用，等等。
[0042] 在繼續(xù)參考圖2的情況下參考圖3,將溫度傳感器302和溫度控制元件304的分布 式系統(tǒng)集成到形狀感測設(shè)備204中。在一個實施例中，將傳感器302集成到形狀感測設(shè)備 204內(nèi)?？梢圆捎枚鄠€傳感器302,其中，使用溫度測量結(jié)果作為輸入以在形狀感測設(shè)備204 上將溫度調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在固定工作點上。在這一實施例中，外殼212可以包括形狀感測設(shè)備 204的鞘或外包層310,并且傳感器3〇 2連同溫度控制元件304 -起被包含到鞘310內(nèi)。傳 感器3〇2可以包括用于監(jiān)測溫度的電子或光學元件，并且可以使用控制器（102或240)相 應(yīng)地控制溫度控制元件304。溫度控制元件304可以在整個鞘上包括加熱或冷卻元件，所述 加熱或冷卻元件對應(yīng)于溫度傳感器302的測得溫度并根據(jù)測得溫度受到控制?？梢詫ⅲǔ?了形狀感測光纖之外的）一條或多條專用光纖306用于形狀感測設(shè)備204中的溫度反饋。 注意，只有形狀感測設(shè)備204的處于對象231之外的部分需要加熱/冷卻。通過這種方式， 可以進行外部溫度測量傳感器的無線詢問。
[0043]由于采用了傳感器302和元件304的分布集合，因而在一個實施例中，溫度控制器 240訪問0SS性能庫或查找表格訪問光學形狀感測模式242,從而根據(jù)期望的質(zhì)量控制量 度，例如，RMS瞄準誤差，確定實現(xiàn)0SS系統(tǒng)的最佳性能的目標溫度。通過這種方式,控制器 240能夠根據(jù)測得溫度的模式利用功率設(shè)置（或者通過簡單地開啟或關(guān)閉元件304)單獨 地控制多個元件304中的每個，從而實現(xiàn)在形狀感測設(shè)備204上的均勻溫度。溫度控制器 240采用形狀感測設(shè)備204中的分布溫度傳感器302的測量結(jié)果使形狀感測設(shè)備在整個工 作長度上的分布工作溫度均衡，例如，通過使控制臺或發(fā)射點溫度與體內(nèi)的體溫匹配。
[0044] 參考圖4,其說明性地示出了溫度傳感器410和溫度控制元件406的另一分布式系 統(tǒng)。圖4說明性地示出了安裝到形狀感測設(shè)備204之上或者可以制造到形狀感測設(shè)備204 上面的護套404。形狀感測設(shè)備2〇4可以具有很多種配置，包括按照矩陣設(shè)置的多條光纖 402。在一個實施例中，在護套404中提供與形狀感測設(shè)備204接觸的溫度傳感器410。在 形狀感測設(shè)備204之上放置熱傳導鞘412。傳導鞘412可以包括編織金屬或者其他柔軟的 或者彈性的傳導材料。護套404包括處于傳導鞘402之上的絕緣層408。
[0045] 在一個實施例中，形狀感測設(shè)備204的溫度由溫度傳感器410測量并與參考溫度 (例如，對象的體溫）進行比較。溫度控制元件406被激活以被加熱或冷卻，由此輔助與處 于對象外部的形狀感測設(shè)備2〇4中的對象的體溫的匹配。傳導鞘412由于具有高傳導性， 因而確保了沿形狀感測設(shè)備204的相對均勻的溫度。類似地，護套404上的絕緣層408使 得加熱/冷卻負荷分布于較寬的面積上，并且避免了具有高溫度梯度的熱斑或冷斑。
[0046] 文中描述的溫度控制元件（106、222、304、406)可以采取很多種形式。例如，在一 個實施例中，溫度控制元件106、222可以包括調(diào)節(jié)外殼104、212中的有限空間中的加熱或 冷卻的氣流控制設(shè)備（例如，風扇式加熱器、冷卻器或空調(diào)）。能夠采用空氣循環(huán)確保整個 區(qū)域/體積具有相似的溫度。在另一實施例中，能夠使用水浴或其他材料（例如，生理鹽水 等）提供溫度控制，其中，利用水的溫度保持外殼104、212的體積的溫度，其中，整個單元填 充有水?；蛘?，溫度控制元件1〇 6、222、304、406可以包括包圍起來的流體冷卻循環(huán)機構(gòu)，該 機構(gòu)能夠與嵌入到護套404、鞘310或外殼1〇4、212中的冷卻通道或路徑一起使用。其可以 包括管系管道或通道。在一個實施例中，所述流體控制機構(gòu)可以使用生理鹽水或者任何其 他仍然能夠調(diào)節(jié)特定區(qū)域中的溫度的流體來代替水。
[0047] 在另一實施例中，溫度控制元件106、222、304、406包括在恒定溫度上發(fā)生的可逆 化學反應(yīng)，所述化學反應(yīng)能夠用于在確保所述反應(yīng)不影響形狀感測的同時保持元件106、 222、304、4〇6處的或者外殼1〇4、212中的溫度。在另一實施例中，能夠使用（在特定時間 內(nèi)發(fā)生的）化學反應(yīng)以在介入過程的持續(xù)期間保持恒溫（其可以是環(huán)境溫度、體溫或者在 其上執(zhí)行0SS系統(tǒng)校準并且同時所述系統(tǒng)被操作以準確地運行并且保持穩(wěn)定的任何其他 溫度）。在另一實施例中，能夠使用熱致發(fā)光來控制和保持溫度，例如，燈泡在空間或外殼 104、212上或中時可以發(fā)熱。
[0048]參考圖5,示出了根據(jù)說明性實施例的光纖形狀感測方法。在框510中提供了具有 近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備。還提供了位于所述形狀感測設(shè)備的近端區(qū) 域處的溫度控制設(shè)備。所述近端區(qū)域包括將光發(fā)射到光纖形狀感測設(shè)備的至少一條光纖中 的發(fā)射區(qū)域。
[0049]在框52〇中，在執(zhí)行形狀感測的遠端區(qū)域處測量第一溫度。測量所述第一溫度可 以包括在框522中測量對象的體溫。所述體溫通常是穩(wěn)定的參考點。在一個實施例中，通 過將光纖的發(fā)射點或發(fā)射區(qū)域包含到對象身體附近或上而采用所述身體來取得第二溫度 以匹配所述第一溫度。
[0050]在框53〇中，在所述發(fā)射區(qū)域所處的近端區(qū)域處測量第二溫度。在框532中，測量 所述第二溫度可以包括測量外殼中的溫度，所述外殼至少將所述光學形狀感測設(shè)備的近端 區(qū)域包含于其中。在框534中，通過使用冷卻器、加熱器、空調(diào)等中的一個或多個對所述外 殼的溫度進行調(diào)整，以匹配第一溫度。
[0051] 在框540中，控制第二溫度，以匹配第一溫度，從而為光學形狀感測提供準確的發(fā) 射區(qū)域參考。所述外殼可以包括所述光學形狀感測設(shè)備的外包層，并且所述第二溫度可以 是在所述外包層中測量的。在框542中，可以使用所述外包層內(nèi)包含的溫度控制元件來控 制所述第二溫度。
[0052] 在一個實施例中，所述光學形狀感測設(shè)備包括溫度傳感器分布，并且所述溫度控 制設(shè)備包括被配置為使用來自所述溫度傳感器分布的反饋來控制第二溫度的至少一個溫 度控制元件。在框544中，使所述溫度傳感器分布的測得溫度分布的一個或多個模式與針 對所述至少一個溫度控制元件的對至少一個溫度控制元件供電的發(fā)電控制設(shè)置相關(guān)。在另 一實施例中，在所述形狀感測設(shè)備之上提供護套，并且傳感器和/或溫度控制器元件的分 布被包含到所述護套中，并使用控制器和/或利用通過使用所述模式識別出的發(fā)電控制設(shè) 置而被控制。
[0053] 在解讀權(quán)利要求書時，應(yīng)當理解：
[0054] a) "包括"一詞不排除有給定權(quán)利要求中列出的那些之外的其他元件或動作；
[0055] b)元件前的詞"一"或"一個"不排除存在多個這樣的元件；
[0056] c)權(quán)利要求中的任何附圖標記都不限制其范圍；
[0057] d)可以通過相同的項目，或者硬件或軟件實施的結(jié)構(gòu)或功能表示若干"器件"；以 及
[0058] e)不要求動作的任何特定序列，除非另行明確說明。
[0059] 已經(jīng)描述了用于穩(wěn)定的形狀感測的溫度控制機構(gòu)的優(yōu)選實施例（其旨在為說明 性的而非限制性的），應(yīng)當注意，本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮上述教導的情況下能夠做出修改和 變型。因此，應(yīng)當理解可以對所公開的公開內(nèi)容的具體實施例做出改變，所述改變處于如權(quán) 利要求書概括的文中公開的實施例的范圍內(nèi)。因而，已經(jīng)描述了專利法要求的細節(jié)和特性， 在權(quán)利要求中闡述了所主張的以及期望由專利證書保護的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1· 一種光纖形狀感測系統(tǒng)，包括： 具有近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備（116)，所述遠端區(qū)域具有處于所 述遠端區(qū)域中的第一溫度；以及 溫度控制設(shè)備（102、104、106)，其被配置為控制所述形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域處 的第二溫度，以匹配所述第一溫度，所述近端區(qū)域包括用于將光發(fā)射到所述光纖形狀感測 設(shè)備的至少一條光纖中的發(fā)射區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度控制設(shè)備包括被配置為監(jiān)測所述第二 溫度的至少一個溫度傳感器（108)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中,所述溫度控制設(shè)備包括外殼（1〇4)，所述外殼用 于將所述光學形狀感測設(shè)備容納于其中，使得所述外殼中的溫度包括所述第二溫度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼（104)包括空間，并且所述空間使用冷 卻器、加熱器和空調(diào)中的一個或多個被溫度控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述空間包括流體，并且所述流體包括所述第二 溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述流體包括空氣和水之一。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼（104)包括所述光學形狀感測設(shè)備的外 包層（310)，并且所述第二溫度是在所述外包層內(nèi)測量的。
8·根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述第二溫度使用所述外包層內(nèi)包含的溫度控 制元件（302)而被控制。 9_根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度控制設(shè)備包括控制器（102)，所述控制 器被配置為測量所述第一溫度和所述第二溫度，并控制至少一個溫度控制元件（106)，以將 所述第一溫度與所述第二溫度匹配。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光學形狀感測設(shè)備包括溫度傳感器（302) 分布，并且所述溫度控制設(shè)備包括被配置為使用來自所述溫度傳感器分布的反饋來控制所 述第二溫度的至少一個溫度控制元件（304)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度控制設(shè)備包括在所述光學形狀感測設(shè) 備上提供的護套（404)，所述護套包括至少一個溫度傳感器（410)以及被配置為使用來自 所述至少一個溫度傳感器的反饋來控制所述第二溫度的至少一個溫度控制元件（406)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述護套（404)包括與所述光學形狀感測設(shè)備 接觸的傳導層（412)和形成于所述傳導層之上的絕緣層（408)，并且所述至少一個溫度控 制元件被設(shè)置在所述絕緣層上，并且所述至少一個溫度傳感器與所述光學形狀感測設(shè)備接 觸。
13. -種用于光學形狀感測系統(tǒng)的系統(tǒng)，其包括： 處理器（214); 耦合至所述處理器的存儲器（216); 具有近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備（204)，所述遠端區(qū)域具有第一溫 度，在所述第一溫度上執(zhí)行形狀感測； 溫度控制器（240)，其被存儲在所述存儲器中并且被配置為監(jiān)測并調(diào)整發(fā)射區(qū)域處的 第二溫度，所述發(fā)射區(qū)域用于將光發(fā)射到所述光纖形狀感測設(shè)備的至少一條光纖中，所述 發(fā)射區(qū)域處于所述形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域中；以及 至少一個溫度控制元件（222)，其響應(yīng)于所述溫度控制器和來自一個或多個溫度傳感 器（234)的反饋以將所述第二溫度與所述第一溫度匹配。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述第二溫度在外殼（Μ2)內(nèi)被控制，所述外 殼將所述光學形狀感測設(shè)備容納于其中。 I5·根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼（212)包括冷卻器、加熱器和空調(diào)中 的一個或多個。
16·根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼包括所述光學形狀感測設(shè)備的外包 層（310)，并且所述第二溫度是在所述外包層內(nèi)測量的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述光學形狀感測設(shè)備包括溫度傳感器（3〇2) 分布，并且所述至少一個溫度控制元件（304)被配置為使用來自所述溫度傳感器分布的反 饋來控制所述第二溫度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述存儲器存儲一個或多個模式（242)，所述 模式使所述溫度傳感器分布的測得溫度分布與針對所述至少一個溫度控制元件的對所述 至少一個溫度控制元件供電的發(fā)電設(shè)置相關(guān)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括在所述光學形狀感測設(shè)備上提供的護套 (404)，所述護套包括所述一個或多個溫度傳感器（410)以及所述至少一個溫度控制元件 (406)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述護套包括與所述光學形狀感測設(shè)備接觸 的傳導層（412)和形成于所述傳導層之上的絕緣層（408)，并且所述至少一個溫度控制元 件被設(shè)置在所述絕緣層上，并且所述一個或多個溫度傳感器與所述光學形狀感測設(shè)備接 觸。
21. -種用于光纖形狀感測的方法，包括： 提供（510)具有近端區(qū)域和遠端區(qū)域的細長光纖形狀感測設(shè)備以及位于所述形狀感 測設(shè)備的所述近端區(qū)域處的溫度控制設(shè)備，所述近端區(qū)域包括將光發(fā)射到所述光纖形狀感 測設(shè)備的至少一條光纖中的發(fā)射區(qū)域； 在執(zhí)行形狀感測的所述遠端區(qū)域處測量（520)第一溫度； 在所述發(fā)射區(qū)域所處的所述近端區(qū)域處測量（530)第二溫度；以及 控制（540)所述第二溫度，以匹配所述第一溫度，從而為光學形狀感測提供準確的發(fā) 射區(qū)域參考。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，測量所述第一溫度包括測量（522)對象的體 溫。
23·根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，測量所述第二溫度包括測量（532)外殼中的溫 度，所述外殼至少將所述光學形狀感測設(shè)備的所述近端區(qū)域包含于其中。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括通過使用冷卻器、加熱器和空調(diào)中的一個或 多個來調(diào)整（534)所述外殼的溫度，以匹配所述第一溫度。 2δ·根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述外殼包括所述光學形狀感測設(shè)備的外包 層，并且所述第二溫度是在所述外包層中測量的，所述方法還包括使用所述外包層內(nèi)包含 的溫度控制元件來控制（542)所述第二溫度。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述光學形狀感測設(shè)備包括溫度傳感器分布， 并且所述溫度控制設(shè)備包括被配置為使用來自所述溫度傳感器分布的反饋來控制所述第 二溫度的至少一個溫度控制元件，所述方法還包括使所述溫度傳感器分布的測得溫度分布 的一個或多個模式與針對所述至少一個溫度控制元件的對至少一個溫度控制元件供電的 發(fā)電控制設(shè)置相關(guān)（544)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述溫度控制設(shè)備包括在所述光學形狀感測 設(shè)備上提供的護套，所述護套包括至少一個溫度傳感器以及被配置為使用來自所述至少一 個溫度傳感器的反饋來控制所述第二溫度的至少一個溫度控制元件。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述護套包括與所述光學形狀感測設(shè)備接觸 的傳導層和形成于所述傳導層之上的絕緣層，并且所述至少一個溫度控制元件被設(shè)置在所 述絕緣層上，并且所述至少一個溫度傳感器與所述光學形狀感測設(shè)備接觸。
【文檔編號】A61B19/00GK104203085SQ201380017445
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】B·拉馬錢德蘭, R·曼茨克, R·陳 申請人:皇家飛利浦有限公司