CN115969409A - 光纤超声探头 - Google Patents

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CN115969409A CN202211253738.XA CN202211253738A CN115969409A CN 115969409 A CN115969409 A CN 115969409A CN 202211253738 A CN202211253738 A CN 202211253738A CN 115969409 A CN115969409 A CN 115969409A
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W·R·麦克劳克林
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Abstract

本申请涉及光纤超声探头。相关***包括具有集成在其中的第一光纤的超声成像探头和经由第一细长构件与超声成像探头光学联接的控制台。控制台包括一个或多个处理器和其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由一个或多个处理器执行时，逻辑引起操作，该操作可以包括经由第一细长构件向第一光纤提供入射光信号，从第一光纤和第二光纤接收入射光的不同光谱宽度的反射光信号，处理反射光信号，以确定沿着包括第一光纤的至少一部分和第二光纤的至少一部分的长度延伸的第一三维形状，并且引起在医疗***的显示器上呈现第一三维形状的图像。

Description

光纤超声探头
优先权
本申请要求2021年10月14提交的美国临时申请号63/255,834的优先权，该申请通过引用以其整体并入本申请。
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，更具体地涉及光纤超声探头。
背景技术
过去，医疗装置(比如导丝和导管)的某些血管内引导例如已经将荧光检查方法用于跟踪医疗装置的尖端和确定远侧尖端是否被适当地定位在其目标解剖结构中。然而，这样的荧光检查方法使患者和他们的主治医生暴露于有害的X射线辐射。此外，在一些情况下，患者被暴露于荧光检查方法所需的潜在有害的造影剂。
最近，已经使用涉及管心针的电磁跟踪***。通常，电磁跟踪***的特征在于三个部件：场发生器、传感器单元和控制单元。场发生器使用若干线圈生成用于建立坐标空间的位置变化磁场。例如，附接至管心针(比如在管心针的远端(尖端)附近)，传感器单元包括小线圈，在该小线圈中经由磁场感应电流。基于每个线圈的电气特性，可以在坐标空间内确定医疗装置的位置和取向。控制单元控制场发生器并且从传感器单元捕获数据。
虽然电磁跟踪***避免了跟踪管心针的尖端的视线依赖，同时避免了与荧光检查方法相关的辐射暴露和潜在有害的造影剂，但是电磁跟踪***易于受干扰。更具体地，由于电磁跟踪***依赖于由场发生器产生的磁场的测量，这些***经历电磁场干扰，这可能由许多不同类型的消费电子装置(比如蜂窝电话)的存在引起。另外，电磁跟踪***经历信号丢失，依赖于外部传感器，并且受限于有限的深度范围。
本文公开了一种光纤形状感测***，该光纤形状感测***与超声成像***联接，该超声成像***配置为通过将医疗装置的3D形状与患者身体的超声图像链接来检测医疗装置在患者体内的位置。
发明内容
简而言之，本文公开的实施方案涉及使用光纤技术提供医疗装置的跟踪信息的***、设备和方法。在一些实施方案中，一种医疗***包括：超声成像探头，在超声成像探头中集成有第一光纤，其中，第一光纤包括第一组的一个或多个芯纤维，第一组的一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的第一多个传感器，并且第一多个传感器中的每个传感器配置为(i)基于接收到的入射光反射不同光谱宽度的光信号，以及(ii)基于光纤经历的应变改变反射光信号的特性；以及控制台，控制台经由包括具有第二多个传感器的第二光纤的第一细长构件与超声成像探头光学联接，控制台包括一个或多个处理器和其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由一个或多个处理器执行时，逻辑产生操作，该操作包括：经由第一细长构件向第一光纤提供入射光信号；从第一多个传感器中的一个或多个或第二多个传感器中的一个或多个接收入射光的不同光谱宽度的反射光信号；处理与第一或第二多个传感器相关联的反射光信号，以确定沿着包括第一光纤的至少一部分和第二光纤的至少一部分的长度延伸的第一三维(3D)形状；至少基于从第二多个传感器中的一个或多个接收的反射光信号确定超声成像探头的定位；以及根据超声成像探头的定位，引起在医疗***的显示器上呈现图像。
在一些实施方案中，操作还包括：至少基于从第一多个传感器中的一个或多个接收的反射光信号来确定参考平面；限定参考平面相对于成像探头的取向；以及根据参考平面的取向，引起在显示器上呈现图像。
该***还可以包括第二细长构件，第二细长构件包括第三光纤并从控制台延伸至医疗装置，其中，第二细长构件与控制台光学联接，其中，第三光纤包括第三组的一个或多个芯纤维，第三组的一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的第三多个传感器，并且第三多个传感器中的每个传感器配置为(i)基于接收到的入射光反射不同光谱宽度的光信号，以及(ii)基于光纤经历的应变改变反射光信号的特性。
在一些实施方案中，操作还包括：向第三光纤提供第二入射光信号；从第三多个传感器中的一个或多个接收第二入射光的不同光谱宽度的反射光信号；处理与第三组的一个或多个芯纤维相关联的反射光信号，以确定在第三光纤的近端与远端之间延伸的第二3D形状；确定第二3D形状在参考平面中的定位和相对于参考平面的取向，从而确定第二细长构件相对于超声成像探头取向的取向；以及根据第二3D形状的定位和取向，在医疗***的显示器上的图像内呈现第二3D形状的图像。在一些实施方案中，操作还包括：从超声成像探头接收超声图像，以及促使基于超声图像，在医疗***的显示器上呈现第二3D形状的图像，以包括患者身体的一部分。
在其他实施方案中，医疗装置是包括集成在其中的第四光纤的血管内装置，第四光纤具有第四多个传感器，其中，第四光纤配置为接收第三入射光信号并向控制台提供第四反射光信号，并且其中，操作还包括至少部分基于第四反射光信号来确定第二3D形状在参考平面中的定位和相对于参考平面的取向。
在一些实施方案中，血管内装置包括导管、管心针、针或导丝中的一种或多种。在其他实施方案中，第一光纤包括已知的形状，其被逻辑用于确定参考平面。在其他实施方案中，操作还包括引起在图像内呈现目标血管的视觉指示。此外，在使用中，操纵超声成像探头的取向，以调整观察参考的取向。
本文还公开了一种提供上述***的方法。
考虑到更详细地公开这些概念的特定实施方案的附图和以下描述，本文提供的概念的这些和其他特征对于本领域技术人员将变得更明显。
附图说明
在附图中通过举例而非限制的方式示出了公开文本的实施方案，其中相同的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1是根据一些实施方案的医疗器械监测***的说明性实施方案，该医疗器械监测***包括具有与超声成像探头联接的光学形状感测能力的医疗器械；
图2是根据一些实施方案的包括在图1的细长探头内的多芯光纤的一部分的结构的示例性实施方案；
图3A是根据一些实施方案的图1的细长探头的第一示例性实施方案，其支持光信令；
图3B是根据一些实施方案的图3A的细长探头的截面视图；
图4A是根据一些实施方案的导管的第一说明性实施方案的正视图，该导管包括集成管件(integrated tubing)、沿着直径(diametrically)布置的隔件和形成在管件与隔件内的微内腔；
图4B是根据一些实施方案的图4A的导管的第一说明性实施方案的透视图，该导管包括安装在微内腔内的芯纤维；
图5A至图5B是根据一些实施方案的由图1的医疗器械监测***进行的实现光学3D形状感测的操作方法的流程图；
图6A示出了根据一些实施例的在超声成像和将针***患者期间的图1的医疗器械监测***的示例性实施方案；
图6B是根据一些实施例的在图1***的显示器上呈现的示例性画面截图，显示了与细长探头的3D形状图像相结合的超声波图像；
图6C示出了根据一些实施方案的图1***的示例性使用情况；
图7是由图1的医疗器械监测***进行的操作方法的流程图，用于结合超声图像限定和呈现细长探头的3D形状的图像；
图8示出了根据一些实施方案的图1的***的第二实施方案；以及
图9示出了根据一些实施方案的包括磁针跟踪的图1的***的第三实施方案。
具体实施方式
在更详细地公开一些特定实施方案之前，应当理解，本文公开的特定实施方案不限制本文提供的概念的范围。还应该理解，本文公开的特定实施方案可以具有能够容易地从特定实施方案中分离出来的特征，并且可选地与本文公开的许多其他实施方案中的任何一个的特征相结合或替代。
关于本文使用的术语，还应当理解，这些术语是为了描述一些特定实施方案的目的，并且这些术语不限制本文提供的概念的范围。序数(例如，第一、第二、第三等)通常用于区分或标识一组特征或步骤中的不同特征或步骤，并且不提供顺序或数字限制。例如，“第一”、“第二”、“第三”特征或步骤不必按顺序出现，并且包括这些特征或步骤的特定实施方案不必限于这三个特征或步骤。为方便起见，使用标签比如“左”、“右”、“顶”、“底”、“前”、“后”等，并且并不旨在暗示例如任何特定的固定位置、取向或方向。相反，这样的标记用于反映例如相对位置、取向或方向。除非上下文另有明确规定，否则单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。
短语“连接到”、“与其联接”以及“与其通信”是指两个或多个实体之间的任何形式的交互，包括但不限于机械、电、磁、电磁和光交互。两个部件可以彼此联接，即使彼此没有直接接触。例如，两个部件可以通过一个中间媒介部件彼此联接。
术语“近侧”和“远侧”是指医疗装置的相对端，包括本文公开的装置。如本文所使用的，医疗装置的近侧部分是指在使用过程中离医生最近的部分，而远侧部分是相对端的部分。例如，细长探头引导件的近端被限定为在使用细长探头期间最靠近临床医生的端部。远端是沿着细长探头的长度方向的与近端相对的端部。
术语“逻辑”可以表示配置为执行一个或多个功能的硬件、固件或软件。作为硬件，术语逻辑可以指或包括具有数据处理和/或存储功能的电路。这种电路的实例可以包括但不限于硬件处理器(例如，微处理器、一个或多个处理器核、数字信号处理器、可编程门阵列、微控制器、专用集成电路“ASIC”等)、半导体存储器或组合元件。
另外或在替代方案中，术语逻辑可以指代或包括软件，例如一个或多个进程、一个或多个实例、应用程序编程接口(API)、子例程、函数、小应用程序、小服务程序、例行程序、源代码、目标代码、共享库/动态链接库(dll)或甚至一个或多个指令。软件可以被存储在任何类型的合适的非瞬态存储介质中或瞬态存储介质(例如，电、光、声或其它形式的传播信号，例如载波、红外信号或数字信号)中。非瞬态存储介质的实例可以包括但不限于或局限于可编程电路；非持久性存储器，例如易失性存储器(例如，任何类型的随机存取存储器“RAM”)；或永久存储器，例如非易失性存储器(例如，只读存储器“ROM”、电源供电RAM、闪存、相变存储器等)、固态驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器或便携式存储器设备。作为固件，逻辑可以被存储在永久存储中。
本文公开的任何方法包括用于执行所述方法的一个或多个步骤或动作。方法步骤和/或动作可以彼此互换。换言之，除非实施方案的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。
图1示出了包括医疗器械的医疗器械放置***的实施方案。医疗器械放置***(***)100通常配置用于在将医疗器械***患者体内的过程中绘制(map)/跟踪医疗器械的轨迹或路径。如图所示，***100通常包括：***模块105，该***模块具有控制台110，该控制台与一个或多个医疗器械119联接；以及超声成像探头160，该超声成像探头160包括集成在其中的光纤161(例如，单芯光纤或类似于本文讨论的多芯光纤135的光纤)。根据一个实施方案，医疗器械119包括限定远端122并在近端124具有控制台连接器133的细长探头120。细长探头120包括沿着细长探头120的长度延伸的光纤135，如下面进一步描述的。控制台连接器133使得细长探头120能够经由互连件145可操作地连接到控制台110，该互连件包括由单个光连接器146端接(或由双连接器端接)的一个或多个光纤147(下文中称为“光纤”)。在本文中，连接器146配置为与控制台连接器133接合(配合)，以允许光在控制台110和细长探头120之间传播。
包括细长探头120的医疗器械119可以配置为执行多种医疗程序中的任何一种。这样，细长探头120可以是各种医疗装置119的部件或者与各种医疗装置119一起使用。在一些实施方式中，医疗器械119可以采取例如导丝、导管、管心针或针的形式。
根据一个实施方案，控制台110包括一个或多个处理器171、存储器190、显示器170和光学逻辑180，尽管可以理解控制台110可以采取各种形式中的一个，并且可以包括不涉及公开文本的方面的附加部件(例如，电源、端口、接口等)。控制台110的说明性实施例在美国专利号10,992,078中示出，其全部内容通过引用并入本文。包括可访问存储器190(例如，非易失性存储器或非暂时性计算机可读介质)的一个或多个处理器171，以在操作期间控制控制台110的功能。如图所示，显示器170可以是集成到控制台110中并用作用户界面以向临床医生显示信息的液晶二极管(LCD)显示器，特别是在器械放置程序期间。在另一个实施方案中，显示器170可以与控制台110分离。尽管未示出，但用户界面配置为提供对控制台110的用户控制。
根据示出的实施方案，显示器170描绘的内容可以构成细长探头120的物理状态(例如，长度、形状、形式和/或取向)的二维或三维表示，这是由返回控制台110的反射光信号150的特性计算的。反射光信号150构成反射回控制台110的宽带入射光155的特定光谱宽度的光。根据公开文本的一个实施方案，反射光信号150可以涉及从光学逻辑180输送并且源自光学逻辑180的宽带入射光155的各种分立部分(例如，特定光谱宽度)，如下面描述的。
仍然参考图1，光学逻辑180配置为支持细长探头120的可操作性并且使得能够将信息返回控制台110，控制台可以被用于确定与细长探头120相关联的物理状态。细长探头120的物理状态可以基于在控制台110处从细长探头120接收的反射光信号150的特性变化。特性可以包括由集成在位于细长探头120内或作为细长探头120操作的光纤芯135内的芯纤维的某些区域上的应变引起的波长偏移，如下所示。如本文所讨论的，光纤芯135可以包括芯纤维1371至137M(对于单个芯，M＝1，对于多个芯，M≥2)，其中芯纤维1371至137M可以被统称为(一个或多个)芯纤维137。除非另有说明或本实施方案需要可替换的解释，本文讨论的实施方案将指的是多芯光纤135。根据与反射光信号150相关联的信息，控制台110可以确定(通过波长偏移的计算或外推)细长探头120的物理状态。
根据公开文本的一个实施方案，如图1所示，光学逻辑180可以包括光源182和光学接收器184。光源182配置为发射入射光155(例如，宽带)，用于在包括在互连件145中的(一个或多个)光纤147上进行传播，光纤147光学连接至细长探头120内的多芯光纤芯135。在一个实施方案中，光源182是可调谐扫频激光器，但是还可以采用除了激光器之外其他合适的光源，包括半相干光源、LED光源等。
光学接收器184配置为：(i)接收返回的光信号，即从基于光纤的反射光栅(传感器)接收的反射光信号150，该反射光栅被制造在部署在细长探头120内的多芯光纤135的每个芯纤维内；和(ii)将反射光信号150转换为反射数据(来自数据储存库192)，即表示反射光信号的电信号形式的数据，该反射光信号包括由应变引起的波长偏移。与不同光谱宽度相关联的反射光信号150可以包括从位于多芯光纤135的中心芯纤维(参考)中的传感器提供的反射光信号151和从位于多芯光纤135的***芯纤维中的传感器提供的反射光信号152，如下所述。在此，光学接收器184可以被实现为光电检测器，比如正-本征-负“PIN”光电二极管、雪崩光电二极管等。
如图所示，光源182和光学接收器184二者被可操作地连接至管理它们操作的一个或多个处理器171。此外，光学接收器184被可操作地联接以将反射数据(来自数据储存库192)提供至存储器190以用于存储和由反射数据分类逻辑191处理。反射数据分类逻辑191可以配置为：(i)识别哪些芯纤维与接收的反射数据(来自数据储存库192)中的哪些相关；和(ii)将存储在数据储存库192内的反射数据(由与细长探头120的类似区域或光谱宽度相关的反射光信号150提供)分割为分析组。每个分析组的反射数据对于形状感测逻辑194是可用的，以便进行分析。
根据公开文本的一个实施方案，形状感测逻辑194配置为将由部署在细长探头120的相同测量区域(或相同光谱宽度)处的每个***芯纤维中的传感器测量的波长偏移与沿着中心轴定位并且作为弯曲中性轴操作的多芯光纤135的中心芯纤维处的波长偏移进行比较。根据这些分析，形状感测逻辑194可以确定芯纤维在三维空间中采取的形状，并且可以进一步确定细长探头120在三维空间中的当前物理状态，以便在显示器170上呈现。
根据公开文本的一个实施方案，形状感测逻辑194可以基于启发式法或运行时间分析而生成细长探头120的当前物理状态的呈现。例如，形状感测逻辑194可以根据机器学习技术被配置，以访问数据存储库192，其具有与细长探头120的不同区域有关的预先存储的数据(例如，图像等)，在该细长探头的不同区域中，来自芯纤维的反射光先前已经经历了相似或相同的波长偏移。根据预先存储的数据，可以呈现细长探头120的当前物理状态。可替代地作为另一个实施例，形状感测逻辑194可以配置为在运行时间期间至少基于如下而确定多芯光纤135的每个区域的物理状态的变化：(i)由光纤135内的不同芯纤维经历的合成(resultant)波长偏移；和(ii)由沿着多芯光纤135的相同截面区域处的不同***芯纤维定位的传感器生成的这些波长偏移与由相同截面区域处的中心芯纤维的传感器生成的波长偏移之间的关系。可以预期，可以执行其他过程和程序以利用由沿着多芯光纤135内的每个芯纤维的传感器测量的波长偏移而呈现细长探头120的物理状态的适当变化，特别是当细长探头120被定位在患者体内和在体内的期望目的地处时，使得能够引导细长探头120。
***100还包括联接在控制台110和超声成像探头160之间的细长构件125。细长构件125在某些方面可以类似于包括如上所述的特征和功能的细长探头120，包括与控制台110的联接和交互，即细长构件125包括光纤，例如，多芯光纤135。因此，细长探头120的这些特征和功能的相关描述同样适用于细长构件125的特征和功能。关于细长探头120描述的特征的任何合适的组合及其变型可以用于细长构件125。
超声成像探头160经由线缆162可操作地连接至控制台110，线缆162包括沿线缆162延伸的电线。形状成像逻辑195可以接收和处理来自成像探头160的数据，用于在显示器170上呈现超声图像。细长构件125联接在成像探头160和控制台110之间。在一些实施方案中，线缆162可以是包括电线和光纤的多模态线缆。在一些实施方案中，细长构件125可以结合到线缆162中。
超声成像探头160可配置为检测患者内的血管并限定目标血管，如2020年9月14日提交的题为“Automatic Vessel Detection Tools and Methods”的美国公开号2021/0085282所教导的，其全部内容通过引用结合于此。
在图示的实施方案中，***100通常包括细长探头120和细长构件125。在一些实施方案中，可以从***100中省略细长构件120。
参考图2，根据一些实施方案示出了包括在图1的细长探头120内的多芯光纤的一部分的结构的示例性实施方案。多芯光纤135的多芯光纤部分200示出了一些芯纤维1371至137M(M≥2，如图3A所示，M＝4)，以及分别存在于芯纤维1371至137M内的传感器(例如，反射光栅)21011至210NM(N≥2；M≥2)之间的空间关系。如上所述，可以将芯纤维1371至137M统称为“芯纤维137”。
如图所示，部分200被划分为多个截面区域2201至220N，其中每个截面区域2201至220N对应于反射光栅21011至21014…210N1至210N4。截面区域2201…220N中的一些或全部可以是静态的(例如，规定的长度)或可以是动态的(例如，在区域2201…220N之中变化尺寸)。第一芯纤维1371基本上沿着中心(中性)轴230定位，而芯纤维1372可以在多芯光纤135的包层内取向，从截面的面向前方的角度来看，位于第一芯纤维1371的“顶部”上。在这种部署中，芯纤维1373和1374可以位于第一芯纤维1371的“左下部”和“右下部”。作为举例，图3A-图4B提供了这样的说明。
参考第一芯纤维1371作为说明书实施例，当细长探头120是操作性时，反射光栅2101至210N中的每个反射不同光谱宽度的光。如图所示，根据公开文本的一个实施方案，光栅2101i至210Ni(1≤i≤M)中的每个与不同的特定光谱宽度相关联，不同的特定光谱宽度将由不同的中心频率f1…fN表示，其中由相邻的光栅反射的相邻的光谱宽度是不重叠的。
在此，位于不同的芯纤维1372至1373中，但是沿着多芯光纤135的相同截面区域220至220N，光栅21012至210N2和21013至210N3配置为以相同(或基本上类似的)中心频率反射入射光。结果，反射光返回允许基于从返回的反射光测量的波长偏移而确定光纤137(和细长探头120和/或细长构件125)的物理状态的信息。具体地，施加至多芯光纤135(例如，至少芯纤维1372至1373)的应变(例如，压缩或拉伸)导致与返回的反射光相关联的波长偏移。基于不同的位置，芯纤维1371至1374经历不同类型和程度的应变(该应变基于随着细长探头120在患者中推进的角路径变化)。
例如，相对于图2的多芯光纤部分200，响应于细长探头120的角运动(例如，径向运动)处于左转向方向，在移动期间多芯光纤135中具有最短半径的多芯光纤135的第四芯纤维1374(参考图3A)(例如，最靠近角度变化方向的芯纤维)将显示表现出压缩(例如，缩短长度的力)。同时，在移动期间具有最长半径的第三芯纤维1373(例如，离角度变化方向最远的芯纤维)将呈现表现出拉伸(例如，增大长度的力)。由于这些力不同且不相等，来自与芯纤维1372和1373相关联的反射光栅210N2和210N3的反射光将呈现表现出不同的波长变化。通过相对于比于位于沿着多芯光纤135的中性轴230定位的参考芯纤维(例如，第一芯纤维1371)的波长，确定每个***光纤(例如，第二芯纤维1372和第三芯纤维1373)的由压缩/拉伸引起的波长变化的程度，反射光信号150的波长偏移的差异可以被用于外推细长探头120的物理配置。这些程度的波长变化的程度可以被用于外推细长探头120的物理状态。反射光信号150经由特定芯纤维1371至137M上方的单独路径被反射回控制台110。
参考图3A，根据一些实施方案示出了图1的细长探头的第一示例性实施方案，其支持光信令。在此，细长探头120的特征在于位于中心的多芯光纤135，其包括包层300和位于对应的多个内腔3201至320M内的多个芯纤维1371至137M(M≥2；M＝4)。虽然在四(4)根芯纤维1371至1374内图示了多芯光纤135，但是可以部署更多数量的芯纤维1371至137M(M＞4)以提供对多芯光纤135和部署光纤135的细长探头120的物理状态(例如，形状等)的更详细的三维感测。
对于公开文本的该实施方案，多芯光纤135被封装在位于低摩擦系数层335上的同心编织管件310内。编织管件310可以以“网状”构造为特征，其中交叉的传导元件之间的间隔基于细长探头120所需的刚性程度进行选择，因为较大的间隔可以提供较小的刚性，并且从而提供更柔韧的细长探头120。
根据公开文本的该实施方案，如图3A至图3B所示，芯纤维1371至1374包括(i)中心芯纤维1371和(ii)多个***芯纤维1372至1374，其保持在形成于包层300中的内腔3201至3204内。根据公开文本的一个实施方案，内腔3201至3204中的一个或多个的直径可以配置为尺寸大于芯纤维1371至1374的直径。通过避免芯纤维1371至1374的大部分表面积与内腔3201至3204的壁表面直接物理接触，由多芯光纤135中的角度偏差引起入射光的波长变化，从而减小被施加至内腔3201至320M的壁(而非芯纤维1371至137M本身)的压力和张力的影响。
如图3A至图3B进一步所示，芯纤维1371至1374可以包括位于沿着第一中性轴230形成的第一内腔3201内的中心芯纤维1371和位于内腔3202至3204(每个形成在包层300中从第一中性轴230辐射的的不同区域内)内的多个芯纤维1372至1374。总体上，芯纤维1372至1374(不包括中心芯纤维1371)可以位于包层300的截面区域305内的不同区域，以提供足够的间隔，从而能够基于传播通过芯纤维1372至1374并且反射回控制台以便进行分析的入射光的波长变化，对多芯光纤135进行三维感测。
例如，在包层300的特征在于如图3B所示的圆形截面区域305的情况下，芯纤维1372至1374可以沿着包层300的外周测量彼此基本等距地定位，比如在所示的“顶部”(12点钟)、“左下方”(8点钟)和“右下方”(4点钟)的位置。因此，概括地说，芯纤维1372至1374可以位于截面区域305的不同区段内。在包层300的截面区域305具有远侧尖端330并且以多边形截面形状(例如，三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、八边形等)为特征的情况下，中心芯纤维1371可以位于多边形形状的中心处或中心附近，而其余的芯纤维1372至137M可以位于多边形形状的相交边之间的角附近。
仍然参考图3A至图3B，编织管件310给多芯光纤135提供机械整体性。例如，编织管件310可以被暴露于细长探头120的远侧尖端。包层300和编织管件310(其同心地围绕包层300的圆周定位)被容纳在相同的外层350内。如图所示，外层350可以是由保护性材料制成的护套或护线管，其包封包层300和编织管310二者。
光纤135在三维空间中的形状可转化为细长探头120的3D形状。由于细长探头120沿着测量区域的尺寸(例如，直径和长度)可以是已知的，所以可以根据将应变与曲率半径相关联的已建立的工程数学公式来计算沿着测量区域的限定段的空间关系。换言之，可以计算沿着测量区域定位的第一点相对于沿着测量区域定位的第二点在3D空间中的位置。类似地，可以相对于限定细长探头120在第二点处的方向的第二单位矢量的方向，计算限定细长构件120在第一点处的方向的第一单位矢量的3D方向。总之，相对于细长构件120在任何其他点的位置和取向，可以计算细长构件120在任何点的位置和取向。
参考图4A，根据一些实施方案示出了导管形式的细长探头的第一说明实施方案的正视图，该导管包括集成管件、沿着直径布置的隔膜隔件和形成在管件与隔膜隔件内的微内腔。在此，导管400包括集成管件、沿着直径布置的隔膜隔件410和多个微内腔4301至4304，对于该实施方案，该微内腔被制造以位于导管400的集成管件的壁420内和隔膜隔件410内。特别地，隔膜隔件410将由导管400的壁420的内表面405形成的单个内腔分为多个内腔，即如图所示的两个内腔440和445。在此，第一内腔440形成在形成导管400的壁420的内表面405的第一弧形部分435与在导管400内纵向长度方向延伸的隔膜隔件410的第一外表面455之间。第二内腔445形成在形成导管400的壁420的内表面405的第二弧形部分465与隔膜隔件410的第二外表面460之间。
根据本发明的一个实施方案，两个内腔440和445具有大约相同的体积。然而，隔件410不需要将管件分为两个相等的内腔。例如，代替从管件的面向前的截面视角竖直延伸(12点钟至6点钟)的隔件410，隔件410可以水平(3点钟至9点钟)、对角线(1点钟至7点钟；10点钟至4点钟)或成角度(2点钟至10点钟)延伸。在后一种配置中，导管400的内腔440和445中的每个将具有不同的体积。
相对于多个微内腔4301至4304，第一微内腔4301制造在集成管件的截面中心425处或附近的隔件410。对于该实施方案，三个微内腔4302至4304被制造以位于导管400的壁420内。特别地，第二微内腔4302被制造在导管400的壁420内，即在壁420的第一弧形部分435的内表面405与外表面407之间。类似地，第三微内腔4303也制造在导管400的壁420内，即在壁420的第二弧形部分455的内表面405与外表面407之间。第四微内腔4304也制造在与隔件410对准的壁420的内表面405与外表面407内。
根据公开文本的一个实施方案，如图4A所示，微内腔4302至4304是根据从面向前的截面视角的“左上部”(10点钟)、“右上部”(2点钟)和“底部”(6点钟)布局被定位的。当然，微内腔4302至4304可以被不同地定位，只要微内腔4302至4304沿着导管400的外周420在空间上分开，以确保在安装时更稳健地收集来自外芯纤维4702至4704的反射光信号。例如，两个或更多微内腔(例如，微内腔4302和4304)可以沿着导管壁420的外周420被定位在不同的象限处。
参考图4B，根据一些实施方案示出了图4A的导管的第一说明性实施方案的透视图，该导管包括安装在微内腔内的芯纤维。根据公开文本的一个实施方案，第二多个微内腔4302至4304的大小被确定成保持对应的外芯纤维4702至4704，其中第二多个微内腔4302至4304中的每个的直径可以被确定成刚好大于外芯纤维4702至4704的直径。例如，单个芯纤维的直径与微内腔4301至4304中的任何一个的直径之间的尺寸差异可以在0.001微米(μm)与1000μm之间的范围。结果，外芯纤维4702至4704的截面积将小于相应的微内腔4302至4304的截面积。“较大的”微内腔(例如，微内腔4302)可以更好地将施加至外芯纤维4702的外部应变(strain，应力)与直接施加至导管400自身的应变分开。类似地，第一微内腔4301的尺寸可以被确定为保持中心芯纤维4701，其中第一微内腔4301的直径的尺寸可以被确定为刚好大于中心芯纤维4701的直径。
作为公开文本的替代性实施方案，微内腔4301至4304中的一个或多个的直径尺寸被确定成超过对应的一个或多个芯纤维4701至4704的直径。然而，微内腔4301至4304中的至少一个的尺寸被确定成固定地保持其对应的芯纤维(例如，芯纤维保持为在其侧表面与其对应的微内腔的内壁表面之间没有间隔)。作为公开文本的又另一个替代性实施方案，所有微内腔4301至4304的尺寸被确定成具有的直径固定地保持芯纤维4701至4704。
在通过患者脉管***推进的过程中，导管400的导管管件经由互连件145内的光纤147接收来自控制台110的宽带入射光155，其中，入射光155沿着导管400的导管管件内的多芯光纤135的芯纤维137传播。根据公开文本的一个实施方案，端接光纤147的互连件145的连接器146可以联接到基于光学的导管连接器144，该连接器可以配置为端接部署在导管400内的芯纤维137。这种联接光学连接导管500的芯纤维137与互连件145内的光纤147。需要光学连接，来将入射光155传播到芯纤维137，并通过互连件145将反射光信号150返回到控制台110内的光学逻辑180。正如下面详细描述的，可以基于反射光信号150的波长偏移的分析来确定导管500的物理状态。
参考图5A至图5B，根据一些实施方案示出了由图1的医疗器械监测***进行以实现光学3D形状感测的操作方法的流程图。在此，导管包括跨越管件壁的直径并且纵向地延续以划分管件壁的至少一个隔件。隔件的中间部分被制造有第一微内腔，其中第一微内腔与导管管件的中心轴线同轴。第一微内腔配置为保持中心芯纤维。除了第一微内腔之外的两个或更多微内腔被定位在沿着导管管件的壁周向间隔开的不同位置处。例如，第二多个微内腔中的两个或更多可以被定位在沿着导管壁的外周的不同象限处。
此外，每个芯纤维包括在至少导管管件的近端与远端之间沿着其长度在至少导管管件的近端与远端之间空间地分布的多个传感器。该传感器阵列被分布以在芯纤维的不同区域处使定位传感器定位，以使得能够遍及导管管件的整个长度或选定部分对应变进行分布式测量。这些分布式测量可以通过不同光谱宽度(例如，特定波长或特定波长范围)的反射光被传送传达，该反射光基于应变的类型和程度经历某些一定波长偏移。
根据公开文本的一个实施方案，如图5A所示，对于每个芯纤维，提供宽带入射光以传播通过特定的芯纤维(方框500)。除非被释放，否则在入射光到达测量特定芯纤维上的应变的分布式传感器阵列的传感器时，与第一传感器相关联的规定光谱宽度的光将被反射回控制台内的光学接收器(方框505至510)。在此，传感器改变反射光信号的特性以识别由第一传感器测量的特定芯纤维上的应变的类型和程度(方框515至520)。根据公开文本的一个实施方案，反射光信号的特性的改变可以表示反射光信号的波长相对于与规定光谱宽度相关联的入射光信号的波长的改变(偏移)。传感器通过芯纤维返回反射光信号，并且入射光的剩余光谱继续通过芯纤维朝向导管管件的远端传播(方框525至530)。入射光的剩余光谱可能遇到分布式传感器阵列的其它传感器，其中这些传感器中的每个将如框505-530中所陈述操作，直到分布式传感器阵列的最后一个传感器返回与其所指定的光谱宽度相关联的反射光信号并且剩余光谱作为照明而被释放为止。
现在参考图5B，在操作期间，多个反射光信号从位于在导管(如图4A至图4B的导管)内形成的相应的多个微内腔内的多个芯纤维中的每个返回控制台。具体地，光学接收器从位于中心芯纤维和外芯纤维上的分布式传感器阵列接收反射光信号，并且将反射光信号转换为反射数据，即表示反射光信号的电信号，反射光信号包括由应变引起的波长偏移(方框550至555)。反射数据分类逻辑配置为识别哪些芯纤维与哪些反射数据相关，并且将从与特定测量区域(或类似的光谱宽度)相关的反射光信号提供的反射数据划分为分析组(方框560至565)。
每个分析组的反射数据被提供给形状感测逻辑进行分析(方框570)。在此，形状感测逻辑将每个外芯纤维处的波长偏移与沿着中心轴定位并且作为弯曲的中性轴操作的中心芯纤维处的波长偏移进行比较(方框575)。根据这些分析，对于所有分析组(例如，来自所有或大部分芯纤维中的传感器的反射光信号)，形状感测逻辑可以确定芯纤维在三维空间中采取的形状，由此形状感测逻辑可以确定导管在三维空间中的当前物理状态(方框580至585)。
图6A示出了根据一些实施方案的***100的第一实施方式，描述了针***患者静脉的情况。图6A中示出了经由线缆162连接到超声成像探头160的***模块105。细长构件125联接在***模块105和超声成像探头160之间。细长构件125也可以沿着线缆162的长度与线缆162联接。细长探头120也与***模块105联接。
细长构件125在近端点626A处与***模块105物理附接(例如，光学连接)，使得细长构件125在由单位向量626B指示的方向上远离***模块105延伸，并且光学数据(例如，入射光信号和反射光信号)在这两个部件之间传输。细长构件125在远端点627A处与超声成像探头160附接(例如，光学连接)，使得细长构件125在由单位矢量627B指示的方向上远离超声成像探头160延伸。形状感测逻辑194确定细长构件125的3D形状628，并且同样地，细长构件125的近端点和远端点626A、627A也表示3D形状628的近端点和远端点。类似地，单位向量626B、627B表示在3D形状628的近端点和远端点的3D形状628的方向。
在一些实施方案中，细长探头120在近端点621A处物理附接(例如，光学连接)到***模块105，使得细长探头120在由单位矢量621B指示的方向上远离***模块105延伸。细长探头120向患者延伸。尽管不是必需的，但是在一些实施方案中，针610可以具有集成在其中的光纤611。在这样的实施方案中，针610(特别是光纤611)光学连接到细长探头120，使得光纤611和细长探头120在其间交换光学数据。针610***患者的手臂601，使得细长探头120的远端点622A邻近患者手臂601内的静脉602定位。针610的方向(以及相关的细长探头120的远端的方向)由单位矢量622B表示。形状感测逻辑194确定细长探头120的3D形状623，这样，细长探头120的近端点和远端点621A、622A也表示3D形状623的近端和点远端点。类似地，单位向量621B、622B表示在3D形状623的近端点和远端点的3D形状623的方向。
由于细长构件125和细长探头120均物理附接至***模块105，因此近端点626A、621A和单位向量626B和621B的位置是相对于彼此限定的。因此，细长构件125的3D形状628的近端在位置和取向上相对于细长探头120的3D形状623的近端在空间上固定。
3D形状623和628的近端相对于彼此在空间上固定，形状感测逻辑194可以有效地将3D形状623、628联接在一起。这样，形状成像逻辑195可以相对于来自3D形状623、628的远端点627A的位置，确定(例如，根据细长构件125和细长探头120的已知尺寸，以及根据来自细长构件125、光纤161、细长探头120和光纤611的反射光信号，在可用的情况下)远端点622A的位置。类似地，形状成像逻辑195可以相对于来自3D形状623、628的单位向量627B的方向，确定单位向量622B的方向。由于超声成像探头160的结构尺寸可以是已知的，例如，光纤161和超声成像探头160的超声换能器(未示出)之间的距离是已知的，所以形状成像逻辑195可以相对于静脉602进一步确定针610的尖端(即，远端点622A)的位置。
光纤161包括位于超声成像探头160内的已知形状629(例如，一个或多个已知曲率)，使得光纤161用作静态参考形状。基于经由细长构件125从光纤161接收的反射光，形状成像逻辑195可以经由已知的几何技术(例如，沿着光纤161的多个(三个或更多个)点)根据光纤161的已知形状629来限定参考平面630。在一些实施方案中，参考平面630可以与超声成像探头160(例如，超声成像探头160的前侧或后侧)对准(例如，平行)。例如，参考平面630可以是三维平面，其由位于在参考平面630内具有已知方向的已知坐标点处的超声成像探头160建立。
在一些实施方案中，参考平面630可以与超声成像探头160的图像平面631(即，超声图像的观察参考平面)对准。例如，如图6A所示，超声成像探头160位于患者的手臂601上，以限定手臂601的剖视图，即图像平面631垂直于手臂601定向。参考平面630可以限定用于生成3D形状623的图像的参考框架。换言之，形状成像逻辑195可以根据(例如，垂直于)参考平面630来限定3D形状623的观察参考点。
图6B示出了根据一些实施方案的可在显示器上呈现的示例性画面截图。图像650包括患者手臂601的超声图像651。超声成像探头160的图像平面垂直于手臂601定向，以限定手臂601的一部分的横截面端视图，包括静脉602和动脉603的剖视图。图像650还包括细长探头120的3D形状623的一部分的图像，在静脉602的横截面超声图像内显示3D形状623的远侧点622A。
在一些实施方案中，超声成像探头160可以识别超声图像651内的一个或多个血管，例如，静脉602和动脉603。超声成像探头160可进一步区分静脉602和动脉603，并在超声图像651中提供静脉602的视觉目标指示652。在一些实施方案中，控制台105的显示逻辑可以以视觉上不同于动脉603的方式呈现静脉602(例如，以不同的颜色呈现，提供围绕静脉602或动脉603的轮廓，提供围绕静脉602和动脉603中的每一个的视觉上不同的轮廓等)。
图6C示出了根据一些实施方案的图1的医疗器械放置***的示例性使用情况。示出了面朝上躺在床606上的患者605。细长探头120具有***到患者605的手臂的静脉中的******的中心导管(PICC)的形式。细长探头120沿着患者605的脉管延伸到上腔静脉(未示出)。细长探头120与***模块105联接，以能够对细长探头120进行形状感测。
超声成像探头160经由线缆162与***模块105联接，并且细长构件125沿着线缆162延伸。在图6C中，缆线162和细长构件125显示为单个部件。在一些实施方案中，细长构件125可以与覆盖件/护套内的线缆162的电线组合，以限定在***模块105和超声成像探头160之间延伸的单根线缆。
超声成像探头160面朝上放置在床上，使得超声成像探头160与床面平行。这样，参考平面630与患者605一起平行于床面。换言之，参考平面630与患者605平行。如上所述，参考平面630限定了细长探头120的3D形状623的图像的观察参考。
在***模块105的显示器170上呈现3D形状623的图像660。由于参考平面630与患者605平行，图像660示出了被定向为与患者605的前视图一致的3D形状623。在一些实施方案中，图像660可以包括患者的表示607，以提供3D形状623的参考平面630(观察参考)的取向的指示。在使用中，临床医生可以调整超声成像探头160的取向，以从除了3D形状623的前视图之外的观察参考来观察3D形状623，例如，侧视图。
在一些实施方案中，形状成像逻辑可以增强3D形状623的图像的稳定性。由于3D形状623的位置和取向是由形状成像逻辑195以及参考平面630的位置和取向确定的(即，由***知道)，形状成像逻辑195可以有效地将3D形状623的图像链接到由参考平面630限定的超声图像651。通过将3D形状623的图像链接到超声图像651，形状成像逻辑195可以增强显示器170上的3D形状623的图像的稳定性。例如，在超声成像探头160移动的情况下，形状成像逻辑195可以相应地移动3D形状623的图像，使得3D形状623的图像的位置被有效地固定在显示器170上。
参考图7，根据一些实施方案，显示了图1的医疗器械监测***在确定细长构件和细长探头的3D形状以及结合超声图像呈现细长探头的3D形状的图像时所进行的操作方法的流程图。图7中示出的每个方框表示方法700中包括的操作，该操作将细长探头的图像与从超声成像探头获取的超声图像对准地呈现。应该理解，并不是图7所示的每个操作都是必需的。应该假设在方法700开始之前，细长构件和细长探头包括或在其中布置一组的一个或多个光纤，每根光纤都包括多个传感器，例如，FBG传感器，这些传感器已经检测到相应光纤上的轴向应变，接收入射光，改变入射光的特性并将改变的光信号反射回控制台，并且形状感测逻辑已经确定了细长构件和细长探头中的每一个的3D形状。
当形状成像逻辑从形状感测逻辑获得细长构件和细长探头的3D形状时，方法700开始(方框710)。形状成像逻辑将细长构件的3D形状(第一3D形状)与细长构件的3D形状(第二3D形状)联接，以限定第一和第二3D形状之间的空间关系(方框720)。第一和第二3D形状联接在一起，形状成像逻辑可以相对于在细长构件的远端附接到细长构件的超声成像探头的定位和取向，确定细长探头的远端的位置和取向。
方法700还包括为超声成像探头限定参考平面(方框730)。由于细长构件与超声成像探头的附接包括细长构件中的弯曲，所以形状成像逻辑使用已知的几何技术，例如，沿着弯曲布置的三个点，根据弯曲限定参考平面。参考平面充当显示器上呈现的图像的观察参考点，包括第二3D形状的图像以及超声图像。在一些实施方案中，形状成像逻辑可以限定平行于超声成像探头的外壳和超声图像平面的参考平面，使得第二3D形状的取向与超声成像探头的取向链接。形状成像逻辑从超声成像探头接收超声图像(方框740)并准备第二3D形状以在显示器上呈现其图像。形状成像逻辑将第二3D形状的图像与超声图像链接(例如，相关)，使得在显示器上呈现的第二3D形状的取向与超声图像的取向联接(方框750)。例如，形状成像逻辑可以将第一3D形状、第二3D形状和每个形状的定位/取向与公共参考平面相关联；因此，形状成像逻辑可以将从细长探头接收的图像数据与从细长构件接收的图像数据相关联。在第二3D形状的图像与超声图像链接的情况下，形状成像逻辑可以结合超声图像呈现第二3D形状的图像(方框760)。在一些实施方案中，形状成像逻辑可以将第二3D形状的图像呈现在超声图像的顶部(即，前面)。
图8示出了医疗器械放置***800的第二实施方案，该***在某些方面类似于结合图1-图7描述的医疗器械放置***100的部件。将会理解，所示出的实施方案可能具有类似的特征。因此，类似的特征用类似的附图标记表示，前导数字为“8”。例如，细长探头在图1-图7中被指定为“120”，而类似的细长探头在图8中被指定为“820”。因此，在下文中不再重复上述关于类似标识特征的相关公开内容。此外，医疗器械放置***100的特定特征和图1-图7中所示的相关部件可能没有在附图中用附图标记示出或标识，或者在下面的书面描述中没有具体讨论。然而，这些特征显然可以与其它实施方案中描述的和/或关于此实施方案描述的特征相同或基本相同。因此，这些特征的相关描述同样适用于图8的医疗器械放置***的特征。关于医疗器械放置***100以及图1-图7所示的部件描述的特征的任何合适的组合及其变化可用于医疗器械放置***和图8的部件，反之亦然。
医疗器械放置***800包括经由线缆862连接至超声成像探头860的***模块805。线缆862包括结合在其中的细长构件825，除了在***模块805和超声成像探头860之间提供电联接之外，还提供光联接。在一些实施方案中，细长构件825可以与线缆862分离并沿着线缆862延伸。***模块805包括控制台810，并且控制台810包括形状感测逻辑894和形状成像逻辑895。细长探头820也与在连接器829处的超声成像探头860联接，使得细长探头820在光学上与细长构件825联接。连接器829也可以配置为与多于一个的细长探头820联接，使得超声成像探头860与多种医疗器械能够联接，使得***800可以便于放置多种医疗器械。
细长构件825在近端点826A处与***模块805物理附接(例如，光学连接)，使得细长构件825在由单位向量826B指示的方向上远离***模块805延伸。细长构件825还在远端点827A处物理附接到超声成像探头860，使得细长构件825在由单位矢量827B指示的方向上远离超声成像探头860延伸。形状感测逻辑894确定细长构件825的3D形状828，因此细长构件825的近端点和远端点826A、827A也表示3D形状828的近端点和远端点。类似地，单位向量826B、827B表示在3D形状828的近端点和远端点的3D形状828的方向。
以类似方式，细长探头820在近端点821A处与超声成像探头860物理附接，使得细长探头820在由单位矢量821B指示的方向上远离超声成像探头860延伸。细长探头820限定了远端点822A，细长探头820在远端点822A的方向由单位向量822B指示。形状感测逻辑894确定细长探头820的3D形状823，这样，细长探头820的近端点和远端点821A、822A也表示3D形状823的近端点和远端点。类似地，单位向量821B、822B表示在3D形状823的近端点和远端点的3D形状823的方向。在一些实施方案中，细长探头820可包括在远端点822A的针810。尽管不是必需的，但是针810可以包括集成光纤811，该光纤与细长探头820光学地联接，使得光纤811和细长探头820在其间交换光学数据。
在近端点821A的细长探头820与近端点827A的细长构件825光学地联接并且物理附接。细长探头820还物理附接到细长构件825，使得相对于单位向量827B限定单位向量821B。
3D形状823的近端相对于3D形状828的远端在空间上固定，形状成像逻辑895可以相对于远端点827A的位置确定(例如，根据细长构件825和细长探头820的已知尺寸来确定)远端点822A的位置。类似地，形状感测逻辑894可以相对于单位向量827B的方向确定单位向量822B的方向。
细长构件825包括集成在超声成像探头860中的光纤861。光纤861与细长构件825光学联接，使得光纤861和细长构件825在其间交换光学数据。光纤861包括邻近远端点827A的已知形状829。形状成像逻辑895可以经由已知的几何技术(例如，沿着光纤861的多个(三个或更多)点)根据已知的形状829来限定参考平面830。在一些实施方案中，平面830可以与超声成像探头860(例如，超声成像探头860的前侧或后侧)和/或超声成像探头860的图像平面831对准(例如，平行)。
图9示出了医疗器械放置***900的第三实施方案，该***在某些方面类似于结合图1-图7描述的医疗器械放置***100或结合图8描述的***800的部件，其中，类似的特征用类似的附图标记表示，前导数字为“9”。因此，在下文中不再重复上述关于类似标识特征的相关公开内容。此外，医疗器械放置***100、800的特定特征和图1-图8中所示的相关部件可能没有在附图中用附图标记示出或标识，或者在下面的书面描述中没有具体讨论。在一个实施方案中，***900可以包含题为“Insertion Guidance system for Needles andMedical components”的美国专利号的9,554,716的教导，该专利通过引用整体结合于此。
医疗器械放置***900包括经由线缆962连接至超声成像探头960的***模块905。***模块905包括控制台910，并且控制台910包括形状感测逻辑994和形状成像逻辑995以及处理器971。
细长构件925在***模块905和超声成像探头960之间延伸。形状感测逻辑994确定细长构件925的3D形状928。以类似的方式，细长探头920在***模块905(或超声成像探头960)和针910之间延伸。形状感测逻辑994确定细长探头920的3D形状923。尽管不是必需的，但是针810可以包括集成的光纤911，该光纤与细长探头920光学地联接，使得光纤911和细长探头920在其间交换光学数据。在一些实施方案中，可以从***900中省略细长探头920和/或集成的光纤911。
如图9所示，超声成像探头960包括嵌入超声成像探头960的外壳内的多个磁性传感器975。传感器975配置为检测与针910相关联的磁场，并使***900能够跟踪针910。尽管在此处配置为磁传感器，但是应当理解，传感器975可以是其他类型和配置的传感器，如将要描述的。此外，尽管在图9中被示为用超声成像探头960包括，但是传感器975可以包括在与超声成像探头960分离的部件内，例如，分离的手持装置。
在本实施方案中，每个传感器975包括三个正交的传感器线圈，用于能够在三个空间维度中检测磁场。可以例如从莫丽斯顿的霍尼韦尔感测控制公司购买这种三维(“3D”)磁传感器。此外，本实施方案的传感器975配置作为霍尔效应传感器，但也可以使用其他类型的磁传感器。此外，代替3D传感器，可以包括多个一维磁传感器，并根据需要排列，以实现1D、2D或3D检测能力。
在本实施方案中，五个传感器975包括在超声成像探头960中，以便不仅能够在三个空间维度(即，X、Y、Z坐标空间)中检测针910，而且能够检测针本身的俯仰和偏航方向。注意，在一个实施方案中，两个或更多个传感器975的正交感测部件使得能够确定磁性元件976以及针910的俯仰和偏航姿态。在其他实施方案中，在传感器阵列中可以使用更少或更多的传感器。更一般地，应当理解，传感器阵列的传感器的数量、尺寸、类型和排列可以与此处明确示出的不同。
如图9所示，磁性元件976包括针910的衬套910A。本实施方案中的磁性元件976是永久磁铁，例如包括铁磁性物质。在一些实施方案中，磁性元件976可以是环形的，以便限定与针910的内腔对准的孔。如此配置，磁性元件976产生可被超声成像探头960的传感器975检测到的磁场，从而使得针910的位置、取向和运动能够被***900跟踪，如下面进一步描述的。在其他实施方案中，应当理解，许多其他类型、数量和尺寸的磁性元件可以用于针910或其他医疗部件，以使本引导***能够对其跟踪。
如上所述，本实施方案中的***900配置为检测上述针910的位置、取向和运动。特别地，超声成像探头960的传感器975配置为检测针910所包括的磁性元件976的磁场。传感器975被空间布置成在三维空间中检测磁性元件976。因此，在***900的操作期间，由每个传感器975感测的针的磁性元件976的磁场强度数据被转发到处理器971，例如，控制台910的处理器971，该处理器实时计算磁性元件976的位置和/或取向。在一个实施方案中，可以使用以下美国专利号5,775,322、5,879,297、6,129,668、6,216,028以及6,263,230中的一个或多个的教导来跟踪磁性元件。上述美国专利的内容通过引用整体结合于此。
传感器975配置为在***900操作期间连续检测针910的磁性元件976的磁场。这使得***900能够连续更新在显示器970上描绘的针图像960A的位置和取向。因此，针910的推进或其他运动由显示器970上的针图像960实时描绘。注意，当超声成像探头960和针910在放置过程或其他活动期间发生移动时，***900能够连续更新显示器970上的超声图像960和针图像960A。
虽然本文已经公开了一些特定的实施方案，并且已经详细公开了特定的实施方案，但是特定的实施方案并不意图限制本文提供的概念的范围。对于本领域普通技术人员来说，可以出现额外的适应和/或修改，并且在更广泛的方面，这些适应和/或修改也包括在内。因此，在不脱离本文提供的概念的范围的情况下，可以偏离本文公开的特定实施方案。

Claims (20)

1.一种医疗***，包括：
超声成像探头，在所述超声成像探头中集成有第一光纤，其中所述第一光纤包括第一组的一个或多个芯纤维，所述第一组的一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的第一多个传感器，并且所述第一多个传感器中的每个传感器被配置为：(i)基于接收到的入射光，反射不同光谱宽度的光信号；和(ii)基于所述光纤经历的应变，改变所述反射光信号的特性；和
控制台，其经由第一细长构件与所述超声成像探头光学联接，所述第一细长构件包括具有第二多个传感器的第二光纤，所述控制台包括一个或多个处理器和其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由所述一个或多个处理器执行时，所述逻辑引起包括如下的操作：
经由所述第一细长构件向所述第一光纤提供入射光信号；
从所述第一多个传感器中的一个或多个或所述第二多个传感器中的一个或多个接收所述入射光的不同光谱宽度的反射光信号；
处理与所述第一多个传感器或所述第二多个传感器相关联的反射光信号，以确定沿着包括所述第一光纤的至少一部分和所述第二光纤的至少一部分的长度延伸的第一三维形状；
至少基于从所述第二多个传感器中的一个或多个接收的反射光信号，确定所述超声成像探头的定位；和
根据所述超声成像探头的定位，引起在所述医疗***的显示器上呈现图像。
2.根据权利要求1所述的医疗***，其中所述操作还包括：
至少基于从所述第一多个传感器中的一个或多个接收的反射光信号，确定参考平面；
限定所述参考平面相对于所述成像探头的取向；和
根据所述参考平面的取向，引起在所述显示器上呈现所述图像。
3.根据权利要求1或2所述的医疗***，还包括第二细长构件，所述第二细长构件包括第三光纤并且从所述控制台延伸至医疗装置，其中所述第二细长构件与所述控制台光学联接，其中所述第三光纤包括第三组的一个或多个芯纤维，所述第三组的一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的第三多个传感器，并且所述第三多个传感器中的每个传感器被配置为：(i)基于接收到的入射光，反射不同光谱宽度的光信号；和(ii)基于所述光纤经历的应变，改变反射光信号的特性。
4.根据权利要求3所述的医疗***，其中所述操作还包括：
向所述第三光纤提供第二入射光信号；
从所述第三多个传感器中的一个或多个接收所述第二入射光的不同光谱宽度的反射光信号；
处理与所述第三组的一个或多个芯纤维相关联的反射光信号，以确定在所述第三光纤的近端与远端之间延伸的第二三维形状；
确定所述第二三维形状在所述参考平面中的定位和取向，从而相对于所述超声成像探头的取向确定所述第二细长构件的取向；和
根据所述第二三维形状的定位和取向，引起在所述医疗***的显示器上的所述图像内呈现所述第二三维形状的图像。
5.根据权利要求4所述的医疗***，其中所述操作还包括：
从所述超声成像探头接收超声图像，并且
基于所述超声图像，引起在所述医疗***的显示器上呈现所述第二三维形状的图像以包括患者身体的一部分。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的医疗***，其中所述医疗装置是包括集成在其中的第四光纤的血管内装置，所述第四光纤具有第四多个传感器，其中所述第四光纤被配置为接收所述第三入射光信号并且向所述控制台提供第四反射光信号，并且其中所述操作还包括：至少部分基于所述第四反射光信号，确定所述第二三维形状在所述参考平面中的定位和取向。
7.根据权利要求6所述的医疗***，其中所述血管内装置包括导管、管心针、针或导丝中的一种或多种。
8.根据权利要求2所述的医疗***，其中所述第一光纤包括已知的形状，其被所述逻辑用于确定所述参考平面。
9.根据权利要求2所述的医疗***，其中在使用中操纵所述超声成像探头的取向，以调整观察参考的取向。
10.根据权利要求1所述的医疗***，其中所述操作还包括：引起在所述图像内呈现目标血管的视觉指示。
11.一种用于检测医疗装置在患者体内的放置的方法，所述方法包括：
提供超声成像探头，在所述超声成像探头中集成有第一光纤，其中所述第一光纤包括第一组的一个或多个芯纤维，所述第一组的一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的第一多个传感器，并且所述第一多个传感器中的每个传感器被配置为：(i)基于接收到的入射光，反射不同光谱宽度的光信号；和(ii)基于所述光纤经历的应变，改变所述反射光信号的特性；和
提供控制台，其经由第一细长构件与所述超声成像探头光学联接，所述第一细长构件包括具有第二多个传感器的第二光纤，所述控制台包括一个或多个处理器和其上存储有逻辑的非暂时性计算机可读介质，当由所述一个或多个处理器执行时，所述逻辑引起包括如下的操作：
经由所述第一细长构件向所述第一光纤提供入射光信号；
从所述第一多个传感器中的一个或多个或所述第二多个传感器中的一个或多个接收所述入射光的不同光谱宽度的反射光信号；
处理与所述第一多个传感器或所述第二多个传感器相关联的反射光信号，以确定沿着包括所述第一光纤的至少一部分和所述第二光纤的至少一部分的长度延伸的第一三维形状；
至少基于从所述第二多个传感器中的一个或多个接收的反射光信号，确定所述超声成像探头的定位；和
根据所述超声成像探头的定位，引起在所述医疗***的显示器上呈现图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述操作还包括：
至少基于从所述第一多个传感器中的一个或多个接收的反射光信号，确定参考平面；
限定所述参考平面相对于所述成像探头的取向；和
根据所述参考平面的取向，引起在所述显示器上呈现所述图像。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括提供第二细长构件，所述第二细长构件包括第三光纤并且从所述控制台延伸至医疗装置，其中所述第二细长构件与所述控制台光学联接，其中所述第三光纤包括第三组的一个或多个芯纤维，所述第三组的一个或多个芯纤维中的每个包括沿着相应芯纤维的纵向长度分布的第三多个传感器，并且所述第三多个传感器中的每个传感器被配置为：(i)基于接收到的入射光，反射不同光谱宽度的光信号；和(ii)基于所述光纤经历的应变，改变所述反射光信号的特性。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述操作还包括：
向所述第三光纤提供第二入射光信号；
从所述第三多个传感器中的一个或多个接收所述第二入射光的不同光谱宽度的反射光信号；
处理与所述第三组的一个或多个芯纤维相关联的反射光信号，以确定在所述第三光纤的近端与远端之间延伸的第二三维形状；
确定所述第二三维形状在所述参考平面的中定位和取向，从而相对于所述超声成像探头的取向确定所述第二细长构件的取向；和
根据所述第二三维形状的定位和取向，引起在所述医疗***的显示器上的所述图像内呈现所述第二三维形状的图像。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述操作还包括：
从所述超声成像探头接收超声图像，并且
基于所述超声图像，引起在所述医疗***的显示器上呈现所述第二三维形状的所述图像以包括患者身体的一部分。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述医疗装置是包括集成在其中的第四光纤的血管内装置，所述第四光纤具有第四多个传感器，其中所述第四光纤被配置为接收所述第三入射光信号并且向所述控制台提供第四反射光信号，并且其中所述操作还包括：至少部分基于所述第四反射光信号，确定所述第二三维形状在所述参考平面中的定位和取向。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述血管内装置包括导管、管心针、针或导丝中的一种或多种。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一光纤包括已知的形状，其被所述逻辑用于确定所述参考平面。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括：引起在所述图像内呈现目标血管的视觉指示。
20.根据权利要求11所述的方法，其中在使用中操纵所述超声成像探头的取向，以调整观察参考的取向。
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