CN107666850A - 医疗器械后端中的光纤管理 - Google Patents

Abstract

一种柔性工具，其包括光纤，光纤包括近侧区域、远侧区域、在近侧区域和远侧区域之间的中间部分以及在近侧区域和中间部分之间的弯曲区域，其中中间部分被约束为具有基本上沿由光纤在中间部分处所限定的轴线平移的单个自由度。光纤可以用于提供柔性工具的形状感测。

Description

医疗器械后端中的光纤管理

技术领域

本申请要求美国临时专利申请No.62/155,655的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

已知用于检测光纤的形状的各种技术及其应用。

美国专利No.7,781,724(其全部内容通过引用并入本文)公开了能够确定物体的位置和形状的光纤传感器。该专利公开了一种采用光纤装置的光纤位置和形状感测设备，以及用于使用光纤位置和形状感测设备确定物体的位置和形状的方法，该光纤装置包括至少两个光纤芯并具有设置在其中的与频域反射计耦合的光纤布拉格光栅阵列。

美国专利No.7,720,322(其全部内容通过引用并入本文)公开了一种具有光纤的形状感测系统，以确定运动链中的一个连杆相对于另一连杆的位置和取向。当运动链中的接头移动时，询问器感测光纤中的应变。所感测的应变用于输出笛卡尔位置和取向。

美国专利No.8,460,236(其全部内容通过引用并入本文)公开了用于感测或测量可成形细长医疗器械的一个或更多个部件的形状或位置和形状的方法、系统和装置。

美国专利No.8,672,837(其全部内容通过引用并入本文)也公开了用于感测或测量可成形细长医疗器械的一个或更多个部件的形状或位置和形状的方法、系统和装置。

发明内容

使用光纤的形状感测在需要知道工具的形状和/或位置的应用中可以是有用的。例如，医疗器械经常插入人体或动物体内，并被导引通过血管或消化道。工具的形状或位置可以为使用该工具的程序提供有用的信息。虽然本文频繁地讨论导管，但是应该理解，前面的描述可应用于弯曲和/或改变形状的任何类型的工具。实际上，本公开可以应用于关注的形状或端点位置的任何结构。例如，铰接的机械臂可以弯曲和/或改变形状。本公开可以应用于其他柔性结构，诸如变形天线、变形翼(morphing wings)、用于远程操作车辆和声纳阵列的系绳。实际上，根据本技术，可以将关注形状或端点位置的任何结构视为工具。

通过在工具内使用光纤的形状感测的实际实现方式，工具的中心部分可以用于工具的功能方面。例如，图1示出被描述为导管的工具10的横截面图或端视图。导管10的中心部分是管腔12，管腔12允许另一工具或物质通过导管10。导管10可包括围绕管腔12排列的一根或多根线14，以操纵导管10的形状。管腔12和线14的位置可以指示用于感测导管10的形状的光纤100与导管10的中心或中性轴线16偏移。

在一些应用中，光纤100的端部可以相对于导管10的端部固定。例如，如果需要检测导管端部的位置，则将光纤100的端部相对于导管10的端部固定可以是有利的。可以存在将光纤100的端部相对于导管10的端部固定的其他原因。例如，光纤100的端部可以是将光纤100附接到导管10的最方便的位置。

如果光纤100从中性轴线16偏移，则可出现某些考虑事项。例如，图2示出导管10的侧视图，其中光纤100被示为从导管10的中心偏移的虚线。当导管10是平直的时，对应于导管10的长度的光纤100的长度与导管10的长度轴向对齐。

图3示出向上弯曲或从中性轴线16朝向光纤100弯曲的导管10。在沿该方向弯曲的情况下，因为光纤100的长度不变，所以对应于导管10的端部的光纤100的位置102相对于导管10的端部被迫向外推动距离D。

图4示出沿与图3所示相反的取向弯曲的导管10。通过此类弯曲，光纤100的位置102被拉入导管10距离D。

如这些附图所示，当导管10改变形状时，光纤100沿其长度相对于导管10移动。因此，光纤的形状可不完全对应于导管10的形状(例如，因为弯曲半径可不同并且光纤100的一部分可以从导管10延伸或被拉入导管10中)，并且相关性可以用于说明任何差异。然而，光纤100被约束到导管10的方式可影响相关性。例如，如图5所示，如果光纤长一米，并且光纤100的位置102与导管10错位十分之一度，则导管10的端部的任何感测位置将偏离1.75毫米。如果导管10和光纤100具有任何弯曲部(bend)，则误差可以被放大。

另外，限制施加到光纤100上的应变可以是重要的。例如，如在上面引用的专利中的一个或更多个中所解释的，光纤100中的应变用于确定光纤100的形状。如果光纤100由于被固定到导管10而被拉伸(取代或补充弯曲以适形于导管10的形状)，则来自拉伸的应变可引起影响用于计算光纤100的形状的信号的应变。而且，从机械角度来看，放置在光纤100上的过多应变可导致光纤断裂。

本技术的一个方面解决了现有技术的一个或更多个问题。

本技术的一个方面包括一种柔性工具，该柔性工具包括：光纤，其包括近侧端部、远侧端部、在近侧端部和远侧端部之间的中间部分以及在近侧端部和中间部分之间的可调节弯曲部，其中该中间部分被约束为具有基本上沿由光纤在中间部分处限定的轴线平移的单个自由度。

在示例中，(a)柔性工具进一步包括具有柔性部分和自由端部的主体，其中光纤的一部分位于主体内，并且远侧端部在自由端部处或自由端部附近相对于主体固定；(b)主体包括中性轴线，并且光纤设置在主体内，其中光纤从中性轴线偏移并且至少在柔性部分处基本上平行于中性轴线；(c)远侧端部可相对于近侧端部以三个平移自由度移动；(d)远侧端部可相对于近侧端部以两个旋转自由度移动；(e)远侧端部可相对于近侧端部以三个平移自由度和两个旋转自由度移动；(f)柔性部分包括柔性接头；(g)柔性工具进一步包括刚性构件，其中中间部分固定在刚性构件内；(h)刚性构件基本上是沿圆柱体的轴向长度具有平坦表面的圆柱体；(i)柔性工具进一步包括：两个圆柱形销，该两个圆柱形销具有基本上彼此平行的中心轴线并且一起限定第一平面；第三圆柱形销，其具有基本上平行于两个圆柱形销的中心轴线并从两个圆柱形销的中心轴线偏移并且基本上竖直于第一平面的在第二平面中的中心轴线；球和弹簧，其中第三销和球沿平坦表面接触刚性构件，两个圆柱形销沿圆柱体的轴向长度与刚性构件接触，但不在平坦表面上与其接触，并且弹簧接触刚性构件以推动刚性构件与两个圆柱体、第三圆柱体和球接触；(j)刚性构件包括具有由第一平面限定的第一平坦表面和由第二平面限定的第二平坦表面的块，所述第二平面沿与单个自由度基本上平行的线与第一平面相交；(k)柔性工具进一步包括支撑构件和推动构件，支撑构件具有与第一平坦表面接触的三个球形接触点，与第二平坦表面接触的两个球形接触点，推动构件推动第一平坦表面和第二平坦表面分别与三个球形接触点和两个球形接触点接触；(l)刚性构件包括基本上平行于所述第一平坦表面的第三平坦表面和基本平行于第二平坦表面的第四平坦表面，并且推动构件包括第一构件和第二构件，第一构件接触第三平坦表面以推动刚性构件朝向三个球形接触点，第二构件接触第四平坦表面以朝向两个球形接触点推动刚性构件；(m)柔性工具进一步包括返回机构，返回机构被配置为朝向预定起始位置推动中间部分；(n)返回机构是可调节弯曲部且该可调节弯曲部包括环；(o)返回机构包括电磁体；(p)光纤在近侧端部处连接到电子设备，电子设备通过经由光纤传输的光来检测光纤的形状；以及/或者(q)柔性工具进一步包括壳体，壳体包封可调节弯曲部并且在壳体内提供空间用于调节可调节弯曲部。

本技术的一个方面包括一种用于检测柔性工具的形状的方法，该方法包括：沿柔性工具的至少一部分设置光纤，将光纤的第一端部固定在工具的端部处或端部附近，将光纤的第二端部固定在已知位置处，将在第一端部和第二端部之间的光纤的一部分约束到基本上沿由光纤限定的轴线的单个平移自由度，至少移动该工具的端部使得工具具有合成形状(resultant shape)，沿电缆传输光，并且使用所传输的光来检测柔性工具的合成形状。

在示例中，光纤被设置成从柔性工具的中性轴线偏移并且基本上与平行于柔性工具的中性轴线。

本技术的一个方面包括一种柔性工具，该柔性工具包括：光纤，其包括近侧端部、远侧端部、在近侧端部和远侧端部之间的中间部分、在近侧端部和中间部分之间的可调节弯曲部；以及壳体，其包封可调节弯曲部，并在壳体内提供空间用于调节可调节弯曲部。

在示例中，(a)壳体防止从柔性工具的外部与可调节弯曲部接触；(b)可调节弯曲部包括至少一个完整的环；(c)可调弯曲部小于一个完整的环；(d)壳体提供间隙以允许可调节弯曲部的相对弯曲和矫直；(e)柔性工具被配置成在中间部分内弯曲预定的正角度以及在中间部分内弯曲预定的负角度；并且该间隙适应通过将柔性工具弯曲预定的正角度和预定的负角度而引起的可调节弯曲部内的相对弯曲和矫直的整个范围；(f)壳体内的空间足以沿可调节弯曲部的预定长度提供围绕可调节弯曲部的整个周边的径向间隙；以及/或者(g)壳体内的空间将可调节弯曲部基本上约束在平面内。

根据以下结合附图的具体实施方式，该技术的其他方面、特征和优点将变得显而易见，所述附图是本公开的一部分并且以示例的方式说明本技术的原理。

附图说明

图1是具有光纤的柔性工具的端部剖视图；

图2是处于平直状态的具有光纤的柔性工具的侧视图；

图3是处于弯曲状态的具有光纤的柔性工具的侧视图；

图4是处于与图3中的弯曲部相反的弯曲状态的具有光纤的柔性工具的侧视图；

图5是光纤的位置误差的示例性图示；

图6是具有近侧端部、远侧端部和中间部分的光纤的示意性表示；

图7是具有铰接接头的工具的示例性图示；

图8是提供单个平移自由度的第一方式；

图9是提供单个平移自由度的第二方式的第一视图；

图10是提供单个平移自由度的第二方式的第二视图；

图11是提供单个平移自由度的第二方式的第三视图；

图12是提供单个平移自由度的第二方式的第四视图；

图13是提供单个平移自由度的第二方式的第五视图；

图14是具有近侧端部、远侧端部和中间部分以及电磁体的光纤的示意性表示；

图15是包封可调节弯曲部的壳体的第一示例性图示；

图16是包封可调节弯曲部的壳体的第二示例性图示；

图17a是包封可调节弯曲部的壳体的第三示例性图示；

图17b类似于图17a，但是包括断开的部分，使得可调节弯曲部更加可见；以及

图18是包封可调节弯曲部的壳体的第四示例性图示。

具体实施方式

关于可以共享共同特性和特征的若干示例提供以下描述。应该理解，任一个示例的一个或更多个特征可以与其他示例的一个或更多个特征组合。另外，示例中的任一个中的任何单个特征或特征的组合可以构成附加的示例。

贯穿本公开，可以使用诸如“第一”、“第二”等的术语。然而，这些术语并非旨在限制或指示特定的顺序，而是用于相互区分类似描述的特征，除非另外明确指出。诸如“基本上”和“约”的术语旨在允许考虑制造公差、测量公差的变化或本领域技术人员将会接受的与理想值的差异。

如本文所讨论的，中性轴线是指沿柔性主体的线，其中当主体弯曲时，长度不变。在圆柱体中，中性轴线与限定圆柱体中心的轴线重合。

图6是具有近侧端部104、远侧端部106和中间部分108的光纤100的示意性表示。近侧端部104可被固定在适当的位置以提供用于计算光纤100的形状的已知位置。中间部分可以具有基本上沿由光纤100在中间部分108处所限定的轴线的平移的单个自由度。该单个自由度由两个轮112上的块110示意性地示出。下文详细描述单个自由度的示例性实现方式。

光纤100包括在近侧端部104和中间部分108之间的可调节弯曲部114。可调节弯曲部114被示为环，但是不要求环，参见例如图15。光纤100可以设置在具有柔性部分118和自由端部120的主体116内，诸如图3中所示的导管10。不是所有的光纤100都需要在主体116内。例如，只有远侧端部106和中间部分108可以位于主体116内。

如图2至图4所示，远侧端部106可以相对于自由端部120固定。换句话说，当主体116移动时，例如当柔性部分118弯曲时，远侧端部106和自由端部120一起移动。

图1至图4还示出设置在主体116内并且从中性轴线16偏移的光纤100。通过维持光纤100相对于中性轴线16的相对位置达一段距离，光纤100可以基本平行于中性轴线。图3和图4示出通过柔性部分118与中性轴线16等距离的光纤100。因此，至少当柔性部分118是平直的时，光纤100才在柔性部分处基本上平行于中性轴线16。

图3和图4中示出的在柔性部分118处的弯曲部必须是二维的，因为它们是二维介质中的三维物体的表示，但是应当理解，弯曲部如何能够出现在任一方向上，这将导致平移自由度和旋转自由度两者。而且，如果主体116沿中性轴线移动，则能够设想第三平移自由度。此外，主体116可以围绕中性轴线扭转第三旋转自由度。

尽管主体116和在柔性部分118处的弯曲部被示出为连续的，但弯曲部可以是如图7中所示的铰接接头160。

图8示出中间部分108可以被约束到单个自由度的第一方式。图8示出刚性构件122，其中中间部分108沿刚性构件122的中心轴线被约束在被示为孔的内部部分124内。

如在图8中能够看到的，刚性构件122基本上为圆柱体的形式，该圆柱体具有沿圆柱体的轴向长度形成的平坦部126。刚性构件122由与刚性构件的圆柱形表面138接触的第一圆柱形销128和第二圆柱形销130支撑。刚性构件进一步由第三圆柱形销132和球134沿平坦部126支撑。弹簧136推动刚性构件122与三个销128、130、132和球134接触。使用这种配置，刚性构件以及因此包含在其中的光纤100只能沿刚性构件122的中心轴线移动，这导致单个平移自由度。尽管在整个文件中讨论了圆柱形销，但是也可以使用部分圆柱体或部分圆柱形的表面。

使用图8所示的配置，刚性构件122由通过第三圆柱形销132和球134在平坦部126上的三个接触点约束，并且由通过第一圆柱形销128和第二圆柱形销130在圆柱形表面138上的两个接触点约束。在理想或完美创建的部件上，第三圆柱形销132将沿一条线与平坦部126接触。然而，由于制造部件的不完美性质，平坦部126可能不会是完全平坦的，并且第三圆柱形销132可能不会是完美的圆形。因此，平坦部126和第三圆柱形销132之间的实际接触应该是沿假如部件被完美地制造时将存在的接触线的两个或更多个接触点。因此，平坦部126和第三圆柱形销132之间的接触是至少两个点。

使用平坦部126上的三个接触点，刚性构件122被约束为仅在由这三个点所限定的平面中移动。当刚性构件122与第一圆柱形销128和第二圆柱形销130之间的两个接触点相加时，刚性构件122被约束为仅以单个的平移自由度移动。所有旋转都被阻止。

图9至图13中示出实现单个自由度的另一示例性方式。

图9示出受支撑构件142约束的块140的透视图，块140被示为具有三对平行侧面的矩形棱柱体。底座142包括第一壁144、第二壁146以及被示为第一推动构件148a和第二推动构件148b的推动构件。第一推动构件148a和第二推动构件148b被示为U形悬臂弹簧，该U形悬臂弹簧朝向第一壁144和第二壁146推动块140。可以采用旨在朝向第一壁144和第二壁146推动块140的任何设备。例如，可以采用两个线圈弹簧或者被取向成使得所施加的力的分量朝向第一壁144并且第二分量朝向第二壁146并且两个分量的合成向量大致朝向第一壁144与第二壁146的相交处的单个弹簧。

图10是不同于图9的顶视图，不同之处仅在于块140和第二壁144之间的两个球形接触点150a、150b是可见的。类似地，图11示出在图9中不可见的三个球形接触点150c、150d、150e。图12示出通过图11截取的横截面，该横截面示出球形接触点可以是球的形式。球可以被固定以提供滑动接触或允许滚动并提供滚动接触。图13示出没有块140的支撑构件142，使得所有球形接触点150a至150e均可见。滚子150c、150d、150e提供沿块140的底侧的三个接触点，并且球形接触点150a、150b提供沿块140的侧面的两个接触点。

使用这些附图中所示的配置，块140被约束为以平行于第一壁144和第二壁146两者的单个平移自由度移动。因此，块140可对应于中间部分108。

所示的两种配置均提供具有单个平移自由度的中间部分108，并且可以提供由于提供约束的方式而使摩擦或阻力最小化的配置。通过上述对自由度的最小约束，潜在的机械干涉能够被最小化，并且因此沿单个自由度平移所需的力也可以被最小化。这可以是有利的，因为不会将不必要的力传递到光纤100，并且因此可减少或者最小化引入到光纤的应变，该应变可影响光纤被用来精确地感测工具形状的能力。

返回图6，使用光纤100的形状感测，可调节弯曲部114可以用于使用可调节弯曲部114的形状感测来测量近侧端部104和中间部分108之间的相对位置。因为中间部分108被约束到单个的平移自由度，所以另外五个自由度已知。因此，可调节弯曲部114能够测量第六个自由度(平移自由度)，使得全部六个自由度均已知。

可调节弯曲部114还可以提供一些类似弹簧的恢复力，并因此用作返回机构。如果所施加的将中间部分108约束到单个自由度的力足够低，则可调节弯曲部114返回到平直状态的趋势可以提供足够的力以将中间部分108推动到预定的起始位置。因此，当主体116被操纵并且中间部分108被拉离预定起始位置时，可调节弯曲部114可以提供足够的恢复力以使中间部分108返回到预定起始位置。

图14示出用于将中间部分108推动到预定起始位置的替代方案。除了增加电线圈152和软铁或磁铁154(例如，电磁体)之外，图14与图6基本上相同。使用这种配置，能够用电线圈152和软铁或磁铁154施加力。因为光纤100能够提供光纤中的应变的非常灵敏的测量以及可发生的任何屈曲156，所以能够基于应变测量来控制在电线圈152中的电流，使得光纤100中的张力能够保持非常低。也能够采用返回机构的其他实现方式。例如，可以使用弹簧(例如，线圈弹簧)或加压气体(例如，空气圆柱体或空气弹簧)。

图15示出壳体158内的可调节弯曲部114，其中壳体158被示出为横截面。在该图中，可调节弯曲部114被示出为小于完整的环，并且大致在壳体158内部上的空间160的中间。开放空间160包括被示为表面的上边界162(即，最小弯曲半径)和下边界164(即，最大弯曲半径)，这可以限制可调节弯曲部114的曲率的量。例如，上边界162和下边界164可以约束(例如，调节)可调节弯曲部114能够变得相对更弯曲或相对更平直的程度。该调节可以适应上面关于图3和图4所描述的光纤100可以相对于导管10移动的距离D。如图所示，空间160、上边界162和下边界164一起限定具有弓形轮廓的高而窄的狭槽。然而，空间160的任何取向被能够利用。例如，取代空间160在顶部上，空间160可以在底部、侧面或其间的任何位置上。而且，空间160能够是狭槽以外的形式。能够利用在为可调节弯曲部114提供期望保护的同时允许可调节弯曲部114以适合用户所期望的测量精度的方式弯曲的任何形状。但是空间160的某些性能可以提供优点。例如，所示的高而窄的狭槽可较更膨胀的容积更适合进行清洁，因为空间160的容积可以最小化，并且当针对外科用途清洁时将需要更少的清洁流体。

如图15所示，可调节弯曲部114可以是渐变的弯曲部和/或平缓的弯曲部，例如相对较大的弯曲半径。弯曲部越平缓，用光纤的测量越精确。然而，相对较平缓的弯曲部将比相对较不平缓的弯曲部需要更多的空间。因此，通过用测量精度来换取尺寸，能够优化可调节弯曲部114的尺寸以及相关联的开放空间160，反之亦然。如果可调节弯曲部114是充分渐变的(例如，如图15所示)，则可以实现足够精确的测量，而无需将光纤100的一部分约束到单个自由度。至少在光纤100不具有被约束到单个自由度的部分的情况下，本文中所描述的中间部分108可以指近侧端部104与远侧端部106之间的光纤100的任何部分。

优选的是，当光纤100和/或导管10移动通过整个预期移动范围时，可调节弯曲部114不接触上边界162或下边界164中的任一个，使得可调节弯曲部114没有“触底”。如果可调节弯曲部114在移动期间接触上边界162或下边界164中的任一个，则可在光纤100中引起应变并影响测量精度。为避免这种情况，在最差的(例如，最大调节)情景案例下，能够在可调节弯曲部114与上边界162和下边界164两者之间提供间隙。

在图15中，可调节弯曲部114大致位于上边界162和下边界164之间的中间，这对应于光纤100处于其平直的(或最平直的)位置。当光纤100与导管10(或其他柔性工具)一起弯曲时，可调节弯曲部114将朝向上边界162和下边界164中的一个移动，并且因此可调节弯曲部114将变得相对较平直或相对较弯曲。

图16(以横截面)示出壳体158的另一示例，该示例与图15的不同之处在于，可调节弯曲部114是完整的环(例如，360°)。在此，随着可调节弯曲部114的调节，弯曲部的直径将增大或减小。开放空间160被示出为大致圆形，其中下边界162是开放空间的径面。然而，只要空间满足其他设计考虑，可以选择任何方便的空间形状。如果可调节弯曲部114是完整的环，则可不需要上边界164。

在图16中，完整的环基本上竖直竖直地取向。换句话说，完整的环基本上在竖直取向的平面内。然而，能够选择任何取向的环。

图16还示出基本上呈圆柱体形式的刚性构件122，刚性构件122具有沿圆柱体的轴向长度形成的平坦部126。平坦部126接触球或圆柱形销166(其可以包括另一平坦部)。因此，当在圆柱形通道168内移动时，刚性构件122可以被约束到大致一个自由度。上述将中间部分108约束到单个自由度的所有其他方法(参见例如图8至图13和相关联的描述)可以替代图16中所示的方法。如果光纤100具有被约束到单个自由度的部分，则被约束到单个自由度的部分能够用于计算单个自由度部分和远侧端部106之间的光纤100的形状和取向，简化所述形状和取向的计算和/或提高所述计算的精度。可调节的弯曲部114能够用于计算或测量被约束到单个自由度的部分的位置，其中取向基于单个自由度是已知的。然后，可以基于单个自由度部分的位置和取向来计算从单自由度部分直到并包括远侧端部106的光纤100的位置和取向。

图17a和图17b类似于图16，相似之处在于可调节弯曲部114呈环的形式。在此，环被示出为水平的并且开放空间160未被明确界定。相反，开放空间利用未被使用的开放容积。因此也可没有明显的上边界或下边界。壳体158可以包括未示出的盖，使得内部可见。近侧端部104(未在该图中示出)可以被固定在可调节弯曲部114附近并且用作用于计算光纤100的形状的参考位置，或者能够应用单个自由度(如图9至图13以及图16中所示)。

图18类似于图16，相似之处在于可调节弯曲部114基本上是竖直的。但是，可调节弯曲部114包括多个完整的环。如图所示，有两个完整的环(例如720°)。而且，开放空间160被示出为具有上边界162(以限制最小弯曲半径的圆柱体的形式)，但没有明显的上边界。在这种配置中，上边界还为可调节弯曲部114提供支撑和/或定位位置。壳体158可以包括盖，该盖未示出以使得内部可见。这种配置还能够与上面关于近侧端部104所述的单个自由度部分和/或固定部分一起使用。

包括多于一个的完整环可以是有利的，因为，对于光纤100移动的距离D，环的直径不必像单个环的直径那样改变得一样多。例如，假设环是一个圆，则使用公知的等式C＝πd，环(d)的直径与周长(C)有关。如果环需要适应移动距离D的光纤，则周长将增加或减少D(C±D＝πd)。这使得圆的直径变化±D/π。然而，在两个环的情况下，变化在两个环上进行，并且因此直径只需要调整±D/2π。将环数量增加到三个将导致±D/3π。因此，直径将改变的量与环的数量成反比，并且更多的环将需要更少的空间用于调节直径，这可产生更紧凑的设备。

对于上述开放空间160的每种实现方式，可调节弯曲部114周围的间隙的量可以基于若干因素来优化。如果可调节弯曲部114能够被约束到仅允许在一个平面内移动(例如，仅在笛卡尔坐标系的x方向和y方向上移动，而不在z方向上移动)，则用光纤100进行的测量的精度可以增加，因为任何相关的计算都可以考虑到这种有限的运动。然而，此类平面约束的应用可能需要与光纤100接触，在存在任何相关摩擦的情况下，此类平面约束的应用会引起阻力，阻力在光纤中引起应变。但是这种应变可改变用于感测光纤形状的计算。

如果无摩擦系统是不实际的，则在可调节弯曲部114周围提供间隙则可以是可行的，这消除或者基本上减少了可调节弯曲部114和最近的壁之间的接触。这可以通过在相邻壁之间提供大于光纤100的直径或厚度的空隙来实现(例如，壳体158内的开放空间160足以沿可调节弯曲部114的预定长度在可调节弯曲部114的整个周边周围提供径向间隙)。在有限的间隙量的情况下，可调节弯曲部114能够被约束为基本上在平面内。例如，如果相邻壁之间的空隙略大于光纤100的厚度或直径多达光纤100的厚度或直径的两倍，则可调节弯曲部114可被约束为基本上在平面内。

上述壳体158中的每个能够防止从壳体158的外部与可调节弯曲部114接触。例如，将防止用户无意中接触可调节弯曲部114从而使可调节弯曲部114变形而改变光纤100的检测形状。因此，可调节弯曲部114能够仅由于或基本上仅由于上述距离D的变化而进行调节。

在以上讨论的配置中的每个中，可优选的是防止光纤100中的轴向应变超过500微应变，更优选地防止其超过50微应变，和/或防止光纤100具有小于0.3英寸的弯曲半径，更优选地防止光纤100具有小于3英寸的弯曲半径。

尽管已经结合若干实际示例描述了本技术，但是应当理解的是，该技术不限于所公开的示例，而是相反，本技术旨在涵盖包括在本技术的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (29)

1.一种柔性工具，其包括：

光纤，其包括

近侧端部，

远侧端部，

在所述近侧端部和所述远侧端部之间的中间部分，

在所述近侧端部和所述中间部分之间的可调节弯曲部，

其中所述中间部分被约束为具有基本上沿由所述光纤在所述中间部分处所限定的轴线平移的单个自由度。

2.根据权利要求1所述的柔性工具，其进一步包括主体，所述主体包括柔性部分和自由端部，其中所述光纤的一部分位于所述主体内，并且所述远侧端部在所述自由端部处或附近相对于所述主体固定。

3.根据权利要求2所述的柔性工具，其中所述主体包括中性轴线，并且所述光纤置在所述主体内从所述中性轴线偏移并且至少在所述柔性部分处基本上平行于所述中性轴线。

4.根据权利要求2所述的柔性工具，其中所述远侧端部可相对于所述近侧端部以三个平移自由度移动。

5.根据权利要求2所述的柔性工具，其中所述远侧端部可相对于所述近侧端部以两个旋转自由度移动。

6.根据权利要求2所述的柔性工具，其中所述远侧端部可相对于所述近侧端部以三个平移自由度和两个旋转自由度移动。

7.根据权利要求2所述的柔性工具，其中所述柔性部分包括柔性接头。

8.根据权利要求1所述的柔性工具，其进一步包括刚性构件，其中所述中间部分固定在所述刚性构件内。

9.根据权利要求8所述的柔性工具，其中所述刚性构件基本上为沿圆柱体的轴向长度具有平坦表面的所述圆柱体。

10.根据权利要求9所述的柔性工具，其进一步包括：

两个圆柱形销，其具有基本上彼此平行并一起限定第一平面的中心轴线，第三圆柱形销，其具有基本上平行于所述两个圆柱形销的所述中心轴线并且从所述两个圆柱形销的所述中心轴线偏移的并且基本上竖直于所述第一平面的在第二平面中的中心轴线，

球，以及

弹簧，其中

所述第三圆柱形销和所述球沿所述平坦表面接触所述刚性构件，

所述两个圆柱形销沿所述圆柱体的所述轴向长度与所述刚性构件接触，而不是在所述平坦表面上与所述刚性构件接触，以及

所述弹簧接触所述刚性构件以推动所述刚性构件与所述两个圆柱形销、所述第三圆柱形销以及所述球接触。

11.根据权利要求8所述的柔性工具，其中所述刚性构件包括具有由第一平面限定的第一平坦表面和由第二平面限定的第二平坦表面的块，所述第二平面沿基本上平行于所述单个自由度的线与所述第一平面相交。

12.根据权利要求11所述的柔性工具，其进一步包括支撑构件和推动构件，所述支撑构件具有与所述第一平坦表面接触的三个球形接触点、与所述第二平坦表面接触的两个球形接触点，所述推动构件推动所述第一平坦表面和所述第二平坦表面分别与所述三个球形接触点和所述两个球形接触点接触。

13.根据权利要求12所述的柔性工具，其中所述刚性构件包括基本上平行于所述第一平坦表面的第三平坦表面以及基本上平行于所述第二平坦表面的第四平坦表面，并且所述推动构件包括接触所述第三平坦表面以推动所述刚性构件朝向所述三个球形接触点的第一构件，以及接触所述第四平坦表面以推动所述刚性构件朝向所述两个球形接触点的第二构件。

14.根据权利要求1所述的柔性工具，其进一步包括被配置为推动所述中间部分朝向预定起始位置的返回机构。

15.根据权利要求14所述的柔性工具，其中所述返回机构是所述可调节弯曲部，并且所述可调节弯曲部包括环。

16.根据权利要求14所述的柔性工具，其中所述返回机构包括电磁体。

17.根据权利要求1所述的柔性工具，其中所述光纤在所述近侧端部处连接到电子设备，所述电子设备通过经由所述光纤传输光来检测所述光纤的形状。

18.根据权利要求1所述的柔性工具，其进一步包括壳体，所述壳体包封所述可调节弯曲部并且在所述壳体内提供空间以用于调节所述可调节弯曲部。

19.根据权利要求1所述的柔性工具，其进一步包括：

主体，其包括柔性部分和自由端部，其中所述光纤的一部分位于所述主体内，并且所述远侧端部在所述自由端部处或附近相对于所述主体固定，

返回机构，其被配置为朝向预定起始位置推动所述中间部分，以及

刚性构件，其中，

所述中间部分固定在所述刚性构件内，

所述主体包括中性轴线，并且所述光纤被设置在所述主体内从所述中性轴线偏移并且至少在所述柔性部分处基本上平行于所述中性轴线，

所述远侧端部可相对于所述近侧端部以三个平移自由度和两个旋转自由度移动，以及

所述光纤在所述近侧端部处连接到电子设备，所述电子设备通过经由所述光纤的传输光来检测所述光纤的形状。

20.一种用于检测柔性工具的形状的方法，所述方法包括：

沿所述柔性工具的至少一部分设置光纤，

将所述光纤的第一端部固定在所述工具的端部处或附近，

将所述光纤的第二端部固定在已知位置处，

将所述第一端部和所述第二端部之间的所述光纤的一部分约束到基本上沿由所述光纤限定的轴线的单个平移自由度，

至少移动所述工具的所述端部使得所述工具具有合成形状，

沿所述电缆传输光，以及

使用所传输的光来检测所述柔性工具的所述合成形状。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述光纤被设置成从所述柔性工具的中性轴线偏移并且基本上平行于所述柔性工具的所述中性轴线。

22.一种柔性工具，其包括：

光纤，其包括

近侧端部，

远侧端部，

在所述近侧端部和所述远侧端部之间的中间部分，

在所述近侧端部和所述中间部分之间的可调节弯曲部；以及

壳体，其包封所述可调节弯曲部，并在所述壳体内提供空间用于调节所述可调节弯曲部。

23.根据权利要求22所述的柔性工具，其中所述壳体防止从所述柔性工具的外部与所述可调节弯曲部接触。

24.根据权利要求22所述的柔性工具，其中所述可调节弯曲部包括至少一个完整的环。

25.根据权利要求22所述的柔性工具，其中所述可调节弯曲部小于一个完整的环。

26.根据权利要求22所述的柔性工具，其中所述壳体提供间隙以允许所述可调节弯曲部的相对弯曲和矫直。

27.根据权利要求26所述的柔性工具，其中所述柔性工具被配置为在所述中间部分内弯曲预定的正角度以及在所述中间部分内弯曲预定的负角度；并且所述间隙适应通过将所述柔性工具弯曲所述预定的正角度和所述预定的负角度而引起的在所述可调节弯曲部内的相对弯曲和矫直的整个范围。

28.根据权利要求22所述的柔性工具，其中所述壳体内的所述空间足以沿所述可调节弯曲部的预定长度提供围绕所述可调节弯曲部的整个周边的径向间隙。

29.根据权利要求22所述的柔性工具，其中所述壳体内的所述空间将所述可调节弯曲部约束为基本上在平面内。