微创手术为患者提供了一种更安全、更有效的传统手术替代方案，从而改变了医疗行业。向微创技术的转变，显著缩短了患者的所需住院时间和恢复时间。然而，尽管微创手术有许多优点，但是依然受到例如精度不足、需要复杂导航和大量使用电离辐射等不理因素的影响。向手术机器人的过渡，帮助解决了其中的几个极限。通过集成手术机器人系统，外科医生可以以更高的精度和控制力执行更为复杂的手术。尽管手术机器人技术的集成无疑彻底改变了微创手术，但现有系统仍在与自身的局限性作斗争，这些局限性阻碍了它们从实验室向手术室的过渡。当前的机器人平台由于缺乏实时而直观的3D可视化、可靠的形状和方向预估，以及低成本一次性设备的选择而受到限制。随着外科机器人领域的不断发展，光纤形状传感（Fiber Optic Shape Sensing，FOSS）技术的出现提供了一种创新的解决方案，用于克服一些现有的局限性。与传统的导航和可视化方法相比，TSSC的导航技术脱颖而出，能够沿着柔性设备的整个长度提供高空间分辨率的、抗电磁干扰的和实时的形状和方向测量。
光纤形状传感，包括由多芯光纤或多个单芯光纤束组成的传感器，与称为光频域反射技术（OFDR）的解调技术配对。这些硬件组件与TSSC的高级处理算法相结合，完成传感器三维形状的测量和可视化。光纤形状传感器，提供了独特的优势——它们紧凑、灵活，无需视线即可操作。此外，它们提供整个传感器长度的实时3D可视化，并且不受电磁干扰。虽然光纤形状传感的概念已经存在了一段时间，但空间分辨率、扭转传感测量和制造成本，对整个系统的测试精度和广泛使用造成了阻碍。
在之前的一篇白皮书中，TSSC展示了光纤形状传感技术的能力，尽管存在已知的局限性，但仍能为外科导航程序实现足够的形状精度。为了进一步验证TSSC的光纤形状传感技术，我们的目标是表征定向精度，这将补充我们之前描述的形状精度数据。在这项研究中，TSSC展示了当形状传感器插入弯曲的解剖模型时，形状传感器上的定向精度。
图1 测试系统的数字渲染图
为本研究选择的解剖模型，该模型代表了外科医生在进行经血管手术时必须导航的典型的解剖结构。它来源于CT扫描，并通过3D打印制造。测试过程包括将传感器插入模型，就像外科医生或手术机器人在病人体内放置导丝、导管或内镜一样。传感器通过解剖结构的路径约为25cm。进一步插入传感器，使其超过模型远端出口约15cm。传感器远端所在区域，可以以不同的方向偏转，用于模拟不同的腹主动脉侧分支插管。这些测试区域的组合完成了测试设置的患者区域。TSSC在解剖模型的近端，额外增加了约25厘米的非患者区域，这样做是为了在红外相机和形状传感器之间引入一个已知的形状来进行坐标帧对齐。患者区域外形状由一个平面曲线组成，其远端有一个线性区域，包括安装在线性区域的红外刚体和用于穿入形状传感器的内部管腔。选择形状线性区域的中点作为参考点，其坐标系由形状传感器在该点的切向量、平面形状的法向量和得到的副法线向量组成。传感器的远端6cm插入一条直线路径，并安装一个单独的红外刚体，允许使用TSSC和红外系统测量远端切线方向。该远端直线路径是可移动的，使得远端指向方向可以改变。
图2 俯仰角和偏转角之间的参考和测试切向量
测试系统的数字渲染如图2所示，其中测试切向量以绿色阴影显示，参考切向量以蓝色阴影显示，参考法向量为橙色显示，参考副法向量为紫色显示。用于确定方向精度的指标，是形状传感器的远端切向量相对于其参考坐标系的平均俯仰角度和偏转角度误差，与红外相机系统定义的相同的相对角度进行比较。图2描述了如何在此测试范围内定义俯仰角和偏转角。
图3 俯仰角和偏转角误差
测试结果如图3所示，形状传感器的平均俯仰角度误差约为2.04度，标准差为±1.47度，30个测试集的最大误差为6.37度。形状传感器的平均偏航误差约为2.25度，标准差为±2.04度，最大误差为8.35度。目前的误差，主要源于已知的传感器校准限制，随着TSSC技术的不断发展，这些指标有望得到改善。
基于此次方向角度精度的测试结果以及现有的形状测试精度，我们发现TSSC的形状传感和导航技术，正在成为外科手术机器人平台所需求的跟踪和导航应用的有前途的解决方案。值得注意的是，TSSC的技术在曲折的解剖结构中保持了足够的定向精度，同时克服了传统跟踪和导航方法中的几个已知局限。TSSC公司热衷于分享这些方向角度精度的结果，并渴望探索在需要完善导航的外科手术机器人平台上部署该技术的机会。
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