用于光學(xué)形狀感測(cè)配準(zhǔn)的集線器設(shè)計(jì)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及醫(yī)學(xué)儀器，并且更具體地涉及形狀感測(cè)光纖配準(zhǔn)工具以及供使用的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)使用多芯光纖來(lái)重建沿設(shè)備的長(zhǎng)度的形狀。沿傳感器的位置，已知為Z = 0，提供空間中用于形狀重建的起始點(diǎn)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這種重建的形狀之后與術(shù)前圖像(使用例如計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光透視檢查)或術(shù)中圖像(諸如，例如超聲或熒光透視檢查)相疊加。執(zhí)行在圖像與形狀數(shù)據(jù)之間的疊加需要在這兩種模態(tài)之間的配準(zhǔn)。
[0003]當(dāng)在多線纜(mult1-tether)配置中使用兩個(gè)形狀感測(cè)設(shè)備時(shí)，這些設(shè)備中的每個(gè)設(shè)備都需要被配準(zhǔn)到相同的參考幀。在這些配準(zhǔn)步驟中的任何誤差都將引起對(duì)設(shè)備的感知位置的誤差。在導(dǎo)絲或?qū)Ч艿那闆r下，在使用期間的已知約束是導(dǎo)絲的一些部分物理地位于導(dǎo)管之內(nèi)。如果這兩個(gè)形狀沒(méi)有良好地配準(zhǔn)，組合的輸出將看上去導(dǎo)絲已經(jīng)漂移到導(dǎo)管的外部。這顯然是臨床使用中所不希望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的原理，一種光學(xué)形狀感測(cè)集線器(hub)包括形成腔的縱向主體，所述腔被配置為接收兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)使能的儀器。一個(gè)或多個(gè)機(jī)械特征被設(shè)置在所述腔之內(nèi)或者被設(shè)置在所述縱向主體上，以將所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器相對(duì)于彼此維持在固定的幾何配置中，使得距縱向主體的遠(yuǎn)處，所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器使形狀感測(cè)的重建數(shù)據(jù)在所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器之間配準(zhǔn)。
[0005]—種形狀感測(cè)系統(tǒng)包括集線器，所述集線器包括形成腔的縱向主體，所述腔被配置為接收兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)使能的儀器，所述集線器包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)械特征，所述一個(gè)或多個(gè)機(jī)械特征被設(shè)置在所述腔之內(nèi)或者被設(shè)置在所述縱向主體上，以將所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器相對(duì)于彼此維持在固定的幾何配置中，使得距縱向主體的遠(yuǎn)處，所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器使形狀感測(cè)的重建數(shù)據(jù)相配準(zhǔn)。形狀感測(cè)模塊被配置為接收、解讀并配準(zhǔn)來(lái)自所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器的光纖的光學(xué)信號(hào)，以確定所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器的形狀。
[0006]—種用于配準(zhǔn)兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)使能的儀器的方法，包括:提供光學(xué)形狀感測(cè)集線器和一個(gè)或多個(gè)機(jī)械特征，所述光學(xué)形狀感測(cè)集線器包括形成腔的縱向主體，所述腔被配置為接收兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)使能的儀器，所述一個(gè)或多個(gè)機(jī)械特征被設(shè)置在所述腔之內(nèi)或者被設(shè)置在所述縱向主體上，以將所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器相對(duì)于彼此維持在固定的幾何配置中，使得距縱向主體的遠(yuǎn)處，所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器使形狀感測(cè)的重建數(shù)據(jù)在所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器之間配準(zhǔn);生成集線器在OSS數(shù)據(jù)中的期望形狀的集線器模板;搜索測(cè)量的OSS數(shù)據(jù)以匹配所述集線器模板，從而確定所述OSS數(shù)據(jù)中的集線器位置;并且通過(guò)尋找在OSS數(shù)據(jù)中相對(duì)于集線器位置的交疊來(lái)確定所述兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器之間的配準(zhǔn)。
[0007]根據(jù)以下對(duì)例示實(shí)施例的詳細(xì)描述，本公開的這些和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，要結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀。
【附圖說(shuō)明】
[0008]本公開將參考如下附圖詳細(xì)呈現(xiàn)對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的以下描述，在附圖中:
[0009]圖1是示出了形狀感測(cè)系統(tǒng)的方框/流程圖，所述形狀感測(cè)系統(tǒng)采用根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于配準(zhǔn)兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)儀器的集線器；
[0010]圖2A是根據(jù)一個(gè)例示實(shí)施例的集線器設(shè)計(jì)的截面視圖；
[0011]圖2B是示出了用于根據(jù)一個(gè)例示實(shí)施例來(lái)識(shí)別形狀數(shù)據(jù)中的集線器的位置的不同形狀的集線器設(shè)計(jì)的截面視圖；
[0012]圖3是集線器設(shè)計(jì)的截面視圖，其中，所述集線器根據(jù)一個(gè)例示實(shí)施例在OSS使能的儀器之一中集成地形成；
[0013]圖4是根據(jù)例示實(shí)施例的示出用于形狀到形狀配準(zhǔn)的方法的流程圖；
[0014]圖5示出了根據(jù)例示實(shí)施例的針對(duì)光纖上的三個(gè)不同集線器位置的曲率半徑倒數(shù)(I/ROC，以mm為單位)相對(duì)于纖維節(jié)點(diǎn)的繪圖；
[0015]圖6是根據(jù)例示實(shí)施例的Kappa相對(duì)于纖維節(jié)點(diǎn)的繪圖，其示出了被用于來(lái)識(shí)別OSS數(shù)據(jù)中的集線器的集線器模板的范例；
[0016]圖7A示出了在兩個(gè)形狀感測(cè)設(shè)備(導(dǎo)絲或?qū)Ч?的輸出之間的差異的絕對(duì)值相對(duì)于在兩個(gè)形狀感測(cè)設(shè)備之間的位移的繪圖，繪圖中的波動(dòng)指示根據(jù)例示實(shí)施例的集線器的位置；
[0017]圖7B是Kappa相對(duì)于纖維節(jié)點(diǎn)的繪圖，其示出了距集線器的遠(yuǎn)端的恒定Kappa的區(qū)域，其中，兩個(gè)形狀感測(cè)設(shè)備根據(jù)例示實(shí)施例被對(duì)齊；
[0018]圖8是Kappa相對(duì)于纖維節(jié)點(diǎn)的繪圖，其示出了距集線器的遠(yuǎn)端的區(qū)域，其中，兩個(gè)形狀感測(cè)設(shè)備根據(jù)例示實(shí)施例被配準(zhǔn)；
[0019]圖9A是示出了OSS使能的導(dǎo)絲和OSS使能的導(dǎo)管的圖示，所述OSS使能的導(dǎo)絲和OSS使能的導(dǎo)管被顯示為根據(jù)例示實(shí)施例在血管的術(shù)前圖像中被配準(zhǔn)；
[0020]圖9B是示出了OSS使能的導(dǎo)絲和OSS使能的導(dǎo)管的圖示，所述OSS使能的導(dǎo)絲和OSS使能的導(dǎo)管被顯示為在血管的術(shù)前圖像中相對(duì)于彼此而位移；
[0021 ]圖10是根據(jù)另一例示實(shí)施例的集線器設(shè)計(jì)的切半視圖；
[0022]圖11是根據(jù)又一例示實(shí)施例的集線器設(shè)計(jì)的切半視圖；
[0023]圖12示出了用于根據(jù)例示實(shí)施例來(lái)識(shí)別OSS數(shù)據(jù)中的集線器設(shè)計(jì)的三個(gè)例示特征配置;并且
[0024]圖13是根據(jù)又一例示實(shí)施例的示出了針對(duì)三個(gè)OSS使能的設(shè)備的跟蹤的集線器設(shè)計(jì)的切半視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]根據(jù)本發(fā)明的原理，集線器設(shè)備包括直和/或彎曲段的組合，以創(chuàng)建在光學(xué)形狀感測(cè)(OSS)系統(tǒng)中能夠唯一并且容易的識(shí)別的形狀曲率中的圖案。在集線器沿第二儀器(例如，導(dǎo)絲)的長(zhǎng)度的位置取決于第二儀器已經(jīng)通過(guò)所述集線器被插入的量時(shí)，集線器沿第一儀器(例如，導(dǎo)管)的長(zhǎng)度的位置能夠機(jī)械地定義。通過(guò)檢測(cè)在第一儀器的形狀感測(cè)纖維中的唯一曲率圖案(例如，直-彎曲-直、彎曲-直-彎曲、彎曲-直、直-彎曲等等)，能夠識(shí)別第二儀器中與第一儀器共享幾何關(guān)系(例如，位于其內(nèi)部或者與其靠近)的部分。然后，能夠使用基于曲率或者基于形狀的實(shí)施方案來(lái)執(zhí)行在這兩個(gè)纖維之間的配準(zhǔn)。
[0026]所述集線器包括針對(duì)第二儀器例如進(jìn)入第一儀器的位置而仔細(xì)選擇的形狀。集線器使得能夠執(zhí)行在兩個(gè)儀器之間的實(shí)時(shí)形狀到形狀的配準(zhǔn)。集線器也能夠被用于扭轉(zhuǎn)儀器。本發(fā)明的原理應(yīng)用于光學(xué)形狀感測(cè)到醫(yī)學(xué)設(shè)備中的任意集成，其中，采用相對(duì)于彼此具有已知幾何結(jié)構(gòu)的兩個(gè)設(shè)備。在尤其有用的實(shí)施例中，這應(yīng)用于導(dǎo)絲和導(dǎo)管(或者手動(dòng)地和/或機(jī)器人控制的)，但能夠被擴(kuò)展到內(nèi)窺鏡、氣管鏡等以及其他這樣的應(yīng)用。
[0027]OSS采用沿著多芯光纖的光以用于在手術(shù)介入期間的設(shè)備定位和導(dǎo)航。所涉及的一個(gè)原理利用在光纖中的分布式應(yīng)變測(cè)量，其使用特征瑞利背散射或者受控的光柵圖案(光纖布拉格光柵(FBG))。沿光纖的形狀開始于沿傳感器的特定點(diǎn)(已知為起點(diǎn)或z = 0)處，并且隨后的形狀位置和取向是相對(duì)于所述點(diǎn)的。
[0028]在多線纜形狀感測(cè)中，其中，使得多個(gè)儀器能夠光學(xué)形狀感測(cè)，這些儀器中的每個(gè)儀器需要被配準(zhǔn)到參考成像幀。備選地，如果一個(gè)儀器被配準(zhǔn)到參考成像幀，那么隨后的設(shè)備能夠被簡(jiǎn)單地配準(zhǔn)到第一儀器。在設(shè)備之間的配準(zhǔn)已知為“形狀到形狀”的配準(zhǔn)。在尤其有用的實(shí)施例中，本原理提供了針對(duì)例如導(dǎo)絲到導(dǎo)管的進(jìn)入點(diǎn)的集線器設(shè)計(jì)，其允許操作者扭轉(zhuǎn)或操作以及在兩個(gè)或更多個(gè)OSS使能的儀器之間的形狀到形狀的配準(zhǔn)。
[0029]扭轉(zhuǎn)是被用于手動(dòng)操縱儀器的導(dǎo)航的要素。針對(duì)儀器的最佳扭轉(zhuǎn)，有益的是具有沿著儀器的能夠容易地抓取的把手或特征。例如，儀器操縱員通常被吸引到導(dǎo)絲進(jìn)入點(diǎn)的位置，將導(dǎo)管作為用于扭轉(zhuǎn)和操控導(dǎo)管的特征。為了改善操作者操作和導(dǎo)航，優(yōu)選將沿儀器的這一位置與集線器設(shè)計(jì)相匹配，其提供足夠的抓取和操作特征。對(duì)這種接合的機(jī)械約束的另一優(yōu)點(diǎn)在于，改善了光學(xué)形狀感測(cè)穩(wěn)定性。沿儀器的任意接合或過(guò)渡點(diǎn)具有在形狀重建中引入誤差或不穩(wěn)定性的可能。集線器設(shè)計(jì)緩沖來(lái)自收聚以及過(guò)多彎曲或張力的纖維。
[0030]在沒(méi)有形狀到形狀的配準(zhǔn)的情況下，每個(gè)設(shè)備都將需要被獨(dú)立地配準(zhǔn)到參考圖像幀。出于至少如下原因，這是不理想的。如果手動(dòng)或半自動(dòng)地執(zhí)行這種配準(zhǔn)，會(huì)花費(fèi)額外的時(shí)間來(lái)設(shè)置每個(gè)設(shè)備，并且可能執(zhí)行額外的熒光透視曝光等，以將每個(gè)設(shè)備配準(zhǔn)到X射線視場(chǎng)。每個(gè)配準(zhǔn)將具有一些誤差，并且這將導(dǎo)