CN103328922A

CN103328922A - 用于光学形状感测***中的激励点识别的参考标记

Info

Publication number: CN103328922A
Application number: CN2012800064322A
Authority: CN
Inventors: B·拉马钱德兰; R·陈; R·曼茨克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-01-24
Also published as: US10820830B2; JP6655594B2; JP2018072352A; US20130317356A1; CN103328922B; RU2013139873A; WO2012101575A1; EP2668466A1; EP2668466B1; JP2014517907A

Abstract

一种光学形状感测***，采用光纤（20）和一个或多个参考标记（41）。每一个参考标记（41）在参考坐标系（42）内具有能识别的参考跟踪位置。所述光纤（20）具有所述参考坐标系（42）内的重建激励点（21），用作用于所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的形状重建的执行的基础。所述光纤（20）的所述重建激励点（21）与每一个参考标记（41）具有已知空间关系，以方便对所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的识别。

Description

用于光学形状感测***中的激励点识别的参考标记

本发明总体涉及光纤的形状重建。本发明具体涉及用于光纤的精确的形状重建的激励点的可靠识别。

由于光学形状感测***以实时方式显示例如内窥镜、导管或引导线的设备内封装的光纤的形状的潜力，本领域已知的光学形状感测***具有使现今在介入场景（setting）中执行的最小侵入性的外科处置发生巨大变化和转变的能力。然而，需要从已知参考位置激励（launch）这些光纤用于精确的形状重建。

特别是，可以根据下面等式以综合方式执行光纤的形状重建，其中，

是至沿形状感测光纤的第一空间元的位置矢量，且

是从光纤的实际应变测量结果推导的重建增量步长矢量。对于形状重建，可以假定

为（0，0，0）^T。显然，重建的增量步长矢量

中获取的任何误差，例如归因于测量噪声，将向前传播并影响光纤的形状重建精度。

因此，光纤的确切的激励点的知识对于精确的形状重建是关键的。本发明提供用于通过利用参考标记（例如，电磁参考标记、光学参考标记、放射性参考标记等）来识别一个或多个激励点的光学形状感测***。

此外，在当前光学形状感测***中，如果激励点的位置发生改变，则形状重建将不成功。本发明的光学形状感测***首次容许探测激励点的位置的改变及其后续的补偿。

另外，通过组合例如光学形状感测、电磁跟踪和光学跟踪的不同跟踪技术，本发明的光学形状感测***克服了这些技术的固有限制。例如，对场畸变的电磁跟踪的灵敏度、光学跟踪的视线限制以及对基于温度和应变/振动的波动的光学形状感测的电流灵敏度。

本发明的一种形式是采用光纤和一个或多个参考标记的光学形状感测***。每一个参考标记具有参考坐标系内的能识别的参考跟踪位置和能识别的参考跟踪取向中的一个或二者。所述光纤具有所述参考坐标系内的重建激励点，用作用于所述参考坐标系内的所述光纤的形状重建的执行的基础。所述光纤的所述重建激励点与每一个参考标记具有已知空间关系，以方便对所述参考坐标系内的所述重建激励点的识别。

本发明的第二形式是光学形状感测方法，涉及：参考坐标系内每一个个参考标记的能识别参考跟踪位置和能识别参考跟踪取向中的一个或二者的识别以及所述参考坐标系内光纤的重建激励点的识别，所述光纤的所述重建激励点与每一个参考标记具有已知的空间关系，以使得能够识别所述参考坐标系内的所述重建激励点。所述光学形状感测方法还涉及：基于所述参考坐标系内的所述重建激励点的所述识别来执行所述参考坐标系内的所述光纤的形状重建。

根据结合附图阅读的本发明的各种范例实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其它形式以及本发明的各种特征和优点将变得更明显。详细描述和附图仅是示例本发明，而不是限制本发明，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

图1示例根据本发明的光学形状感测***的范例实施例；

图2-5示例根据本发明的光学形状感测设备的范例实施例。

如图1中所示，本发明的光学形状感测***采用嵌入细长设备20内的光纤10。

实践中，光纤10可以是适合于对细长设备20进行光学跟踪的任何类型的光纤。光纤10的范例包括，但不限于，并入有沿本领域已知的光纤的长度集成的光纤布拉格光栅的阵列的柔性光学透明玻璃或塑料光纤，以及光学折射率沿本领域已知的光纤的长度发生自然变化的柔性光学透明玻璃或塑料光纤（例如，基于瑞利散射的光纤）。光纤10可以是单芯光纤，或优选地，是多芯光纤。

实践中，细长设备20可以是适合于在其中嵌入光纤10以用于对细长设备20进行光学跟踪的任何类型的设备。细长设备20的范例包括，但不限于，内窥镜、导管和引导线。

仍然参照图1，***还采用光学询问控制台10和参考跟踪***40。

实践中，光学询问控制台10可以是结构上配置为将光发送至光纤20并接收从光纤20反射的光的任何设备或***。在一个实施例中，光学询问控制台10采用光学傅里叶域反射计和本领域已知的其它合适的电子器件/设备。

实践中，参考跟踪***40于此宽泛地定义为采用参考标记41的任何类型的成像引导***，对于参考坐标系42，每一个参考标记41具有参考跟踪位置和/或参考跟踪取向。

在一个实施例中，参考跟踪***40是采用电磁跟踪控制台的电磁跟踪***、传感器线圈形式的场生成器和参考标记41。

在第二实施例中，参考跟踪***40是采用光学跟踪控制台的光学跟踪***和有源发光二极管或无源球形式的参考标记41。

在第三实施例中，参考跟踪***40是采用用于对参考坐标系42内的光纤20进行成像的成像形态的成像跟踪***。本领域已知的成像跟踪***的范例包括，但不限于，X射线***、MRI***、CT***、US***、IVUS***、PET***、SPECT***或其组合。

实践中，参考标记41的形式取决于成像跟踪***的类型。例如，参考标记41可以是基于碘的标记，其在X射线图像中是可见的。通过进一步的范例，参考标记41可以是放射性或无线电不透明标识，它们在基于核的成像跟踪***（例如，PET***或SPECT***）中是可识别的。

光学询问控制台10还采用如本领域已知的形状重建算法来重建光纤20相对于重建激励点的形状，例如图1中所示的重建激励点21。重建激励点21（1）用作本领域已知的整个光纤20的形状重建的基础，而激励点21（2）和21（3）用作本领域已知的光纤20的不同段的形状重建的基础。

本发明以由一个或多个参考标记至每一个重建激励点21的双向箭头表示的已知空间关系（例如，已知距离和/或角度取向）为前提，由此参考坐标系42内的参考标记41的参考跟踪位置和/或参考跟踪取向的识别使得能够识别参考坐标系42内的重建激励点21。

更特别地，操作中，参考跟踪***40识别参考坐标系42内的每一个参考标记41的参考跟踪位置和/或参考跟踪取向，这用于识别用于参考坐标系42内的光纤20的一个或多个重建激励点21。其后，光学询问控制台10执行光纤20的形状重建，直至跟踪处置完成，或参考跟踪***40传送参考坐标系42内的一个或多个参考标记41的移动。如果为后者，则参考跟踪***重新识别参考坐标系42内的每一个参考标记41的新的参考跟踪位置和/或参考跟踪取向，其被用来重新识别参考坐标系42内的光纤20的一个或多个重建激励点21。其后，光学询问控制台10重新执行光纤20的形状重建，直至跟踪处置完成了或参考跟踪***40传送参考坐标系42内的一个或多个参考标记41和光纤20的另一移动。

实践中，对于具有多个重建激励点的实施例，可以通过各种方式来选择特定重建激励点21。例如，可以显示重建激励点22，由此***的用户可以选择重建激励点22中的一个重建激励点。

图2-5示例根据本发明的光学形状感测设备的各种实施例。

如图2中所示，光学形状感测设备50采用细长设备51和用于光学线圈20的柄52（例如，导管和导管柄）。在此实施例中，参考标记41如所示地嵌入细长设备51中，并且参考标记41和重建激励点21的空间关系是已知的。

如图3中所示，光学形状感测设备53采用细长设备54和用于光学线圈20的柄55。在此实施例中，六（6）自由度标记41嵌入于柄55中，并且参考标记41和重建激励点21的空间关系是已知的。

如图4中所示，光学形状感测设备采用平台62，平台62联接至支撑患者60的操作台61。在此实施例中，参考标记41附加于或嵌入于平台62内，且光纤20在重建激励点21处嵌入细长设备63内。另外，参考标记41和重建激励点21的空间关系是已知的。

如图5中所示，光学形状感测设备采用耦合至X射线***的C臂64的平台65。在此实施例中，参考标记41附加于平台65，且光纤20在重建激励点21处嵌入于的细长设备66内。另外，参考标记41和重建激励点21的空间关系是已知的。

根据图1-5的描述，本领域技术人员将将会进一步理解如何制造和使用根据本发明的光学形状感测***以用于无数的外科处置。

虽然已经示例和描述了本发明的各种范例实施例，但是本领域技术人员将理解，于此描述的本发明的范例实施例是示例性的，且可以进行各种改变和修改，并且等同物可以由其元件替代，而不脱离本发明的真实范围。例如，虽然于此关于FBG讨论了本发明，但是应当理解通常包括用于形状感测和定位的光纤光学器件，包括，例如存在或不存在FBG或其它光学器件，根据使用背散射、光纤力感测、光纤位置传感器或瑞利散射进行的对光纤中的一个或多个部分的变化的探测进行的感测或定位。另外，可以进行许多修改，以适应本发明的教导，而不脱离其中心范围。因此，意在使不发明不限于作为设想为执行本发明的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种光学形状感测***，包括：

光纤（20）和至少一个参考标记（41）；

其中，每一个参考标记（41）具有参考坐标系（42）内的能识别的参考跟踪位置和能识别的参考跟踪取向中的至少之一；

其中，所述光纤（20）具有所述参考坐标系（42）内的重建激励点（21），用作用于所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的形状重建的执行的基础；并且

其中，所述光纤（20）的所述重建激励点（21）与每一个参考标记（41）具有已知空间关系，以方便对所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的识别。

2.如权利要求1所述的光学形状感测***，还包括：

电磁参考跟踪***（40），用于建立所述参考坐标系（42），其中，每一个参考标记（41）是电磁参考标记（41）。

3.如权利要求1所述的光学形状感测***，还包括：

光学跟踪***（40），用于建立所述参考坐标系（42），其中，每一个参考标记（41）是光学参考标记（41）。

4.如权利要求1所述的光学形状感测***，还包括：

成像跟踪***（40），用于建立所述参考坐标系（42），其中，每一个参考标记（41）在由成像跟踪***（40）生成的图像内是能识别的。

5.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，所述重建激励点（21）与所述参考坐标系（42）内的每一个参考跟踪位置间隔开。

6.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，所述重建激励点（21）与所述参考坐标系（42）内的所述至少一个参考跟踪位置中的至少之一重合。

7.如权利要求1所述的光学形状感测***，还包括：

细长设备（30），

其中，所述光纤（20）嵌入所述细长设备（30）内，并且所述至少一个参考标记（41）与所述细长设备（30）间隔开。

8.如权利要求1所述的光学形状感测***，还包括：

细长设备（30），

其中，所述光纤（20）和所述至少一个参考标记（41）嵌入所述细长设备（30）内。

9.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，每一个参考跟踪位置固定于所述参考坐标系（42）内。

10.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，每一个参考跟踪位置在所述参考坐标系（42）内是能移动的。

11.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，所述重建激励点（21）固定于所述参考坐标系（42）内。

12.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，所述重建激励点（21）在所述参考坐标系（42）内是能移动的。

13.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，所述重建激励点（21）用作整个所述光纤（20）的形状重建的基础。

14.如权利要求1所述的光学形状感测***，其中，所述重建激励点（21）用作所述光纤（20）的段的形状重建的基础。

15.如权利要求1所述的光学形状感测***，

其中，所述光纤（20）具有所述参考坐标系（42）内的多个重建激励点（21）；

其中，每一个重建激励点（21）是能操作的，以用作用于所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的所述形状重建的所述执行的所述基础；并且

其中，所述光纤（20）的每一个重建激励点（21）与每一个参考标记（41）具有已知空间关系，以方便对所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的识别。

16.一种用于光学形状感测***的光学形状感测方法，所述光学形状感测***包括光纤（20）和至少一个参考标记（41），所述光学形状感测方法包括：

识别参考坐标系（42）内的每一个参考标记（41）的能识别的参考跟踪位置和能识别的参考跟踪取向中的至少之一；

识别所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的重建激励点（21），其中，所述光纤（20）的所述重建激励点（21）与每一个参考标记（41）具有已知的空间关系，以使得能够进行所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的所述识别；以及

基于所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的所述识别来执行所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的形状重建。

17.如权利要求16所述的光学形状感测方法，还包括：

在所述参考坐标系（42）内移动所述至少一个参考标记（41）和所述光纤（20），同时保持所述光纤（20）的所述重建激励点（21）与每一个参考标记（41）的所述已知的空间关系；

重新识别参考坐标系（42）内的每一个参考标记（41）的能识别的参考跟踪位置和能识别的参考跟踪取向中的至少之一；

重新识别所述参考坐标系（42）内的光纤（20）的重建激励点（21），其中，所述光纤（20）的所述重建激励点（21）与每一个参考标记（41）具有已知的空间关系，以使得能够进行所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的所述重新识别；以及

基于所述参考坐标系（42）内的所述重建激励点（21）的所述重新识别来执行所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的形状重建。

18.如权利要求16所述的光学形状感测方法，还包括：

在所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的所述重建激励点（21）的所述识别之后，感测所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）和所述至少一个参考标记（41）中的至少之一的移动；以及

提供反馈，所述反馈指示所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）和所述至少一个参考标记（41）中的至少之一的感测的移动。

19.如权利要求16所述的光学形状感测方法，还包括：

在所述参考坐标系（42）内的所述光纤（20）的所述重建激励点（21）的所述识别之前，从多个重建激励点（21）选择所述重建激励点（21）。

20.如权利要求19所述的光学形状感测方法，还包括：

显示所述多个激励点（21），以使得能够从所述多个重建激励点（21）进行所述重建激励点（21）的所述选择。