本发明一般涉及通过一个或多个医用工具（例如气囊、篮、形状记忆管等）锚定在部分或完全有界的解剖体积内以感测解剖体积的边界的一部分或整体的三维（“3d”）形状的光学形状传感器。本发明特别涉及基于光学形状传感器的形状感测能力以及（如果适用的话）该（多个）医用工具的物理几何形状对有界解剖体积的一部分或整体的3d形状进行映射。
背景技术：
如本领域已知的，可利用成像系统来实施已知的成像模态（例如x射线、计算机断层摄影、磁共振成像、超声、正电子发射断层摄影和单光子发射计算机断层摄影）以用于生成患者的靶向器官（例如可能生癌的器官或异常工作的器官）的图像。这些图像可由医师用于诊断患者和/或用于规划和执行对器官的各种处置（例如图像引导的手术、放射治疗等）。为了促进对靶向器官的精确处置规划，靶向器官可能需要被分割以用于图像内的靶向器官的轮廓的识别和可视化。
然而，因为例如如果金属掩盖或干涉解剖则图像可能难以阅读，所以图像内的靶向器官的轮廓的识别和可视化可能是不可能或易于出错的。图像分割通常要求经过高度训练的医师来在靶向器官的表面上选择各个点以电子地画出靶向器官的轮廓。这可能是耗时的并且易于出错。更特别地，由于器官的差可视化，器官和内部流体之间的边界的划界可能是困难的。可使用对比剂材料来帮助突出显示特定解剖体，尽管一些人对对比剂是敏感的。
替代地，可利用自动分割程序，例如由美国专利申请公开文本2008/0008369a1公开的边界再参量化方法。然而，如通过上述公开文本认识到的，由于各种原因，靶向器官的边界可能难以识别，该各种原因包括被斑点噪声的存在掩蔽、由于被覆盖的特征遮蔽在图像中出现薄弱以及由不同灰度级的两个区域或由于两个不同纹理之间的边沿或由于两者的混合而形成的虚假边沿。该复杂性导致基于图像的自动分割算法的高失败率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种映射方法来测量解剖体积（例如中空器官）的形状并且可选地测量各个参数，该各个参数包括但不限于运动、应变、磁性、电压、气流、流体流动、温度、压力、生化状态和涉及固有组织属性或组织对外在因素的响应的任何其它特性。特别地，形状/参数测量可随着时间发生以由此产生解剖体积的四维（“4d”）信息。为此目的，本发明提供了一种通过（多个）医用工具被有序地安置和锚定在部分或完全有界的体积内以映射该体积的边界的一部分或整体的三维（“3d”）形状的光学形状传感器。
本发明的一个形式是可部署在解剖体积内以用于映射解剖体积的边界的一部分或整体的体积映射器械。该体积映射器械采用一个或多个医用工具，其中一个或每个医用工具在用于将（多个）医用工具有序地安置在解剖体积内的可部署结构配置与用于抵靠解剖体积的边界锚定一个或每个医用工具的映射结构配置之间转变。
（多个）医用工具的示例包括但不限于（1）在泄气的收缩状态和充气的膨胀状态之间转变的医用气囊，（2）包括用于在伸长形状和球形形状之间转变医用篮的形状记忆材料的医用篮，以及（3）包括用于在伸长形状和螺旋形状之间转变医用管的形状记忆材料的医用管。
体积映射器械进一步采用贴近到（多个）医用工具的光学形状传感器，其中光学形状传感器在结构上被配置成响应于一个或每个医用工具在解剖体积内从可部署结构配置转变到映射结构配置而生成指示解剖体积的边界的一部分或整体的形状的一个或多个编码光学信号。
本发明的第二形式是采用上述体积映射器械并且进一步采用体积映射模块来基于（多个）编码光学信号映射解剖体积的边界的该部分或整体的体积映射系统。
本发明的第三形式是用于利用上述体积映射系统的体积映射方法。体积映射方法包含将一个或每个医用工具有序地安置在解剖体积内并且抵靠解剖体积的边界来锚定被安置在解剖体积内的一个或每个医用工具。体积方法还包含响应于一个或每个医用工具被抵靠解剖体积的边界锚定，操作光学形状传感器以生成指示解剖体积的边界的该部分或整体的形状的一个或多个编码光学信号，以及基于（多个）编码光学信号来映射解剖体积的边界的该部分或整体。
根据结合附图阅读的本发明的各个实施例的以下详细描述，本发明的上述形式和其它形式以及本发明的各个特征和优点将变得更加清楚。详细描述和附图仅仅是说明本发明而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其等同形式来限定。
附图说明
图1图示了根据本发明的体积映射系统的示例性实施例。
图2a和2b图示了根据本发明的具有分别处于泄气状态和充气状态的医用气囊的体积映射器械的示例性实施例。
图3图示了贴近到图2a和2b中示出的医用气囊的光纤的螺线配置的第一示例性实施例。
图4图示了贴近到图2a和2b中示出的医用气囊的光纤的螺线配置的第二示例性实施例。
图5a和5b图示了根据本发明的具有分别拥有伸长形状和球形形状的医用篮的体积映射器械的示例性实施例。
图6a和6b图示了根据本发明的具有分别拥有伸长形状和螺旋形状的医用管的体积映射器械的示例性实施例。
图7图示了根据本发明的体积映射方法的示例性实施例。
图8a和8b图示了根据图7中所示的流程图的解剖体积的映射的第一示例性执行。
图9图示了根据图7中所示的流程图的解剖体积的映射的第二示例性执行。
具体实施方式
图1图示了采用一个或多个光学形状传感器30和一个或多个医用工具40的本发明的体积映射器械20。通常，为了映射部分或完全封闭的解剖体积的目的，通过（多个）医用工具40将每个光学形状传感器30有序地安置和锚定在有界解剖体积内以映射解剖体积的边界的一部分或整体的三维（“3d”）形状并且可选地测量各个参数，该各个参数包括但不限于运动、应变、磁性、电压、气流、流体流动、温度、压力、生化状态和涉及固有组织属性或组织对外在因素的响应的任何其它特性。解剖体积的示例包括但不限于由心脏、肺、膀胱、胃、肠、子宫和结肠构成的如图1中所示的患者10的中空器官11。
特别地，为了本发明的目的，本文将光学形状传感器30广义地定义为在结构上被配置用于凭借经由形变光学传感器阵列31的连续内部光学反射来传输光的任何物品，并且本文将阵列31的每个形变光学传感器广义地定义为在结构上被配置用于反射特定波长的光同时透过所有其它波长的光由此反射波长可根据施加到光学形状传感器30的外部激励而偏移的任何物品。光学形状传感器30的示例包括但不限于，并入沿着如本领域已知的光纤的长度集成的光纤布拉格光栅阵列的柔性光学透明玻璃或塑料光纤，以及在沿着如本领域已知的光纤的长度发生的其光学折射率方面具有自然随机变化（例如瑞利散射）的柔性光学透明玻璃或塑料光纤。
尽管为了清楚，针对每个光纤30仅示出三（3）个传感器31，但是在实际光纤30中将采用如本领域普通技术人员将认识到的相对于光纤30的长度较小版本的众多传感器31。
实际上，每个光学形状传感器30可采用以促进光学形状传感器30的3d弯曲感测的任何布置的一个或多个形变光学传感器阵列。
例如，在单个光纤实施例中，光学形状传感器30是具有如由光学形状传感器30的3d弯曲感测所需要的以120°间隔布置的三（3）个光纤布拉格光栅阵列或具有如由光学形状传感器30的3d弯曲感测所需要的以60°间隔布置的六（6）个光纤布拉格光栅阵列的单个光纤。在每种情况下，可以采用附加的光纤布拉格光栅阵列作为该布置内的中心光纤布拉格光栅阵列。
还通过示例，在多光纤实施例中，光学形状传感器30包括三（3）个光纤，其中每个光纤具有单个光纤布拉格光栅阵列，并且如光学形状传感器30的3d弯曲感测所需要地以120°间隔布置光纤，或者光学形状传感器30包括六（6）个光纤，其中每个光纤具有单个光纤布拉格光栅阵列，并且如光学形状传感器30的3d弯曲感测所需要地以60°间隔布置光纤。在每种情况下，可以采用附加的光纤作为该布置内的中心光纤。
在操作中，每个光学形状传感器30基于连续内部光学反射来生成用于每个形变光学传感器阵列的编码光学信号，该连续内部光学反射指示在光学形状传感器30的任何瞬时形状采样处的光学形状传感器30的形状。更特别地，针对瞬时形状采样或遍及多个形状采样的过程，编码光学信号指示光学形状传感器30的形状，因为通过（多个）医用工具40将光学形状传感器30有序地安置和锚定在有界体积内。编码光学信号因此促进使用每个光学形状传感器30来如本文随后将更详细解释地那样映射该体积（例如图1中所示的心脏12的映射体积52）的边界以及视觉显示映射体积（例如如图1中所示的映射体积52的显示53）。
对于参数测量，形变光学传感器阵列31可以由以下构成和/或被涂覆有：如由wo2011/048509教导的提供这样的测量的材料，通过引用将wo2011/048509并入本文。这样的材料的示例包括但不限于，用于电压感测的bi12tio20晶体、用于磁感测的ni-mn-ga记忆形状金属合金、以及用于增强温度感测的zn金属气相沉积。
为了本发明的目的，本文将医用工具40广义地定义为在结构上被配置成在用于将医用工具40有序地安置在解剖体积内的可部署结构配置与用于抵靠解剖体积的边界锚定医用工具40的映射结构配置之间转变的任何物品。医用工具40的示例包括但不限于，在泄气的收缩状态和充气的膨胀状态之间转变的医用气囊41、包括用于在形变的伸长形状和自然球形形状之间转变医用篮的形状记忆材料的医用篮42、以及包括用于在形变的伸长形状和自然螺旋形状之间转变医用管的形状记忆材料的医用管43。
每个光学形状传感器30以促进通过（多个）医用工具40有序地安置和锚定在有界解剖体积内的方式贴近到（多个）医用工具40以映射解剖体积的边界的一部分或整体的3d形状。为了本发明的目的，将术语“贴近”广义地定义为用于将光学形状传感器30物理地对接到医用工具40以由此随着在转变期间施加到光学形状传感器30的外部激励而通过光学形状传感器30感测医用工具40在可部署结构配置和映射结构配置之间的转变的任何手段。
例如在如图2中所示的医用气囊实施例中，光学形状传感器30以螺线式样横贯医用气囊41，由此随着医用气囊的收缩或膨胀改变施加到光学形状传感器30的外部激励而通过光学形状传感器30来感测医用气囊41在泄气状态（图2a）和充气状态（图2b）之间的转变。实际上，可将处于所设计的螺线式样中的光学形状传感器30贴近到处于最大充气状态的医用气囊41以用于体积映射，由此每当医用气囊41从最大充气状态泄气到一定程度时，螺线式样就将与医用气囊41对应压缩。螺线式样的示例包括但不限于，如图3中所示的阿基米德螺线式样70和如图4中所示的费马螺线式样71。
如本文将联系图8在随后解释的，随着经由输送器械64（图1）将体积映射器械20推进到解剖体积内，每个医用气囊41将操作在泄气状态中，并且将在解剖体积内转变为充气状态。因此，光学形状传感器30将提供每个医用气囊41的泄气感测，直到（多个）医用气囊41在解剖体积内被充气的时候为止。
还通过示例，在如图5中所示的医用篮实施例中，医用篮42包括形状记忆材料（例如镍钛诺线），由此医用篮42在形变的伸长形状（图5a）和自然球形形状（图5b）之间转变，并且随着医用气囊的形变或松弛改变施加到光学形状传感器30的外部激励而通过光学形状传感器30感测在伸长形状和球形形状之间的任何转变。实际上，光学形状传感器30可以以自然球形形状贴近到医用篮42以用于体积映射，由此每当医用篮42从自然球形形状形变到一定程度时，光学形状传感器30就将局部伸长。
如本文将联系图8在随后解释的，随着经由输送器械64（图1）将体积映射器械20推进到解剖体积内，每个医用篮42将操作在形变的伸长形状中，并且将在解剖体积内转变到自然球形形状。因此，光学形状传感器30将提供每个医用篮42的伸长感测，直到（多个）医用篮42在解剖体积内恢复其自然球形形状的时候为止。
通过另外的示例，在如图5中所示的医用管中，医用管43包括形状记忆材料（例如镍钛诺管），由此医用管43在形变的伸长形状（图6a）和自然螺旋形状（图6b）之间转变，并且随着医用气囊的形变或松弛改变施加到光学形状传感器30的外部激励而通过光学形状传感器30感测在伸长形状和螺旋形状之间的任何转变。实际上，光学形状传感器30可以以自然螺旋形状贴近到医用管43以用于体积映射，由此每当医用管43从自然螺旋形状形变到一定程度时，光学形状传感器30就将局部伸长。
如本文将联系图9在随后解释的，随着经由输送器械64（图1）将体积映射器械20推进到解剖体积内，医用管43将操作在形变的伸长形状中，并且将在解剖体积内转变到自然螺旋形状。因此，光学形状传感器30将提供医用管42的伸长感测，直到医用管43在解剖体积内恢复其自然螺旋形状的时候为止。
为了促进进一步理解体积映射器械20，现在在本文中将描述如由图7中所示的流程图80表示的本发明的体积映射方法。将在如图1中所示的患者10的中空肺11的体积映射的上下文中提供流程图80的描述。
参考图1和7，流程图80的阶段s81包含对患者10的中空器官11进行成像以及规划路径以将体积映射器械20推进到中空器官11。对于对中空器官11进行成像，利用成像系统60来实施已知的成像模态（例如x射线、计算机断层摄影、磁共振成像、超声、正电子发射断层摄影和单光子发射计算机断层摄影）以用于在成像坐标系统61内生成中空器官11的图像。
为了规划路径以将体积映射器械20推进到中空器官11，取决于将被用作将体积映射器械20推进到中空器官11的手段的输送器械64的类型，利用路径规划器62和/或手术导航器63来实施已知的规划技术。
例如，在输送器械64是导管或内窥镜的上下文中，路径规划器62可实施由trovato等人在2007年4月17日公开的并且名为“3dtoolpathplanning,simulationandcontrolsystem”的国际申请wo2007/022986a2教导的技术，其可以用于在患者10的生成图像内生成用于导管或内窥镜的运动学上正确的路径。
替代地，在输送器械64是导管或内窥镜的上下文中，手术导航器62可利用电磁或光学引导系统来在患者10的生成图像内跟踪导管或内窥镜。这样的手术导航器的示例是由飞利浦医疗在商业上提供的类似全球定位系统（“gps”）操作的用于导管和内窥镜的percunav系统。
还通过示例，在输送器械64是嵌套插管的上下文中，路径规划器62可以实施由trovato等人在2008年3月20日公开的并且名为“activecannulaconfigurationforminimallyinvasivesurgery”的国际申请wo2008/032230a1教导的技术，其可以用于在患者10的生成图像内生成用于嵌套插管的运动学上正确的配置。
流程图80的阶段s82包含将体积映射器械20有序地安置和锚定在中空器官11内。实际上，用于将体积映射器械20输送到中空器官11的过程取决于医用工具40和输送器械64的类型。在此现在将描述两（2）个示例。
对于包含如图8中所示的中空器官11a的一般边界的第一示例，医用工具40包括四（4）个医用气囊41并且输送器械64是导管64a。医用气囊41沿着单个光学形状传感器30的远端空间分布并且在导管64a内处于收缩的泄气状态。在具有一个或多个光纤的光学形状传感器30的一个实施例中，每个光纤光学形状传感器30可以以螺线式样穿过每个医用气囊41的表面中的通道（具有或不具有壁元件，例如线或聚合物线圈管以保持通道打开），以使得医用气囊41能够膨胀同时仍然允许通过柔性但是相对不可伸展的光纤进行形状跟踪。该式样内的每个光纤的终端可构成固定点，该固定点是在柔性膜内的所有方向上机械受约束的，而允许沿着光纤的其它点随着平行于光纤所嵌入的柔性基体中的通道/槽的滑动边界条件而自由滑动。
此外，每个光纤的松散长度可以随着其向医用气囊41延续而被附着到一个医用气囊41的每一端处。该长度优选地在每个医用气囊41的膨胀表面之上的最短路径长度和距离之间。因为每个医用气囊41将被中空器官11a其它医用气囊41收缩到一定程度，所以路径应当指示膨胀的医用气囊41的尺寸。
请注意，在图8b中将光学形状传感器30示为纵向横贯跨越每个医用气囊41以简化图8b。然而，实际上，被布置为如图3和4中所示的球形式样的光学形状传感器30将提供医用气囊41的充气的最优感测。
可以对导管64a进行导航以将体积映射器械输送到如图8a中所示的中空器官11a的特定入口点，由此将体积映射器械以所设计的式样推进到中空器官11a以促进体积映射器械（特别是医用气囊41）在中空器官11a内的有序安置。替代地，可以以所设计的式样将导管64a推进到中空器官11中以促进体积映射器械（特别是医用气囊41）在中空器官11内的有序安置。
在每个情况中，一旦医用气囊41有序地安置在中空器官11a内，医用气囊41就充气以抵靠中空器官11a的边界锚定医用气囊41。实际上，医用气囊41可以被自动触发，由此经由采用来自医用气囊41内的嵌入式传感器的测量结果（例如温度、应变、几何结构、湿度、po2、pco2等）作为输入以评估致动标准（例如器械插入的深度）的气动致动器来自动发起充气。替代地，可以以可编程或自动的序列来对医用气囊41的充气进行定时，以实现抵靠中空器官11a的边界的最优固定轮廓。利用触发器或定时器，随着每个医用气囊41进入中空器官11a，或者替代地，在插入两（2）个或更多个医用气囊41时，医用气囊41可以顺序地充气。
而且实际上，可利用成像系统60来将医用气囊41有序地安置在中空器官11a内和/或使医用气囊41抵靠中空器官11a的边界的可接受锚定可视化。
本领域普通技术人员将领会到，利用医用篮42（图1）替代医用气囊41以用于图8的示例。
对于如图9中所示的包含心脏12的第二示例，医用工具40是螺旋管43并且输送器械是插管64b。如图6中所示，具有伸长形状的光学形状传感器30通过螺旋管43延伸，螺旋管43以伸长形状延伸通过插管64b。在该示例中，插管64b被纵向延伸推进到心脏12的右心房12a内并且经由线圈44将体积映射器械固定到右心房12a。如图9中所示，插管64b之后缩回到右心房12a的开口，螺旋管43和光学形状传感器30呈现螺旋管43的自然螺旋形状，并且螺旋管43抵靠右心房12a的边界锚定。
再次参考图7，流程图80的阶段s83包含中空器官11在生成图像内的体积映射。实际上，鉴于光学形状传感器30可以在图像坐标系统62（图１）内沿其长度检测光学形状传感器的3d位置这一事实，光学形状传感器30在中空器官11内的分布、经由（多个）医用工具40的光学形状传感器30的固定点的设计以及固定程度将是对于随着（多个）医用工具40抵靠中空器官11锚定而精确映射中空器官11要考虑的重要映射因素。
参考图1，采用形状传感器控制器50和体积映射模块51来处理光学形状传感器30的编码光学信号以由此重构光学形状传感器30的一部分或整个形状。为了本发明的目的，本文将形状传感器控制器50广义地定义为在结构上被配置用于通过光学形状传感器30传输光以接收如通过经由形变光学传感器阵列的所传输的光的连续内部反射而生成的编码光学信号的任何设备或系统。形状传感器控制器50的示例包括但不限于，如本领域已知的用于通过光学形状传感器30传输光并且用于接收如通过经由形变光学传感器阵列的所传输的光的连续内部反射而生成的编码光学信号的光耦合器、宽带参考反射镜和频域反射计的布置。
为了本发明的目的，体积映射模块52包括形状重构器，形状重构器被广义地定义为在结构上被配置用于处理编码光学信号以部分或完全重构光学形状传感器30的形状的任何物品或设备。形状重构器的示例包括但不限于，作为软件和/或固件安装在任何类型的计算机（例如图1中所示的工作站53）上以实施已知形状重构技术的重构引擎。特别地，用于将编码光学信号关联到集成于光学形状传感器30的形状内的应变/弯曲测量中的已知形状重构技术。
体积映射模块52进一步包括图像映射器，图像映射器被广义地定义为在结构上被配置用于处理光学形状传感器21的重构形状以及（如果适用的话）处理映射结构配置中的（多个）医用工具40的物理几何形状以提供图像坐标系统61内的中空器官11的边界的3d形状的任何物品或设备。
例如，在图8b的上下文中，点90-97表示经由医用工具41的锚定的中空器官11的边缘以及因此光学形状传感器30抵靠中空器官12的各个感测点。鉴于上述映射因素，可通过点90-97之间的作为直线和/或弧线（例如贝赛尔曲线）的连接来完成体积映射。如本领域普通技术人员将认识到的，点90-97的增多导致由图像映射器对解剖体积的更精确体积映射。
在完成阶段s83后，可将体积映射用于各种各样的诊断和/或处置目的。例如，可以使用形状映射的边界来定义用于多模态数据配准/消融的固定解剖体积/特征，由此叠加形状跟踪的器械空间和成像/监测空间，从而允许对形状跟踪的设备向着期望目标的增强引导。
本领域普通技术人员将认识到如何将本发明的体积映射器械的原理应用到任何类型的医疗过程。
本领域普通技术人员将进一步认识到本发明的体积映射器械的优点。
尽管已经图示和描述了本发明的各个实施例，但是本领域技术人员将理解的是，如本文描述的本发明的实施例是说明性的，并且可以做出各种改变和修改并且等同物可以取代其元件，而不背离本发明的真实范围。此外，可以做出很多修改来调节本发明的教导，而不背离其中心范围。因此，意图是，本发明不限于被公开为预期用于执行本发明的最佳模式的特殊实施例，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。