用于光学形状感测配准的集线器设计和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及医学仪器，并且更具体地涉及形状感测光纤配准工具以及供使用的方法。
【背景技术】
[0002]光学形状感测(OSS)使用多芯光纤来重建沿设备的长度的形状。沿传感器的位置，已知为Z = 0，提供空间中用于形状重建的起始点。在大多数应用中，这种重建的形状之后与术前图像(使用例如计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视检查)或术中图像(诸如，例如超声或荧光透视检查)相叠加。执行在图像与形状数据之间的叠加需要在这两种模态之间的配准。
[0003]当在多线缆(mult1-tether)配置中使用两个形状感测设备时，这些设备中的每个设备都需要被配准到相同的参考帧。在这些配准步骤中的任何误差都将引起对设备的感知位置的误差。在导丝或导管的情况下，在使用期间的已知约束是导丝的一些部分物理地位于导管之内。如果这两个形状没有良好地配准，组合的输出将看上去导丝已经漂移到导管的外部。这显然是临床使用中所不希望的。
【发明内容】
[0004]根据本发明的原理，一种光学形状感测集线器(hub)包括形成腔的纵向主体，所述腔被配置为接收两个或更多个光学形状感测(OSS)使能的仪器。一个或多个机械特征被设置在所述腔之内或者被设置在所述纵向主体上，以将所述两个或更多个OSS使能的仪器相对于彼此维持在固定的几何配置中，使得距纵向主体的远处，所述两个或更多个OSS使能的仪器使形状感测的重建数据在所述两个或更多个OSS使能的仪器之间配准。
[0005]—种形状感测系统包括集线器，所述集线器包括形成腔的纵向主体，所述腔被配置为接收两个或更多个光学形状感测(OSS)使能的仪器，所述集线器包括一个或多个机械特征，所述一个或多个机械特征被设置在所述腔之内或者被设置在所述纵向主体上，以将所述两个或更多个OSS使能的仪器相对于彼此维持在固定的几何配置中，使得距纵向主体的远处，所述两个或更多个OSS使能的仪器使形状感测的重建数据相配准。形状感测模块被配置为接收、解读并配准来自所述两个或更多个OSS使能的仪器的光纤的光学信号，以确定所述两个或更多个OSS使能的仪器的形状。
[0006]—种用于配准两个或更多个光学形状感测(OSS)使能的仪器的方法，包括:提供光学形状感测集线器和一个或多个机械特征，所述光学形状感测集线器包括形成腔的纵向主体，所述腔被配置为接收两个或更多个光学形状感测(OSS)使能的仪器，所述一个或多个机械特征被设置在所述腔之内或者被设置在所述纵向主体上，以将所述两个或更多个OSS使能的仪器相对于彼此维持在固定的几何配置中，使得距纵向主体的远处，所述两个或更多个OSS使能的仪器使形状感测的重建数据在所述两个或更多个OSS使能的仪器之间配准;生成集线器在OSS数据中的期望形状的集线器模板;搜索测量的OSS数据以匹配所述集线器模板，从而确定所述OSS数据中的集线器位置;并且通过寻找在OSS数据中相对于集线器位置的交叠来确定所述两个或更多个OSS使能的仪器之间的配准。
[0007]根据以下对例示实施例的详细描述，本公开的这些和其他特征和优点将变得显而易见，要结合附图进行阅读。
【附图说明】
[0008]本公开将参考如下附图详细呈现对优选实施例的以下描述，在附图中:
[0009]图1是示出了形状感测系统的方框/流程图，所述形状感测系统采用根据一个实施例的用于配准两个或更多个光学形状感测(OSS)仪器的集线器；
[0010]图2A是根据一个例示实施例的集线器设计的截面视图；
[0011]图2B是示出了用于根据一个例示实施例来识别形状数据中的集线器的位置的不同形状的集线器设计的截面视图；
[0012]图3是集线器设计的截面视图，其中，所述集线器根据一个例示实施例在OSS使能的仪器之一中集成地形成；
[0013]图4是根据例示实施例的示出用于形状到形状配准的方法的流程图；
[0014]图5示出了根据例示实施例的针对光纤上的三个不同集线器位置的曲率半径倒数(I/ROC，以mm为单位)相对于纤维节点的绘图；
[0015]图6是根据例示实施例的Kappa相对于纤维节点的绘图，其示出了被用于来识别OSS数据中的集线器的集线器模板的范例；
[0016]图7A示出了在两个形状感测设备(导丝或导管)的输出之间的差异的绝对值相对于在两个形状感测设备之间的位移的绘图，绘图中的波动指示根据例示实施例的集线器的位置；
[0017]图7B是Kappa相对于纤维节点的绘图，其示出了距集线器的远端的恒定Kappa的区域，其中，两个形状感测设备根据例示实施例被对齐；
[0018]图8是Kappa相对于纤维节点的绘图，其示出了距集线器的远端的区域，其中，两个形状感测设备根据例示实施例被配准；
[0019]图9A是示出了OSS使能的导丝和OSS使能的导管的图示，所述OSS使能的导丝和OSS使能的导管被显示为根据例示实施例在血管的术前图像中被配准；
[0020]图9B是示出了OSS使能的导丝和OSS使能的导管的图示，所述OSS使能的导丝和OSS使能的导管被显示为在血管的术前图像中相对于彼此而位移；
[0021 ]图10是根据另一例示实施例的集线器设计的切半视图；
[0022]图11是根据又一例示实施例的集线器设计的切半视图；
[0023]图12示出了用于根据例示实施例来识别OSS数据中的集线器设计的三个例示特征配置;并且
[0024]图13是根据又一例示实施例的示出了针对三个OSS使能的设备的跟踪的集线器设计的切半视图。
【具体实施方式】
[0025]根据本发明的原理，集线器设备包括直和/或弯曲段的组合，以创建在光学形状感测(OSS)系统中能够唯一并且容易的识别的形状曲率中的图案。在集线器沿第二仪器(例如，导丝)的长度的位置取决于第二仪器已经通过所述集线器被插入的量时，集线器沿第一仪器(例如，导管)的长度的位置能够机械地定义。通过检测在第一仪器的形状感测纤维中的唯一曲率图案(例如，直-弯曲-直、弯曲-直-弯曲、弯曲-直、直-弯曲等等)，能够识别第二仪器中与第一仪器共享几何关系(例如，位于其内部或者与其靠近)的部分。然后，能够使用基于曲率或者基于形状的实施方案来执行在这两个纤维之间的配准。
[0026]所述集线器包括针对第二仪器例如进入第一仪器的位置而仔细选择的形状。集线器使得能够执行在两个仪器之间的实时形状到形状的配准。集线器也能够被用于扭转仪器。本发明的原理应用于光学形状感测到医学设备中的任意集成，其中，采用相对于彼此具有已知几何结构的两个设备。在尤其有用的实施例中，这应用于导丝和导管(或者手动地和/或机器人控制的)，但能够被扩展到内窥镜、气管镜等以及其他这样的应用。
[0027]OSS采用沿着多芯光纤的光以用于在手术介入期间的设备定位和导航。所涉及的一个原理利用在光纤中的分布式应变测量，其使用特征瑞利背散射或者受控的光栅图案(光纤布拉格光栅(FBG))。沿光纤的形状开始于沿传感器的特定点(已知为起点或z = 0)处，并且随后的形状位置和取向是相对于所述点的。
[0028]在多线缆形状感测中，其中，使得多个仪器能够光学形状感测，这些仪器中的每个仪器需要被配准到参考成像帧。备选地，如果一个仪器被配准到参考成像帧，那么随后的设备能够被简单地配准到第一仪器。在设备之间的配准已知为“形状到形状”的配准。在尤其有用的实施例中，本原理提供了针对例如导丝到导管的进入点的集线器设计，其允许操作者扭转或操作以及在两个或更多个OSS使能的仪器之间的形状到形状的配准。
[0029]扭转是被用于手动操纵仪器的导航的要素。针对仪器的最佳扭转，有益的是具有沿着仪器的能够容易地抓取的把手或特征。例如，仪器操纵员通常被吸引到导丝进入点的位置，将导管作为用于扭转和操控导管的特征。为了改善操作者操作和导航，优选将沿仪器的这一位置与集线器设计相匹配，其提供足够的抓取和操作特征。对这种接合的机械约束的另一优点在于，改善了光学形状感测稳定性。沿仪器的任意接合或过渡点具有在形状重建中引入误差或不稳定性的可能。集线器设计缓冲来自收聚以及过多弯曲或张力的纤维。
[0030]在没有形状到形状的配准的情况下，每个设备都将需要被独立地配准到参考图像帧。出于至少如下原因，这是不理想的。如果手动或半自动地执行这种配准，会花费额外的时间来设置每个设备，并且可能执行额外的荧光透视曝光等，以将每个设备配准到X射线视场。每个配准将具有一些误差，并且这将导