专利名称：用于具有实时位置跟踪的观测仪器的柔性仪器通道插件的制作方法
用于具有实时位置跟踪的观测仪器的柔性仪器通道插件本公开涉及医学设备，具体而言涉及采用光纤技术在程序中进行位置跟踪的医学设备。将支气管镜导航至肺部支气管树中的目标即使对有经验的医师来说也是非常用有挑战性的。对于疑似恶性或其它增生的情况，通常通过计算机断层摄影(CT)来识别目标，并且作为后续，经由支气管镜的仪器通道进行活检。然而，在使用支气管镜时，通常缺乏用于确定在分支点进行导航的方向的视觉信息并因而使得医生失去方向感。到达目标的过程可能非常低效，其可以导致增加的程序时间或错误位置的组织活检。对肺脏学家来说，一种使支气管镜顶端的位置与CT图像体积(volume)相关的具有鲁棒性的方法将会是明显的进步。为了实现这一目标提出过不同的方法，并且每种都有其不足。一种方法包括电磁(EM)导航。在好的情形下，精度会在1-2_的范围内，这是足够 的。该方法包含冗长而复杂的设置过程，其中要环绕患者定位EM传感器。另外，该方法对外场的存在敏感，外场可明显降低精度。另一方法包括将由支气管镜观察到的视觉特征与从程序前采集的3D数据组获得的3D飞掠重建(fly-through reconstruction)配准。该方法的不足是经常没有足够的用于提供鲁棒性配准的视觉提示。提供一种可靠地执行医学设备的定位和放置的系统和方法将会是有利的。根据本发明的原理，提供了一种用于确定仪器的位置的装置、系统和方法。护套被配置为适配到医学观测仪器的仪器通道内。在所述护套内设置一条或多条光纤并且在(一条或多条)光纤中集成多个传感器。所述传感器被配置为测量所述光纤的偏转和弯曲。固定机构的尺寸适于在第一状态适配到仪器通道内，并在第二状态固定护套在仪器通道内从而所述固定机构锚定护套和光纤以便采用光纤的偏转和弯曲来确定仪器的位置。一种用于跟踪医学设备的一部分的系统，包括集成在光纤上并设置在柔性插件内的分布式光纤光栅(FBG)，所述柔性插件能够被定位到医学设备的仪器通道内。一种光学系统被配置为向所述FBG传送光并从所述FBG接收光从而测量所述光纤的偏转。一种计算机系统，包括形状确定程序，其被配置为计算与光纤的偏转相关的参数并确定柔性插件的构型；以及图体积，其从程序前扫描采集，从而基于所述柔性插件的构型和图体积之间的比较，确定所述医学设备的位置。—种用于跟踪医学设备的一部分的方法包括将护套插入到仪器通道中，所述护套包括光纤和集成到光纤的多个分布式传感器；将护套锚定到仪器通道内；使用患者的程序前体积确定患者体内的参考位置，并且使用传感器确定光纤的形状；以及将形状与所述程序前体积相关以提供医学设备的一部分的位置。通过结合附图理解以下图示性实施例的详细描述，本公开的这些和其它的目的、特征和优点将会显而易见。本公开将参照如下附图详细介绍如下优选实施例的描述，其中图I示出了包括光纤光栅(FBG)的光纤、折射率与距离的图和因FBG导致的光谱响应；图2示出了在三维空间中偏转的光纤三联体；
图3是示出了其中具有装置的观测仪器的截面图的示意图，其中所述装置包括具有FBG和用于锚定柔性插件的末端部分的气球的柔性插件；图3A是示出了图3中截面图的示意图，其中气球膨胀用于锚定所述柔性插件的末端部分；图4是从图3的剖面线4-4获取的截面图；图5是从图3中剖面线5-5获取的截面图；以及图6是示出根据本发明的实施例用于跟踪体内的支气管镜的图示性程序的流程图。 本公开描述了一种用于实时无标记(无需患者身上的外部标记)跟踪医学设备的顶端的装置和方法，其中所述医学设备例如是支气管镜。传感器，例如光纤光栅(FBG)被集成到柔性插件内，该柔性插件可定位在设备的仪器通道内。一种系统可包括(I)支气管镜或其它仪器，其具有至少一个仪器通道、光源、和用于采集图像的光学系统(例如，位于顶端或光纤束上的CCD相机)，(2)至少一条光纤，其包括多个FBG用于以空间分布的方式监测所述光纤的偏转或弯曲，(3)光学控制台，其传送光到所述FBG并从所述FBG接收光，所述光学控制台具有相应的形状确定程序，该程序计算与光纤偏转相关的参数，以及(4)计算机系统，其具有从程序前扫描采集的支气管树的3D体积，优选地具有例如支气管树的分割。所述装置和方法帮助医师或技术人员在导航通过支气管树或其它结构的分支点时定向，使得能够更有效地到达目标，减少程序所需要的时间并确保更加容易地从正确位置进行活检。在一个图解性实施例中，提供一种用于实时无标记跟踪支气管镜的顶端的系统。所述系统优选地使用集成到柔性护套或插件内的光纤光栅(FBG)，该柔性护套或插件可插入到支气管镜的仪器通道中。一条、两条、三条或更多的光纤可包括集成的FBG，其相互联合使用从而实时地跟踪光纤的3D形状。应该理解，本发明将根据医学仪器进行描述；然而，本发明的教导更加宽泛并可用于任何在跟踪或分析复杂生物或机械系统时所采用的仪器。特别地，本原理适用于肺部支气管镜检查程序，以及身体其它区域的内窥镜检查程序例如胃肠道、血管，等等。附图中所描绘的元件可以以各种硬件和软件的结合来实现并且提供可组合在一个元件或多个元件中的功能。附图中所示各种元件的功能可以使用专用硬件以及能够结合合适软件以执行软件的硬件来提供。在由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器、由单个共用处理器、或由其中一些是共用的多个独立处理器提供。另外，术语“处理器”或“控制器”的明确表述并不限制于单指能够执行软件的硬件，也可暗示包括，但不限于，数字信号处理器(“DSP”)硬件，用于存储软件的只读存储器(“R0M”)，随机存取存储器(“RAM”)，和非易失性存储设备。此外，本文中记载本发明的原理、方面、和实施例、以及它们的特定实例的所有表述，旨在包括它们的结构或功能等价物。额外地，这样的等价物旨在包括目前己知的等价物以及将来发展出的等价物(即，发展出的执行相同功能的任何元件，不管结构如何)。因此，例如，本领域技术人员将会理解，本文中示出的方框图表示体现本发明原理的图示性系统部件和/或电路的概念性视图。类似地，将要理解，任何流程表、流程图、状态变化图、伪代码以及类似物表示可在计算机可读存储介质中实质性表示并因此通过计算机或处理器执行的各种过程，不管所述计算机或处理器有没有明确示出。进一步，本发明的实施例可以以计算机程序产品的形式来实现，所述计算机程序产品能够通过计算机可用或计算机可读介质来访问，提供用于或连接到计算机或任何指令执行系统的程序代码。为了此描述的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是任何装置，其可能包括存储、通信、传播、或转移用于或连接到指令执行系统、装置、或设备的程序。所述介质可以是电子的、磁的、光学的、电磁的、红外、或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可擦除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。当前光盘的范例包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、激光盘-读/写存储器(CD-R/W)和DVD。现在参考附图，其中相似的数字表示相同或相似的元件，并首先参考
图1，图示地描绘了光纤光栅(FBG) 10。在特别有用的实施例中，所述FBG 10包括光纤12的一短段，其反射特定波长的光并透射所有其它的。这是通过在纤芯16中加入折射率的周期性变化14 来实现的，其产生特定波长的介质镜。图示性示出了纤芯折射率与距离的绘图20。因此光纤光栅10可被用作用于阻挡特定波长的队列式(inline)光学滤波器，或用作特定波长反射器。输入光谱22和相应的输出光谱24及26图解地示出了输入光谱22的透射部分(光谱24)和反射部分(光谱26)。光纤光栅10工作的基本原理是在折射率变化的每一界面的菲涅尔反射。对于特定的波长，不同周期的反射光是同相从而反射存在相长干涉，并且因此透射存在相消干涉。中心波长对应变以及温度敏感。这意味着光栅可用作光纤传感器中的感测元件。在FBG传感器中，应力导致中心波长的位移，ΛλΒ。由施加应力(ε )和温度变化(AT)引
起的中心波长相对偏移，Λ λ Β/λ Β，可近似地表示为^i=Cse+CTAT。系数Cs称为应力系数并且其大小通常在约O. 8xl0_6/μ ε或者绝对数量约为lpm/μ ε)。系数CT描述传感器的温度敏感性；其由热膨胀系数和热光效应组成。它的值大约在7χ10_6/Κ (或者绝对数量为13pm/K)。尽管FBG特别适用于本原理，但是也可采用其它传感器。参考图2，光纤三联体30包括三条光纤34和三个FBG 32。采用三联体30或多条光纤/FBG元件的一个优势是多个传感器元件可以分布在光纤的长度范围内。例如，沿嵌入到结构中的光纤的长度并入具有不同传感器(计量器)的三个芯，能够准确地确定这种结构的三维形态。沿光纤34长度的多个位置定位FBG传感器32。通过每个FBG 32的应力测量结果，可以推出结构30在三维空间(x，y，z)中的位置处的曲率。通过多个测量位置，可确定总体三维形态。光纤34优选地装在柔性材料中，诸如医用高分子材料(例如，PEEKTM)。纤芯35在内嵌的截面视图中示出。围绕光纤的护套36可由医用高分子材料、硅树脂、或其它合适材料构成。参考图3，图解地描绘了用于实时无标记跟踪医学仪器的顶端的装置或设备100。通过截面图描绘装置100以使得设备的一部分可见。设备100可包括支气管镜、导管、或类似设备。设备100至少包括一个仪器通道102，其被配置为容纳其中具有传感器106的护套、插件或管104。光源108可在设备100的末端提供或位于近端并用于通过光纤112发射光。光学系统114包括用于采集图像的部件。这些部件110可包括，例如，位于设备100的顶端的C⑶相机110，光纤束等。在护套104中提供包括一个或多个传感器106的至少一条光纤112，所述传感器优选地包括以空间分布的方式监视光纤112的偏转或弯曲的光纤光AI(FBG)0光学系统114包括光学控制台116，其将光传送到FBG 106并从FBG接收光。控制台116可连接至计算机系统130，其包括具有相应的形状确定程序122的存储器设备118和操作系统120，该形状确定程序计算与光纤112的偏转相关的参数。计算机系统130 (其可能包括控制台116或者作为一个独立的系统)包括从程序前扫描或其它来源采集的支气管树的3D体积150，优选地伴有用于支气管程序的支气管树的分割(或图)。尽管所述范例描述支气管树，但是可以理解其它与本申请一致的其他体积、图、或图像均可被采用/提供。控制台116可包括光学收发器117以发射和接收光学信号或光和/或从设备100的远端取回实况图像。相机110可用在观测仪器的末端以将视频数据发送回控制台116。来自相机110和/或来自光纤112的视频数据可以与3D体积或图150相关，如下文中将描述的。
在所描述的图解性实施例中，护套104将具有FBG 106的光纤112封入支气管镜的仪器通道102内。包括一种固定机构140并且其能够以至少两种状态操作。在未膨胀的状态，通道102的直径足够大以允许医师/技术人员将护套104插入到观测仪器或设备100的仪器通道102中。在膨胀状态，护套104的至少一部分与仪器通道102的壁接触，并且因此在护套104的壁和仪器通道102上会有压力。这种膨胀状态可抵抗护套104相对于壁的滑动，优选地位于支气管镜或设备100的远端。这使得光纤112的弯曲与支气管镜100的弯曲非常接近。所述膨胀状态可以通过采用气球142和使气球142膨胀的充气管144来实现。图3示出了未膨胀状态的气球142，而图3A示出了膨胀状态的气球142。在光学控制台116和包括支气管树的3D体积150的计算机系统130之间可有数据连接148，或者控制台116可以包括在计算机系统130中。计算机系统130产生显示138，该显示示出在由3D体积150识别的支气管树内由形状确定程序122 (使用由传感器106 (例如，FBG)测得的应变)确定的支气管镜顶端的位置。计算机系统130可包括用户接口 152，其用于与控制台116、设备100和/或体积/图150交互。接口 152可包括键盘、鼠标、触摸屏系统等。参考图4，描绘了从图3中剖面线4-4处获取的截面。以允许护套104无阻力地插入到观测仪器或设备100的仪器通道中的直径将三个FBG 106对称地布置在柔性护套104内。柔性灌封材料105将包括FBG 106的光纤相对于彼此以及相对于护套104保持在适当的位置。通过将光纤固定在灌封材料105中，可以获得可预测的应变反应。参考图5，描绘了从图3中剖面线5-5处获取的截面。在支气管镜或设备100的顶端，圆环形状气球142稳固地附接到柔性插件或护套104。气球142可以借助于压力充气和放气，所述压力经由朝柔性护套104外的支气管镜100近端延伸的薄柔性管道144传送。在其放气状态，气球不会对仪器通道102的内壁施加显著的压力。在其充气状态，气球142对仪器通道102的内壁施加压力，以产生防止气球/护套组合容易地从仪器通道102中缩回的显著摩擦。参考图6，根据一个实施例图解地示出了采用设备(100)的一种方法。可以如下地采用护套(104) /气球(142)的组合。在方框202，针对将被检查的解剖区域(程序的主体)采集程序前扫描(例如，CO。在方框204，针对支气管镜检查或其它程序对患者进行准备。在方框206，护套(104)连接到光学控制台(116)并被插入到支气管镜的仪器通道(140)中，气球(142)处于放气状态。护套被插入到仪器通道中。护套包括光纤和与光纤(或多个光纤)集成的多个分布式传感器。在方框208，护套被锚定在仪器通道内。这可包括采用气球(142)。为气球充气以将护套(104)固定在支气管镜或设备(100)内。气球在仪器通道的顶端给光纤施加压力产生光纤上的应变以在身体内部定位仪器通道的顶端。气球在光纤上产生的应变将提供所述顶端的位置的指示。在方框210，将观测仪器/设备(例如，支气管镜)插入到患者体内。在方框212，利用患者的程序前体积确定患者体内的参考位置。在诸如支气管树的入口的特定位置，医生指示计算机系统(130)特定位置对应于参考位置并在程序前图像体积上注释相应的位置。在方框214，使用传感器确定光纤的形状，所述形状与程序前体积相关以提供医学设备的一部分的位置。随着支气管镜进一步插入到支气管树内，通过计算机系统(130)，将由形状确 定程序(122)确定的支气管镜的形状与程序前体积相关，优选地具有分割的支气管树。所述形状确定程序从光纤光栅接收光学测量结果作为输入并提供其中嵌入了 FBG的柔性结构的三维形状的估计作为输出。所述程序可包括分两步骤的过程，其中首先光学测量结果被转化为应变测量结果；然后组合处理应变测量结果以产生柔性结构的三维形状的估计。这一相关将反映支气管镜的顶端在支气管树中的位置；实时显示所述位置，以引导医生到达目标组织。在方框216，可采集视频数据以重建身体的图像(从内部)。在采集支气管镜视频数据时，可使用根据图像阴影提示(image shading cue)的3D重建快速算法以获得支气管镜视场内的表面图。在方框217，使用从传感器导出的形状信息将图像映射回实际空间，从而提供相机空间中的图像像素和光学形状感测参考坐标系之间的映射。视频图像中的每一 3D表面通过使用从FBG数据导出的支气管镜相机位置(例如，在观测仪器100的末端)和取向信息结合校准矩阵而被映射回实际3D空间中，所述校准矩阵将相机空间中的图像像素映射回光学形状感测参考坐标系中。可以利用搜索并比较图像以识别最佳匹配的程序执行视频处理和图像比较。以这种方式，提供充足和冗余的线索以在程序期间实时地识别至少测量仪器的远端的位置和取向。在方框218，可以利用程序前体积成像动态地配准重建图像以进一步改善配准的质量和导航的精度。来自FBG使能的支气管镜系统的3D重建气道表面可以与来自CT或磁共振(MR)的程序前体积成像配准以进一步改善配准和导航精度。例如，可以分割程序前体积图像以导出支气管的3D轮廓，然后其可用作在先信息以改善相机空间中图像像素和光学形状感测坐标系之间的映射精度。例如，可以利用从程序前体积图像估计的支气管3D轮廓来确定支气管镜的空间位置的约束。用于解释所附权利要求，应当理解a)词语“包括”并不排除在给定权利要求中所列出之外的其它元件或操作的存在；b)位于元件前的词语“一”并不排除多个这样元件的存在；
c)权利要求中的任何附图标记并不限制它们的范围；d)几种“装置”可以表示为相同条目或硬件或软件实现的结构和功能；并且e)所述动作并不意在需要特定的顺序除非有特殊说明。在描述了用于具有实时位置跟踪的观测仪器的柔性仪器通道插件的系统和方法的优选实施例(其旨在用作图示性而非限制性)后，可注意到，通过以上教导，本领域技术人员可以进行修改和变形。因此应该理解，可以对如所附权利要求中描述并在此处所公开的 实施例的范围内公开的公开物的特定实施例进行变化。通过描述了专利法所要求的细节和特性，在所附权利要求中阐明了主张和期望被专利许可证保护的内容。
权利要求
1.一种用于确定位置的装置，包括 护套(104)，其被配置为适配到医学观测仪器的仪器通道内； 至少一条光纤(112)，其被设置到所述护套内； 多个传感器(106)，其与所述至少一条光纤光学通信，所述传感器被配置为测量所述光纤的偏转和弯曲；以及 固定机构(140)，其尺寸适于在第一状态适配到所述仪器通道内，并在第二状态固定所述护套到所述仪器通道内从而所述固定机构锚定所述护套和所述至少一条光纤以便采用所述光纤的所述偏转和弯曲来确定所述仪器的位置。
2.如权利要求I所述的装置，其中，所述多个传感器(106)包括用于测量应变的分布在所述至少一条光纤的长度上的光纤光栅。
3.如权利要求I所述的装置，其中，所述至少一条光纤(112)包括光纤三联体。
4.如权利要求I所述的装置，其中，所述固定机构(140)包括气球(142)和充气管(144)从而当所述气球膨胀时所述护套被锚定到所述仪器通道内。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述气球(142)包括圆环形状从而所述护套适配到所述圆环形状内并且所述圆环形状的外部接触所述仪器通道的内部。
6.如权利要求I所述的装置，其中，所述固定机构(140)被定位在所述仪器通道的顶端并且产生所述至少一条光纤的应变以在身体内部定位所述仪器通道的所述顶端。
7.一种用于跟踪医学设备的一部分的系统，包括 空间分布的光纤光栅(FBG) (106)，其集成到光纤(112)上并且被设置在柔性插件(104)内，所述柔性插件可被定位在所述医学设备的仪器通道内； 光学系统(114)，其被配置为将光传送到所述FBG，并且从所述FBG接收光，从而测量所述光纤的偏转； 计算机系统(130)，包括 形状确定程序(122)，其被配置为计算与所述光纤的所述偏转相关的参数并确定所述柔性插件的构型；以及 图体积(150)，其通过程序前扫描采集，从而基于所述柔性插件的所述构型和所述图体积之间的比较，确定所述医学设备的位置。
8.如权利要求7所述的系统,其中,所述光纤(112)包括光纤三联体。
9.如权利要求7所述的系统，还包括固定机构(140)，其尺寸适于在第一状态适配到所述柔性插件内，并在第二状态固定所述柔性插件到所述仪器通道内从而所述固定机构锚定所述柔性插件和所述光纤。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述固定机构(140)包括气球(142)和充气管(144)，从而当所述气球膨胀时所述柔性插件被锚定到所述仪器通道内。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述气球(142)包括圆环形状从而所述柔性插件适配到所述圆环形状内并且所述圆环形状的外部接触所述仪器通道的内部。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述固定机构(140)被定位在所述仪器通道的顶端并产生所述光纤的应变以在身体内部定位所述仪器通道的所述顶端。
13.一种用于跟踪医学设备的一部分的方法，包括 将护套插入(206)到仪器通道中，所述护套包括光纤和集成到所述光纤的多个分布式传感器； 将所述护套锚定(208)到所述仪器通道内； 使用患者的程序前体积确定(212)所述患者体内的参考位置； 使用所述传感器确定(214)所述光纤的形状并将所述形状与所述程序前体积相关以提供所述医学设备的所述一部分的位置。
14.如权利要求13所述的方法，还包括 采集(216)视频数据用于重建图像；以及 通过使用相机位置、从所述传感器导出的形状信息和将相机空间的图像像素映射回光学形状感测参考坐标系的校准矩阵，将所述图像映射(217)回实际空间。
15.如权利要求14所述的方法，还包括 使用程序前体积成像动态配准(218)重建图像以进一步改善配准质量和导航精度。
16.如权利要求13所述的方法,其中，所述传感器包括分布在所述光纤的长度上的多个光纤光栅，并还包括使用所述光纤光栅测量(214)偏转。
17.如权利要求13所述的方法，其中，锚定(208)包括提供气球和充气管从而当所述气球膨胀时所述护套被锚定到所述仪器通道内。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述气球包括圆环形状从而所述护套适配到所述圆环形状内并且所述圆环形状的外部接触所述仪器通道的内部。
19.如权利要求13所述的方法，其中锚定(208)包括向所述仪器通道的顶端处的所述光纤施加压力以产生所述光纤的应变从而在身体内部定位所述仪器通道的所述顶端。
全文摘要
提供一种用于确定仪器(100)位置的装置、系统和方法。护套(104)被配置为适配到医学观测仪器的仪器通道内。在所述护套内设置光纤(112)，并且在光纤中集成多个传感器(106)。所述传感器被配置为测量所述光纤的偏转和弯曲。固定机构(140)的尺寸适于在第一状态适配到所述仪器通道内，并在第二状态固定所述护套到所述仪器通道内从而所述固定机构锚定所述护套和所述光纤以便采用所述光纤的偏转和弯曲来确定所述仪器的位置。
文档编号G02B6/02GK102711587SQ201080061429
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年1月14日
发明者A·E·德雅尔丹, G·T·霍夫特, G·谢克特, R·陈 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司