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在末端不固定的情況下使用光學(xué)形狀感測對超聲探頭的自動跟蹤和配準(zhǔn)的制作方法

文檔序號:11629525閱讀:190來源:國知局
在末端不固定的情況下使用光學(xué)形狀感測對超聲探頭的自動跟蹤和配準(zhǔn)的制造方法與工藝

本公開涉及醫(yī)學(xué)器械,并且更具體涉及具有與超聲探頭集成的無約束形狀感測光纖的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。



背景技術(shù):

光學(xué)形狀感測(oss)使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。所涉及的一種原理利用使用特征銳利背向散射或受控的光柵樣式的光纖中的分布式應(yīng)變測量。沿著光纖的形狀在沿著傳感器的被稱為發(fā)起點(或z=0)的特定點處開始,并且后續(xù)的形狀位置和取向是相對于該點的。對于有意義的臨床使用而言,形狀感測設(shè)備需要被配準(zhǔn)到成像參考系(諸如術(shù)前計算機斷層攝影(ct)圖像或?qū)崨r熒光透視圖像)。

在多系繩形狀感測中,其中,利用光學(xué)形狀感測使能多個設(shè)備,這些設(shè)備中的每個設(shè)備需要被配準(zhǔn)到成像參考系。備選地,如果一個設(shè)備被配準(zhǔn)到成像參考系,那么后續(xù)設(shè)備能夠被簡單地配準(zhǔn)到該第一設(shè)備。設(shè)備之間的配準(zhǔn)被稱為“形狀到形狀”配準(zhǔn)。

在被配準(zhǔn)時,術(shù)前ct提供對于介入流程有用的大量信息;該信息不是實況的并且不響應(yīng)于在流程期間的狀況而更新。實況超聲成像擴增該術(shù)前數(shù)據(jù)并且在介入流程期間給出有臨床價值的深入觀察。然而,為了使該實況成像的價值最大化,所述信息將需要被配準(zhǔn)到患者空間和工具空間。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

根據(jù)本原理,一種配準(zhǔn)設(shè)備,包括附接件,所述附接件被配置為與成像探頭相符合并且耦合到所述成像探頭。在所述附接件中或者在所述附接件上形成的通路被配置為接收光學(xué)形狀感測設(shè)備,使得所述光學(xué)形狀感測設(shè)備能夠自由浮置以允許在所述通路內(nèi)的縱向扭轉(zhuǎn)。所述通路包括用于對所述光學(xué)形狀感測設(shè)備進行成形的獨特的幾何結(jié)構(gòu),使得所述獨特的幾何結(jié)構(gòu)提供在使用所述成像探頭所收集的圖像內(nèi)的模板樣式,以允許成像坐標(biāo)與光學(xué)形狀感測坐標(biāo)之間的配準(zhǔn)。

另一種配準(zhǔn)系統(tǒng),包括附接件,所述附接件被配置為與用于成像系統(tǒng)的成像探頭相符合并且耦合到所述成像探頭。在所述附接件中或者在所述附接件上形成的通路被配置為接收光學(xué)形狀感測設(shè)備,使得所述光學(xué)形狀感測設(shè)備能夠自由浮置以允許在所述通路內(nèi)的縱向扭轉(zhuǎn)。所述通路包括用于對所述光學(xué)形狀感測設(shè)備進行成形的獨特的幾何結(jié)構(gòu),使得所述獨特的幾何結(jié)構(gòu)提供在使用所述成像探頭所收集的圖像內(nèi)的模板樣式。配準(zhǔn)模塊被配置為將與所述模板樣式相對應(yīng)的被存儲在存儲器中的形狀模板與包括所述模板樣式的圖像進行比較,以允許成像坐標(biāo)與光學(xué)形狀感測坐標(biāo)之間的配準(zhǔn)。

一種用于配準(zhǔn)的方法,包括:將附接件連接到成像探頭,所述附接件被配置為與用于成像系統(tǒng)的成像探頭相符合并且耦合到所述成像探頭;將光學(xué)形狀感測設(shè)備放置于在所述附接件中或者在所述附接件上形成的通路中,所述通路允許所述光學(xué)形狀感測設(shè)備自由浮置以允許在所述通路內(nèi)的縱向扭轉(zhuǎn),所述通路包括用于對所述光學(xué)形狀感測設(shè)備進行成形的獨特的幾何結(jié)構(gòu),使得所述獨特的幾何結(jié)構(gòu)提供在使用所述成像探頭所收集的圖像內(nèi)的模板樣式;并且將與所述模板樣式相對應(yīng)的被存儲在存儲器中的形狀模板與包括所述模板樣式的圖像相配準(zhǔn),以在成像坐標(biāo)與光學(xué)形狀感測坐標(biāo)之間進行配準(zhǔn)。

本公開的這些和其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點將根據(jù)要結(jié)合附圖閱讀的其例示性實施例的以下詳細(xì)說明而變得顯而易見。

附圖說明

本公開將參考以下附圖詳細(xì)呈現(xiàn)優(yōu)選實施例的以下說明,在附圖中:

圖1是根據(jù)一個實施例的、示出被配置為將光學(xué)形狀感測系統(tǒng)與成像模態(tài)相配準(zhǔn)的配準(zhǔn)系統(tǒng)的框圖/流程圖;

圖2a是根據(jù)一個實施例的示出了用于經(jīng)食道超聲心動圖(tee)探頭的裂開的一半附接件或頭帽的透視圖;

圖2b是根據(jù)一個實施例的示出了供tee探頭使用的閉合的圖2a的裂開的一半附接件的透視圖;

圖2c是根據(jù)一個實施例的示出了用于示出oss管腔的tee探頭的裂開的一半附接件的圖像;

圖3示出了根據(jù)一個實施例的具有附接件并且示出兩個自由度的tee探頭的側(cè)透視圖;

圖4示出了根據(jù)一個實施例的其中具有附接件的tee探頭和用于oss光纖的保護性外部管腔的側(cè)透視圖;

圖5示出了根據(jù)一個實施例的附接件能夠附著到的外部成像探頭和相對于所述探頭的例示性光纖路徑的透視圖;

圖6是根據(jù)一個實施例的具有附著到其的附接件的外部成像探頭與在附接件中所提供的oss光纖的透視圖;

圖7是根據(jù)另一實施例的附著到探頭并且具有在附接件中所提供的oss光纖的鉸鏈附接件的透視圖;

圖8是根據(jù)另一實施例的改造為探頭并且具有在附接件中所提供的oss光纖的附接件的透視圖;

圖9是根據(jù)本原理的示出了被匹配到模板樣式以將oss坐標(biāo)系與超聲坐標(biāo)系相配準(zhǔn)的形狀模板的圖像;并且

圖10是根據(jù)例示性實施例的示出了用于將光學(xué)形狀感測光纖與成像模態(tài)相配準(zhǔn)的方法的流程圖。

具體實施方式

根據(jù)本原理,提供了用于跟蹤超聲空間相對于光學(xué)形狀感測(oss)空間的位置的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。超聲成像,并且特別是經(jīng)食道超聲心動圖(tee)成像,常常被用于介入式心臟流程和血管流程;然而,將光纖附接到tee探頭以便將oss空間配準(zhǔn)到tee圖像空間提出了重大的機械方面的挑戰(zhàn)。本實施例提供了克服這些挑戰(zhàn)并且適用于各種超聲換能器的機構(gòu)。在一個范例中,提供特定的樣式或模板,作為夾到矩陣超聲探頭上的附接件。這確保了oss不需要是固定的并且光纖的任何部分能夠穿過探頭。通過沿著針對匹配樣式的oss重建的長度進行搜索,可以計算超聲探頭相對于oss的位置以及超聲圖像/體積相對于oss的位置。當(dāng)超聲換能器被移動時,oss實時地更新探頭的位置以及體積。

為了實現(xiàn)oss光纖與市售超聲探頭的集成,可以采用外部設(shè)備類型的集成或者可以采用內(nèi)部集成設(shè)備。在任一種情況下,光纖可以被改造或制造為超聲探頭。與超聲探頭的內(nèi)部集成可能伴隨有額外的成本和努力以修改市售探頭的結(jié)構(gòu)。提供了具有可逆外部設(shè)備的oss增強的超聲以解決這些挑戰(zhàn)中的一些挑戰(zhàn)。

應(yīng)當(dāng)理解,本原理可以被用于任何內(nèi)部或外部探頭。在特別有用的實施例中,廣泛用于心臟流程的經(jīng)食道超聲心動圖(tee)探頭、或者常常被用于血管和產(chǎn)科成像的外部矩陣陣列探頭(例如,x6-1探頭)可以與oss一起采用,并且在本文中被用作范例。本原理解決面對oss與探頭集成的(特別是針對可逆外部集成)的挑戰(zhàn)。

例如,將oss光纖附接到tee探頭以使得探頭圖像空間能夠被配準(zhǔn)到oss空間會面對許多挑戰(zhàn)。例如,一些挑戰(zhàn)包括:將光纖固定到探頭,使得能夠提供對換能器的可重復(fù)的六個自由度的配準(zhǔn);以足夠小的剖面(profile)創(chuàng)建可逆附接以適合于食管插入;創(chuàng)建將容納tee探頭的頭部和主體的運動的針對光纖的支撐管腔;準(zhǔn)確地并且實時地將光纖空間配準(zhǔn)到超聲圖像空間;解決與創(chuàng)建對超聲探頭硬件的永久改變以固定oss光纖的末端(tip)等相關(guān)聯(lián)的高成本。

這些限制能夠通過找到對光纖進行固定以及創(chuàng)建可逆低成本改造附接的備選方案來克服。由于探頭的頭部需要在6個dof中被跟蹤,因而光纖末端需要被剛性地固定到跟蹤輥。這是對常規(guī)系統(tǒng)中的光纖可靠性和性能的嚴(yán)重?fù)p害。通過采用根據(jù)本原理的模板,光纖能夠浮置而不固定末端。這改善了光纖的可靠性、性能和壽命。

根據(jù)本原理的實施例可以包括硬件集成,其將oss光纖附接到超聲成像探頭并且提供用于將oss光纖配準(zhǔn)到物理集成(integration)的方法。在一個實施例中,所述物理集成被配準(zhǔn)到探頭的頭部。由于一些實施例聚焦于出于跟蹤探頭的目的用于將oss光纖與超聲探頭集成的外部方法,因而光纖能夠被重復(fù)地配準(zhǔn)到附接硬件,其繼而被配準(zhǔn)到超聲空間。所述硬件集成包括超聲探頭與自由浮置的oss光纖的集成。

超聲是這樣一種成像模態(tài),其以基于針和導(dǎo)管的介入的許多形式用于為介入提供實時的圖像引導(dǎo)。光學(xué)形狀感測能夠通過重建在其中其被集成的管腔的3維(3d)形狀來提供對這些流程的深入觀察。兩種技術(shù)的組合能夠允許實時的無輻射介入(例如,沒有x射線)。成像空間和oss信息需要被配置到彼此。根據(jù)本原理,oss光纖能夠是自由浮置的(不固定的)并且利用特定形狀的模板。所述超聲探頭能夠自由地移動,并且oss能夠使用允許實時配準(zhǔn)的特定形狀模板來跟蹤所述探頭。

不像形狀到形狀的配準(zhǔn)那樣,本原理實時地將形狀特征(像曲率)匹配到已知模板,其允許對一個或多個超聲圖像/體積的運動補償?shù)膶崟r跟蹤和配準(zhǔn)以及oss。在無需對超聲硬件或軟件的任何修改(對探頭的改變)的情況下,本原理還允許使用改造方案來使用具有超聲的oss。這在提供針對oss的該技術(shù)的容易的發(fā)起中是特別有用的(例如,在心臟或血管空間中)。通過跟蹤所述設(shè)備(即,導(dǎo)管或針)和超聲換能器兩者,即使在超聲圖像空間的原點是不固定的并且在沒有次級成像模態(tài)或跟蹤方法的情況下,所述介入設(shè)備能夠被配準(zhǔn)在超聲圖像空間中。這實現(xiàn)了針對oss使能的導(dǎo)航設(shè)備以及針對包括自動圖像切片選擇的超聲成像的解讀的高級功能(例如,跟蹤設(shè)備的平面,諸如虛擬內(nèi)部心臟超聲心動圖(ice)、虛擬血管內(nèi)超聲(ivus)或者其中小的一次性超聲探頭被放置在導(dǎo)管或其他設(shè)備上的其他方法的圖像信息的虛擬表示);高級信息(例如,設(shè)備位置、治療歷史和進度等)的圖像疊加;超聲圖像的復(fù)合(例如,將3維超聲體積縫合為更大的體積,對圖像進行疊加以改善圖像的分辨率并降低運動模糊,執(zhí)行增強的超聲彈性成像等);對設(shè)備進行配準(zhǔn)(例如,使用在ixr框架中的tee探頭的現(xiàn)有配準(zhǔn)(ixr是用于自動地在x射線空間中配準(zhǔn)探頭的方法,這常常被用在tee流程中以將超聲信息疊加在x射線圖像空間中),將探頭配準(zhǔn)到x射線空間以橋接將x射線到oss空間的配準(zhǔn)等);用于將超聲配準(zhǔn)到患者空間和oss空間使用的自動智能超聲;等等。

應(yīng)當(dāng)理解,將在醫(yī)學(xué)器械方面描述本發(fā)明;然而,本發(fā)明的教導(dǎo)寬泛得多并且適于任何光纖器械。在一些實施例中,在跟蹤或分析復(fù)雜的生物或機械系統(tǒng)中采用本原理。具體而言,本原理適于對生物系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤流程,在諸如肺、胃腸道、排泄器官、血管等的身體中的所有區(qū)域中的流程。附圖中所描繪的元件可以以硬件和軟件的各種組合來實施并且提供可以組合在單個元件或多個元件中的功能。

附圖中所示的各種元件的功能能夠通過專用硬件以及能夠運行與適當(dāng)軟件相關(guān)聯(lián)的軟件的硬件的使用來提供。當(dāng)由處理器提供時,所述功能能夠通過單個專用處理器、單個共享處理器、或者其中的一些可以共享的多個個體處理器來提供。此外,術(shù)語“處理器”或“控制器”的明確使用不應(yīng)當(dāng)被解釋為排他地指代能夠運行軟件的硬件,并且能夠隱含地包括,而不限于:數(shù)字信號處理器(“dsp”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“rom”)、隨機存取存儲器(“ram”)、非易失性存儲等。

此外,記載本發(fā)明的原理、各方面和實施例以及特定范例的在本文中的所有陳述旨在涵蓋其結(jié)構(gòu)和功能等同物兩者。另外,預(yù)期這樣的等同物包括當(dāng)前已知的等同物以及將來發(fā)展的等同物兩者(即,不管結(jié)構(gòu)如何,執(zhí)行相同功能的所發(fā)展的任何元件)。因此,例如,本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到,在本文中所呈現(xiàn)的框圖表示實現(xiàn)本發(fā)明的原理的例示性系統(tǒng)部件和/或電路的概念圖。類似地,將意識到,任何流程圖、流向圖等表示可以基本上表示在計算機可讀存儲媒介中并且因此由計算機或處理器運行的各種過程,無論這樣的計算機或處理器是否被明確示出。

此外,本發(fā)明的實施例可以采取由計算機可用或計算機可讀存儲介質(zhì)可訪問的計算機程序產(chǎn)品的形式,所述存儲介質(zhì)提供用于由計算機或任何指令運行系統(tǒng)使用或與其結(jié)合的程序代碼。出于該說明的目的,計算機可用或計算機可讀存儲介質(zhì)可以是可以包括、存儲、傳遞、傳播或傳輸用于由指令運行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備或與其結(jié)合的任何裝置。所述介質(zhì)可以是電子、磁性、光學(xué)、電磁、紅外或半導(dǎo)體系統(tǒng)(或裝置或設(shè)備)或傳播介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)的范例包括半導(dǎo)體、固態(tài)存儲器、磁帶、可移除計算機軟盤、隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)、剛性磁盤和光盤。光盤的當(dāng)前范例包括壓縮磁盤-只讀存儲器(cd-rom)、壓縮磁盤-讀/寫(cd-r/w)、blu-raytm和dvd。

現(xiàn)在參考附圖,在附圖中,相同的數(shù)字表示相同或相似的元件,并且初始地參考圖1,根據(jù)一個實施例,例示性地示出了用于利用形狀感測使能的設(shè)備來跟蹤并配準(zhǔn)圖像的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以包括工作站或控制臺112,從工作站或控制臺112監(jiān)督和/或管理流程。工作站112優(yōu)選包括一個或多個處理器114以及用于存儲程序和應(yīng)用的存儲器116。存儲器116可以存儲光學(xué)感測模塊115,光學(xué)感測模塊115被配置為解讀來自形狀感測設(shè)備或系統(tǒng)104的光學(xué)反饋信號。光學(xué)感測模塊115被配置為使用光學(xué)信號反饋(以及任何其他反饋,例如,電磁(em)跟蹤)來重建與醫(yī)學(xué)設(shè)備或器械102和/或其周圍區(qū)域相關(guān)聯(lián)的變形、偏離和其他改變。醫(yī)學(xué)設(shè)備102可以包括導(dǎo)管、導(dǎo)絲、探頭、內(nèi)窺鏡、機器人、電極、光纖設(shè)備、氣囊設(shè)備或其他醫(yī)學(xué)部件等。在一個特別有用的實施例中,醫(yī)學(xué)設(shè)備102包括具有附接件106的超聲探頭,附接件106包括具有獨特的幾何結(jié)構(gòu)的光纖承載模板或通路105,其可以適配在探頭102上或探頭102之上,處在通路或模板105中或者通過所述通路或模板105。附接件106可以包括醫(yī)學(xué)設(shè)備102的外殼、壁或包裝特征。附接件106可以包括可移除件(例如,裂開的一半、可脫卸的附接件等)或者包括醫(yī)學(xué)設(shè)備102的永久件。

形狀感測系統(tǒng)104傳遞到探頭102上或探頭102中的附接件106的模板或通路105中或以其他方式耦合到模板或通路105并且包括被耦合在一個或多個設(shè)定樣式中的系統(tǒng)104中的一條或多條光纖126。光纖126連接到工作站112。形狀感測系統(tǒng)104還可以包括導(dǎo)管、導(dǎo)絲或其他醫(yī)學(xué)部件等或被包括在導(dǎo)管、導(dǎo)絲或其他醫(yī)學(xué)部件中。

具有光纖的形狀感測系統(tǒng)104可以基于光纖布拉格光柵傳感器。光纖布拉格光柵(fbg)是反射特定波長的光并且透射所有其他波長的光的光纖的短段。這是通過在光纖纖芯中添加折射率的周期性變化來實現(xiàn)的,其生成特定波長的介質(zhì)鏡。因此,光纖布拉格光柵能夠被用作阻擋特定波長的內(nèi)聯(lián)光學(xué)濾波器或波長特異性反射器。

在光纖布拉格光柵的操作的背后的基本原理是在其中折射率改變的界面中的每個界面處的菲涅耳反射。對于一些波長而言,各種時段的反射光是同相的,使得針對反射存在相長干涉并且因此針對透射存在相消干涉。布拉格波長對于應(yīng)變以及對于溫度而言是敏感的。這意指布拉格光柵能夠被用作光纖傳感器中的感測元件。在fbg傳感器中,應(yīng)變引起布拉格波長的偏移。

本技術(shù)的一個優(yōu)點在于,各種傳感器元件能夠被分布在光纖的長度上。包含具有沿著嵌入在結(jié)構(gòu)中的光纖的長度的各種傳感器(量規(guī))的三個或更多個芯允許精確地確定這樣的結(jié)構(gòu)的三維形式,通常以比1mm的準(zhǔn)確度更好。沿著光纖的長度,在各種位置處,能夠定位大量fbg傳感器(例如,3個或更多個光纖感測芯)。根據(jù)每個fbg的應(yīng)變測量結(jié)果,能夠在該位置處推斷結(jié)構(gòu)的曲率。根據(jù)大量所測量的位置來確定總體三維形式。

作為光纖布拉格光柵的備選方案,能夠利用常規(guī)光纖中的固有背向散射。一種這樣的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)單模通信光纖中的瑞利散射。瑞利散射作為纖芯中的折射率的隨機波動的結(jié)果而發(fā)生。這些隨機波動能夠被建模為具有沿著光柵長度的幅度和相位的隨機變化的布拉格光柵。通過使用在多纖芯光纖的單個長度內(nèi)延伸的三個或更多個纖芯的這種效應(yīng),能夠跟隨感興趣表面的3d形狀和動力學(xué)。

在一個實施例中,模板105包括通過其的簽名(signature)光纖幾何結(jié)構(gòu)或模板樣式107。模板樣式107包括一條或多條曲線,所述一條或多條曲線在其中接收形狀感測系統(tǒng)104。模板樣式107優(yōu)選允許(一條或多條)光纖126在通路105內(nèi)浮置(末端不固定)。以這種方式,縱向或軸向應(yīng)變不在光纖中積聚。

空間或體積131內(nèi)的形狀感測系統(tǒng)104的圖像134能夠被顯示在顯示設(shè)備118上。可以使用任何成像模態(tài)或系統(tǒng)142(優(yōu)選使用探頭102)來捕獲圖像134。在特別有用的實施例中,成像模態(tài)或系統(tǒng)142包括超聲(us)。工作站112包括用于查看對象(患者)或體積131的內(nèi)部圖像的顯示器118,并且可以包括圖像134作為利用形狀感測系統(tǒng)104配準(zhǔn)的疊加或其他繪制。顯示器118還可以允許用戶與工作站112(并且可以包括觸摸屏接口)以及其部件和功能或者系統(tǒng)100內(nèi)的任何其他元件進行交互。這還由可以包括鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿、觸覺設(shè)備或任何其他外設(shè)或控件的接口120來促進,以允許來自工作站112的用戶反饋以及與工作站112的交互。

為了支持對超聲空間相對于oss空間的位置進行跟蹤的一個目標(biāo),存在關(guān)于將oss光纖126或系統(tǒng)104附接到超聲成像探頭102的若干考慮。配準(zhǔn)模塊130被配置為將oss光纖126或系統(tǒng)104配準(zhǔn)到物理集成(模板105和/或附接件106)。配準(zhǔn)模塊130還將物理集成106和/或模板105配準(zhǔn)到設(shè)備102(例如,探頭的頭部)。光纖126或系統(tǒng)104能夠被重復(fù)地被配準(zhǔn)到附接硬件或模板105,其繼而被配準(zhǔn)到超聲空間。對于要被有效地配準(zhǔn)到超聲空間的oss空間而言,光纖126能夠要么被剛性地安裝到探頭102,要么在光纖與探頭102之間的關(guān)系的任何改變可以被跟蹤并且被更新。然而,如果物理附接硬件106、oss系統(tǒng)104、或管腔/通路105重復(fù)地可附接到探頭102而不必重新校準(zhǔn)在光纖126與成像空間之間的配準(zhǔn)(即,例如,可以根據(jù)需要附接、移除和重新附接物理附接硬件、光纖、管腔或通路),則其將是有利的。對此,模板105、管腔等每次以完全相同方式(例如,鍵控的或適配的連接)附接到探頭102。另外,模板105需要是足夠剛性的,使得在常規(guī)使用的情況下,配準(zhǔn)到模板105的oss光纖空間將不相對于超聲圖像空間移動。

對于oss光纖126或系統(tǒng)104與物理附接硬件106/模板105的最佳配準(zhǔn)而言,光纖126需要以在oss空間與超聲空間之間僅能夠使用單個變換的方式相對于探頭102被跟蹤。這能夠通過確保包含取向和位置信息的光纖126的一些可識別的部分保持相對于超聲探頭一致而要么靜態(tài)地要么動態(tài)地實現(xiàn)。換言之,附接硬件或模板105提供設(shè)定形狀的光纖通路,使得能夠容易地識別駐留在通路內(nèi)的光纖的部分。此外,該通路的形狀特性應(yīng)當(dāng)使得駐留在通路內(nèi)的光纖的所述部分的形狀信息能夠被用于識別通路的位置和取向,其繼而剛性地可配準(zhǔn)到超聲成像空間。

為了使用沿著光纖126的單個點以用于將光纖點位置配準(zhǔn)到超聲空間,該點需要被剛性地固定到探頭102或物理附接硬件106或模板105。所述點包括相對于oss系統(tǒng)104的發(fā)起點或位置的位置和滾動取向信息。對所述點進行固定確保了位置和取向兩者能夠在一次手動或自動設(shè)置之后被跟蹤。然而,對光纖的兩個點(發(fā)起點和配準(zhǔn)點)進行固定是不理想的——光纖不能使其軸向扭轉(zhuǎn)松弛,并且光纖看到的路徑長度需要保持一致。

對于形狀識別配準(zhǔn)而言,能夠采用獨特的形狀以獲得來自光纖126的位置信息和取向信息兩者。如果光纖126采取探頭102周圍的預(yù)定義和不可變的路徑,則該路徑的曲率和形狀信息能夠被用于識別對于光纖變換的獨有的超聲圖像。形狀模板121能夠被創(chuàng)建并且被存儲在存儲器116中,其匹配光纖126在探頭102周圍采取的路徑,并且定義原點位置和取向的軸能夠相對于該形狀模板121來定義。形狀模板121能夠使用形狀到形狀的配準(zhǔn)被靜態(tài)地或動態(tài)地配準(zhǔn)到光纖126。來自形狀模板121的曲率信息能夠被用于找到處于預(yù)定義形狀的光纖126的定位。

在一次配準(zhǔn)初始化過程中,在超聲圖像與由形狀模板121定義的軸之間找到變換144。這能夠使用配準(zhǔn)體模來完成,其中,在超聲圖像中清楚地看到經(jīng)配準(zhǔn)的光纖。然后,能夠要么手動地要么自動地將超聲圖像與經(jīng)配準(zhǔn)的光纖的可視化相匹配。備選地,如果超聲圖像原點的定位和取向相對于探頭102上的點是已知的,則能夠計算配準(zhǔn)初始化變換。與形狀模板121對光纖126的實況配準(zhǔn)相組合的超聲圖像對形狀模板121的一次配準(zhǔn)導(dǎo)致光纖配準(zhǔn)的實況超聲圖像。

基于形狀的配準(zhǔn)的益處中的一些益處被描述如下。因為模板配準(zhǔn)獨立于軸向扭轉(zhuǎn),在形狀重建能力之內(nèi),沿著光纖126的扭轉(zhuǎn)不需要相對于探頭102進行約束。形狀自身(x,y,z位置)將提供任何必要的取向信息。浮置末端配置在扭轉(zhuǎn)、應(yīng)變松弛和光纖壽命方面對于光纖126是有益的。

對光纖126在探頭102周圍采取的預(yù)定義路徑的模板配準(zhǔn)獨立于沿著光纖126的位置。這意味著其設(shè)備中的光纖126能夠相對于探頭102滑動,給出針對操作者的添加的靈活性的可能性。形狀感測設(shè)備(系統(tǒng)104,諸如導(dǎo)管)不需要被定制以供與超聲探頭102一起使用,只要其足夠靈活以符合附接件內(nèi)的形狀模板通路??梢匝刂饫w126或系統(tǒng)104采用多個探頭。使用基于形狀的配準(zhǔn)的靈活性允許多個探頭利用一個設(shè)備來容易地跟蹤。

參考圖2a-2c,根據(jù)一個例示性實施例,示出了用于tee探頭的tee集成帽200。tee探頭是內(nèi)部超聲探頭的范例。通過其性質(zhì),tee探頭的頭部被設(shè)計為適配在人類食管內(nèi)部。為了維持該功能性,任何附接件需要具有也適合于插入食管中的纖細(xì)剖面。另外,將光纖附接到所述頭部需要適合于創(chuàng)建光纖空間與超聲空間之間的變換。對此,提供了超低剖面頭部帽200。可以在具有使用成型匹配的內(nèi)表面214制造的一半210的裂開的一半布置中制造頭部帽200,以將帽200可重復(fù)地定位在tee探頭(未示出)上?;谳喞膴A緊機構(gòu)212實現(xiàn)了非常低剖面的設(shè)計以及單個附接件螺釘204。在用于路由oss光纖(未示出)的帽200之內(nèi)或之上提供管腔或通道206。當(dāng)帽200在使用中時,換能器窗口216提供針對聲能的窗口。

參考圖3并且繼續(xù)參考圖2a、圖2b和圖2c,tee探頭300包括被定位在長的柔性主體或護套318的末端處的換能器302,并且在遠(yuǎn)側(cè)末端處,換能器的頭部200具有引起路徑長度改變的彎曲中的兩個自由度。圖3示出了tee遠(yuǎn)端部分的自由度,其示出了在每個方向上的總路徑長度改變。為了跟蹤tee探頭頭部304的運動并且由此跟蹤超聲成像空間的運動,光纖管腔206需要跟蹤tee探頭的頭部運動以避免扭結(jié)。由于管腔206將總是與由箭頭a和b所指示的這種彎曲的中心軸偏移,因而將存在與光纖的路徑相關(guān)聯(lián)的路徑長度改變。為了防止光纖扭結(jié),該路徑長度改變需要被管理。

該問題是通過彈性光纖管腔206、312(圖4)(例如,鎳鈦諾)的使用來解決的,其通過管腔夾等被附接到探頭頭部304(并且可以在探頭護套318的內(nèi)部或外部)。光纖管腔206、312(圖4)用于若干目的,包括提供受保護的管腔以將光纖引入到或通過頭部帽200,抵抗光纖管腔206、312(圖4)的彎曲以確保光纖總是經(jīng)歷可能的最小曲率,并且提供裂斷強度以響應(yīng)于在探頭300的遠(yuǎn)端頸部處的路徑長度改變而推和拉管腔主體。

參考圖4,例示性實施例示出了被開發(fā)用于解決參考圖3所描述的目的的管腔和夾支持系統(tǒng)。針對原型頭部帽400示出了tee探頭300的遠(yuǎn)端部分的自由度。示出了支持裝甲的光纖管腔312的管腔引導(dǎo)夾402。裝甲的光纖管腔312接收oss光纖并且保持受保護并且與探頭404偏移,同時為探頭404提供全范圍的運動。

參考圖5,外部探頭500,諸如從可商購的x6-1探頭,被設(shè)計為提供人體工程學(xué)形狀。不管該約束,該類型的探頭比tee探頭或其他內(nèi)部探頭提供顯著更多空間自由,因為這是外部探頭并且不需要適配在身體內(nèi)。圖5示出了在沒有處在適當(dāng)位置的附接件或帽600的情況下沿著其路徑的光纖502。在圖6中示出了附接件或帽600。

參考圖6,描繪了定制設(shè)計的探頭附接件或帽600,其提供獨有的管腔602以引導(dǎo)由護套(或其他結(jié)構(gòu))所保護的光纖502通過相對于探頭500被固定的路徑。在光纖自由平移和旋轉(zhuǎn)時,模板形狀路徑不相對于超聲探頭或換能器500以及因此相對于超聲圖像空間而改變。管腔602的截面能夠被設(shè)定大小以允許光纖護套的通用性。例如,附接件600能夠與導(dǎo)管、導(dǎo)絲或達(dá)到針的護套等相兼容??梢詫芮?02進行構(gòu)建,使得光纖502被推動通過管腔602、或者被放置到裂開的管腔中以允許容納剛性末端件(例如,針等)。

參考圖7,在一個實施例中,能夠利用裂開的管腔702和閉合的管腔704來構(gòu)建附接件700。覆蓋件(未示出)被夾到裂開的管腔702上以創(chuàng)建完全的管腔。附接件能夠被設(shè)計為包括完全裂開或完全閉合的管腔或者其組合。附接件700包括將件700的各部分保持在一起或者將其打開以訪問件700的中心部分的鉸鏈706。

參考圖8,另一實施例描繪了外部x6-1探頭500上的改造附接件800方案。件800包括一個或多個圓周曲線部分802和一個或多個縱向曲線部分804以創(chuàng)建用于設(shè)置在其中的oss光纖系統(tǒng)806的獨特的曲率簽名。所定義的特征允許對探頭500的實時跟蹤和配準(zhǔn)。盡管針對x6-1探頭例示性地描繪了外部探頭附接件,但是應(yīng)當(dāng)理解,本原理適于任何超聲探頭。

本原理能夠類似地適于其他外部或內(nèi)部探頭。根據(jù)本原理,探頭可以利用管腔來制造或者外部附接件的設(shè)計可以最好地聽取臨床醫(yī)師的意見而被更改。對于根據(jù)本原理的所有附接件而言,光纖路徑應(yīng)當(dāng)是非對稱的而非模擬自然引起的曲率樣式,以實現(xiàn)對于超聲體積配準(zhǔn)的獨特的基于形狀的光纖。

參考圖9,示出了描繪具有通過其中的形狀感測使能的導(dǎo)管906的超聲體模904的圖像900。導(dǎo)管906利用模板樣式902關(guān)于附接件纏繞。模板樣式902的已知幾何結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在用于從模板樣式902上繼續(xù)的導(dǎo)管906的oss光纖的體模904中。基于其中oss導(dǎo)管906匹配模板樣式902的位置,變換并且放置體模904的體積,確保實時的配準(zhǔn)。

已經(jīng)針對tee和外部us探頭配置例示性地呈現(xiàn)了本原理;然而,本原理適于任何將光學(xué)形狀感測集成到醫(yī)學(xué)設(shè)備中以用于在身體或者在醫(yī)學(xué)系統(tǒng)或設(shè)備中的導(dǎo)航。這些原理特別地與其中采用具有相對于彼此的已知幾何結(jié)構(gòu)的兩個設(shè)備并且其中形狀到形狀配準(zhǔn)是考慮因素的多系繩應(yīng)用有關(guān)。應(yīng)用包括導(dǎo)絲和導(dǎo)管(手動的和機器人的)的使用,但是可以被延伸到內(nèi)窺鏡、氣管鏡和其他這樣的應(yīng)用。oss光纖可以采用不同的物理參數(shù)(例如,瑞利散射(增強的和正常的)、光纖布拉格實現(xiàn)、其他散射類型等)。

參考圖10,根據(jù)例示性實施例例示性地示出了一種用于配準(zhǔn)的方法。在框1002中,附接件被連接到成像探頭。所述附接件被配置為與用于成像系統(tǒng)的成像探頭相符合并且附接到所述成像探頭。所述附接件可以是裂開的一半、在探頭的頂部上滑動、連接到探頭、被集成到外殼或其他特征或包括根據(jù)本原理的任何其他配置。所述成像探頭可以包括tee探頭、外部超聲探頭或其他探頭或設(shè)備。

在框1004中,光學(xué)形狀感測設(shè)備被放置于在附接件或外殼中或者在附接件或外殼上形成的通路中。所述通路允許光學(xué)形狀感測設(shè)備自由浮置以允許在所述通路內(nèi)的縱向扭轉(zhuǎn)。以這種方式,所述設(shè)備的末端不是固定的。所述通路包括用于對所述光學(xué)形狀感測設(shè)備進行成形的獨特的幾何結(jié)構(gòu),使得所述獨特的幾何結(jié)構(gòu)提供在使用成像探頭所收集的圖像內(nèi)的模板樣式。

所述通路可以包括用于在其中接收光學(xué)形狀感測設(shè)備的管腔,其中,所述光學(xué)形狀感測設(shè)備被穿過所述管腔。所述通路可以備選地包括裂開的管腔,其被配置為被打開以用于接收具有耦合在其遠(yuǎn)端部分上的器械的光學(xué)形狀感測設(shè)備。在一個實施例中,所述通路沿著探頭的線纜縱向地延伸,所述通路包括被耦合到線纜的外部的保護性管腔。在成像探頭包括tee探頭的情況下,這是特別有用的。

在一個實施例中,多個附接件可以與多個探頭和單個oss光纖一起采用。在另一實施例中,oss光纖被包括在導(dǎo)管、導(dǎo)絲或其他器械中。

在框1006中,將被存儲在存儲器中的形狀模板與包括模板樣式的圖像相配準(zhǔn)。所述模板樣式被提供在附接件上并且與所存儲的形狀模板相對應(yīng)。所述形狀模板和所述模板樣式被匹配以在成像坐標(biāo)與光學(xué)形狀感測坐標(biāo)之間進行配準(zhǔn)。

在框1008中,成像坐標(biāo)與光學(xué)形狀感測坐標(biāo)之間的配準(zhǔn)可以包括計算形狀模板與模板樣式之前的變換。

在解析權(quán)利要求書時,應(yīng)當(dāng)理解:

a)詞語“包括”不排除除給定權(quán)利要求中的那些之外的其他元件或動作的存在;

b)在元件前面的詞語“一”或“一個”不排除多個這樣的元件的存在;

c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不限制其范圍;

d)若干“裝置”可以通過相同項目或硬件或軟件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或功能來表示;并且

e)除非具體指示,否則不旨在要求動作的具體順序。

描述了用于在末端不固定的情況下使用光學(xué)形狀感測對超聲探頭的自動跟蹤和配準(zhǔn)的優(yōu)選實施例(其旨在是例示性而非限制性的),應(yīng)當(dāng)指出,鑒于以上教導(dǎo),本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠做出修改和變型。因此,應(yīng)當(dāng)理解,可以在如由權(quán)利要求書所概述的本文所公開的實施例的范圍內(nèi)的所公開的本公開的特定實施例中做出改變。因此,描述了由專利法要求的細(xì)節(jié)和特殊性,由專利證書所保護的主張并期望什么在權(quán)利要求書中得以闡述。

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