CN103327892B - 形状感测设备特有的信息存储和检索 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于校准的医学仪器、系统和方法。所述仪器包括：主体（202）；和形状感测系统（204），耦合至所述主体以容许确定所述主体的形状。存储元件（205，206）耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的数据，所述数据可通过可连接至所述主体的缆线（210）读出，使得所述数据容许所述主体的校准。

Description

形状感测设备特有的信息存储和检索
此公开涉及医学设备和方法，并且更具体地涉及校准系统和方法，该系统和方法包括存储在存储元件中的设备特有的数据（device specific data），该存储元件与医学仪器关联或集成于该医学仪器上。
光学形状感测（OSS）包括具有特征瑞利散射图案的光纤中的分布式应变测量。作为纤芯中折射率的随机波动的结果，发生瑞利散射，纤芯中折射率的随机波动是光纤制造工艺中固有的。这些随机波动也能够被建模为布拉格光栅，其中所述随机波动沿光栅长度具有幅度和相位的随机变化。如果应变或温度改变施加于光纤，则特征瑞利散射图案发生改变。
能够首先在没有对光纤施加应变/温度刺激的情况下执行光学测量，以产生参考散射图案，并且然后在感生应变/温度之后再次执行光学测量。应变/非应变状态下光纤的瑞利散射谱的自相关确定源自施加的应变的谱移动。背散射图案的归因于温度改变ΔT或沿光纤轴的应变ε的此波长Δλ或频移Δv非常类似于光纤布拉格光栅的响应：其中，温度系数KT是热膨胀和热光系数的和。应变系数Kε是群折射率n、应变光学张量的分量pi,j以及泊松比的函数：从而，温度的移动或应变仅是谱波长移动Δλ的线性比例。
光学频域反射计（OFDR）本质上执行沿光纤的空间位置的频率编码，这使得能够进行局部瑞利反射图案的分布式感测。在OFDR中，激光波长或光学频率随时间受到线性调制。对于相干探测，在探测器处将背散射波与相干参考波混合。由于扫描波长时相长至相消干涉的改变以及相消至相长干涉的改变，探测器接收调制的信号。其频率Ω标记光纤上的位置s并且其幅度与局部背散射因子以及经过距离s的前向加后向传播的总的幅度衰减因子成比例。通过使用例如谱分析器来执行探测器信号的傅立叶变换，此方法容许来自沿光纤的所有点s的背散射波的同时恢复。从而，能够通过结合OFDR使用任意数量的移动探测或图案匹配方法（例如，利用互相关或其它类似性度量的块匹配、信号相位改变的计算等）来测量特征瑞利散射图案的谱移动以确定光纤的不同部分上的应变。
当两根或更多光纤处于已知空间关系时，诸如当被集成到多芯形状感测光纤中时，能够使用上述分布式应变测量方法学来构建形状感测设备。基于参照瑞利散射图案的参考形状或位置（或参考应变），能够使用处于已知/给定/固定空间关系的光纤之间的相对应变来重建新的形状。
基于瑞利散射的OSS系统取决于已知预设定位置的散射图案和光纤几何结构信息（例如，螺旋间距）的精确确定。在设备使用时可得到该光纤特有的校准散射图案将是有利的。
根据本原理，提供了用于校准的医学仪器、系统和方法。该仪器包括：主体；形状感测系统，耦合至所述主体以容许确定所述主体的形状。存储元件耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的数据，所述数据可通过可连接至所述主体的缆线读出，使得所述数据容许所述主体的校准。
一种用于校准医学仪器的系统，包括：处理器；以及存储装置，耦合至所述处理器。光学感测模块配置为从形状感测系统接收光学反馈，所述形状感测系统耦合至医学仪器的主体以容许确定所述主体的形状。所述医学仪器包括存储元件，所述存储元件耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的数据，所述数据可通过从所述主体耦合的缆线读出，以向所述光学感测模块提供所述光学反馈，使得所述数据容许所述主体的校准。
一种方法，包括：提供光学形状感测医学仪器，所述光学形状感测医学仪器具有：主体；形状感测系统，耦合至所述主体以容许确定所述主体的形状；以及存储元件，耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的设备特有的数据，所述数据可通过可连接至所述主体的缆线读出，使得所述数据容许所述主体的校准。从所述存储元件检索与所述主体的校准关联的所述数据，所述数据包括校准数据或针对所述校准数据的参考数据之一。通过采用与所述主体的校准关联的所述数据，来校准所述仪器的所述主体。
根据要结合附图阅读的本公开内容的示例性实施例的以下详细描述，本公开内容的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。
此公开内容将参照以下图详细介绍优选实施例的以下实施方式，其中：
图1是示出根据本原理的用于校准具有光学形状感测的仪器的系统/方法的框/流程图，该仪器包括存储元件；
图2是示出根据示例实施例的具有存储元件的仪器的图，该存储元件用于存储校准数据或提供用于检索校准数据的参考数据；以及
图3是示出根据本原理的用于校准具有光学形状感测的仪器的系统/方法的框/流程图，该仪器包括存储元件。
本公开内容描述基于瑞利散射的光纤光学形状感测（OSS）系统，该系统采用预设定位置的散射图案和光纤几何结构信息（例如，螺旋间距）的精确确定。校准散射图案是光纤特有的并且在设备使用时是有用的。本实施例提供光纤形状感测设备特有的数据在集成在设备中（例如，在导管或其它仪器内）的存储元件中的存储。替代地，可以从设备读出序列号或其它信息，并且可以执行在线数据检索以检索所需的数据。能够存储用于不同温度的参考数据。对于正确数据设定选择，可以采用设备中的温度传感器。
应当理解，将就医学仪器来描述本发明；然而，本发明的教导宽广得多并且可应用于跟踪或分析复杂的生物或机械系统中采用的任何仪器中。特别是，本原理可应用于生物系统的内部跟踪处置，身体的诸如肺、胃肠道、排泄器官、血管等的所有区域中的处置。可以以硬件和软件的各种组合来实施描绘于图中的元件，并且该元件提供可以组合于单个元件或多个元件中的功能。
能够通过使用专用硬件以及能够运行与合适的软件有关联的软件的硬件来提供图中所示的各种元件的功能。当由处理器提供时，该功能能够由单个专用处理器、单个共享处理器、或多个独立处理器来提供，该多个独立处理器中的一些能够是共享的。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应视为排它地指能够运行软件的硬件，并且能够暗指包括，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（“ROM”）、随机访问存储器（“RAM”）、非易失性存储器等。
此外，于此记载本发明的原理、方面、和实施例及其特定范例的所有陈述意在涵盖其结构和功能等同物。附加地，其意图该等同物包括当前已知的等同物以及将来研发的等同物（即研发的执行相同功能的任何元件，而不管其结构）。从而，例如，本领域技术人员将理解，于此介绍的框图表示具体化本发明的原理的示例性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图表、流程图等表示基本上可以表示于计算机可读存储介质中并且从而由计算机或处理器运行的各种过程，而不管是否明确示出了该计算机或处理器。
此外，本发明的实施例能够采取从计算机可使用或计算机可读存储介质可存取的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品提供由计算机或任何指令运行系统，或结合计算机或任何指令运行系统，使用的程序代码。对于此描述来说，计算机可使用或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、传输、传播、或传送由指令运行系统、装置或设备使用或结合指令运行系统、装置或设备使用的程序的任何装置。介质能够是电子、磁、光、电磁、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、可拆卸计算机软盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘和光盘。光盘的当前范例包括高密盘-只读存储器（CD-ROM）、高密盘-读/写（CD-R/W）和DVD。
现在参照图，其中，相似的数字表示相同或类似元件，并且最初参照图1，示例性地描绘了一种用于执行医学处置的系统100。系统100可以包括工作站或控制台112，从工作站或控制台来监视和管理处置。工作站112优选地包括一个或多个处理器114和用于储存程序和应用软件的存储器116。存储器116可以存储光学感测模块115，光学感测模块115配置为解释来自形状感测设备104的光学反馈信号。光学感测模块115配置为使用光学信号反馈（和任何其它反馈，例如电磁（EM））来重建变形、偏转和与医学设备102和/或其周围区域关联的其它改变。医学设备102可以包括导管、引导线、探头、内窥镜、机器人或其它活动设备等。
工作站112可以包括显示器118，用于在采用成像系统110时观看受试者或患者的内部图像。成像系统110可以包括磁例如共振成像（MRI）系统、荧光系统、计算机断层摄影（CT）系统等。显示器118还可以容许用户与工作站112及其部件和功能互动。这还受到接口120的促进，接口120可以包括键盘、鼠标、操纵杆或任何其它外围设备或控制以容许与工作站112的用户互动。
工作站112包括给光纤提供光的光源106。采用光学询问单元108来探测来自所有光纤的光。这容许确定应变或其它参数，应变或其它参数将用于解释介入设备102的形状、取向等。将采用光信号作为反馈以对访问误差进行调整并校准设备102或系统100。
形状感测设备104包括一根或多根光纤，该一根或多根光纤配置为利用它们的几何结构来探测和校正/校准形状跟踪误差。光学询问模块108与光学感测模块115（例如，形状确定程序）一起工作以容许对仪器或设备102的跟踪。形状感测设备104的光纤可以以已知或预定几何结构联接至仪器102以容许对跟踪误差和校准的询问。
形状感测（OSS）系统104提供瑞利散射，用于从预设定位置起的散射图案和光纤几何结构信息（例如，螺旋间距）的精确确定。仪器102包括存储器140，存储器140存储校准散射图案，该校准散射图案是光纤特有的并且在设备102的使用时是需要的。在一个实施例中，存储器140提供对光纤形状感测设备特有的数据的存储。存储器140可以包括存储芯片，诸如只读存储器、闪存、或其它存储器类型。存储器140优选地集成在设备102中（例如，在导管或其它仪器内），但是可以包括包括设备特有的数据的存储设备，例如存储棒、USB等，并与设备102一起供给或封装。接口144容许存储在存储器140中的数据转移至工作站112。接口144也可以包括预设定按钮或配置为在被激活时释放数据的其它开关。
在一个实施例中，代替在存储器140中存储所有设备特有的数据，诸如序列号、识别号、链接地址或其它信息的占据有限量空间的参考数据或识别信息可以存储在存储器140中。可以从设备102读出参考数据，并且可以执行在线数据检索以检索完整版的所需数据。参考数据可以取决于一个或多个参数或条件。例如，条件可以包括温度、压力等。对于不同温度等的数据能够存储在存储器140中或使用参考数据编索引的查找表或数据库142中。对于校正数据设定选择，可以采用设备中的温度传感器。可以与参考数据一起读出温度，并且可以采用温度来查找合适的数据，该合适的数据对应于来自设备102上的存储器140的该温度。
在一个实施例中，可以采用参考数据来设定设备配置或规定处置限制或指令。例如，基于具体设备特有的序列号或校准数据，形状感测系统104的形状感测光纤可以在有限的时间中是激活的。
可以采用存储器140（或数据库142）作为形状感测数据库用于临床决定支持（CDS）和统计形状数据收集。对于许多CDS相关的应用，在介入处置期间收集的信息可能是重要的。例如，在切除处置的情况下，知道临床医生使用的形状以及介入医生在具体伤口/部位处花费的时间将是有利的。此信息可以由存储器140（或在数据库142中）收集并存储。另外，能够通过网络连接150以在线数据存储来保存此信息，并且该信息能够用于使用各种CDS技术的类似情况。
参照图2，诸如导管、探头或其它设备的医学仪器或设备202是能够进行OSS的（使用集成形状感测系统204）并包括集成存储芯片206用于存储形状重建所需的光纤特有的数据。存储芯片206可以包括电可编程只读存储器（EPROM），或其它存储设备类型。在一个实施例中，医学仪器202与存储棒205或其它便携式存储设备封装在一起，该便携式存储设备承载相关信息并且能够插入到设备202中以提供至光学感测模块115（或重建器单元）的读出，或者存储棒205可以直接插接到工作站112中。存储芯片206和存储棒206将称作存储元件205、206，并且可以一起或分开采用它们。
除对形状重建潜在地有用的一组标准参考形状外，存储元件205、206能够用于存储信息或从设备202的先前形状检索信息。存储元件205、206是可以写入的以使用工作站112或可以包括存储在存储元件205、206中的由用户激活以存储配置的应用软件（application）。
电子读-写机构或接口208使得存储芯片206（或存储棒205）能够将其存储的数据输出至缆线210，或可以被激活以使得能够将信息（例如，当前配置）存储在存储元件205、206中。缆线或布线210将相关数据输出至光学感测模块115（图1）。一旦获得数据，就可以对设备202进行校准。
在一个实施例中，电子存贮器包括参考数据，诸如序列号等，并且对于相关校准数据，可以交叉引用在线检索（例如，经由因特网连接150或存储在存储器116中的数据库142（图1））。在另一实施例中，可以由用户将参考数据（例如，序列号）直接输入到工作站112中，用于从数据库142的检索或使用网络连接150用于相关校准数据的在线检索（图1）。
在另一实施例中，电子读出机构208可以包括一个或多个预设定开关220。预设定开关220可以由用户根据校准策略进行选择。每一个开关220可以提供针对具体组条件的不同校准数据的读出。用户可选择的校准预设定开关220提供待从设备存储器206（或205）读出至工作站112（图1）的使用可选择的校准数据或参考数据。
存储元件205、206可以配置为存储和检索对于多个温度或温度范围的校准数据集。在一个实施例中，嵌入温度传感器或多个温度传感器222可以包括在设备202上。可以采用传感器222来识别正确的温度校准数据集并根据温度提供动态调整（adaptation）。其它参数，例如压力，可以由合适的传感器以类似的方式监控。
另外，可以对于多个不同区段223、225存储校准数据或参考数据，并且可以逐个监控这些区段223、225的温度，以使得在校准中能够考虑对于不同区段的不同温度。例如，在临床场景中，实验室温度可以是约15度C，而患者的体温将是37度C。结果，设备202中的OSS光纤将具有处于较低温度的近端部分和处于较高温度的远端部分。温度的此局部变化将解释存储在存储元件205、206中的数据。光学设备202上的分开的温度传感器222可以执行温度测量，该温度测量能够被采用来选择校准数据集或参考数据。
除存储校准或参考数据外，或代替存储校准或参考数据，存储元件205、206可以存储其它信息。在一个范例中，可以存储可以用于对缆线210或设备202上的特有图像标记224布置进行编码的序列号或代码。可以在配准图像或另外在限定受试者（例如，患者）的视觉图像中采用图像标记224。标记代码可以是查阅的信息（每一系列号）或实际上存储在存储元件205、206中。
在另一个范例中，存储元件205、206可以存储编码的信息，该编码的信息能够实现某些系统上的增强的功能性。读出的数量可以从系统到系统发生变化（例如，基于对于给定系统的读出的数量，好/较好/最好性能）。在一个范例中，可以对给定系统存储每单位长度所需的读出的数量。相对于较低性能的系统，这将容许较高端系统上的较好性能。
在另一实施例中，存储元件205、206可以包括被采用来匹配其它设备或系统以确保兼容性或来加强方针（policy）的编码的信息。例如，如果仅某些实时集成是可能的，例如设备202可能仅对与具体内窥镜一起使用是有用的或仅与其兼容。存储元件205、206可以存储与内窥镜上的存储元件互补并存储在内窥镜存储器中的密钥。存储在每一个设备上的密钥由例如工作站等核查，以确定是否能够一起采用该设备。在本范例中，密钥之间的正确匹配容许设备202（例如，导管）在此范例中的内窥镜的通道内工作。
仪器202可以包括可选振动传感器226。可以采用振动传感器226来探测仪器202中的振动以被在设备操作期间读出。采用测得的振动来确定光纤信号的数据有效性。应当理解，可以在任何组合中采用于此对设备202（设备102）描述的不同实施例。
参照图3，根据一个实施例示例性地示出了校准系统/方法。在框302中，提供光学形状感测医学仪器，其具有主体、耦合至主体以容许确定主体的形状的形状感测系统、以及耦合至或可耦合至主体并配置为存储与主体的校准关联的设备特有的数据的存储元件，可以通过可连接至主体的缆线读出该数据以便数据容许主体的校准。
存储元件可以包括安装或集成在主体内的存储芯片或存储棒或可插入主体内或耦合至光学感测模块或工作站的等同设备。在框304中，存储元件可以存储附加的设备特有的信息。例如，存储元件可以存储以下至少之一：指示与另一设备的兼容性的编码、指示图像标记布置的编码、指示正采用该仪器的系统的功能性的编码、该仪器的当前配置、等。
在框306中，从存储元件检索与主体的校准关联的数据。数据可以包括实际校准数据或针对校准数据的参考数据。在框307中，可以使用参数相关的索引来对与主体的校准关联的数据编索引，使得，给定参数值，从存储元件或从对外部存储源的交叉引用来检索参数相关的数据，参数值诸如是温度或压力。在框308中，一个或多个参数传感器（温度传感器）可以安装在仪器上或中来测量参数，以提供参数相关的数据。主体可以包括一个或多个区段，并且传感器可以安装在每一个区段上或中。在框309中，可以测量在每一个区段处的参数，以对每一个区段提供参数相关的数据。
在框312中，通过采用与主体的校准关联的数据来校准仪器的主体。在框314中，在进行处置中，并且特别是在进行介入处置中，采用校准的仪器。
在解释所附权利要求时，应当理解：
a）词语“包括”不排除给定权利要求中列出的那些元件或行为以外的其它元件或行为的存在；
b）元件之前的词语“一”不排除多个该元件的存在；
c）权利要求中的任何参考符号不限制它们的范围；
d）数个“构件”可以由相同项或硬件或软件实施的结构或功能来表示；并且
e）除非特别指出，不意图行为的特定顺序是必需的。
已经描述了用于对于形状感测的特定信息存储和的检索的（这意图进行示例而非限制）设备、系统和方法的优选实施例，需要注意，根据上述教导，本领域技术人员能够进行修改和变更。因此，应当理解，可以对公开的公开内容的特定实施例进行改变，该改变在于此公开的由所附权利要求略述的实施例的范围内。从而已经描述了专利法所需的细节和特性，在所附权利要求中提出了由专利证书所保护的声称和期望的东西。

Claims (12)

1.一种医学仪器，包括：
主体(202)，所述主体包括多个区段(223，225)；
形状感测系统(204)，耦合至所述主体以容许确定所述主体的形状；
存储元件(206)，耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的数据，所述数据能通过能连接至所述主体的缆线(210)从所述存储元件读出，使得所述数据容许所述主体的校准；
多个温度传感器，所述多个温度传感器包括安装在每一个区段上或中并配置为测量每一个区段处的温度以提供对于每一个区段的所述温度相关的数据的至少一个温度传感器；
振动传感器，所述振动传感器用于探测所述医学仪器中的振动以被在所述医学仪器操作期间读出。
2.如权利要求1所述的仪器，其中，所述存储元件包括以下至少之一：安装在所述主体内的存储芯片(206)和能插入所述主体内的便携式存储设备(205)。
3.如权利要求1所述的仪器，其中，与所述主体的校准关联的所述数据包括以下之一：设备特有的校准数据和参考数据，所述参考数据提供对具有所述设备特有的校准数据的外部存储源(116，150)的交叉引用。
4.如权利要求1所述的仪器，其中，与所述主体的校准关联的所述数据是参数相关的，使得给定参数的值，从所述存储元件(205，206)和对外部存储源(116，150)的交叉引用之一来检索参数相关的数据，其中，所述参数包括温度，并且从所述存储元件和对外部存储源的交叉引用之一来检索温度相关的数据。
5.如权利要求1所述的仪器，还包括安装在所述仪器上或中的一个或多个预设定设备(220)，所述一个或多个预设定设备配置为在被激活时提供与对该预设定设备的校准特有地关联的并从所述存储元件和对外部存储源的交叉引用之一检索的数据。
6.一种用于校准医学仪器的系统，包括：
处理器(114)；
存储装置(116)，耦合至所述处理器；
光学感测模块(115)，配置为从形状感测系统(104)接收光学反馈，所述形状感测系统(104)耦合至医学仪器(102)的主体以容许确定所述主体的形状，其中所述主体包括多个区段；
所述医学仪器还包括：
存储元件(140)，耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的数据，所述数据能通过从所述主体耦合的缆线从所述存储元件读出，以向所述光学感测模块提供所述光学反馈，使得所述数据容许所述主体的校准；
多个温度传感器，所述多个温度传感器包括安装在每一个区段上或中并配置为测量每一个区段处的温度以提供对于每一个区段的所述温度相关的数据的至少一个温度传感器；
振动传感器，所述振动传感器用于探测所述医学仪器中的振动以被在所述医学仪器操作期间读出。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述存储元件(140)包括以下之一：安装在所述主体内的存储芯片(206)和能插入所述主体或所述光学感测模块内的便携式存储设备(205)。
8.如权利要求6所述的系统，其中，与所述主体的校准关联的所述数据包括以下之一：设备特有的校准数据和参考数据，所述参考数据提供对所述存储装置或具有所述设备特有的校准数据的外部存储源的交叉引用。
9.如权利要求6所述的系统，其中，与所述主体的校准关联的所述数据是参数相关的，使得给定参数的值，从以下之一检索参数相关的数据：所述存储元件和对所述存储装置或外部存储源的交叉引用，其中，所述参数包括温度，并且从以下之一检索温度相关的数据：所述存储元件和对所述存储装置或外部存储源的交叉引用。
10.如权利要求6所述的系统，还包括安装在所述仪器上或中的一个或多个预设定设备(220)，所述一个或多个预设定设备配置为在被激活时提供与对该预设定设备的校准特有地关联的并从所述存储元件和对所述存储装置或外部存储源的交叉引用之一检索的数据。
11.一种用于校准医学仪器的方法，包括：
提供(302)光学形状感测医学仪器，所述光学形状感测医学仪器具有：包括多个区段的主体；形状感测系统，耦合至所述主体以容许确定所述主体的形状；以及存储元件，耦合至所述主体并配置为存储与所述主体的校准关联的设备特有的数据，所述数据能通过能连接至所述主体的缆线从所述存储元件读出，使得所述数据容许所述主体的校准；多个温度传感器，所述多个温度传感器包括安装在每一个区段上或中并配置为测量每一个区段处的温度以提供对于每一个区段的所述温度相关的数据的至少一个温度传感器；振动传感器，所述振动传感器用于探测所述医学仪器中的振动以被在所述医学仪器操作期间读出；
从所述存储元件检索(306)与所述主体的校准关联的所述数据，所述数据包括校准数据或针对所述校准数据的参考数据之一；以及
通过采用与所述主体的校准关联的所述数据，来校准(312)所述仪器的所述主体。
12.如权利要求11所述的方法，其中，检索(306)包括使用参数相关的索引对与所述主体的校准关联的所述数据编索引(307)，使得给定参数的值，从所述存储元件和对外部存储源的交叉引用之一来检索参数相关的数据，其中，所述参数包括温度，并且还包括将至少一个温度传感器安装(308)在所述仪器上或中以测量所述温度来提供所述温度相关的数据。
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