CN105592790A - 用于光学形状感测配准的集线器设计和方法 - Google Patents

用于光学形状感测配准的集线器设计和方法 Download PDF

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Abstract

一种光学形状感测集线器，包括形成腔的纵向主体(210)，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(212、214)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使能的仪器保持在相对于彼此的固定的几何配置中，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。所公开的集线器可以在形状感测系统中使用，以确定OSS使能的仪器的形状。还公开了一种通过以下方式来配准两个或更多个OSS使能的仪器的方法：生成所述集线器在OSS数据中的期望形状的集线器模板，搜索测量的OSS数据来匹配集线器模板以确定OSS数据中的集线器位置，并且寻找所述OSS数据中相对于集线器位置的交叠。

Description

用于光学形状感测配准的集线器设计和方法
技术领域
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
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。
当在多线缆(multi-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
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。
一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。
一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。
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
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：
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；
图2A是根据一个例示实施例的集线器设计的截面视图；
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；
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；
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；
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(1/ROC，以mm为单位)相对于纤维节点的绘图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图10是根据另一例示实施例的集线器设计的切半视图；
图11是根据又一例示实施例的集线器设计的切半视图；
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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，并且这将导致在仪器之间的感知到的误差。配准可以包括两个仪器在空间中被固定的起点(或z＝0)。利用形状到形状的配准，导丝的起点能够是浮置的并且所有的配准可以使用集线器来执行。
光学形状感测偶尔会重建不正确的形状。这可能是因为在重建中由于近端形状改变、在测量期间的振动或者对纤维的收聚以及其他原因造成的误差。利用多个OSS使能的仪器(例如，导丝和导管)，形状可以从导管的进入点到导管或导丝的末端的交叠。通过将两个仪器配准在一起，能够校正不正确的形状或者能够从数据流中移除不良的形状。如果两个设备具有已知的固定起始点，集线器能够被用作额外的控制点，从而对轮廓进行滤波并补偿误差。
应当理解，将关于医学仪器描述本发明；然而，本发明的教导要宽泛得多，并且其适用于任何光纤形状感测仪器。在一些实施例中，在跟踪或分析复杂生理或机械系统中采用本原理。具体地，本原理适用于对生物学系统的内部跟踪流程、在诸如肺胃肠道、排泄器官、血管等的身体的所有区域中的流程。在附图中描绘的元件可以被实施为硬件和软件的各种组合，并且提供在单个元件或多个元件中的组合的功能。
在附图中所示的各种元件的功能，能够通过使用专用硬件以及能够执行与合适的软件相关联的软件的硬件来提供。当由处理器提供时，所述功能能够通过单个专用处理器来提供、通过单个共享处理器来提供、通过其中的一些能够共享的多个个体处理器来提供。此外，不应将词语“处理器”或“控制器”的明确使用解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，其能够隐含地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”)、随机存取存储器(“RAM”)和非易失性存储器。
此外，文中所有详述本发明的原理、方面和实施例的陈述及其具体实例都旨在既包含其结构等同要件，又包含其功能等同要件。此外，旨在使这样的等同要件既包括当前已知的等同要件，又包括未来开发的等同要件(即，所开发出的执行相同的功能的元件，而不管其结构如何)。因而，例如，本领域技术人员将认识到，文中呈现的方框图表示体现本发明的原理的例示系统部件和/或电路的概念图。类似地，应当认识到，流程图、程序框图等均表示实质上可以在计算机可读存储介质内表示，因而可由计算机或处理器执行的各种过程，而不管是否明确示出了这样的计算机或处理器。
此外，本发明的实施例可以采取计算机程序产品的形式，可由提供程序代码的计算机可用或计算机可读介质访问所述计算机程序产品，以供计算机或者任何指令执行系统使用或者与之结合使用。就本说明书的目的而言，计算机可用或计算机可读介质可以是任何可以包括、存储、传送、传播或发送程序的设备，所述程序供指令执行系统、设备或装置使用或者与之结合使用。所述介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或者设备或装置)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、可移除计算机盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。当前的光盘的范例子包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)、蓝光TM和DVD。
现在参考附图，其中，类似的附图标记表示相同或相似的元件，并且首先参考图1，例示性示出了根据一个实施例的用于使用多个光学形状感测(OSS)仪器进行光学形状感测的系统100。系统100可以包括工作站或控制台112，从所述工作站或控制台监视和/管理流程。工作站112优选包括一个或多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。存储器116可以存储光学感测模块115，光学感测模块115被配置为解读来自形状感测设备((一条或多条)光纤)或系统104的光学反馈信号。光学感测模块115被配置为使用所述光学信号反馈(以及任何其他反馈，例如，电磁(EM)跟踪)，来重建与OSS使能的医学设备或仪器102和/或其周边区域相关联的变形、偏转或其他变化。医学仪器102可以包括导管、导丝、探头、内窥镜、机器人、电极、过滤器设备、球囊设备或者其他医学部件等。光学感测模块115被配置为提供在医学仪器102之间的形状到形状的配准。光学感测模块115可以包括模板搜索或其他配准算法、滤波或数据匹配算法等，如本文中将描述的。
在尤其有用的实施例中，一起采用多个OSS使能的医学仪器102。为了确保在这些仪器102之间的配准，采用仪器集线器或集线器130。集线器130被描绘为示出了用于对齐或配准仪器102的机械特征132。集线器130可以包括聚合物的、金属的、陶瓷的或者适于操作或者临床环境的其他材料。对光学形状感测性能的一个已知限制是由于对OSS使能的医学仪器102的操作引起的振动。能够在集线器130处通过采用用于制造集线器130的抑制振动的材料(例如，泡沫或其他材料)来缓解这种情况。集线器130可以包括泡沫部分或者可以完全由抑制振动的材料来形成。
集线器130从第一光学探询模块117a接收第一形状感测系统104a，并且从第二光学探询模块117b接收第二形状感测系统104b。集线器130在能接受的约束条件内使两个系统104a和104b转向以配准这两个系统104a和104b。所述配准可以由集线器130通过保持/维持两个系统104a和104b靠近彼此、通过使两个系统104a和104b相符合、通过使两个系统104a和104b共线等，来实现。集线器130被配置为物理地维持在两个(或更多个)系统104a和104b之间的几何关系，使得共享或者能够识别公共重建点，以提供在所述两个(或更多个)系统104a和104b之间的自动配准。
另外，集线器130可以包括其他特征以允许人体工程使用或者允许对两个系统104a和104b改善的导航或操控。所述特征可以包括易于临床医师使用的手把手133。把手133可以包括力矩臂134以使得能够扭转集线器130与穿过其中的多个形状感测设备104。其他特征可以包括机械夹具136或其他夹持技术，以约束两个系统104a和104b的运动。集线器130包括用于在其中放置系统104a和104b的轨道138。这些轨道138被配置为在形状感测重建内提供唯一的并且能识别的形状。另外，这些轨道138确保了最小弯曲半径并且由集线器130维持其他物理约束。
根据所涉及的仪器102a、102b(共同称为(一个或多个)仪器102)，可以修改集线器设计以满足其结构约束。集线器130可以包括调节机构或者插入物140，以容纳不同尺寸或形状的仪器102和/或为另外(例如，多于两个)系统104提供场所。
在尤其有用的实施例中，仪器102包括导管102b和导丝102a。这两个仪器102a和102b中的每个仪器包括在那里或者到那里耦合的形状感测系统104a和104b，OSS系统104a、104b还可以共同被称为(一个或多个)系统104。
分别在仪器102a、102b上的形状感测系统104a、104b中的每个系统包括一个或多个光纤(未示出)，所述一个或多个光纤以一个或多个设置模式被耦合到仪器102a、102b。光纤通过探询模块117a和117b连接到工作站112，探询模块117a和117b可以是控制台112的部分或者是独立的模块。探询模块117a和117b向其各自的OSS系统104a和104b发送光信号并且从其各自的OSS系统104a和104b接收光信号。其他布线可以包括光纤、电连接、其他使用仪器等，正如对操作仪器102供电或操作仪器102所需要的。
具有光纤的形状感测系统104可以基于光纤布拉格光栅传感器。光纤布拉格光栅(FBG)是短光纤段，其反射特定波长的光并传送所有其他的光。这是通过在纤芯中添加周期性变化的折射率来实现的，其生成波长特异性的介质镜。纤维布拉格光栅因此能够被用作线内光学滤波器以阻挡特定的波长，或者被用作波长特异性反射器。
在纤维布拉格光栅的操作背后的基本原理是在反射率发生变化的每个界面处的菲涅耳反射。对于一些波长，所反射的各种周期的光是同相的，从而针对反射存在相长干涉，并且因此，针对透射存在相消干涉。布拉格波长对于应变以及温度是敏感的。这意味着，布拉格光栅能够被用作光纤传感器中的感测元件。在FBG传感器中，被测物理量(例如、应变)引起布拉格波长的位移。
这种技术的一个优点在于，各种传感器元件能够在纤维的长度上进行分布。将三个或更多个芯与沿着嵌入在结构中的纤维的长度的各种传感器(标尺)合并允许这样的要精确确定的结构的三维形式，通常具有优于1mm的精确度。沿着纤维的长度，能够在各种位置处定位多个FBG传感器(例如，3个或者更多个的纤维感测芯)。根据对每个FBG的应力测量，能够推测在其位置处的结构的曲率。根据多个所测量的位置，确定总三维形式。
作为光纤布拉格光栅的备选，能够采用在常规光纤中的固有背向散射器。一种这样的方法是使用在标准单模式通信纤维中的瑞利散射。瑞利散射由于在纤芯中的折射率的随机波动而发生。这些随机波动能够被建模为具有沿着光栅长度的幅度和相位的随机变化的布拉格光栅。通过使用在多芯纤维的单个长度内延展的三个或更多个芯中的这种效应，能够跟随感兴趣表面的3D形状或动态。
在一个实施例中，工作站112包括图像生成模块148，图像生成模块148被配置为从形状感测系统或设备104接收反馈，并将累积的位置数据记录为感测设备104已经在体积131(例如，活体对象、机械设备、管道系统等)之内的位置。由模块148生成的(一个或多个)形状感测仪器104在空间或体积131之内的图像或图像数据135能够在显示设备118上进行显示。工作站112包括显示器118，显示器118用于观看对象(患者)或体积131的内部图像，并且可以包括图像135，作为感测系统104的访问位置的叠加图(例如，在手术图像上的)或其他绘制。显示器118还可以允许用户与工作站112以及其部件或功能或者与系统100之内的任意其他元件进行交互。这进一步地通过接口120来促进，接口120可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其他外围或控制，以允许用于从工作站112以及与工作站112的交互中反馈。
参考图2A，示出了根据本发明的原理的例示性集线器设计200。使用集线器设计200自动提供形状到形状的配准。集线器设计200包括优选至少60mm的直部分202。这一直区段202对于两个或更多个形状感测系统(104)可以是公共的，并且可以是用于对系统104的识别和配准的物理约束的部分。
集线器设计200优选包括适于抓取和操作在其中具有OSS系统104的集线器系统200的人体工程设计。集线器设计200提供改善的扭转。集线器设计200的尺寸和形状包括自然特征尺寸，其被配为针对临床医师的手的握持，还同时发射或提供应用、直接扭转到导管或其他仪器102的主轴的能力。集线器设计200允许将多个仪器102一起进行操作。例如，导管和导丝两者被保持在一起，并且在这些仪器之间的几何结构被约束，例如，限制在导管与导丝之间的进入角。
每个仪器102可以通过采用夹具208被夹持或者以其他方式被坚固在集线器200中。夹具208可以包括分裂式半盘，包括与翼形螺钉的挤压匹配，以向仪器102的外直径施加压力，包括夹子，或者任何其他合适的夹持技术。集线器200以截面示出，并且可以被制成分裂成半的，或者可以包括用于在其中插入仪器的中空腔。
集线器200可以包括纵向主体210，纵向主体210形成腔或轨道212，腔或轨道212被配置为接收至少一个OSS使能的仪器102b。主体210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210上，以将两个或更多个OSS使能的仪器相对于彼此维持在固定的几何配置中，使得在距纵向主体210的远端，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。机械特征可以包括夹具208、额外的主体或结构，例如，成角度的通道220，用于引导至少一个OSS使能的仪器(102a)、轨道/腔212和/或214，以维持所述OSS使能的设备102的位置等。其他机械特征包括辐射式轨道(例如，具有弯曲半径，其超过针对两个或更多个OSS使能的仪器中的至少一个而采用的光纤的最小弯曲半径)、间隔器，引导弯曲的表面等。
在所描绘的实施例中，纵向主体210被配置为在其中纵向地接收OSS使能的设备102b，并且纵向主体210也配置有成角度的通道220，以将OSS使能的设备102a接收到纵向主体210中，使得当OSS使能的设备被安装在纵向主体210中时，第一和第二OSS使能的设备102a、102b被同轴地定位在纵向主体210的远端部分处。
径向延伸的部分216从纵向主体210延伸，并且被配置为提供扭转臂，用于旋转集线器200。径向延伸的部分216可以包括针对用户的人机工程学舒适度的抓取特征218。径向延伸的部分216可以被提供在沿着包括与其他特征(例如，成角度的通道220等)进行组合的集线器200的任何合适或有利的位置处。
参考图2B，集线器设计201优选包括能够检测的配准特征230。这可以包括直-弯曲-直形状(在图2B中所示)、或者弯曲-直-弯曲、弯曲-直等。能够检测的配准特征230被配置为向两个或更多个OSS使能的仪器提供形状，以提供用于在OSS数据中定位集线器201的不同特征。能够检测的配准特征230包括至少一个弯曲部分232。
应当维持在仪器102(例如，导丝)与集线器设计200或201之间的最小摩擦。这影响针对集线器设计200、201的材料选择并且应当采用徐缓的曲率半径(ROC)(例如，针对导丝的曲率半径>30mm)。
用于(一个或多个)集线器设计200、201的材料应当包括低摩擦材料，例如聚合材料(例如，聚乙烯)或者金属(铝、不锈钢)等。集线器设计200、201不应当包括小曲率半径的弯曲，因为其降低形状精确度。应当采用徐缓的曲率半径(例如，ROC>30mm)。
参考图3，集线器302被示出为被集成到导管300中。纵向主体210被集成地形成为两个或更多个OSS使能的仪器中的一个，并且包括接收特征308，接收特征308被配置为接收至少一个其他的OSS使能的仪器。集线器302可以被制造为与导管300(或者任何其他设备)集成地形成。在一个范例中，导管300被塑造在集线器302上或者与集线器302一起塑造，其降低其形状因子并且改善其人体工程学。集线器302可以包括插入点304以及夹具306以安装一个或多个其他的OSS使能的设备。
参考图4，描述了一种用于形状到形状的配准的方法，用于配准使用根据本原理的集线器设计来配准两个或更多个光学形状感测(OSS)使能的仪器。
在方框400中，提供光学形状感测集线器，其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，并且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，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。
通过采用唯一的形状(例如，直-弯曲-直形状)，所述集线器提供曲率/形状以方便配准。在方框402中，生成针对集线器的期望曲率的模板。生成在OSS数据中的期望形状的集线器模板。期望形状优选是(一个或多个)能识别的形状(例如，直-弯曲-直等)。这能够以多种方式来执行。在方框404中，采用集线器的已知曲率(例如，直-弯曲-直形状)。集线器几何结构的形状能够被矢量化，并且假设光纤采用最短的可用路径，形状中的曲率被滤波以唯一地识别集线器位置。
滤波器和设备将采用最短的路径，通过匹配在期望曲率中的不连续跳跃能够逼近所述最短的路径。
在方框406中，使用测试设备的曲率来生成集线器模板。例如，设备生成模板形状作为OSS输出。曲率(例如，直-弯曲-直形状)可以通过定位在集线器内部的一个或多个测试设备或特定外部测试设备来定义。在方框408中，使用来自不同测量或其他计算的形状的计算平均来生成集线器模板。可以采用来自一个或若干个OSS使能的设备的不同测量或计算的平均或其他组合以在数据中定位集线器。
参考图5，相对于，针对与由502、504和506指示的滤波器的三个不同的集线器位置的纤维节点，绘制了曲率半径的倒数(1/ROC，以mm为单位)。针对这三幅图像，能够识别唯一的图案。由502、504和506指示已知的弯曲形状，其高度可能存在于沿着具有完全相同曲率图案的纤维的一些其他位置处。完全直的段不一定是唯一的；然而，与弯曲部分相组合，所述图案更长并且因此更为唯一。同样的，使用直部分改善了对低摩擦的需求。在一个实施例中，可以使得曲率小于仪器的可能弯曲半径。例如针对具有导管的纤维可以采用这种情况。这种弯曲将仅在集线器内部发生并且因此是能够唯一地检测的。
图5的图形示出了唯一的并且能识别的图案，其用于使用弯曲-直-弯曲形状在数据中定位集线器。随着集线器沿着纤维平移，由502、504和506指示的集线器的位置被曲率中的图案容易地识别。然后采用能识别的图案来匹配数据中的集线器。图6示出了被用于在OSS数据中识别集线器的模板508的范例。
在方框410中，针对给定的形状，计算沿着所述形状的曲率，从而定义所述形状。搜索(比较)测量的OSS数据，以匹配集线器模板，从而确定在OSS数据中的集线器位置。在方框412中，可以将集线器模板匹配到OSS数据以确定最小差异，从而确定集线器位置。模板匹配算法可以沿着纤维的长度来运行。这可以简单地是在模板与纤维的选定部分之间的差异。这种匹配算法的最小值将指示集线器的位置，并且因此指示在第一和第二OSS使能的设备之间的关系。在一个范例中，一旦获知了集线器的位置，在第一OSS使能的设备(导丝)进入第二OSS使能的设备(导管)的中心腔处的第一节点是已知的。根据前向点，两个设备将具有相同的形状，直到导丝或导管结束。所述算法继续：
针对a＝1：搜索长度-模板长度
％沿仪器(例如，导丝)的长度对模板进行比较
coeffMatrix(i)＝sum(abs(搜索对象(a:a+模板长度-1)-模板))；
％对在沿模板的每个节点处的Kappa中的差异进行求和(参见图7A)。Kappa是指示纤维的曲率的参数
a＝a+1；
结束
coeffs＝coeffMatrix；
[num,idx]＝min(coeffs(:))；
偏移＝idx。
％最小系数的位置是沿设备的集线器的位置(即，导丝的点，导丝已经被插入到集线器中，-这确定在导丝与导管之间的偏移)(参见图7B)。
参考图7A，针对在导丝与导管之间的不同偏移值，在两个形状感测设备(导丝和导管)的输出之间的曲率的差异的绝对值被绘图。在图中的局部最小512指示集线器的位置。
参考图7B，相对于纤维节点或索引(idx)来绘制Kappa。到波动区域514(集线器位置)的右侧的区域516指示针对导丝和导管远端到集线器的恒定Kappa。
在方框414中，通过检查处在集线器的远端的第一和第二OSS使能的仪器的段之间的相关可以运行有效性检查。所述有效性检查或相关可以被提供作为在两个或更多个OSS使能的仪器的OSS数据之间的对齐检查。所述相关可以是针对曲率、形状或应变中的一个或多个。
参考图8，相对于纤维节点或索引(idx)来绘制Kappa。在由点线522指示的集线器的左侧526，OSS使能的导管或导丝的轨道是不相同的，正如预期它们在所述区域中不机械耦合。然而，在由点线522指示的集线器的右侧524，OSS使能的导管和导丝的轨道被配准，并且轨道对齐，从集线器位置朝向反映了导丝位于导管之内，从而假设识别曲率。
在方框416中，通过找到在OSS数据中相对于集线器位置的交叠来确定在两个或更多个OSS使能的仪器之间的配准。在方框418中，可以使用刚性变化来计算在第一和第二OSS使能的仪器的交叠位置之间的配准。在两个或更多个OSS使能的仪器的OSS数据之间可以计算刚性变换，并且在两个形状之间的计算可以采用已知的变换工具(例如，ProcrustesTM或类似的程序)。在方框420中，能够基于所述配准来确定所述仪器的不正确的形状(OSS使能的仪器中的至少一个仪器的误配准)。可以将这些不正确的形状视为离群的并且从数据集中去除。
应当理解，利用一个OSS使能的设备、利用使用集线器设计的相同唯一形状的两个或更多个OSS使能的设备、或者利用具有其自己的集线器设计的唯一形状的每个OSS使能的设备，来采用集线器设计的唯一形状。例如，除了使用具有导丝的集线器设计的唯一形状之外，假设沿着导管的集线器的位置也是已知的(例如，机械地定义的)。然而，也通过将类似的特征(直与弯曲)通过集线器添加到导管路径，也能够使用针对导丝使用的相同技术(例如，上述的曲率模板匹配)来提取沿导管的集线器的位置。另一优点是也将示出相对于集线器的旋转，其能够从光纤能够自由扭曲的直路径中容易地导出。
通过获知集线器在导管空间中的位置和旋转，并且通过获知导丝在集线器中的位置，能够实现一个设备相对于另一个设备的配准。通过唯一地检测弯曲形状(或者弯曲形状的部分)，可以使用集线器的已知刚性特征来执行刚性坐标变换。在这种情况下将不需要实际叠加。
能够容易地探测具有一个设备进入另一设备的直-弯曲-直(或者其其他组合)路径的集线器；然而，可以提供在集线器处开始的其他几何关系。例如，两个设备可以被并排保持或者可以被包括在相同仪器或结构的不同部分等。
参考图9A和9B，针对有意义的临床使用，形状感测的设备需要被配准到参考成像帧(诸如，例如，术前计算机断层摄影(CT)图像、实况荧光透视图像等)。OSS使能的导丝602和OSS使能的导管604被示为配准到图9A中血管610的术前图像606。例如，OSS使能的导丝602和OSS使能的导管604被示为在图9B中血管610的术前图像608中不良地配准(偏移)。
参考图10，本文描述的集线器设计的利用可以在多个不同的配置中实现。在一个实施例中，集线器700包括具有Y形状和所示的分裂成半的纵向主体710。可以采用网部分722来向集线器700的设计提供支持或强度或者提供有用的特征(用于悬挂设备的把手、孔等)。纵向主体710包括直部分724，直部分724分叉为弯曲部分718和延伸部分720。弯曲部分718、延伸部分720或者这两者能够对用于在OSS数据中定位集线器700的唯一集线器形状做出贡献。第一OSS使能的设备702a通过在末端部分716中形成的腔708来进入弯曲部分718。腔708可以包括锥形或漏斗状形状714，以辅助OSS使能的设备702a的插入。第二OSS使能的设备702b进入延伸部分720，并且OSS使能的设备702a和702b在腔室712中接合并且离开远端部分726。OSS使能的设备702a和702b的配置能够用于在OSS数据中识别集线器700。
参考图11，集线器800包括具有单一配置和分裂成半的纵向主体810。连接部分822可以包括用于向集线器800的设计提供支持或强度或者提供有用特征(用于悬挂设备的把手、孔等)的固体材料。纵向主体810包括直部分824或轨道824，直部分824或轨道824分叉为弯曲部分或轨道818和延伸部分820。弯曲部分818、延伸部分820或者这两者能够对用于在OSS数据中定位集线器800的唯一集线器形状做出贡献。在这一实施例中，弯曲的部分包括对形状的唯一性做出贡献的多个弯曲。
第一OSS使能的设备(未示出)通过在末端部分816中形成的腔808来进入弯曲部分818。腔808可以包括锥形或漏斗状形状814，以辅助所述OSS使能的设备的插入。第二OSS使能的设备(未示出)进入延伸部分820，并且所述OSS使能的设备在腔室812中接合并且离开远端部分826。所述OSS使能的设备的配置能够用于在OSS数据中识别集线器800。
参考图12，例示性示出了针对集线器设计的OSS通道的三种不同配置902、904和906。配置902包括直部分和弯曲部分。配置904包括直部分和两个弯曲部分。配置906包括Y形部分(在每个OSS设备轨道上的弯曲)和公共直部分。应当理解，预期其他配置，并且在图12中描绘的配置仅仅是出于例示性的目的。
参考图13，尽管本发明的原理描述针对两个OSS使能的设备配置的集线器设计，但是所述集线器可以被配置为容纳超过两个OSS使能的设备。在一个实施例中，集线器1000包括诸如相对于图11描述的特征，但包括另外的弯曲轨道818、末端部分816以及进口814，用于接收另外的OSS使能的设备。在一个范例中，集线器1000可以在轨道820中接收OSS使能的内窥镜(未示出)。内窥镜可以包括工作通道。集线器1000还可以包括针对一个或多个OSS使能的导管、导丝等的轨道818。在轨道818中的OSS使能的设备可以通过集线器1000并进入到内窥镜的工作通道中并且如上所述被配准。也预期其他仪器和组合。
在解释随附的权利要求时，应当理解：
a)“包括”一词不排除在给定权利要求中所列举的那些元件或动作之外的其他元件或动作的存在；
b)元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在；
c)权利要求中的任何附图标记不限制其范围；
d)若干“单元”可以由相同的项或硬件或软件实施的结构或功能来表示；
e)并不旨在要求动作的特定顺序，除非明确指出。
已经针对用于光学形状感测配准的集线器设计和方法描述了优选实施例(其旨在例示性的而非限制性的)，应当认识到，本领域技术人员鉴于以上教导能够进行修改和变型。因此，应当理解，可以在所公开的本公开的特定实施例中做出改变，所述改变在如权利要求书所概述的本文所公开的实施例的范围内。因此已经描述了专利法所要求的细节和特性，期望由专利证书主张和保护的内容在权利要求书中得以阐述。

Claims (21)

1.一种光学形状感测集线器，包括：
纵向主体(210)，其形成腔，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；以及
一个或多个机械特征(212、214)，其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使能的仪器维持在相对于彼此的固定的几何配置中，使得在距所述纵向主体的远处，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。
2.根据权利要求1所述的集线器，其中，所述纵向主体(210)被配置为在其中纵向地接收第一OSS使能的设备(102b)，并且所述纵向主体被配置有成角度的通道(220)以将第二OSS使能的设备(102a)接收到所述纵向主体中，使得当所述第一OSS使能的设备和所述第二OSS使能的设备被安装在所述纵向主体中时，所述第一OSS使能的设备和所述第二OSS使能的设备在所述纵向主体的远端部分处被对齐。
3.根据权利要求1所述的集线器，其中，所述一个或多个机械特征包括轨道(214)，所述轨道具有弯曲半径，所述弯曲半径超出针对所述两个或更多个OSS使能的仪器中的至少一个而采用的光学形状感测纤维的指定最小弯曲半径。
4.根据权利要求1所述的集线器，其中，所述一个或多个机械特征包括至少一个夹具(208)，所述至少一个夹具被配置为紧固所述两个或更多个OSS使能的仪器中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的集线器，还包括来自所述纵向主体的径向延伸部分(216)，所述径向延伸部分被配置为提供用于旋转所述集线器的扭转臂。
6.根据权利要求5所述的集线器，其中，所述径向延伸部分包括把手特征(218)。
7.根据权利要求1所述的集线器，其中，所述纵向主体(210)被集成地形成为所述两个或更多个OSS使能的仪器中的一个并且包括接收特征(308)，所述接收特征被配置为接收至少一个其他的OSS使能的仪器。
8.根据权利要求1所述的集线器，还包括能够检测的配准特征(230)，所述能够检测的配准特征形成在所述纵向主体的远端部分并且被配置为向所述两个或更多个OSS使能的仪器提供形状以提供用于在OSS数据中定位所述集线器的区别特征。
9.根据权利要求8所述的集线器，其中，所述能够检测的配准特征包括至少一个弯曲的部分(232)。
10.一种光学形状感测系统，包括：
集线器(130)，其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，使得在距所述纵向主体的远处，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；以及
形状感测模块(115)，其被配置为接收、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。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述纵向主体(210)被配置为在其中纵向地接收第一OSS使能的设备(102b)，并且所述纵向主体被配置有成角度的通道(220)，以将第二OSS使能的设备(102a)接收到所述纵向主体中，使得当所述第一OSS使能的设备和所述第二OSS使能的设备被安装在所述纵向主体中时，所述第一OSS使能的设备和所述第二OSS使能的设备在所述纵向主体的远端部分处被对齐。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个机械特征包括：
轨道(214)，所述轨道具有弯曲半径，所述弯曲半径超出针对所述两个或更多个OSS使能的仪器中的至少一个而采用的光纤的指定最小弯曲半径；以及
至少一个夹具(208)，其被配置为紧固所述两个或更多个OSS使能的仪器中的至少一个。
13.根据权利要求10所述的系统，还包括来自所述纵向主体的径向延伸部分(216)，所述径向延伸部分被配置为提供用于旋转所述集线器的扭转臂。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述纵向主体被集成地形成为所述两个或更多个OSS使能的仪器中的一个并且包括接收特征(308)，所述接收特征被配置为接收至少一个其他的OSS使能的仪器。
15.根据权利要求10所述的系统，还包括能够检测的配准特征(230)，所述能够检测的配准特征形成在所述纵向主体的远端部分处，并且被配置为向所述两个或更多个OSS使能的设备提供形状，以提供用于在OSS数据中定位所述集线器的区别特征。
16.一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(400)光学形状感测集线器，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，并且所述光学形状感测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，使得距所述纵向主体的远处，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(402)所述集线器在OSS数据中的期望形状的集线器模板；
搜索(410)测量的OSS数据来匹配所述集线器模板以确定在所述OSS数据中的集线器位置；并且
通过找到在所述OSS数据中相对于所述集线器位置的交叠来确定(416)在所述两个或更多个OSS使能的仪器之间的配准。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，生成(402)集线器模板包括如下中的一项：
使用已知的集线器曲率来生成(404)所述集线器模板；
使用测试设备的曲率来生成(406)集线器模板；以及
根据不同的测量结果使用计算的平均值来生成(408)所述集线器模板。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，搜索测量的OSS数据以匹配所述集线器模板包括将所述集线器模板匹配(412)到OSS数据来确定最小差异以确定所述集线器位置。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括检查(414)所述两个或更多个OSS使能的仪器之间的曲率、形状或者应力的相关，作为在所述两个或更多个OSS使能的仪器的OSS数据之间的验证。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，确定所述配准包括计算(418)在所述两个或更多个OSS使能的仪器的OSS数据之间的刚性变换。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，确定所述配准包括从所述OSS使能的仪器的至少一个中识别(420)不正确的形状测量。
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