CN106999209B - 光学形状感测工具的配准 - Google Patents

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Abstract

一种介入系统采用光学形状感测工具(32)(例如，具有(一条或多条)嵌入的光纤的近距离治疗针)和用于相对于网格坐标系引导所述光学形状感测工具(32)到解剖区域中的插入的网格(50、90)。所述介入系统还采用配准控制器(74)，所述配准控制器用于相对于针坐标系重建所述光学形状感测工具(32)的形状的节段或整体，所述针坐标系的原点位于所述光学形状感测工具(32)上的一点，并且所述配准控制器用于根据相对于所述网格(50、90)的所述光学形状感测工具(32)的重建的节段/整体形状将所述针坐标系配准到所述网格坐标系(即，对被插入/通过所述网格的OSS针的节段/整体形状的重建充当网格/针坐标系配准的基础)。

Description

光学形状感测工具的配准
技术领域
本发明总体上涉及超声引导的介入，所述超声引导的介入涉及针到三维(“3D”)超声体积的配准(例如，活检流程和近距离治疗流程)。本发明具体地涉及将光学形状感测工具配准到3D超声体积。
背景技术
一般来说，步进器用来保持/引导并且如果需要的话平移/旋转(一个或多个)介入工具以便促进超声引导介入(例如，经会阴活检、诸如永久放射性粒子(seed)植入物的内部辐射疗、临时性间质近距离治疗等)
更具体地，近距离治疗流程涉及使用步进器在患者内保持并平移/旋转经直肠超声(“TRUS”)探头。步进器也用于将网格相对于TRUS探头保持在固定位置以便引导针插入到患者中。
例如，图1A图示了典型的近距离治疗设置，其涉及具有支撑网格50的框架40和保持TRUS探头20的托筒41的步进器。在近距离治疗流程期间，网格50相对于患者的直肠被策略地定位，并且步进器的齿轮组件(未示出)被手动地或自动地操作以将TRUS探头20平移和/或旋转到患者的直肠中以及将TRUS探头20从患者的直肠中平移和/或旋转出来。一旦TRUS探头20被适当地定位在患者的直肠内，网格50就可以用于引导(一个或多个)针30插入到目标解剖结构(例如，前列腺)中以促进(一个或多个)辐射源在患者内的植入。
在近距离治疗流程期间，网格50的每个通道51如本领域中公知的那样被术前配准到由TRUS探头20生成的3D超声体积。例如，如图1A所示，网格50的具有被建立在网格50的左下角处的原点的网格坐标系52被术前配准到TRUS探头20的具有由TRUS探头20的换能器阵列(未示出)建立的原点的图像坐标系21。
而且在近距离治疗流程期间，为了在3D超声体积内跟踪针30(特别是针30的端部)的目的，必须将针30配准到网格50。
具体地，毂(hub)60被附接到针30的近端，以便建立具有在毂60到针30的近侧附接点处的原点的针坐标系31。要求六(6)个配准参数的估计结果来促进针坐标系31到网格坐标系52的配准。这六(6)个配准参数包括：
(1)如在图1B中最佳示出的指示坐标系31与52的X轴之间的配准距离的宽度平移参数XTP，其中，针30被插入在网格50的中间通道内；
(2)如在图1B中最佳示出的指示坐标系31与52的Y轴之间的配准距离的高度平移参数YTP，其中，针30被插入在网格50的中间通道内；
(3)如在图1A中最佳示出的指示坐标系31与52的Z轴之间的配准距离的深度平移参数ZTP；
(4)指示针30相对于针坐标系31的X轴的角度旋转的俯仰旋转参数XRP(未示出)；
(5)指示针30相对于针坐标系31的Y轴的角度旋转的偏航旋转参数XRP(未示出)；以及
(6)如在图1B中最佳示出的指示针30相对于针坐标系31的Z轴的角度旋转的滚动旋转参数ZRP。
参考图1B，如本领域中已知的，宽度平移参数XTP和高度平移参数YTP的非零值可以根据所选定的通道51的位置来估计，以相对于网格坐标系52引导针30。而且，假设毂60被松开，针30将会进入并离开垂直于网格50的表面的选定的通道51，由此零值可以针对俯仰旋转参数XRP和偏航旋转参数YRP进行估计。然而，针对深度平移参数ZTP和滚动旋转参数ZRP的估计不可基于选定的通道51类似地实现。
如本领域中已知的，由于坐标系21和52被配准，将针坐标系31配准到网格坐标系52等价于将针坐标系31配准到图像坐标系21。因此，为了促进针坐标系31到坐标系21和52的配准，超声感测和电磁跟踪技术已经被提出来提供针对深度平移参数ZTP和滚动旋转参数ZRP的估计。尽管已经证明这样的技术对于在3D超声体积中跟踪针30的端部是有益的，但是本发明提供了用于估计深度平移参数ZTP和滚动旋转参数ZRP以由此根据流程的需要而跟踪针30的节段或整体的形状的替代性方法。
发明内容
本发明的替代性方法基于光学形状感测(“OSS”)工具到超声引导的介入的整合(例如，OSS的针、导管和导丝)，这促进了对相对于网格的OSS工具(例如，OSS工具被插入/通过网格的通道)的节段或整体的形状的实时重建，作为估计节段或整体工具跟踪以及深度平移参数ZTP和滚动旋转参数ZRP以由此配准图像、网格和针的坐标系的基础。
为了本发明的目的，术语“光学形状感测(“OSS”)工具”广义地涵盖如在本发明之前本领域中已知的和本发明之后知道的用于介入流程的任何管状体结构设计(例如，针、导管和导丝)，由此光学传感器被嵌入在所述管状体内/被附加到所述管状体上。这样的光学传感器的范例包括但不限于被嵌入近距离治疗/活检针、导管或导丝内/被附加到近距离治疗/活检针、导管或导丝上的光纤的光纤布拉格光栅。
本发明一种形式是一种介入系统，其采用OSS工具(例如，具有嵌入的光纤的近距离治疗针)和用于相对于网格坐标系引导(例如，手动或自动引导)所述OSS工具插入到解剖区域(例如，颅部、胸部、乳房、腹部、生殖器、阴部等)中的网格。所述介入系统还采用配准控制器，所述配准控制器用于相对于针坐标系重建OSS工具的节段或整体的形状，所述针坐标系的原点位于所述光学形状感测工具(32)上的一点，并且所述配准控制器用于基于相对于网格的OSS工具的节段或整体的重建形状将针坐标系配准到网格坐标系(即，对被插入/通过网格的OSS工具的节段/整体形状的重建充当网格/针坐标系配准的基础)。
为了本发明的目的，术语“配准控制器”广义地涵盖被容纳在计算机或另一指令执行设备/系统内或被链接到计算机或另一指令执行设备/系统以用于如在本文中随后描述的那样控制本发明的各种发明原理的应用的应用特异性主板或应用特异性集成电路的所有结构配置。所述配准控制器的结构配置可以包括但不限于(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)插槽以及(一个或多个)端口。计算机的范例包括但不限于服务器计算机、客户计算机、工作站和平板电脑。
本发明的第二形式是所述重建控制器，包括：形状重建模块，其用于相对于针坐标系重建OSS工具的节段或整体的形状，所述针坐标系的原点位于所述光学形状感测工具(32)上的一点；工具配准模块，其用于基于相对于网格的OSS工具的节段或整体的重建形状将针坐标系配准到网格坐标系(即，对被插入/通过网格的OSS工具的节段/整体形状的重建充当网格/针坐标系配准的基础)。
为了本发明的目的，术语“模块”广义地涵盖配准控制器的包括电子电路或可执行流程(例如，可执行软件和/或固件的应用部件)。
本发明的第三形式是一种涉及相对于网格坐标系将OSS工具插入(例如，手动或自动插入)到网格中的介入方法，所述重建控制器相对于针坐标系重建OSS工具的节段或整体的形状，所述针坐标系的原点位于所述光学形状感测工具(32)上的一点，并且所述重建控制器基于相对于网格的OSS工具的节段或整体的重建形状将针坐标系配准到网格坐标系。
根据结合附图阅读的本发明的各种实施例的下述详细描述，本发明的前述形式和其它形式以及本发明的各种特征和优点将变得更为明显。详细描述和附图仅说明本发明而非限制本发明，本发明的范围由权利要求及其等价方案来限定。
附图说明
图1A和图1B图示了如本领域中已知的超声探头、近距离治疗针、步进器和网格的示范性近距离治疗设置。
图2图示了根据本发明的介入系统的示范性实施例。
图3图示了表示根据本发明的介入方法的示范性实施例的流程图。
图4图示了表示根据本发明的针配准方法的示范性实施例的流程图。
图5图示了根据本发明的超声探头、光学形状感测针、粒子施加器、步进器和网格的近距离治疗设置的示范性实施例。
图6图示了表示根据本发明的针配准方法的第二示范性实施例的流程图。
图7图示了根据本发明的超声探头、光学形状感测针、步进器和不规则网格的近距离治疗设置的示范性实施例。
图8图示了表示根据本发明的针配准方法的第三示范性实施例的流程图。
图9A和图9B分别图示了根据本发明的超声探头、光学形状感测针、针架、步进器和网格的近距离治疗设置的示范性实施例的侧视图和前视图。
图10图示了表示根据本发明的针配准方法的第四示范性实施例的流程图。
图11图示了根据本发明的超声探头、光学形状感测针、光纤、步进器和网格的近距离治疗设置的示范性实施例。
图12图示了表示根据本发明的针配准方法的第五示范性实施例的流程图。
具体实施方式
为了促进对本发明的理解，本发明的示范性实施例将会在本文中被提供为涉及用光学形状感测(“OSS”)针(例如，图2的OSS针32)代替标准针(例如，图1的针30)并且提供用于将OSS针32配准到网格(例如，图2的网格50)和超声探头(例如，图2的TRUS探头20)的配准控制器74的基于网格的介入系统。根据对如图2-12所示的示范性实施例的描述，本领域普通技术人员应当意识到如何制作本发明并在涉及一种或多种类型的OSS工具(例如，针、导管、导丝)和一种或多种类型的超声探头(例如，TRUS探头)的任何基于网格的介入流程(例如，近距离治疗和活检流程)内实施本发明。
为了本发明的目的，本领域的术语包括但不限于，“网格”、“毂”、“光纤”、“粒子施加器”、“成像”、“重建”、“配准”和“坐标系”，这些术语应当如本发明的领域中已知的那样被解读。
参考图2，OSS针32被示为插入在网格50的通道51内。实际上，光学传感器(未示出)可以以适合用于重建OSS针32的节段/整体形状的任何布置被嵌入在OSS针32内/被附加到OSS针32上。在一个实施例中，每个均具有光纤布拉格光栅的一条或多条光纤被嵌入在近距离治疗/活检针内/被附加到近距离治疗/活检针上。
而且，为了配准的目的，OSS针32的远侧端部可以被设置在通道51内(未示出)，或者OSS针32的远侧端部可以如图2所示的那样被延伸通过通道51，由此OSS针32的远侧节段32D可以被插入在解剖区域(例如，前列腺)内，并且由此OSS针32的远侧节段32D和近侧节段32P中的任一个或两个充当用于估计深度平移参数ZTP和滚动旋转参数ZRP的基础。
类似于针30(图1)，毂60被附接到OSS针32的近端，以便建立具有在近侧附接点处的原点的针坐标系33，如图2所示。替代地，针坐标系的原点可以被建立在沿着本发明的OSS针的任何其他点(例如，OSS针32的远侧端部)处。
任选地，为了如随后将会在本文中解释的配准目的，毂标记61可以被附接到毂60，以促进OSS针32以已知的取向插入/通过通道51。
配准机器70采用如本领域中已知的监测器71、接口平台72和工作站73。
尽管为了清楚起见而未示出，但是本领域普通技术人员应意识到如何将TRUS探头20和OSS针32耦合到工作站73以分别处理超声数据和光学数据。
工作站73具有被安装在其中的配准控制器74。
配准控制器74包括如本领域中已知的操作系统(未示出)和/或能由如本领域中已知的操作系统(未示出)访问，以便控制如由工作站操作者(例如，医生、技术人员等)经由接口平台72的键盘、按钮、转盘、操纵杆等指导的监测器71上的各种图形用户接口、数据和图像，并且以便存储/读取如由接口平台72的工作站操作者编程和/或指导的数据。
为了配准目的，配准控制器74还执行应用模块，所述应用模块包括超声成像模块75、形状重建模块76和工具配准模块77。
超声成像模块75在结构上被配置在配准控制器74内，以如本领域中已知的那样根据由TRUS探头20提供的超声数据相对于图像坐标系21生成超声图像。实际上，超声数据/图像可以具有适合用于配准目的的任何形式。在一个实施例中，超声图像是通过二维(“2D”)平行切片的重建或通过3D探头的使用而生成的3D超声体积。
形状重建模块76在结构上被配置在配准控制器74内，以如本领域中已知的那样根据由OSS针32提供的光学数据相对于针坐标系33重建OSS针32的节段/整体形状。
工具配准模块77在结构上被配置在配准控制器74内，以根据本发明如随后在本文中描述的那样将针坐标系33配准到术前/术中配准的探头坐标系21和网格坐标系52。实际上，配准控制器74可以包括用于如本领域中已知的术前/术中配准探头坐标系21与网格坐标系52的(一个或多个)的额外的模块。
在操作中，配准控制器74控制由配准机器70的操作者促使的根据工具配准模块77的特定实施例的配准过程。为此目的，图3图示了表示一般用于工具配准模块77的任何实施例的如通过配准控制器74进行控制的本发明的介入方法的流程图130。
参考图3，流程图130的配准前阶段S132涵盖对宽度平移参数XTP和高度平移参数YTP的估计。实际上，该估计可以通过适合用于配准目的的任何方式来计算。在一个实施例中，宽度平移参数XTP和高度平移参数YTP可以基于选定通道51在网格坐标系52内的已知位置而被手动地估计。在第二实施例中，宽度平移参数XTP和高度平移参数YTP可以基于对网格50中或附近的检测OSS针32进入/穿过特定通道51的路径的传感器(未示出)的使用而被自动地估计。替代地，宽度平移参数XTP和高度平移参数YTP可以在流程图130的配准阶段134期间被估计，如将会随后在本文中描述的。
实际上，一个以上的OSS针32可以被工具配准模块77按顺序配准或同时配准。这样，流程图130的配准前阶段S132还涵盖对一个或多个OSS针32的节段/整体形状的重建。
流程图130的配准前阶段S132任选地涵盖取决于工具配准模块77的实施例采集一幅或多幅超声图像。实际上，每幅超声图像可以与一个或多个OSS针32的节段/整体形状的重建相关联。
在完成阶段S132时或在阶段S132期间，如果需要的话，流程图130的配准阶段S134涵盖由工具配准模块77直接或间接估计深度平移参数ZTP和/或由工具配准模块77直接或间接估计滚动旋转参数ZRP。为了促进对配准阶段S134的理解，工具配准模块77的各种实施例现在将会在本文中如图4-12所示的那样进行描述。
基于图像的配准。参考图4，流程图140表示本发明的基于图像的针配准方法，该方法用于根据对一个或多个OSS针32的重建节段形状在超声图像内的检测来估计OSS针32的深度平移参数ZTP和滚动旋转参数ZRP。
具体地，对于单个OSS针32，流程图140之前的配准前阶段S132(图3)按顺序涉及(1)现实或虚拟地将OSS针32的远侧端部插入/通过网格50的通道51进入解剖区域，(2)记录通道51在网格坐标系52内的已知位置，(3)重建OSS针32的整体形状，以及(4)采集解剖区域内的OSS针32的节段的超声图像。
在完成配准前阶段S132时，流程图140的阶段S142涵盖由工具配准模块77对OSS针32的重建节段在超声图像内的检测。流程图140的阶段S144涵盖由工具配准模块77根据OSS针32在超声图像内的检测到的重建节段对坐标系21、33和52的配准，并且流程图140的阶段S146涵盖为了在超声图像内显示重建节段形状的图标(例如，如图2所示的图标78)的目的由工具配准模块77记录OSS针32的重建形状在图像坐标系21内的位置。
流程图140的示范性实施方式涉及执行用于识别并分割超声图像中的针状结构的(一种或多种)已知技术的工具配准模块77。为此目的，通道51在网格坐标系52内的已知位置可以用于限制超声图像的处理区域。在一个实施例中，(一个或多个)识别出的针节段的匹配弯曲或形状以及OSS针32的重建的整体形状可以用于检测超声图像中的重建节段形状。在第二实施例中，配准参数可以被优化，以使(一个或多个)识别出的分割结构与超声图像中的重建节段形状之间的叠加最大化。而且，两个实施例可以进行组合。
配准前阶段S132和流程图140针对每个OSS针32进行重复。在流程图140终止后，利用超声图像对OSS针32的节段的跟踪促进了对可应用介入流程的执行，包括但不限于永久性LDR粒子植入物、HDR近距离治疗(临时性放射源插入)、经会阴活检、消融和冰冻治疗。例如，在永久性LDR粒子植入物的情况下，解剖区域内的每个粒子位置可以根据(一个或多个)OSS针32在超声坐标系21内的记录的形状位置来进行规划。
粒子施加器配准。参考图5，该配准并入粒子施加器80以如本领域中已知的那样向解剖区域(未示出)递送粒子(未示出)(例如，向前列腺递送近距离治疗粒子的
Figure GDA0001310174180000091
施加器)。一般来说，如与现有技术类似地被应用于本发明的OSS针32，在超声引导下将每个OSS针插入通过网格50的通道51，由此远侧节段32D延伸到解剖区域中。为了促进对粒子的递送，粒子施加器80随后被附接到毂60，并且引导环81被延伸超过OSS针32的近侧节段32P到达网格50。对于该配准实施例，被建立在针32的远侧端部处的针坐标系的原点优选与具有每个粒子下落位置的原点一致。
参考图6，流程图150表示本发明的基于粒子施加器的针配准方法，该方法用于根据从如被粒子施加器80所附接的毂60到如邻近网格50的网格环81的距离的测量来估计深度平移参数ZTP，并且用于根据毂61相对于粒子施加器80的定位(例如，毂60正在面向下)来估计OSS针32的旋转参数ZRP。
具体地，对于单个OSS针32，流程图150之前的配准前阶段S132(图3)按顺序涉及(1)现实或虚拟地将OSS针32的远侧端部插入/通过网格50的通道51，由此远侧节段32D延伸到解剖区域中，以及(2)记录通道51在网格坐标系52内的已知位置。对于要由单个OSS针32递送的每个粒子，配准前阶段S132涉及对OSS针32的节段/整体形状的重建。
在完成配准前阶段S132(图3)时，流程图150的阶段S152涵盖对从如被粒子施加器80所附接的毂60到如邻近网格50的网格环81的距离的测量。流程图150的阶段S154涵盖由工具配准模块77根据测量到的从如被粒子施加器80所附接的毂60到如邻近网格50的网格环81的距离对坐标系21、33和52的配准，并且流程图150的阶段S156涵盖为了在超声图像内显示重建节段形状的图标(例如，如图2所示的图标78)的目的由工具配准模块77记录OSS针32的重建形状在图像坐标系21内的位置。
流程图150的示范性实施方式涉及粒子施加器80被用于(1)将近距离治疗粒子逐一地装载到OSS针32中，(2)将粒子从OSS针32中推出来，并且(3)将OSS针32缩回预定义的距离。随着粒子下落在解剖区域中，粒子下落的每个位置都被工具配准模块77记录，并且被用于更新处置计划。更具体地，首先，OSS针32在毂标记61朝下的情况下被插入到期望的深度。粒子施加器80抓住毂60，并且网格环81被推进到网格50。此时，网格孔位置、毂标记取向(朝下)和从毂60到网格50的距离可以被处理，以将OSS针32配准到网格50并且因此配准到超声体积。粒子施加器80的封闭器(未示出)被缩回以将粒子装载到OSS针32中。然后封闭器被推动以使粒子下落到解剖区域中。随着封闭器到达其路线的终点，毂到网格50的距离可以用于定位针端部和粒子下落位置。该距离被手动地或通过将粒子施加器80装备有传感器而被自动地测量。该过程被重复直到所有粒子都被放下。因此，OSS针32中的所有粒子的位置都被估计，并且如果需要的话，可以被用于计划更新。
不规则网格配准。参考图7，该配准并入与规则网格50(图1)不同的不规则网格90。更具体地，为了本发明的目的，术语“不规则网格”广义地涵盖这样的网格：所述网格不是在所有通道之间具有基本上(如果不是完全的话)均匀形状，这妨碍了区分通道以进行配准的目的，而是在两个(2)或更多个通道之间具有一定程度的形状不均匀性以由此区分通道以进行配准目的。例如，不规则网格90如所示的那样在通道91-95之间具有形状不均匀性以由此区分用于配准目的的通道91-95。在该范例中，通道91-95的共同向上点S形曲线沿使行下降的近侧方向偏移。
实际上，一个或多个网格通道的形状可以是唯一的，以便促进基于如随后在本文中描述的(一个或多个)唯一形状来确定网格坐标系内的那些(一个或多个)网格通道。
而且实际上，本发明的不规则网格可以根据标准制造实践来进行制造，或者可以被制造为到标准网格上的将网格通道中的一个或多个延伸到(一个或多个)唯一形状中的附接物(例如，到在图1中示出的网格50的前侧或后侧的附接物)。
参考图8，流程图160表示本发明的基于不规则网格的针配准方法，该方法用于根据不规则网格90的每个通道的不同形状来估计OSS针32的深度平移参数ZTP和旋转参数ZRP，其中仅示出了不规则网格90的通道91-95。
具体地，对于单个OSS针32，流程图160之前的配准前阶段S132(图3)按顺序涉及(1)将OSS针32的远侧端部插入/通过不规则网格90的通道，以及(2)重建OSS针32的节段/整体形状。
在完成配准前阶段S132时，流程图160的阶段S162涵盖由工具配准模块77将OSS针32的重建形状的弯曲标绘与不规则网格90的每个通道的模板弯曲进行关联，以便识别恰当的通道。流程图160的阶段S164涵盖相对于识别出的通道的模板弯曲对OSS针32的近侧节段32P的测量。流程图160的阶段S166涵盖由工具配准模块77根据相对于识别出的通道的模板弯曲的测量到的OSS针32的近侧节段32P对坐标系21、33和52的配准；并且，流程图160的阶段S168涵盖为了在超声图像内显示重建节段形状的图标(例如，如图2所示的图标78)的目的由工具配准模块77记录OSS针32的重建形状在图像坐标系21内的位置。
流程图150的示范性实施方式涉及不规则网格90的仅具有将会允许OSS针32经过的逐渐弯曲的通道的每个形状。每个通道形状可以是唯一的，由此通道通过分析每个通道形状的弯曲来识别，由此所有平移参数都可以被确定。任选地，通道形状可以被重复，并且用户识别哪一个网格孔正在被使用，由此平移参数XTP和YTP被知晓。识别出的通道形状中的不均匀性的位置提供了对深度平移参数ZTP的估计。通道形状的弯曲也提供了对滚动旋转参数ZRP的估计。光学形状感测系统的原点在针的毂(或手柄)中。因此，针能够被配准到网格90，并且因此能够被配准到超声图像。更具体到弯曲相关性，唯一的弯曲优选在沿着OSS针32的重建形状的三(3)个不同点处被可视化。这种弯曲使用与用于识别OSS针32的被设置在特定通道的模板形状内的部分的模板弯曲相匹配的样式来唯一地识别。
针架配准。参考图9A和图9B，该配准并入支撑OSS针32到网格50的通道51中的一个中的插入的针架100。一般来说，针架100具有部分地包围毂60和毂标记61的基座101以及将针架100安装到邻近网格50的选定通道51的网格50的一对导轨102R和102L。
参考图10，流程图170表示本发明的基于针架的针配准方法，该方法用于根据导轨102R和102L的长度来估计深度平移参数ZTP，并且用于根据由基座101部分地包围毂60和毂标记61的基座101的凹口来估计OSS针32的旋转参数ZRP。
具体地，对于单个OSS针32，流程图150之前的配准前阶段S132(图3)按顺序涉及(1)将OSS针32的远侧端部插入/通过如由针架100支撑的网格50的通道51，(2)记录通道51在网格坐标系52内的已知位置，以及(3)重建OSS针32的节段/整体形状。
在完成配准前阶段S132时，流程图170的阶段S172涵盖工具配准模块77相对于导轨102R和102L的长度确定深度平移参数ZTP。在阶段S172的一个实施例中，如果OSS针32的远侧端部与网格50齐平，则深度平移参数ZTP等于导轨102R和102L的长度。在阶段S172的第二实施例中，OSS针32沿着导轨102R和102L的距离可以被测量，特别是当OSS针32的远侧端部与网格间隔开时。
流程图170的阶段S174涵盖由工具配准模块77根据等于导轨102R和102L的长度的深度平移参数ZTP对坐标系21、33和52的配准。流程图170的阶段S176涵盖为了在超声图像内显示重建节段形状的图标(例如，如图2所示的图标78)的目的由工具配准模块77记录OSS针32的重建形状在图像坐标系21内的位置。
流程图170的示范性实施方式涉及针架100对现有商用网格(例如，网格50)的改进。针架100到网格50的附接可以使用磁性凹口来附接到网格50或者使用任何其他合适的附接手段。如所示，毂60和毂标记61紧密地适配在针架100中，由此相对于网格50固定滚动旋转参数ZRP。另外，由于针架100的基座101在相距网格50的已知深度处，因此当OSS针32被定位在基座101的凹口中时，OSS针32被配准到网格50并且因此被配准到超声图像。在一个实施例中，当OSS针32进入解剖区域时，OSS针32插入到解剖区域中的深度通过温度的变化来确定。已知的弯曲特征可以如本领域中已知的那样来增强该实施例。任选地，针架100与估计沿着针架100(即，垂直于网格)相对于基座101上的配准点(凹口)的针运动的幅值的相对位置编码器(未示出)相配合。
光纤配准。参考图11，该配准并入用于将OSS针32相对于光纤110的束缚位置(tethered position)投影到网格50的光纤110。一般来说，光纤110被连接到网格50(例如，如所示的网格50的左下角)和毂60(例如，如所示的开放面)。更具体地，光纤110可以以将光纤110配准到网格坐标系并且任选地配准到针坐标系的方式进行连接。(例如，网格坐标系和针坐标系的原点处或附近的连接)。光纤110的重建形状促进OSS针32的重建形状相对于光纤110的束缚位置到网格40的投影，这促进OSS针32到图像坐标系21的配准。
具体地，对于单个OSS针32，流程图180之前的配准前阶段S132(图3)(参考图12)涉及(1)将OSS针32(在图11中被示为远侧节段32D和近侧节段32P)的远侧端部插入/通过网格50的通道51，以及(2)重建OSS针32的整体形状。
在完成配准前阶段S132时，流程图180的阶段S182涵盖工具配准模块77重建光纤110的整体形状，以由此通过网格50的选定通道将OSS针32的重建形状相对于光纤110的束缚位置投影到网格50。流程图180的阶段S184涵盖由工具配准模块77根据投影的OSS针32的重建形状对坐标系21、33和52的配准。流程图180的阶段S186涵盖为了在超声图像内显示重建节段形状的图标(例如，如图2所示的图标78)的目的由工具配准模块77记录OSS针32的重建形状在图像坐标系21内的位置。
任选地，探头20可以装备有(一条或多条)光纤，并且基于(一条或多条)光纤的形状的重建而被类似地配准到网格50。配准可以在探头20相对于网格50的已知位置处被执行。
配准后。返回参考图3，在通过工具配准模块77的特定实施例完成流程图130后，配准的OSS针33由配准控制器74的工具配准模块77或额外的跟踪模块进行跟踪。实际上，对配准的OSS针33的跟踪可以通过本领域中已知的各种跟踪方法来实施。在如本文中先前描述的利用针架配准的一个实施例中，当OSS针32进入解剖区域中/在解剖区域内被导航时，OSS针32插入到解剖区域中的深度通过沿着OSS针32的温度变化来确定。更具体地，参考图2，当OSS针32被插入到解剖区域中时，网格抵靠解剖区域的放置促进基于沿着OSS针32的重建的任何温度变化的检测对针坐标系21到网格坐标系52的配准。
而且实际上，如果需要或期望的话，OSS针32可以在介入流程期间被重新配准。
参考图2-12，根据本发明的示范性实施例的描述，本领域普通技术人员应当意识到本发明的介入系统和方法的众多益处，包括但不限于针对任何基于网格的介入流程的配准的实时3D跟踪和成像。
此外，如本领域普通技术人员鉴于在本文中提供的教导将意识到的，在本公开内容/说明书中描述的和/或在图1-12中描绘的特征、元件、部件等均可以以电子部件/电路、硬件、可执行软件和可执行固件、特别是如在本文中描述的控制器的应用模块的各种组合来实施，并且提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功能。例如，能够通过使用专用硬件以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件来提供在图1-12中示出/图示/描绘的各个特征、元件、部件等的功能。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器，或由多个个体处理器(它们中的一些能够是共享和/或复用的)来提供。此外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够执行软件的硬件，并且还能隐含地包括但不限于，数字信号处理器(“DSP”)硬件、存储器(例如用于储存软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性储存器等)，以及实质上能够(和/或可配置为)执行和/或控制过程的任何手段和/或机器(包括硬件、软件、固件、电路、其组合等)。
此外，本文中记载本发明的原理、各方面和实施例以及其特定范例的所有陈述，旨在涵盖其结构和功能上的等价物。额外地，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及未来发展的等价物(即，执行相同功能的所发展的任何元件而无论其结构如何)。因此，例如鉴于本文提供的教导，本领域普通技术人员将意识到，在本文中提出的任何框图能够表示实现本发明的原理的示例性系统部件和/或电路的概念性视图。类似地，鉴于在本文中提供的教导，本领域普通技术人员应当意识到，任何流程图、流程图表等均能表示基本上可以被表示在计算机可读存储媒介中并且因此可以由计算机、处理器或具有处理能力的其他设备来执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。
此外，本发明的示范性实施例能够采取计算机程序产品或应用模块的形式，所述计算机程序产品或应用模块可从计算机可用存储介质和/或计算机可读存储介质存取，所述计算机可用存储介质和/或计算机可读存储介质提供用于由计算机或任何指令执行系统使用或者与计算机或任何指令执行系统结合使用的程序代码。根据本公开内容，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是例如能够包括、存储、通信、传播或输送用于由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序的任何装置。这样的示范性介质能够是例如电子、磁性、光学、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例如半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪盘(驱动器)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)以及DVD。另外，应当理解，此后可以开发出的任何新的计算机可读介质也应当被认为是根据本发明和公开内容的示范性实施例的可以被使用或涉及的计算机可读介质。
已经描述了具有新颖性和创造性的用于OSS工具的配准的系统和方法的优选的和示范性的实施例(这些实施例旨在是图示性的而非限制性的)，应当注意，本领域普通技术人员在本文提供的教导(包括图1-12)的启示下，可以进行修改和变型。因此，应当理解，能够在/对本公开内容的优选的和示范性实施例中做出在本文中公开的实施例的范围之内的改变。
此外，应预期到，包括和/或实施根据本公开内容的设备或诸如能够在所述设备中使用/实施的对应的和/或有关的系统也被预期并且被认为在本发明的范围之内。而且，用于制造和/或使用根据本公开内容的设备和/或系统的对应的和/或有关的方法也被预期并且被认为在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种介入系统，包括：
光学形状感测工具(32)；
网格(50、90)，其能用于相对于网格坐标系引导所述光学形状感测工具(32)到解剖区域中的插入；以及
配准控制器(74)，其与所述光学形状感测工具(32)通信，
其中，所述配准控制器(74)在结构上被配置为相对于针坐标系重建所述光学形状感测工具(32)的至少一节段的形状，所述针坐标系的原点位于所述光学形状感测工具(32)上的一点，并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为基于相对于所述网格(50、90)的所述光学形状感测工具(32)的至少所述节段的重建形状将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
2.根据权利要求1所述的介入系统，还包括：
超声探头(20)，其与所述配准控制器(74)通信；
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为相对于被配准到所述网格坐标系的图像坐标系生成所述解剖区域的超声图像；并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为根据对所述光学形状感测工具(32)的重建节段形状在所述超声图像内的检测将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
3.根据权利要求2所述的介入系统，还包括：
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为生成所述光学形状感测工具(32)的所述重建节段形状的图标，以用于在所述超声图像上显示叠加。
4.根据权利要求2所述的介入系统，还包括：
光纤(110)，其被连接到所述超声探头(20)并且与所述配准控制器(74)通信；并且，
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为根据指示所述网格上相对于所述图像坐标系的原点的束缚位置的所述光纤(110)的重建形状将所述图像坐标系配准到所述网格坐标系。
5.根据权利要求1所述的介入系统，还包括：
粒子施加器(80)，其被附接到所述光学形状感测工具(32)以测量所述网格(50、90)与所述针坐标系的原点之间的距离；并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为根据经由所述粒子施加器(80)进行的所述网格(50、90)与所述针坐标系的所述原点之间的所述距离的测量将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
6.根据权利要求1所述的介入系统，
其中，所述网格(50、90)包括用于相对于所述网格坐标系将所述光学形状感测工具(32)插入到所述解剖区域中的具有不均匀形状的至少一个不规则通道；并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为根据所述光学形状感测工具(32)的重建节段与针对所述网格(50、90)中具有不均匀形状的每个不规则通道的模板弯曲的相关性将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
7.根据权利要求1所述的介入系统，还包括：
针架(100)，其支撑所述光学形状感测工具(32)以测量所述网格(50、90)与所述针坐标系的原点之间的距离；并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为根据经由所述针架(100)进行的所述网格(50、90)与所述针坐标系的所述原点之间的所述距离的测量将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
8.根据权利要求1所述的介入系统，还包括：
光纤(110)，其被连接到所述网格(50、90)和所述光学形状感测工具(32)，所述光纤(110)还与所述配准控制器(74)通信；并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为根据指示所述网格上相对于所述针坐标系的原点的束缚位置的所述光纤(110)的重建形状将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
9.根据权利要求1所述的介入系统，
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为检测沿着所述光学形状感测工具(32)的任何温度变化；并且
其中，所述配准控制器(74)在结构上还被配置为基于沿着所述光学形状感测工具(32)的任何检测到的温度变化将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
10.一种用于将光学形状感测工具(32)配准到网格(50、90)以相对于网格坐标系引导所述光学形状感测工具(32)到解剖区域中的插入的配准控制器(74)，所述配准控制器(74)包括：
形状重建模块(76)，其在结构上被配置为相对于针坐标系重建所述光学形状感测工具(32)的形状，所述针坐标系的原点位于所述光学形状感测工具(32)上的一点，以及
工具配准模块(77)，其在结构上被配置为基于由所述形状重建模块(76)做出的相对于所述网格(50、90)的所述光学形状感测工具(32)的重建形状将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
11.根据权利要求10所述的配准控制器(74)，其中，所述工具配准模块(77)在结构上还被配置基于由所述工具配准模块(77)做出的对所述光学形状感测工具(32)的重建节段形状在相对于被配准到所述网格坐标系的图像坐标系的所述解剖区域的超声图像内的检测将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
12.根据权利要求10所述的配准控制器(74)，其中，所述工具配准模块(77)在结构上还被配置为根据对所述网格(50、90)与所述针坐标系的所述原点之间的距离的测量将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
13.根据权利要求10所述的配准控制器(74)，
其中，所述网格(50、90)包括用于相对于所述网格坐标系将所述光学形状感测工具(32)插入到所述解剖区域中的具有不均匀形状的至少一个不规则通道；并且
其中，所述工具配准模块(77)在结构上还被配置为根据所述光学形状感测工具(32)的重建节段与针对所述网格(50、90)中具有不均匀形状的每个不规则通道的模板弯曲的相关性将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
14.根据权利要求10所述的配准控制器(74)，其中，所述工具配准模块(77)在结构上还被配置为根据指示所述网格上相对于所述针坐标系的原点的束缚位置的光纤(110)的重建形状将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
15.根据权利要求10所述的配准控制器(74)，
其中，所述形状重建模块(76)在结构上还被配置为检测沿着所述光学形状感测工具(32)的任何温度变化；并且
其中，所述工具配准模块(77)在结构上还被配置为基于沿着所述光学形状感测工具(32)的任何检测到的温度变化将所述针坐标系配准到所述网格坐标系。
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