CN107205810B - 通过导丝的光学形状感测的装置可视化 - Google Patents

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Abstract

一种医疗装置布设系统包括主体(101)以及能够被穿过主体并包括管腔的导丝(103)。光学形状感测(OSS)系统(104)被构造成穿过导丝中的管腔。OSS系统被构造成测量腔内移植物(102)相对于用于放置腔内移植物的血管的形状、位置或方向。

Description

通过导丝的光学形状感测的装置可视化
技术领域
本公开涉及医疗器械，并且更具体地涉及用于利用被集成到导丝中的形状感测光纤(在某些情况下，利用附接到装置上的改型附接件)进行医疗装置放置/布设的系统、装置和方法。
背景技术
光学形状感测(OSS)在外科手术期间将沿多芯光纤的光用于装置定位和导航。所涉及的一种原理利用了使用特有的瑞利背向散射或受控光栅图案的光纤中的分布应力测量值。沿光纤的形状始于沿传感器的被称之为发射点(或z＝0)的特定点，并且随后的形状位置和定向是相对于该点而言的。对于有意义的临床用途，形状感测装置可被配准到成像参照系(例如术前CT或实时荧光透视图像)。
血管内动脉瘤修复术(EVAR)已作为用于修复腹主动脉瘤(AAA)的最为常用的技术而取代了开放手术。该手术通常在X射线荧光透视引导下进行，并且使用大量的对比剂(contrast)以正确地定位和布设支架移植物。在EVAR手术期间平均使用50-100mL的对比造影剂，这在罕见情况下会导致急性肾衰竭。
源自EVAR的最为常见的并发症是由支架移植物相对于主动脉的密封不当所导致的内漏。内漏包括支架周围的不当流动(例如，近侧或远侧附接位置处的支架周围的流动、穿过移植物壁的流动、来自分支的逆流等)。
EVAR周围的另一并发症包括主动脉分支血管(例如结肠、肾和骨盆动脉)缺血。这可能因支架移植物的错位而发生，使得该支架部分或完全地覆盖侧向脉管中的一个。这与缺乏高质量的成像技术以及血管内团队的经验相关联。
在EVAR中，腔内移植物被包含在用于将腔内移植物导航到脉管系统的正确部位的布设系统内。该布设系统往往是相对较大且刚性的血管内装置。它们通常包括处于近端的手柄或一组旋钮和转盘以控制与该布设有关的多个步骤。该腔内移植物位于该装置的远侧部分内，并且仅在已将该装置导航到适当位置时被释放。在某些情况下，该腔内移植物在一个步骤中完全地布设，而在其它情况中，在该最终布设步骤将腔内移植物(通常通过定位/密封环)牢固地附接到脉管系统之前，该腔内移植物可被局部地布设以允许实现正确的定位和定向。
该腔内移植物通常需要足够多的健康的脉管系统，在那里，它可以使其密封环着陆。如果这在肾动脉的下方是不可能的，则支架将覆盖住那些动脉，并且必须形成维持流到那些脉管的流量的一些替代方式。这可以利用一种开窗型腔内移植物(例如，带有用于分支血管的窗口的腔内移植物)在被称为开窗型血管内动脉瘤修复术(FEVAR)的手术中完成。在这种情况下，该腔内移植物具有必须与分支血管正确对齐的窗孔，并且放置附加支架以将侧向脉管连接到主支架。
在X射线引导下，可通过位于支架上的关键位置中的X射线可见的标记来使该腔内移植物可视化。在开窗型支架中，标记识别该窗孔的位置，并且可被用于定向该腔内移植物以将窗孔与侧向血管适当地对准。源自EVAR的并发症包括导致内漏的腔内移植物的异位、导致分支血管阻塞的腔内移植物的异位、由于在腔内移植物布设期间使用的高水平的造影剂以及由于因在复杂解剖结构中进行导航和布设造成的长手术时间所导致的高造影剂和辐射剂量所导致的造影剂肾病。此外，三维腔内移植物在三维解剖结构内的放置是具有挑战性的并且通常通过X射线荧光透视在二维成像引导下执行。
US2014/0180067描述了一种带有两个成像元件的输送系统，用于允许操作者在植入物输送过程期间获得管腔表面的实时图像。该输送装置包括具有第一成像元件的细长本体，其环绕中央管腔并且通向通过其布设植入物的开口。带有第二成像元件的内部构件被可移动地布置在该中央管腔中。
发明内容
根据本发明的原理，医疗装置布设系统包括主体及能够被穿过该主体并包括管腔的导丝。光学形状感测(OSS)系统被构造成穿过该导丝中的管腔。该OSS系统被构造成测量腔内移植物相对于用于放置该腔内移植物的血管的形状、位置或定向中的至少一个。
腔内移植物布设系统包括工作站，该工作站包括处理器和存储器。光学形状感测模块被存储在该存储器中并被构造成解释光学形状感测数据。布设系统包括管。导丝能够被穿过该管，并且该导丝包括管腔。光学形状感测(OSS)系统被构造成穿过该导丝中的管腔。该OSS系统被构造成测量腔内移植物相对于用于放置该腔内移植物的血管的形状、位置或定向中的至少一个。配准模块被构造成将该光学形状感测数据配准到术前或术中图像。
医疗装置布设系统包括主体，该主体具有被联接到该主体的控制手柄。光学形状感测(OSS)系统被构造成测量腔内移植物相对于用于放置该腔内移植物的血管的形状、位置或定向中的至少一个。至少一个卡扣式附接件被构造成将该OSS系统附接到该控制手柄。
用于腔内移植物布设的方法包括布设导丝，该导丝在该导丝的管腔内具有光学形状感测(OSS)系统，该导丝被构造成将腔内移植物输送到脉管中；使用该OSS系统测量该导丝的形状、位置或定向中的至少一个，以便在布设过程中识别该腔内移植物的形状、位置或定向；将OSS数据与关于脉管的图像数据配准，在该脉管中放置有腔内移植物；将该腔内移植物锚固在该血管中；并且将该导丝和OSS系统从脉管移除。
通过结合附图阅读的本发明的说明性实施例的下列详细描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。
附图说明
参照以下附图，本公开将详细地呈现对于优选实施例的下列描述，其中：
图1是示出了根据一个实施例的一种被构造成用于利用导丝内的光学形状感测系统的腔内移植物放置/布设的系统的方块/流程图。
图2是示出了根据一个实施例的一种具有OSS系统、导丝和布设系统的管的松开和夹持组件的剖面的示图；
图3是示出了根据一个实施例的在与布设系统接合之前和之后的导丝联接机构的示图；
图4是示出了根据一个实施例的位于布设系统的导丝和手柄之间的可旋转传感器组件的透视图；
图5是示出了根据一个实施例的用于位于布设系统的手柄内的导丝的形状模板的侧视剖视图；
图6是示出了根据一个实施例的导丝和带有不透射线的配准标记的腔内移植物的侧视图；
图7是示出了根据一个实施例的用于被联接到布设系统的手柄的导丝的OSS系统的示图；
图8是示出了根据一个实施例的用于导丝的OSS系统及被联接到布设系统的手柄的附加OSS系统的示图；
图9是示出了根据一个实施例的由OSS系统测量的布设系统的手柄的相对位置的示图，并且相应的模型显示器示出了相对效应；
图10是示出了根据一个实施例的被联接到布设系统的卡扣(clip-on)式附接机构的透视图以及带有该卡扣式附接机构的OSS系统的放大视图；以及
图11是示出了根据说明性实施例的一种用于利用导丝中的光学形状感测系统的腔内移植物放置/布设的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明原理，在使用光学形状感测(OSS)进行布设期间，可以更为精确地控制支架(腔内移植物)相对于解剖成像(例如，术前计算机断层分析(CT)图像、术中xperCT/3DRA、荧光透视路标等)的三维可视化。将用于导航的OSS引入到血管内动脉瘤修复术(EVAR)可减少辐射剂量，并提供一种用以在三维脉管系统内定位导管和导丝的更为直观的方式，从而缩短手术时间并改进结果。
EVAR手术的一个特征是腔内移植物的布设。腔内移植物的定向和定位是对脉管进行良好密封以及调节流量使得动脉瘤不再承受压力方面的重要考虑因素。如果腔内移植物并未被正确地定位，则血液可能在腔内移植物周围渗漏，并继续在动脉瘤囊中集中，或者该腔内移植物可堵塞住主动脉的侧向脉管，这会导致流到关键器官的血液流量不足。在开窗型血管内动脉瘤修复术(FEVAR)中，分支血管(例如肾动脉)需要被插管。该导管插入术包括将导管和导丝导航通过半布设的支架移植物，使腔内移植物经由窗孔退出，并且随后进入目标脉管。虽然这可以很大程度上通过穿过OSS的装置的已知位置和形状来完成，但看到腔内移植物的位置(以及相应的窗孔)可能同样是有利的。因此，通过形状感测该腔内移植物，可以在布设过程中追踪腔内移植物的位置/定向/形状以用于最佳定位，并且可在无需(或最小限度地)使用X射线引导的情况下执行侧向脉管的导管插入术。在一个实施例中，可以基于支持OSS的装置、支持OSS的支架移植物以及术前CT/实时荧光透视来执行引导。
支持OSS的装置(例如导丝、导管等)为操作者提供该装置上的点或整个装置的形状、变形和位置的信息。本发明原理在将可移除光学形状感测装置引入到该本体之前将其集成到腔内移植物、支架、气囊等中，以便在放置过程中提供增强的可视化信息。为进一步为操作者提供可布设装置的形状、位置和定向的信息，可将OSS引导引入到该布设过程中。一种可布设或布设装置可包括腔内移植物、支架、导丝、导管、气囊导管、二尖瓣夹、二尖瓣瓣膜、左心耳(LAA)封堵装置等。
为了将OSS的使用引入到介入手术中，光纤需要被集成在用于该介入的装置中。将形状感测光纤直接结合到布设装置中可能需要对现有装置进行修改。一种解决方案包括被集成到用作用以支架布设系统的“输送轨道”的导丝中的光学形状感测光纤。该导丝随后被配准到支架或腔内移植物，并且随后被用于在布设过程中模拟支架或腔内移植物的位置和定向。由于该布设装置在导丝上行进，因此可以获得关于该装置的位置和定向的信息；然而，可能无法获得关于其布设状态的信息。将支持OSS的改进附接件夹到布设装置的手柄上可被用于提供关于布设状态的附加信息，并且由此被用以在布设过程中形成支架或腔内移植物位置的更为完整的模型。通过使用荧光透视以更新该模型，可以补充这些过程。
应该明白的是，将根据医疗器械来描述本发明；然而，本发明的教导是宽泛得多的并且适用于任何光纤器械。在某些实施例中，本原理被用于追踪或分析复杂生物或机械系统。特别地，本发明原理适用于生物系统的内部追踪过程，例如肺、胃肠道、排泄器官、血管等之类的所有身体区域中的过程。附图中描绘的元件可在硬件和软件的多种组合中实施，并提供可被结合在单一元件或多个元件中的功能。
通过使用专用硬件以及能够以与适当软件相关联的方式执行软件的硬件，可提供附图中所示的多种元件的功能。当由处理器提供时，这些功能可由单一专用处理器、由单一共享处理器、或由多个单独处理器(其中一些可以是共享的)提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为仅涉及能够执行软件的硬件，并且可隐含地且非限制性地包括数字信号处理器(“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，本文中阐述本发明的原理、方面和实施例及其具体示例的所有陈述都旨在涵盖其结构和功能的等效方案。另外，意图示这种等效方案包括当前已知的等效方案以及未来研发的等效方案(即，不管结构如何，执行相同功能的所研发的任何元件)。因此，例如，将会被本领域技术人员意识到的是，本文中所呈现的方块图表示具体实现本发明的原理的说明性系统部件和/或电路的概念性视图。同样，将会意识到的是，任何流程图、作业图等都表示可在计算机可读存储介质中被充分表示并且因此由计算机或处理器执行的多种过程，无论这种计算机或处理器是否被明确示出。
此外，本发明的实施例可呈一种可从计算机可用或计算机可读存储介质中获取的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品提供用于由或结合计算机或任何指令执行系统使用的程序代码。出于该描述的目的，计算机可用或计算机可读存储介质可以是可包括、存储、传送、传播或传输用于由或结合指令执行系统、设备或装置使用的程序的任何设备。该介质可以是电子、磁、光学、电磁、红外线或半导体系统(或设备或装置)或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘的当前示例包括紧致光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)，蓝光TM和DVD。
现在参照附图，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件，并且初始参照图1，说明性地示出了根据一个实施例的一种用于利用支持形状感测的装置和系统对腔内移植物及相关附件或工具进行追踪和导航的系统100。导航可以被手动或机械地执行。系统100可包括工作站或控制台112，通过其来监督和/或管理手术。工作站112优选地包括用于存储程序和应用的一个或多个处理器114和存储器116。存储器116可存储一种被构造成用以解释来自一个或多个形状感测装置或系统104的光学反馈信号的光学感测模块115(在图1中，OSS系统104位于导丝103内，同样参见图2)。光学感测模块115被构造成用以使用光学信号反馈(以及任何其它反馈，例如电磁(EM)追踪)以重建与医疗装置或器械相关的变形、偏转和其它变化，该医疗装置或器械例如为腔内移植物102(本文中也称为支架移植物或支架)、穿过布设装置或系统107的一个或多个导丝103(例如，刚性导丝)，例如市场上可买到的支架布设系统。布设系统107可包括一种导丝103穿过的管或主体101。(参见例如图2的剖面)。布设系统107可包括一个或多个控制或稳定手柄105，其根据用以执行多个任务的设计而被使用以例如用于缩回支撑腔内移植物102的护套、用以推进承载腔内移植物102的输送装置、用以根据布设系统107的设计及其需要实施的功能来调节导丝103或任何其它有用的功能。
形状感测系统104包括以一种或多种设定图案而被包括在系统104中的一个或多个光纤126。光纤126连接到工作站112。形状感测系统104可被包括在导丝103的管腔和/或该手术中所涉及的其它医疗部件中。OSS光纤126或OSS系统104被用于提供布设装置(例如腔内移植物或支架)的可视化表示。本发明原理应用于用于导航和布设腔内移植物102的光学形状感测光纤126或布设系统107的任何用途。尽管就腔内移植物102进行说明，但本发明原理也可适用于气囊导管、夹具、瓣膜和其它可移植物。
在一个实施例中，OSS系统104的光纤126被集成在导丝103、布设系统107和/或布设系统107的手柄105内或穿过导丝103、布设系统107和/或布设系统107的手柄105。OSS系统104可被用于进行物理测量。可将这些测量值用于规划或放置腔内移植物102。腔内移植物102也可包括OSS系统104以提供用于腔内移植物102本身的位置和定向信息。
具有光纤的形状感测系统104可基于一个或多个光纤中的光纤布拉格(Bragg)光栅传感器。光纤布拉格光栅(FBG)是反射特定光波的长并传输所有其它光的短段光纤。这通过在光纤芯体中添加折射率的周期变化来实现，其产生了特定波长介质镜。光纤布拉格光栅因此可被用作内联滤光器，以阻挡住某些波长或作为特定波长反射器。
光纤布拉格光栅的操作背后的基本原理是在改变折射率的每个接口处的菲涅尔反射。对于某些波长，不同时期的反射光是同相的，使得对于反射存在有益干扰并且因此对于传输存在有害干扰。布拉格波长对应变及温度是敏感的。这意味着布拉格光栅可被用作光纤传感器中的感测元件。在FBG传感器中，应变导致布拉格波长的偏移。
该技术的一个优点是，多种传感器元件可被分布在光纤的长度上。将三个或多个芯体与多个传感器(量规)沿被嵌置在结构中的光纤的长度向结合允许精确地确定这种结构的三维形式，通常比1mm精度更好。沿光纤的长度在不同位置处可定位有多个FBG传感器(例如，3个或多个光纤感测芯体)。通过每个FBG的应变测量值可以推断出该结构在该位置处的曲率。通过大量测量位置确定总体三维形式。
作为光纤布拉格光栅的替代方案，可利用传统光纤中的固有背向散射。一个这种方法是在标准单模通信光纤中使用瑞利散射。瑞利散射作为光纤芯体中的折射率的随机波动的结果而发生。这些随机波动可被模拟为一种振幅和相位沿光栅长度随机变化的布拉格光栅。通过在多芯体光纤的单一长度内行进的三个或多个芯体中使用这种效应，可遵循所关注表面的3D形状和动态。
应该理解的是，光学形状感测可以多种方式执行，而并不局限于FBG或瑞利散射技术。例如，其它技术可包括被蚀刻到光纤中的通道、将量子点用于反射、使用多个分离的光纤(例如，3个或更多)来代替单一多芯光纤或其它光学形状感测技术。
工作站112包括用于查看受治疗者(患者)或体积(volume)131的内部图像的显示器118并且可包括图像134(术前或术中图像)或图像136(OSS数据)作为与在该程序中使用的一个或多个部件中的形状感测系统104配准的覆盖图(overlay)或其它复制图(rendering)。显示器118也可允许用户与工作站112及其部件和功能元件(例如，触摸屏、图形用户界面等)或者系统100内的任何其它元件进行交互。这进一步由接口120促进，该接口120包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉装置或任何其它外围设备或控制装置以允许来自工作站112的用户反馈并与工作站112进行交互。
在一种实施例中，OSS光纤126或OSS系统104或支持OSS的装置103、105、107等被联接到腔内移植物102。OSS光纤126、OSS系统104等被配准到腔内移植物102的一个或多个特征。
通过集成支持OSS的装置103、105、107、OSS光纤126或OSS系统104，关于移植物102的几何信息可被收集并最终被用于可视化该移植物102。
配准模块130被构造成使OSS光纤126或系统104配准到物理结构(例如，动脉瘤等)、其它OSS系统104、图像134、136、导丝103、手柄105、腔内移植物102等。对于形状识别配准，独特的形状或形状模板128可被用于从光纤126获得位置和定向信息。如果光纤126采用预定和不变的路径，则该路径的曲率和形状信息可被用于识别待被存储在存储器116中的唯一的图像到光纤转换。
图像处理模块142被构造成组合图像(134)和OSS位置数据(图像136)用于在显示器118上联合或单独显示。OSS数据136和图像数据(来自术前或术中图像134)可被配准并联合地显示，以协助腔内移植物102(或其它支架或可植入装置)的放置。成像系统110可包括用于收集关于器械或解剖学特征的位置的实时视觉信息的荧光透视系统(X射线)。利用图像装置110收集到的图像134可被与来自OSS系统104的OSS数据配准。
腔内移植物102布设中的一个步骤是定位X射线可见(不透射线的)标记132。这些在将腔内移植物102在导丝103上推进到大致位置时被最初定位。如果腔内移植物可以是半布设的(如在FEVAR中那样)，那么标记132被重新用于微调腔内移植物102的位置。三维腔内移植物102在三维解剖结构中的放置是具有挑战性的，并且通常通过X射线荧光透视在二维成像引导下执行。因此，腔内移植物102的异位可发生，并且手术时间可能变得非常长。
在常规FEVAR手术过程中，相当长的一部分时间花费在将导管插入腔内移植物的窗孔以确保与下层脉管系统的对准。具体地，操作者试图将所有窗孔或窗口对准，以确保分支血管并不被主支架移植物本体堵塞住。操作者必须向上导航到主支架移植物本体中，随后退出窗孔并进入侧向脉管。为此，需要看到解剖结构以及腔内移植物的位置和定向。
通过形状感测导丝103和/或布设系统107的一部分(例如手柄105)，并且因此腔内移植物(或至少腔内移植物上的相关标记)的位置，可以简化该导航。然后，可以使用用于引导的配准术前(例如，CT)图像来执行导航。为了将光学形状感测的使用引入到介入术中，首先需要将光纤集成到用于该介入术的装置/系统中的一个或多个中。考虑到这些系统的复杂性，这种集成会是技术上具有挑战性的并且会需要对现有设计进行相当大的改变。然而，通过将光学形状感测集成到在腔内移植物布设过程中使用的导丝103中并根据本发明原理将腔内移植物102配准到导丝103，系统100可与任何类型的支架和/或布设系统107在对腔内移植物或布设机构的设计具有有限影响的情况下一起使用。
根据特别有用的实施例，OSS系统104被集成到导丝103中，在该导丝103上放置有腔内移植物布设系统107。布设系统手柄105被联接到导丝103，并且对腔内移植物102关于导丝103的任何移动进行追踪。腔内移植物102在导丝103中被配准到OSS系统104。导丝103可包括一种具有介于约0.014到约0.045英寸之间(且通常为约0.035英寸)的直径的刚性导丝。
虽然本发明原理可被应用到与支架或腔内移植物结合使用的任何介入导丝，但本实施例采用其中具有用于OSS系统104的管腔或通道的导丝103，该管腔或通道被设置成，使得导丝103的位置和定向是已知的。这种导丝103用作用于支架布设工具(107)的“输送轨道”，该导丝103沿布设系统107内的专用导丝管腔穿行。由于导丝103物理地位于布设系统107内，因此导丝103的重建形状表示布设系统107的形状。然而，导丝103可自由地旋转并在布设系统107内平移，并且因此腔内移植物102、X射线可见标记132或布设系统107的末端的精确位置和定向可以是未知的。
布设系统107的构造使得一个手柄105可以轴向和扭转刚性的方式连接到腔内移植物102。这允许在手术中重新定向该腔内移植物102，但也可被赋予新的用途，以便维持导丝103和布设系统107之间的配准。这可以若干种不同的方式实现。
参照图2，在一个实施例中，在导丝103和布设系统107之间使用夹持机构150。在剖视图157中，导丝103和布设系统107被示出为是不受约束的。在剖视图159中，导丝103和布设系统107被说明性地示出为受限于夹持机构150。在该实施例中，布设系统107被在导丝103上推进，直到被定位于大致正确的预期插入深度处。一旦处于该位置，布设系统107内的夹持机构150就会被致动，从而将布设系统107物理地联接于导丝103。因此，在OSS系统104和布设系统107中的已知特征(例如X射线可见标记)之间的配准即将发生的情况下，布设系统107的关于形状感测协调系统的任何后续操作都是已知的。
夹持系统150可包括一种被集成到布设装置107的手柄105中的系统或一种附接到布设系统107并且随后在布设系统107的入口附近夹持住导丝103的改型系统。夹持机构150包括允许夹持和再次夹持导丝103使得仍存在自由地操纵导丝103的能力的释放件152。作为选择，释放件152可包括致动释放件，使得用户不必通过手来施加夹持力。
夹持机构150可包括压缩布设系统107的管101的卡盘151。这些卡盘可被铰接地连接并使用一个或多个枢转轴155。夹持机构150可被放置于导丝到布设系统107的进入点处，尽管它也可被放置在其它位置处，例如位于手柄105的远侧的点(例如布设系统107的末端处，处于布设系统的心轴内或处于加载支架的近侧位置处)。可使用沿布设系统107的多个夹持点(例如位于布设系统107的近侧和远侧)。OSS系统104可于夹持点处被固定在导丝管腔内。这可包括暂时或永久固定点。
应该理解的是，夹持机构150仅说明了一种用于将导丝103紧固到布设系统107的技术，根据本发明原理也可使用其它机构，例如夹具、销、制动器等。
参照图3，联接特征160可被放置在导丝103和布设系统107上。在一个实施例中，导丝103在沿其长度的某个位置处具有预定的联接特征160。这可以是一种在固定位置处粘合到导丝103的可调节加扭器或更为持久的特征。布设系统107在手柄105的近端处也具有联接特征162，使得当两个配合特征接触时，它们接合并将这两个装置刚性地连接在一起。作为选择，导丝103可在不对装置手柄105做出任何修改的情况下夹持到布设系统107的手柄105上。
在将联接特征160刚性地固定到导丝103的情况下，固定位置可以使得当将配合部件联接在一起时，或在位于装置管腔(103)内部或外侧的其它任何预定位置处，导丝103的末端与布设系统107的末端对准。限定该固定位置相对于腔内移植物102的定位可能是预配准协议的一部分。在另一实施例中，这两种装置的联接可发生于布设系统107的远侧末端处。视图164示出了接合之前的联接特征160和162，并且视图166示出了接合之后的联接特征160和162。
参照图4，另一实施例包括一种追踪手柄105和导丝103之间的旋转的旋转追踪传感器190。在并不需要将导丝103可旋转地联接到布设系统107的情况下，可将传感器190结合到手柄105或附接件中，使得导丝103以能够测量两个装置的相对旋转和平移的方式连接于布设系统107。该实施例可包括位于手柄105内的用于测量旋转的光学编码器(190)(或类似机构)以及被嵌置在手柄105内但联接到导丝103的线性电位计191(或类似机构)。
参照图5，另一实施例使用带有OSS系统104的模板192、使用导丝管腔内的模板192中的已知形状来追踪导丝103和手柄105。如果迫使导丝103穿过位于布设系统107的手柄内的特定形状，则可对其相对于该系统的位置和定向进行识别。
参照图6，腔内移植物102可以多种方式被配准到导丝103。这些可包括将导丝103中的OSS系统104配准到支架或腔内移植物102上的X射线可见标记202。这可使用X射线配准来执行，该X射线配准使用导丝103的末端以及在X射线图像中可见的标记202来确定它们的关系。在某些情况下，导丝103的末端可能在与支架102相同的X射线图像中是不可见的。用以执行该配准的替代方式是在导丝103上沿其远侧长度制造唯一的X射线可见带204，使得那些带中的一个可能与腔内移植物或支架102接近，并由此能够配准。也考虑到了配准OSS系统104的其它方法。
通过将标记202的位置配准到导丝103或导丝103上的标记204，可以在3D可视化框架内(例如，在显示器118上，图1)显示标记202、204的虚拟表示。随后，当操作布设系统107时，标记202、204的位置可被相应地更新。同样，支架移植物102的3D模型可根据标记202、204的已知位置以及来自OSS系统104的OSS形状数据而变形。
支架102的荧光图像的2D重叠可被向用户显示并被基于导丝位置和定向进行修改。例如，当已部分地布设主体支架并且导航正在进行以使用支持OSS的装置将导管插入侧向脉管时，这在FEVAR中是特别有用的。在这种情况下，知晓支架102上的窗孔标记202的位置可为穿过支架102导航到侧向脉管中提供附加信息。支架102可使用通过追踪导丝103所提供的信息来可视化。
应该注意的是，对于半布设支架，一旦已确识别出支架102的初始位置以及已将支架102半布设，就需要在穿过窗孔等进一步导航其它支持OSS的装置(导管导丝等)之前，重复配准。这是由于支架移植物102将扩大并且X射线可见标记202的位置将偏移的事实所导致的。
在布设的多个阶段中，可使用支架移植物的作为该支架的完整3D模型的虚拟表示。这种表示会清楚地提供另一简化的导航任务。特别地对于仔细地保持机械性能是重要的支架植入术而言，不妨碍腔内移植物102的功能特性可能是优选的。此外，通常存在仅使用一种布设手柄105的许多类型的腔内移植物102。OSS系统104可被用作手柄上的改型附接件。这样，多个支架可通过一种设计来解决。
参照图7，另一实施例使用同一OSS系统104追踪手柄105和导丝103。OSS系统104的近端从导丝103退出，并且在返回到发射固定装置(launch fixture)170之前，被连接到布设系统107上的固定点(附接点)174。如以前一样，该固定点174的位置优选地位于布设系统107的远侧手柄105上，这是因为这刚性地联接到系统107的主构架并且由此刚性地联接到腔内移植物102的位置。
参照图8，另一实施例使用不同的OSS系统104来追踪手柄105和导丝103。第二OSS系统104’被附接到布设系统107上的固定点184，并被配准到形状感测协调系统。该固定点184的位置优选地处于布设系统107的手柄105上的一点，这是因为这被刚性地联接到系统107的主构架并且因此被刚性地联接到腔内移植物102的位置。该构造允许导丝103旋转并相对于布设系统107平移。
参照图9，描绘了布设系统的四个位置210、212、214和216，具有支架的血管的对应模型图像220、222、224和226被布设在其中。一种卡扣式附接件302(或一组附接件)可被包括以将一个或多个OSS系统104连接到布设系统107的一个或多个手柄105。也需要一种用于将支架102配准到OSS系统104的方法。连接到布设系统107的卡扣式附接件302可提供一种能够实现腔内移植物布设过程的可视化的简单方法。布设系统107的近侧部分处的运动直接地映射到支架位置和布设状态的变化。
在一个实施例中，该卡扣式附接件302包括所采用的粘结条或片，其附接到OSS系统104并被固定到布设系统107的近侧和远侧手柄105。OSS系统104返回到其原始所在的发射基座或固定装置308。夹具302可被移除并在同一过程内被再次施加用于另一支架布设。夹具302可包括机械固定装置(例如，夹具、铰接夹、弹簧钩扣等)、粘合剂、磁性附接件、带或其它附接件装置。
需要知晓支架移植物102的位置、支架移植物102的定向以及布设状态(已经在支架移植物上布设了多少独特的支架)。存在需要知道的关于该支架的三种主要特征，以提供有意义的可视化。假定形状感测导丝103正被用作布设过程的一部分。该导丝103可提供部分信息以确定支架102的位置。在某些情况下，导丝103可被联接到布设系统107，由此它并不提供关于定向的信息。卡扣式附接件302可感测支架移植物102的定位环(或支架移植物的被刚性地附接到布设系统107的任何一部分)的定向，这是因为手柄105的远侧部分的定向被直接地(非常扭转刚性地)联接到支架移植物102的附接位置的方位。这就是在布设过程中能够精细操作支架移植物102的事物。因此，通过感测远侧布设手柄105的位置，可以提取支架移植物102上的附接点的定向。
通过测量支架布设系统107的致动元件(例如，手柄105)的相对位置，卡扣式附接件302可提供关于支架移植物102的布设状态的信息。如图9中所示，布设系统上的远侧和近侧手柄105之间的分离直接涉及已释放了多少个特有的支架或支架长度。利用带有卡扣式附接件302的手柄105上的形状感测实现的支架的可视化包括被附接到远侧和近侧手柄的OSS系统104。
通过在无需修改市场上可获得的多个不同的布设系统的情况下将OSS系统104结合到布设系统107的一个或多个手柄105中来推断支架布设的状态同样会是可能的。OSS系统104的接口联接可被利用单独的OSS可视化框架来完成。卡扣式附接件302提供了与上述实施例相同的功能，而无需进行手柄修改。可利用一种用于导丝103的不同的OSS系统104或通过在从导丝103的近侧部分离开后使用OSS系统104，完成到手柄105的卡扣式附接件302。
参照图10，一种说明性布设系统107被连同粘合卡扣式附接件302’的放大视图一起示出。除了附接到手柄105上之外，粘合剂或卡扣式附接件302’也可被用于感测布设系统107的远侧部分。该夹具302’可包括将OSS系统104联接到布设系统107的外侧的粘合附接件或贴片(patch)312。该粘性贴片312也可具有被集成到其中的用于配准目的的不透射线的标记314。OSS系统104从布设系统107行进回到位于本体的外侧的发射固定装置308。作为选择，它可行进回到手柄105上的附接点。
一旦已将卡扣式附接件302、302’固定于布设系统107，如果对于给定支架布设产品，每次均将支架102以同样的方式集成到布设系统107中，则可能无需将腔内移植物102配准到布设系统107。然而，可能的是，在使用之前有必要将每个支架配准到布设系统107。
在支架锚固件(例如，锚固环)和手柄105之间存在一种非常扭转刚性的关系，这就是赋予手柄105在布设过程中重新定向支架102的能力的事物。更为重要的配准是在定向方面。该关系将可能在每个支架102发生变化。为此，针对每个支架102的使用信息(IFU)在过程开始时包括一个步骤，其中支架102在X射线的作用下由操作者可视化，基于所存在的X射线可见标记(202)旋转，并且随后在精神上映射到手柄105上的指示器322，从而记住用于布设的“最佳”定向。在导航之后，操作者将手柄105返回到最佳定向(如由点322的恢复位置所表示)。在OSS系统104的附接之后可使用同一过程。例如，旋转支架102，直到它完全处于平面中(基于标记带202)，并且随后该位置在定向中用于将OSS系统104映射到支架102。这可以手动地或机械地完成。
下一重要的配准是在位置方面。这主要是沿布设系统107介于支架102和手柄105上的OSS夹具302之间的距离。具体地，应该知晓支架102内的X射线可见标记(202)的位置。该距离可被使用多种不同的方法加以识别。例如，一个实施例会包括支架布设系统107的机械结构的先验知识。另一实施例包括在X射线引导下确定该距离。如果该形状感测基座被配准到X射线系统，那么支架布设系统107可被平直放置并且支架在X射线的作用下是可见的。标记带(204)可在图像中进行选择，并且随后将知晓手柄(105)上的夹具(302)和标记带之间的距离。这可以在布设之前完成，因为标记带此时是可见的。另一实施例采用支架布设系统107的X射线图像，该图像可被用于识别布设系统末端和支架移植物102上的标记带(204)之间的偏移量。通过布设的已知定向、位置和状态，可产生腔内移植物的模型并将其向用户显示。
本发明原理可被应用于用于导航和布设支架、支架-移植物或支架布设系统的光学形状感测光纤或系统的任何用途。本发明原理也可被应用于任何支架和气囊，即，应用于任何线上治疗装置，以便追踪该装置在脉管中的位置，帮助定位该装置并且为该治疗输送较少的X射线以及较少的对比介质体积。在这种实施例中，刚性导丝会很可能被更为柔性的线所替代，OSS可追踪一者或两者。
应该理解的是，本发明原理涵盖了在包括但不限于手术的荧光或其它引导下布设腔内移植物的任一应用，这些手术例如为血管内动脉瘤修复术(EVAR)、分支开窗型EVAR(BEVAR)、经皮EVAR(PEVAR)、胸部EVAR(TEVAR)、开窗型EVAR(FEVAR)等。
参照图11，描述和示出了根据说明性实施例的一种用于腔内移植物布设的方法。在方块402中，布设导丝，该导丝在导丝的管腔内具有光学形状感测(OSS)系统。导丝被构造成将腔内移植物输送到脉管中。导丝可被布置在布设系统或工具内。布设系统或工具可具有相对于导丝的相对运动(例如，自由旋转、测量旋转等)或可对该相对运动进行约束。当在特定点接合等时，可将布设系统和导丝夹持在一起或联接在一起。
在方块408中，OSS系统可使用卡扣式附接件装置或其它装置附接到至少一个手柄或布设系统。在一个实施例中，该布设系统可包括两个手柄，并且OSS系统可被附接在这两个手柄之间，以便使用OSS系统来测量手柄之间的相对距离。
在方块410中，使用OSS系统来测量导丝的形状、位置和/或定向，以便在布设过程中识别腔内移植物的形状、位置和定向。手柄的形状、位置和/或定向可被利用位于导丝内侧的OSS系统进行测量，或者可使用附加OSS系统来测量。
在方块412中，将腔内移植物与OSS数据和/或与放置有腔内移植物的脉管的图像数据配准。在方块413中，可将导丝夹持或联接到布设系统以防止其间的相对移动。布设系统可包括至少一个手柄。OSS系统也可被联接到该至少一个手柄。在方块414中，使用一个或多个不透射线的标记沿导丝的长度和/或在腔内移植物上将腔内移植物与导丝配准。在方块416中，导丝可包括形状模板，并且使用该形状模板将OSS数据配准到图像数据。该形状模板包括可在OSS数据和图像数据之间匹配以配准布设系统、导丝、支架等中的一个或多个的独特形状。
在方块418中，将腔内移植物锚固在血管中。在方块420中，将导丝和OSS系统从脉管中移除。
在解释所附权利要求时，应该理解的是：
a)词语“包括”并不排除存在不同于给定权利要求中所列出的元件或动作的其它元件或动作；
b)元件前面的词语“一个”或“一种”并不排除多个这种元件的存在；
c)权利要求中的任何附图标记都不限制它们的范围；
d)若干种“装置”可由相同的事物、硬件或软件实施结构或功能来表示；
e)除非特别地说明，并不意在要求动作的特定顺序。
尽管已经通过导丝的光学形状感测描述了装置可视化的优选实施例(其意在是说明性的而非限制性的)，但需要注意的是，根据上述教导，本领域技术人员可做出修改和变化。因此，需要理解的是，可在本公开所公开的具体实施例中做出处于如所附权利要求所概述的本文所公开的实施例的范围内的改变。尽管由此已经描述了专利法所要求的细节和特殊性，但在所附权利要求书中阐明了专利证书所要求和期望保护的内容。

Claims (16)

1.一种医疗装置布设系统，包括：
主体(101)；
导丝(103)，所述导丝能够被穿过所述主体并包括管腔；以及
光学形状感测系统(104)，所述光学形状感测系统被构造成穿过所述导丝中的所述管腔，所述光学形状感测系统被构造成测量相对于解剖特征布设的医疗装置的形状、位置或定向中的至少一个并输出从所述光学形状感测系统的光纤内的反射获得的光学形状感测数据，
其中，所述导丝(103)被居中定位在所述主体(101)中，以及
所述光学形状感测系统(104)被居中定位在所述导丝(103)的所述管腔中。
2.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述导丝(103)被利用用于沿所述导丝在所述光学形状感测数据中配准位置的形状模板(128)而变形。
3.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括被联接到所述主体的至少一个手柄(105)，所述至少一个手柄包括用于所述光学形状感测系统退出所述导丝的附接位置。
4.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括被联接到所述主体的至少一个手柄(105)，所述至少一个手柄包括用于附加光学形状感测系统的附接位置。
5.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括被构造成将所述主体夹持于所述导丝的夹持机构(150)。
6.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括所述主体上的第一联接特征(162)以及所述导丝上的第二联接特征(160)，所述第一联接特征和所述第二联接特征被构造成彼此接合以连接，从而防止其间的相对运动。
7.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括被构造成测量所述主体和所述导丝之间的旋转的旋转测量装置(190)。
8.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括腔内移植物；以及
设置在所述导丝上的不透射线标记(204)，以允许在所述导丝与所述腔内移植物之间进行配准。
9.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统进一步包括被构造成将所述光学形状感测系统附接到所述布设系统的控制手柄的至少一个卡扣式附接件(174)，所述至少一个卡扣式附接件包括被联接到所述布设系统以附接所述光学形状感测系统的粘合部分，所述粘合部分包括不透射线的特征。
10.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统是腔内移植物布设系统(107)。
11.根据权利要求1所述的布设系统，其中，所述布设系统是包括二尖瓣夹、瓣膜或气囊导管的布设系统。
12.一种腔内移植物布设系统，包括：
工作站(112)，所述工作站包括处理器和存储器；
光学形状感测模块(115)，所述光学形状感测模块被存储在存储器中并被构造成解释光学形状感测数据；
布设系统(107)，所述布设系统包括：
主体(101)；
导丝(103)，所述导丝能够穿过所述主体，所述导丝包括管腔；
光学形状感测系统(104)，所述光学形状感测系统被构造成穿过所述导丝中的所述管腔，所述光学形状感测系统被构造成测量腔内移植物相对于用于放置所述腔内移植物的血管的形状、位置或定向中的至少一个，以便提供光学形状感测数据；以及
配准模块(130)，所述配准模块被构造成将所述光学形状感测数据配准到术前或术中图像，
其中，所述导丝(103)被居中定位在所述主体(101)中，以及
所述光学形状感测系统(104)被居中定位在所述导丝(103)的所述管腔中。
13.根据权利要求12所述的腔内移植物布设系统，其中，所述导丝被利用用于沿所述导丝在形状数据中配准位置的形状模板(128)而变形。
14.根据权利要求12所述的腔内移植物布设系统，其中，所述腔内移植物布设系统进一步包括被联接到所述主体的至少一个手柄(105)，所述至少一个手柄包括用于所述光学形状感测系统退出所述导丝的附接位置。
15.根据权利要求12所述的腔内移植物布设系统，其中，所述腔内移植物布设系统进一步包括被联接到所述主体的至少一个手柄(105)，所述至少一个手柄包括用于附加光学形状感测系统的附接位置。
16.根据权利要求12所述的腔内移植物布设系统，其中，所述腔内移植物布设系统进一步包括被构造成将所述主体夹持到所述导丝的夹持机构(150)；
所述主体上的第一联接特征(162)以及所述导丝上的第二联接特征(160)，所述第一联接特征和所述第二联接特征被构造成彼此接合以连接，从而防止其间的相对运动；
旋转测量装置(190)，所述旋转测量装置被构造成测量所述主体和所述导丝之间的旋转；
被设置在所述导丝上的不透射线的标记(204)，以便允许在所述导丝与所述腔内移植物之间进行配准；以及
至少一个卡扣式附接件(174)，所述至少一个卡扣式附接件被构造成将所述光学形状感测系统附接到所述布设系统的控制手柄，
其中，所述至少一个卡扣式附接件包括被联接到所述布设系统以附接所述光学形状感测系统的粘合部分(312)，所述粘合部分包括不透射线的特征。
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