CN116211467A - 用于利用形状感测导丝确定非形状感测介入设备的长度以及确定导丝相对于介入设备的状态的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于确定非形状感测介入设备(102)的长度的系统和方法，所述系统包括在所述设备的管腔(103)中接收的形状感测导丝(106)。集线装置(107)被配置为紧固所述形状感测导丝和所述介入设备的位置。配准模块(124)被配置为将所述非形状感测介入设备的所述远侧末端(117)的位置配准到所述形状感测导丝的位置。确定模块(126)使用所述设备在所述集线装置中的已知位置和所述设备的所述远侧末端的所述位置来确定所述非形状感测介入设备的所述长度。所述系统包括检测模块(146)，所述检测模块从所述形状感测导丝接收曲率数据，并且被配置为确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的状态。

Description

用于利用形状感测导丝确定非形状感测介入设备的长度以及 确定导丝相对于介入设备的状态的系统和方法
本申请是申请日为2017年12月1日、发明名称为“用于利用形状感测导丝确定非形状感测介入设备的长度以及确定导丝相对于介入设备的状态的系统和方法”的专利申请201780075497.5的分案申请。
技术领域
本公开内容涉及医学仪器，并且更具体地涉及具有导丝中的形状感测光纤的系统，该系统用于确定在形状感测导丝上行进的非形状感测介入设备的长度以及确定导丝与介入设备之间的状态。
背景技术
通过在设备内嵌入(一条或多条)光纤，可以使医学设备具有形状感测功能。光学形状感测(OSS)或Fiber-Optical RealShapeTM(下文中称为“FORSTM”)在外科手术介入期间使用沿着光纤的光来进行设备定位和导航。一个所涉及的原理是通过使用特征瑞利反向散射或受控光栅图案在光纤中使用分布式应变测量。多条光纤能够一起用于重建3D形状，或者单条光纤具有多个芯，这些多个芯也可以被形成螺旋结构以用于较低轮廓的传感器。沿着光纤的形状始于沿着传感器的特定点，被称为发起点或z＝0，并且随后的形状位置和取向相对于该点。FORSTM光纤能够被集成到医学设备中以在微创流程期间提供对设备的实况引导。
包括FORSTM的形状感测设备允许确定设备的形状和进行虚拟可视化，而不需要诸如X射线成像设备的成像设备。然而，形状感测设备需要定制设备的机械设计来为光纤增加额外的空间。增加光纤还会增加设备成本并且需要使用形状感测系统。因此，为了确定每个介入设备的形状，可以将光纤添加到每个设备并且需要额外的形状感测系统。替代地，可以将集线装置(hub)与单个形状感测设备结合使用。
诸如集线装置的锁定设备已经与形状感测介入设备结合使用以在设备中提供形状或曲率变形。非形状感测设备的形状(例如，在具有FORSTM形状感测的导丝上使用的导管)将由导丝与设备重叠的这段长度的导丝的形状来限定。锁定设备可以提供FORSTM导丝与导管之间的固定关系。
如果形状感测设备和非形状感测设备被附接到集线装置，则起始位置可以是非形状感测设备锁定到集线装置上的位置。然而，为了将非形状感测设备准确地可视化为虚拟设备，对于配准步骤，需要非形状感测设备相对于FORSTM导丝的长度和旋转。由于制造差异等原因，制造商提供的设备的长度通常是不准确的。然而，通常需要精确测量长度以确定非形状感测设备的虚拟形状。有利的是，将不具有形状感测光纤的常规介入设备与同集线设备一起使用的形状感测介入设备进行配准，以确定非形状感测设备的长度和角度并对设备进行准确的可视化。
此外，形状感测导丝与介入仪器(例如，导管)之间的相互作用对于某些应用可能是关键的。因此，通过监测导丝的曲率来确定形状感测导丝相对于介入仪器的状态将是有利的。
发明内容
根据本原理，提供了一种用于确定非形状感测介入设备的长度的系统。所述系统包括具有管腔的非形状感测介入设备。所述系统还包括具有形状感测系统的形状感测导丝，所述形状感测导丝被配置为被接收在所述非形状感测介入设备的所述管腔中。集线装置被配置为接收所述形状感测导丝和所述非形状感测介入设备并且紧固所述形状感测导丝和所述非形状感测介入设备的位置。配准模块被配置为将所述非形状感测介入设备的远侧末端的位置配准到所述形状感测导丝的位置。确定模块被配置为使用所述非形状感测介入设备在所述集线装置中的已知位置和所述非形状感测介入设备的所述远侧末端的所述位置来确定所述非形状感测介入设备的所述长度。
在另一实施例中，提供了一种用于确定非形状感测介入设备的长度的系统。所述系统包括具有管腔的非形状感测介入设备。所述系统还包括具有形状感测系统的形状感测导丝，所述形状感测导丝被配置为被接收在所述非形状感测介入设备的所述管腔中。集线装置被配置为接收所述形状感测导丝和所述非形状感测介入设备并且紧固所述形状感测导丝和所述非形状感测介入设备的位置。确定模块被配置为使用所述非形状感测介入设备在所述集线装置中的已知位置和所述非形状感测介入设备的所述远侧末端的位置来确定所述非形状感测介入设备的所述长度。
在另一实施例中，提供了一种用于确定形状感测导丝相对于介入设备的状态的系统。所述系统包括具有管腔的介入设备。所述系统还包括具有形状感测系统的形状感测导丝，所述形状感测导丝被配置为被接收在所述介入设备的所述管腔中。检测模块被配置为：从所述形状感测导丝的所述形状感测系统接收曲率数据，并且确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
在另一实施例中，提供了一种用于确定非形状感测介入设备的长度的方法。所述方法包括以下步骤：将具有管腔的非形状感测介入设备和被接收在所述管腔中的具有形状感测系统的形状感测导丝紧固到集线装置，以紧固所述形状感测导丝和所述非形状感测介入设备的位置；确定所述非形状感测介入设备的远侧末端的位置；以及使用所述非形状感测介入设备在所述集线装置中的已知位置和所述非形状感测介入设备的所述远侧末端的所述位置来确定所述非形状感测介入设备的所述长度。
在另一实施例中，提供了一种用于确定形状感测导丝相对于介入设备的状态的方法。所述方法包括以下步骤：在介入设备的管腔中接收具有形状感测系统的形状感测导丝；以及从所述形状感测导丝的所述形状感测系统采集曲率数据，以确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
在另一实施例中，一种能够在导丝上自由滑动的导管或其他介入设备，其与可变机械连接装置进行组合，所述可变机械连接装置为所述介入设备的远侧端部提供相对于所述导丝的预设但可调节的最大距离或“摆动”。如在前面的实施例中那样，集线装置对导管在导丝上的定位进行编码，并且使得能够在没有X射线的情况下对导管进行可视化或者能够对导管进行主动FORS感测。然而，在导丝从导管的末端进一步缩回(在近侧方向上移动)的情况下，FORS技术不能获得导管的位置信息以用于导航。如果知道导管的长度，则能够在这种情况下用FORS进行检测。
结合附图，根据下文对本发明的说明性实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得明显。
附图说明
本公开内容将参考以下附图来详细呈现优选实施例的以下描述，其中：
图1是示出根据一个实施例的用于确定非形状感测介入设备的长度以及介入设备相对于FORSTM导丝的状态的系统的框图/流程图；
图2示出了根据一个实施例的由配准模块执行的配准流程的图像；
图3示出了根据一个实施例的由配准模块执行的针对集线装置旋转角度的配准流程的图像；
图4示出了根据一个实施例的确定非形状感测介入设备的长度的图像；
图5示出了根据一个实施例的以末端集线装置为特征的系统的图像；
图6是示出根据一个实施例的用于确定非形状感测介入设备的长度以及介入设备相对于以固定装置为特征的FORSTM导丝的状态的系统的框图/流程图；
图7示出了根据一个实施例的由配准模块执行的与被定位在身体插入点处的非形状感测介入设备的配准流程的图像；
图8示出了根据另一说明性实施例的确定非形状感测介入设备的长度的图像；
图9示出了根据一个实施例的对导管和被定位在导管上的介入工具的位置的确定以及对虚拟导管和虚拟介入工具的生成的图像；
图10示出了根据一个实施例的基于集线装置旋转角度对具有不透射线的标记物的腔内移植物的虚拟表示的生成的图像；
图11是示出由检测模块接收的具有两个峰值的曲率数据的曲线图；
图12是示出由检测模块接收的具有两个峰值的曲率数据的曲线图；
图13是示出由检测模块接收的具有两个峰值的曲率数据的曲线图；
图14是示出由检测模块接收的具有一个峰值的曲率数据的曲线图；
图15是示出检测模块接收的曲率数据的曲线图；
图16是示出检测模块接收的曲率数据的曲线图；
图17是示出检测模块接收的曲率数据的曲线图；
图18是示出检测模块接收的曲率数据的曲线图；
图19是在(x，y)平面内示出如下介入设备的曲线图，由检测模块接收的该介入设备的2D曲线数据具有两个峰值；
图20是在(x，y)平面内示出如下介入设备的曲线图，由检测模块接收的该介入设备的2D曲线数据具有单个峰值；
图21是在(x，y)平面内示出如下介入设备的曲线图，由检测模块接收的该介入设备的2D曲线数据没有峰值；
图22是利用曲率数据和基于X射线的长度测量来确定介入设备的总长度的系统的图像；
图23是示出用于确定非形状感测介入设备的长度的方法的流程图；
图24是示出用于确定FORSTM导丝相对于介入设备的状态的方法的流程图；
图25示出了具有扭矩装置和条带的导丝的图像；并且
图26示出了适合于可变机械连接器的形状。
具体实施方式
根据本原理，提供了用于确定非形状感测介入设备的长度的系统。该系统被配置为通过利用在设备的管腔中接收的FORSTM导丝来确定非形状感测介入设备的位置。FORSTM导丝和非形状感测介入设备优选被紧固到集线装置。配准模块可以被配置为将非形状感测介入设备的远侧末端的位置配准到FORSTM导丝的位置。确定模块被配置为使用非形状感测介入设备在集线装置中的已知位置和非形状感测介入设备的远侧末端的位置来确定非形状感测介入设备的长度。
该系统通过生成具有介入设备的精确长度的虚拟介入设备在介入流程期间提供对非形状感测介入设备的可视化的改进。该系统允许介入设备是常规的柜台上(over thecounter)设备(例如，导管)，其不要求将FORSTM形状感测系统结合到设备中以便对其形状、位置和取向进行跟踪和可视化。
该系统还包括检测模块，该检测模块被配置为确定FORSTM导丝相对于介入设备(FORSTM设备或非形状感测设备)的状态。检测模块被配置为：从FORSTM导丝的形状感测系统接收曲率数据，并且确定FORSTM导丝和介入设备的状态。该系统可以向用户提供关于检测到的状态的反馈。该反馈允许用户将流程的运行情况限制到某些状态或者验证设备的状态。例如，该系统可以在配准流程中验证FORSTM导丝从介入设备突出。从介入设备突出的FORSTM导丝的状态还可以指示系统处于FORSTM导丝进行可视化的适当状态。当FORSTM导丝的状态指示导丝的远侧末端与介入设备的远侧末端对齐时，还可以通过分析导丝的3D形状位置来确定介入设备的长度。
应当理解，本发明将在医学仪器方面进行描述；然而，本发明的教导要宽泛得多并且适用于任何光纤仪器。在一些实施例中，本原理用于跟踪或分析复杂的生物或机械系统。特别地，本原理适用于对身体的所有区(例如，肺、胃肠道、排泄器官、血管等)中的生物系统和流程的内部跟踪流程。可以以硬件与软件的各种组合来实施附图中描绘的元件，并且这些元件可以提供可以被组合在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适当的软件相关联的软件的硬件来提供附图中示出的各种元件的功能。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(它们中的一些能够被共享)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运行软件的硬件，并且能够隐含地包括而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”)、非易失性存储器等。
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示例的所有陈述，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，本领域技术人员应当理解，本文中呈现的框图表示实施本发明的原理的图示性系统部件和/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被表示在计算机可读存储媒介中并且因此可以由计算机或处理器来执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。
此外，本发明的实施例能够采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质存取，所述计算机可用存储介质或计算机可读存储介质提供用于由计算机或任何指令运行系统使用或者与计算机或任何指令运行系统结合使用的程序代码。出于本说明书的目的，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是能够包括、存储、通信、传播或输送用于由指令运行系统、装置或设备使用或与指令运行系统、装置或设备结合使用的程序的任何装置。所述介质能够是电子、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。计算机可读介质的示例包括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)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前示例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)、Blu-RayTM以及DVD。
说明书中对本原理的“一个实施例”或“实施例”及其其他变型的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等被包括在本原理的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现在各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其他变型不一定都指代相同的实施例。
应当理解，例如在“A/B”、“A和/或B”以及“A和B中的至少一个”的情况下使用以下项“/”、“和/或”和“……中的至少一个”中的任一项旨在包括：仅选择列出的第一选项(A)，或者仅选择列出的第二选项(B)，或者选择这两个选项(A和B)。作为另外的示例，在“A、B和/或C”和“A、B和C中的至少一个”的情况下，这样的措辞旨在包括：仅选择列出的第一选项(A)，或者仅选择列出的第二选项(B)，或者仅选择列出的第三选项(C)，或者仅选择列出的第一选项和列出的第二选项(A和B)，或者仅选择列出的第一选项和列出的第三选项(A和C)，或者仅选择列出的第二选项和列出的第三选项(B和C)，或者选择所有三个选项(A和B和C)。对于列出许多项的情况，本领域和相关领域的普通技术人员将容易地对其进行扩展。
还应当理解，当诸如层、区域或材料的元件被称为在另一元件“上”或“之上”时，它能够直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件之上”时，不存在中间元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它能够直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
现在参考附图，其中，相同的附图标记表示相同或相似的元件，并且首先参考图1，根据一个实施例说明性地示出了用于利用形状感测导丝106(例如，FORSTM导丝)来确定非形状感测介入设备102(例如，导管104)的长度的系统100。虽然非形状感测介入设备102被说明性地描述为导管104，但是在其他实施例中，该设备也可以是包括管腔103的任何医学设备或仪器，管腔103可以接收导丝(例如，护套)、探头、腔内移植物部署设备、机器人、电极、过滤设备、球囊设备、移植物、支架或其他医学部件。被配置为接收FORSTM导丝的设备可以被称为“导丝上”设备。
系统100可以包括工作站或控制台108，从该工作站或控制台108监督和/或管理流程。工作站108优选包括一个或多个处理器110以及用于存储和应用的存储器112。存储器112可以存储光学感测模块114，光学感测模块114被配置为解读来自形状感测设备或FORSTM系统105的光学反馈信号。FORSTM导丝106被配置为接收通过其的系统105。光学感测模块114被配置为使用光学信号反馈(和任何其他反馈)来重建与形状感测设备相关联的变形、偏转和其他变化。
在优选实施例中，非形状感测介入设备102包括集线装置107，集线装置107可以被配置在设备102内，被应用(连接/耦合)到设备102或者被配置为适配到设备102内。集线装置107用于在FORSTM导丝106中创建形状变形。在某些实施例中，集线装置107可以包括在导管104中的导丝管腔的近侧端部处的公Luer锁部件。Luer锁用于在使用设备前用盐水冲洗设备，或者用于在使用设备期间用造影剂冲洗设备。集线装置107还可以在其远侧部分上具有母Luer锁，母Luer锁能够配合到导管104的近侧端部上。这有效地延伸了导丝管腔，并且延伸部分用于创建已知的曲率变化。
形状感测系统105包括一条或多条光纤，该一条或多条光纤可以被布置为一组图案或多个图案。光纤113通过布线连接到工作站108。根据需要，布线可以包括光纤、电连接、其他仪器连接等。
具有光纤的系统105可以基于光纤布拉格光栅传感器、瑞利散射或其他类型的散射。能够利用常规光纤中的固有反向散射，例如，瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射或荧光散射。一种这样的方法是在标准单模通信光纤中使用瑞利散射。瑞利散射是因光纤芯中折射率的随机波动而引起的。这些随机波动能够被建模为沿着光栅长度具有随机的幅度和相位变化的布拉格光栅。通过在单个长度的多芯光纤内行进的三个或更多个芯中或在被布置在一起的多个单芯光纤中使用这种效应，能够遵循感兴趣表面的3D形状和动态。
光纤布拉格光栅(FBG)系统也可以用于系统105。FBG是一小段反射特定波长的光并透射所有其他光的光纤。这是通过在光纤芯中添加折射率的周期性变化来实现的，这样会生成波长特定的介质镜。因此，光纤布拉格光栅能够用作直列式光学滤波器以阻挡某些波长，或者用作波长特定的反射器。
测量折射率改变的每个界面处的菲涅耳反射。对于一些波长，各个周期的反射光是同相的，使得针对反射存在相长干涉并因此针对透射存在相消干涉。布拉格波长对应变和温度都很敏感。这意味着布拉格光栅能够用作光纤传感器中的感测元件。
结合三个或更多个芯允许精确确定这种结构的三维形式。根据应变测量，能够推断出该位置处的结构的曲率。从多个测量位置可以确定总的三维形式。类似的技术能够用于以已知结构或几何形状配置的多个单芯光纤。
工作站108包括用于查看对象142或体积的内部图像的显示器109。工作站108包括图像处理模块119，图像处理模块119被配置为生成非形状感测设备的虚拟表示101，作为医学图像上的叠加物，医学图像例如为由成像系统116预先或同时收集的X射线图像、计算机断层摄影(CT)图像、磁共振图像(MRI)、实时内部视频图像或其他图像。显示器109还可以允许用户与工作站108及其部件和功能或系统100内的任何其他元件交互。这一点可以通过接口115得到进一步促进，接口115可以包括允许用户从工作站108得到反馈和与工作站108交互的键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其他外围设备或控件。
在优选实施例中，如图1所示，系统100包括导管104，导管104具有穿过其中的FORSTM导丝106。导管104和FORSTM导丝106被锁定到集线装置107，集线装置107包括Luer锁或其他锁定机构。系统100还包括成像系统116，例如，X射线成像设备。X射线成像设备被配置为以X射线成像空间的坐标系采集对象142的图像。
系统100包括配准模块124，配准模块124被配置为将导管104配准到FORSTM导丝106。在一个实施例中，配准模块124被配置为以不同角度接收对FORSTM导丝的远侧末端111和导管的远侧末端117的位置的选择。如在图2中说明性地示出的，在图像120、121中，以两个不同角度选择导丝的远侧末端111以将FORSTM导丝106配准到X射线成像空间。在图像122、123中，以两个不同角度选择导管的远侧末端117以将导管配准到X射线成像空间。
可以手动确定FORSTM导丝的末端111、117和导管在图像中的位置。例如，配准模块124可以被配置为当用户在显示器109上查看X射线图像时通过接口115从用户接收命令。替代地，可以通过本领域通常已知的光学识别技术和/或标记物来自动确定FORSTM导丝和导管的远侧末端111、117的位置。例如，为了自动选择导管末端117，导管104可以移动到两个或更多个位置并由成像系统116进行成像。如本领域通常已知的，可以采用诸如搜索算法的光学识别技术来定位导管末端117和/或FORSTM导丝末端111。
确定模块126被配置为接收FORSTM导丝末端111的位置并且基于FORSTM导丝和导管在X射线坐标空间中的已知位置处被紧固到集线装置107来接收FORSTM导丝和导管的开始位置。确定模块126被配置为使用X射线坐标来确定导管末端117相对于集线装置位置的位置并确定导管的长度，以便在介入流程期间提供对虚拟导管的改进的可视化。
系统100还被配置为确定集线装置107的旋转。配准模块124被配置为配准集线装置107的初始角度。例如，如图3的图像145所示，成像系统116(例如，X射线成像设备)被配置为采集第一位置处的集线装置107、导管104和/或FORSTM导丝106的图像。第一位置处的集线装置107的角度被初始化为0，并且该位置由配准模块124进行存储。成像系统116被配置为在介入流程期间当集线装置旋转时采集集线装置107、导管104和/或FORSTM导丝106的额外图像。例如，图3的图像147示出了集线装置107、导管104和FORSTM导丝106旋转后的情况。确定模块126被配置为将集线装置107的当前角度与集线装置的初始角度进行比较，以确定集线装置的角度旋转。在优选实施例中，集线装置具有独特的形状或标记物，其允许在由成像系统116采集的图像中容易地确定相对于的初始角度的当前角度。
由于FORSTM导丝106和导管104都被紧固到集线装置107，因此集线装置的任何旋转都将引起导管的对应旋转。如图3所示，导管104可以包括形状独特的远侧末端117。配准模块124优选被配置为利用集线装置107的初始旋转角度来配准导管的远侧末端117的形状和取向。在初始配准期间，导管的远侧末端117优选处于非缩短配置以提高配准的准确性。此外，导管104优选具有一定程度的扭转刚度。
确定模块126被配置为利用集线装置107的当前角度与集线装置的初始角度的比较来确定导管的远侧末端117的形状和取向。这允许系统100提供对非形状感测设备的准确虚拟表示101，即使在没有关于导管末端的形状信息的情况下(例如当FORSTM导丝106被拉回到导管的管腔103内时)也是如此。在替代实施例中，确定模块126被配置为：在由成像系统116采集的图像中采集导管的远侧末端117的当前取向和形状，并且通过将导管的远侧末端的当前取向和形状与处于集线装置的初始旋转角度的导管的远侧末端的配准形状和取向进行比较来确定集线装置的旋转角度。
替代地，如图4所示，系统100可以被配置为在没有将导管明确配准到X射线成像空间的情况下确定导管104的长度。在该实施例中，配准模块124被配置为存储导管的预定长度125，例如，由制造商为设备设定的长度。如图像129所示，系统100被配置为利用集线装置107的位置作为起始点以及预定长度来生成虚拟导管101。虚拟导管101重叠在由成像系统116采集的导管104的图像上。手动或自动选择图像中的实际导管末端117。
如图像131所示，虚拟导管101的长度不同于图像中示出的导管的实际长度。确定模块126被配置为通过计算虚拟导管的末端与在X射线图像中选择的导管末端117的实际位置之间的差异127来确定导管104的长度。如图像135所示，系统100然后被配置为根据由确定模块126确定的长度来生成更新的虚拟导管133。
在另一实施例中，系统100被配置为通过在导管的远侧末端117与FORSTM导丝的远侧末端111对齐时配准导管的远侧末端117的位置来确定导管104的长度。在该实施例中，将导管末端117与FORSTM导丝末端111对齐，同时将导管104和FORSTM导丝106锁定到集线装置107。配准模块124被配置为将集线装置107的已知位置指定为导管104的起点。配准模块124被配置为将由FORSTM系统105确定的FORSTM导丝的远侧末端111的位置指定为导管104的结束位置。确定模块126被配置为接收位置并计算FORSTM导丝的远侧末端111与集线装置107的已知位置之间的差异以确定导管104的长度。在优选实施例中，智能夹子夹在导管104和FORSTM导丝106上，从而以相同位置和相同取向弯曲两个设备来提供改善的校准。
在另一实施例中，如图5所示，该系统包括末端集线装置130，末端集线装置130被配置为与导管的远侧末端117相互作用以将导管末端紧固在已知位置处。在图5所示的优选实施例中，末端集线装置130被配置为使得导管104的远侧端部以已知的可重复的方式紧固到末端集线装置130。例如，末端集线装置130的管腔的尺寸可以允许FORSTM导丝106穿过管腔，但因太窄而不允许导管104穿过的管腔。在该实施例中，导管的远侧末端117紧固到集线装置并冲洗集线装置。确定模块126被配置为减去集线装置107和末端集线装置130的已知位置以确定导管104的长度。
末端集线装置130还可以被配置为以特定方式对FORSTM导丝106进行整形，该特定方式自动触发配准，例如为基于被配置为在识别出特定形状时触发配准模块124执行配准的软件来自动触发配准。在其他实施例中，末端集线装置130内的FORSTM导丝106的形状是可唯一识别的。可唯一识别的形状允许使用记录的最小长度来自动执行配准。
末端集线装置130优选在配准步骤期间被临时安装以确定导管104的长度并且在配准步骤之后被移除。末端集线装置130可以经由夹子、夹具、手工方法或本领域已知的其他方法而被临时紧固。
配准模块124可以利用FORSTM导丝106在集线装置107中的位置和初始旋转信息来校正导管104在从集线装置延伸到末端集线装置130时的扭转或旋转。例如，可以确定导管104的近侧端部的旋转角度与远侧端部的旋转角度之间的不匹配程度以校正虚拟导管或用于校准目的。
在优选实施例中，配准模块124被配置为从初始位置和旋转角度减去处于末端集线装置130处的设备的旋转角度。配准模块124可以包括查找表132，查找表132利用FORSTM导丝106在集线装置107中的初始旋转信息来在配准中校正导管104的扭转或旋转。
在图6中示出的另一实施例中，系统100包括固定装置134，固定装置134被配置为接收导管末端117的从集线装置107环回到固定装置上的部分。配准模块124被配置为使用固定装置134在X射线成像空间中的已知位置来配准导管104。在优选实施例中，固定装置134被固定到FORSTM导丝106的近侧节段。
替代地，用户可以在不使用固定装置134的情况下将导管末端117环回到FORSTM导丝106并且将导管末端保持在该位置中。在该实施例中，配准模块124被配置为通过将交叉点定位为传感器的最接近的两个点来确定导管末端117的位置。
在另一实施例中，该系统可以包括第二FORSTM导丝。第二集线装置被配置为接收第二FORSTM导丝并固定其位置。第二集线装置还被配置为接收从集线装置107延伸的导管末端117。导管末端117的位置由第二FORSTM导丝测量，并且配准模块124被配置为使用导管末端的位置来配准导管末端。替代地，导管末端117可以被用户放置为与不是导丝的第二FORSTM设备接触。
在替代实施例中，导管末端117可以由被配准到形状感测系统105的另一定位设备或流程来确定。例如，定位设备或流程可以包括空间中的固定点、机械固定装置、EM跟踪、光学跟踪、基于图像的跟踪等。定位器设备或流程提供对导管末端117的位置的确定。确定模块126被配置为利用由配准模块124确定的导管末端117的位置和导管的起始点在导管集线装置中的已知位置来确定导管104或其他非形状感测设备102的长度。
在图7中示出的另一实施例中，FORSTM导丝106和非形状感测设备102(例如，导管104)被配置为利用被定位在身体插入点144处的非形状感测设备的末端(例如，导管末端117)和位于对象体内的FORSTM导丝106从集线装置107朝向对象142的内部区域延伸。FORSTM导丝106的形状感测系统105被配置为测量温度引起的应变以确定对象142的内部与对象的外部之间的转变点。配准模块124被配置为将转变点配准为非形状感测设备102的远侧末端。非形状感测设备102的起始点是集线装置107。确定模块126被配置为接收非形状感测设备的近侧端部和远侧端部的位置并确定设备的长度。
在图8中示出的另一实施例中，成像系统116(例如，X射线成像系统)被配置为对视场中的整个非形状感测设备102进行成像。例如，非形状感测设备102可以以避免与其自身重叠的方式进行盘绕或折叠。然后可以在X射线成像坐标中获得非形状感测设备102的位置。确定模块126被配置为基于非形状感测设备的主体在图像中的位置来确定非形状感测设备102的长度。确定模块126还被配置为如前所述基于初始旋转角度的配准而利用集线装置的旋转角度来确定非形状感测设备的长度。
如图9所示，在另外的实施例中，确定模块126被配置为确定沿着非形状感测设备102定位的介入工具128(例如，球囊、支架、移植物)的位置。在该实施例中，介入工具128可以包括不透射线的标记物，以帮助识别图像(例如，X射线图像)中的介入工具。如图像136所示，确定模块126被配置为在X射线图像中手动或自动地接收对FORSTM导丝的末端111和导管的末端117的选择。如图像137所示，确定模块126还被配置为接收对介入工具128的第一端部141和第二端部143的位置的选择，可以在X射线图像中手动或自动地选择第一端部141和第二端部143的位置。如图像139所示，确定模块126被配置为接收介入工具128的端部141、143的位置，并且图像处理模块119被配置为提供对介入工具的可视化138以及虚拟导管101。
如图10所示，在其他实施例中，确定模块126被配置为基于所确定的集线装置107的旋转而利用许多不透射线的标记物来确定具有增加的复杂性的介入工具(例如，有孔的腔内移植物172)的位置。如图10的图像173所示，有孔的腔内移植物172具有若干不透射线的标记物174，标记物174帮助医生将移植物定向在身体内。配准模块124可以被配置为当集线装置107处于初始旋转角度时接收用户对图像中的不透射线的标记物174中的至少一个不透射线的标记物的位置的选择。如图10的图像175所示，不透射线的标记物174可以相对于集线装置/介入工具手柄的初始旋转角度进行颜色编码，并且被显示为腔内移植物的虚拟表示176的部分。当集线装置107旋转时，确定模块126被配置为确定集线装置的旋转。图像处理模块119被配置为在虚拟表示上将经颜色编码的不透射线的标记物174旋转与集线装置的旋转相对应的量。该系统被配置为提供在介入工具的非部署状态、半部署状态和完全部署状态下的腔内移植物和不透射线的标记物的虚拟表示。
系统100还包括检测模块146，检测模块146被配置为从形状感测系统105接收关于FORSTM导丝的末端111的曲率数据，以确定FORSTM导丝106与非形状感测设备102(例如，导管104)之间的关系。例如，在介入流程期间，FORSTM导丝的末端111与导管的末端117的关系可以具有三种一般状态：导丝末端可以从导管突出，导丝末端可以在导管内或者导管末端和导丝末端对齐。检测模块146对这些状态中的一种状态的确定有利于确定是否应当执行形状配准以及用于这样的配准的适当的图像处理流程。针对末端111、117对齐的确定还可以允许确定导管104或其他非形状感测设备102的长度。
系统100被配置为当没有在FORSTM导丝末端上施加力并且末端的形状处于其默认形式时确定处于默认位置的FORSTM导丝末端的最大曲率。在一个实施例中，在相对较短的时间段内释放FORSTM导丝的末端111，并且检测模块146被配置为从形状感测系统105接收关于FORSTM导丝106的形状信息并计算针对各种进入形状在FORSTM导丝的末端111处的最大曲率和导丝末端的最大曲率的范围。最大曲率估计结果被存储在检测模块146中。替代地，可以在初始设备校准步骤期间测量最大曲率并将其存储在检测模块146中。
FORSTM导丝106被配置为在训练阶段期间测量其曲率，其中，导丝在相对于导管管腔103的许多不同位置处移动通过导管管腔。检测模块146被配置为在训练阶段期间从形状感测系统105收集关于FORSTM导丝的曲率数据。
在优选实施例中，系统100可以包括训练模块152，训练模块152被配置为向用户提供关于在训练阶段期间所需的FORSTM导丝106的移动的指令，使得收集足够数量的数据点并将这些数据点与三种状态中的每种状态相关联。训练模块152可以被配置为在显示器109上提供指令或者通过诸如音频反馈或触觉反馈的其他反馈来提供指令。例如，训练模块152可以被配置为当FORSTM导丝106处于导管104内部时指示用户将FORSTM导丝106放置在各个位置中，从导管突出并且与导管对齐。在替代实施例中，利用机器人相对于导管104操纵FORSTM导丝以采集大量曲率数据。
在训练阶段中收集大量数据可以允许检测模块146应用复杂的算法(例如，深度学习)以确定曲率数据及其参数。在一些实施例中，可以对训练数据实施统计学习方法。
如图11-14所示，检测模块146被配置为从形状感测系统105接收曲率数据并将曲率数据标绘为曲线图148。检测模块146被配置为分析曲线图中的峰值149和训练数据，以确定FORSTM导丝106相对于导管104或其他非形状感测设备102的状态。例如，图11-14示出了当FORSTM导丝106从导管突出到其远侧末端111并与导管的远侧末端117对齐时FORSTM导丝106的曲率数据。
在图11-13中示出的曲率数据中，第一峰值154的幅值约为125，并且训练数据指示导管104弯曲。图11-13中的第二峰值155的幅值较小，第二峰值155位于更远的位置。训练数据指示该曲率数据与FORSTM导丝末端111处于其从导管104突出的状态相关联。
检测模块146被配置为当基于训练数据存在两个可见峰值时确定FORSTM导丝末端111从导管104突出。检测模块146被配置为当如图14所示仅存在一个峰值时确定FORSTM导丝的末端111与导管的末端117是对齐的。图15-18示出了当FORSTM导丝106被进一步向后拉回到导管104内部时的曲率数据。图15中的曲率数据在曲率标绘图的最右侧具有升高的曲率指示FORSTM导丝106恰好在导管104内部。在图16-17中，升高的曲率减小，直到在图18中该曲率不再存在。图17中的曲率标绘图指示FORSTM导丝106更远地位于导管104内部。
在图19-21中示出的替代实施例中，检测模块被配置为将来自FORSTM导丝106的形状感测数据投影到x，y，z平面上并确定2D曲率以确定FORSTM导丝106和导管104的状态。例如，图19中示出的特定(x，y)投影156指示当曲率数据中存在两个峰值时导丝末端111从导管104突出。图20中示出的特定(x，y)投影158指示FORSTM导丝的末端111和导管的末端117与曲率数据中的一个峰值对齐。图21中示出的特定(x，y)投影160指示FORSTM导丝106在导管104内部，曲率数据中没有峰值。在上述位置处计算的2D曲率数据对于识别状态之间的转变是有用的。检测模块146可以结合3D曲率数据或通过其自身来使用2D曲率。
在一个实施例中，检测模块146被配置为分析最大曲率并将该曲率与在训练阶段期间采集的训练数据进行比较。当检测模块146检测到的最大曲率低于根据训练数据确定的阈值时，检测模块被配置为确定FORSTM导丝末端111处于导管104内部并且导管末端117从导丝突出。当最大曲率高于阈值时，检测模块146被配置为确定导丝末端111突出导管104。可以利用所确定的处于默认位置的FORSTM导丝末端111的最大曲率来对测得的曲率进行归一化。
检测模块146被配置为向用户发送关于导管104和FORSTM导丝106的状态的反馈。可以通过在显示器109上生成的图形或者通过本领域已知的包括音频信号或触觉反馈的其他反馈来提供反馈。例如，检测模块146提供的关于FORSTM导丝106和导管104的状态的反馈可以用于配准，例如，形状到X射线的配准或形状到形状的配准，其中，优选的是在导丝从导管突出时执行配准流程。
导丝106和导管104的状态也可以用于确定导管的长度。用户可以定位导丝106，使得导丝106从导管104突出，然后缩回导丝，使得导丝末端111与导管末端117初始对齐，然后使导丝末端在导管内移动。检测模块146被配置为接收处于对齐状态的导丝的3D形状位置并使用学习模型来估计导管长度。
在图22中示出的替代实施例中，来自FORSTM导丝106的曲率数据用于确定从导管的开始点到展示最大曲率的位置的导管长度。成像系统116(例如，X射线成像设备)用于测量导管的剩余部分的长度。例如，在图22中，由FORSTM导丝106以前面讨论的方式测量导管104在点180与点182之间的长度。通过识别X射线图像中的点来测量导管末端117的最远侧部分。
参考图23，根据本原理说明性地示出了用于确定非形状感测介入设备102(例如，导管104)的长度的方法200。在框210中，将非形状感测介入设备和FORSTM导丝紧固到具有管腔的集线装置。FORSTM导丝被接收在非形状感测介入设备的管腔中。
在框215中，确定非形状感测介入设备的远侧末端的位置。还可以基于测量集线装置的旋转或导管的远侧末端的旋转来确定非形状感测介入设备的旋转角度。对非形状感测介入设备的远侧末端的位置的确定优选还涉及将非形状感测介入设备的远侧末端的位置配准218到FORSTM导丝的位置。如前所述，非形状感测介入设备的配准可以包括利用成像系统(例如，X射线成像设备)从多个不同角度手动或自动地选择FORSTM导丝和导管的末端的位置。替代地，导管末端和FORSTM导丝末端可以对齐，同时设备被锁定到集线装置以执行配准。集线装置的已知位置和对齐的末端用于配准导管的近侧端部的位置与远侧端部的位置。
在另一实施例中，FORSTM导丝和导管可以在近侧端部处紧固到集线装置，并且末端紧固到末端集线装置以配准导管的近侧末端的位置与远侧末端的位置。在另外的实施例中，导管的远侧末端由固定装置接收。导管和FORSTM导丝由集线装置接收，并且导管的远侧末端从集线装置上环回到固定装置以配准导管的远侧末端。
在另一实施例中，FORSTM导丝和导管从集线装置延伸。导管的末端被定位在身体插入点处，并且FORSTM导丝延伸到对象的身体中。FORSTM导丝被配置为测量温度引起的应变以确定对象的内部与外部之间的转变点。集线装置表示导管的起始点，并且转变点表示导管的远侧末端。
替代地，可以在没有明确配准步骤的情况下确定导管远侧末端的位置。例如，可以确定由成像系统可视化的导管的长度与预定长度之间的差异，并且可以调节实际长度。在另一实施例中，成像系统被配置为对视野中的整个非形状感测设备(例如，导管)进行成像并确定导管的长度。
在框220中，使用非形状感测介入设备在集线装置中的已知位置和非形状感测介入设备的远侧末端的位置来确定导管的长度。
在框230中，基于所确定的长度来生成虚拟导管。
在框240中，还可以如前所述利用不透射线的标记物和X射线成像配准流程来确定沿着非形状感测设备定位的介入工具的位置。可以生成介入工具的虚拟表示。
参考图24，根据本原理说明性地示出了用于确定FORSTM导丝相对于导管(FORSTM导管或非形状感测导管)的状态的方法250。在框260中，将具有形状感测系统的FORSTM导丝接收在介入设备的管腔中。在框265中，可以确定处于默认位置的FORSTM导丝末端的最大曲率。在框270中，可以在训练阶段期间在足够数量的位置中操纵导丝和导管并收集训练数据。
在框275中，从FORSTM形状感测系统采集FORSTM导丝的曲率数据。如前所述，曲率数据可以是曲线图的形式。在框280中，分析曲率数据并确定FORSTM导丝相对于介入设备的状态。例如，可以相对于训练数据分析曲率数据以确定FORSTM导丝和导管的状态。在框290中，向用户提供关于FORSTM导丝和导管的状态的反馈。在框295中，当导管与FORSTM导丝对齐时，可以通过导丝的3D形状位置来确定导管的长度。
参考图25，示出了在FORS跟踪的导丝306上的固定点(“扭矩装置”300)(其可以是集线装置或者被定位在集线装置和导管(这里被一起示为307)的近侧)与非形状感测介入设备(例如，导管304)之间的可变机械连接装置361。可变机械连接装置可以是绳带361或杆或六角手风琴形管道或编织物(同轴地围绕导丝)的形式。将扭矩装置300定位并夹紧在导丝306上的合适位置处，将绳带361或其他可变机械连接器附接到扭矩装置300，其长度使得导管304的端部与导丝的末端重合(如图25C中的拉伸的绳带361所示)。然后导管304在导丝306的长度308上自由滑动(摆动)，如图25A所示。可以调节扭矩装置300的位置和所使用的绳带361的长度以优化最大摆动。图25A-25C中的止血阀362用作扭矩装置300的滑动运动的终点。
上面描述了一个设备的末端相对于另一个设备的末端的配准。
可以提供线线管，绳带或其他可变机械连接装置可以缩回到线管中。线管可以被配置为跟踪部署的可变机械连接装置的长度或缠绕在线管上的长度。
可以在导丝和/或编织物周围提供非常有弹性的管道，以将导丝和可变机械连接装置保持在一起并防止在导丝与可变机械连接装置中形成结或环，这种结或环可能在使用期间卡在其他部分上。
可弹性弯曲的杆可以连接扭矩装置和集线装置，该杆具有滑动端部止动装置。
可以在扭矩装置或集线装置上提供快速释放机构(例如，弹簧、凸轮锁、棘爪或控制杆)以使得绳带或其他可变机械连接装置分开。
如上面关于检测模块146所解释的，检测模块146可以在介入期间指示导丝末端处于导管内部或者导管末端与导丝末端对齐。检测模块146对这些状态中的一种状态的确定有利于确定是否应当执行形状配准以及用于这样的配准的适当的图像处理流程。然后，针对机械地防止导丝缩回和不能检测导管的部分的形状和位置的扭矩装置和可变机械连接装置的补充方案或替代方案，可以向医生提供视觉警告和/或触觉警告以警告他或她已经超过了适当的操作参数。警告可以是蜂鸣器或灯光闪烁。也可以仅基于检测到的可变机械连接装置的最大延伸来生成警告。
一些可以实际用于绳带或编织物的材料是具有高杨氏模量的材料，例如，凯夫拉和特沃纶，如下表所示：
纤维 特性 模量* 拉伸 扩展到 相对
(GPa) 强度 断裂(％) 密度
(GPa) (g/cm3)
诺梅克斯 17 0.6 22 1.38
纤维B. 128 2.8 5 1.45
凯夫拉29 普通 70 2.9 4 1.44
凯夫拉49 高模量 135 2.9 2.8 1.45
凯夫拉129 高强度 99 3.4 3.3 1.45
凯夫拉149 超高模量 143 2.3 1.5 1.47
特沃纶 普通 79 3 3.3 1.44
特沃纶HM 高模量 123 2.8 2 1.44
泰科拉 普通 70 3.3 4.3 1.39
其他材料可以选自液晶聚合物(LCP)，其是热塑性树脂，表现出独特的、优异的机械强度，针对高压灭菌的耐热性以及化学惰性。这些材料特别用于导管编织物。杨氏模量为1-4GPa。
代替或额外于绳带形状，一些可以用于可变机械连接装置的常见形状是如图26A所示的具有中心导丝310的六角手风琴纸装饰物311的形状或如图26B所示的橡胶波纹管形状312。当指定可变机械连接装置时考虑的形状和材料属性可以包括：(1)折叠/压缩时短(扁平)，(2)扩展/部署时长(3)在折叠状态与扩展状态(无弹性)之间需要很小的力，以及(4)当完全扩展时进一步扩展所需的力应当突然变得非常高。
在解读权利要求时，应当理解：
a)词语“包括”不排除在给定的权利要求中列出的元件或动作之外的其他元件或动作；
b)元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记不限制其范围；
d)若干“单元”可以由相同的项目或硬件或实施结构或功能的软件来表示；并且
e)除非明确指示，否则并不旨在要求动作的特定顺序。
已经描述了用于利用形状感测导丝来确定非形状感测介入设备的长度以及用于确定导丝相对于介入设备的状态的系统的优选实施例(所述优选实施例旨在是说明性的而不是限制性的)，应当注意，本领域技术人员在以上教导的启示下能够做出修改和变型。因此应当理解，可以在本文中如权利要求书概括的那样的公开的实施例的范围内，对所公开的公开内容的特定实施例做出改变。因此已经描述了专利法所要求的细节和特性，在权利要求书中阐述了由专利证书所要求并期望保护的内容。

Claims (10)

1.一种用于确定形状感测导丝相对于介入设备的状态的系统，包括：
介入设备(102)，其具有管腔(103)；
形状感测导丝(106)，其具有形状感测系统(105)，所述形状感测导丝被配置为被接收在所述介入设备的所述管腔中；
检测模块(146)，其被配置为：从所述形状感测导丝的所述形状感测系统接收曲率数据，并且确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述检测模块被配置为从处于默认位置的所述形状感测导丝的末端收集数据，以确定所述形状感测导丝的末端(111)的最大曲率，其中，使施加在所述形状感测导丝的末端的力最小化，并且处于所述默认位置的所述末端的形状处于默认形式。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述检测模块还被配置为：在训练阶段期间收集关于所述形状感测导丝的曲率的训练数据，并且分析所述曲率数据和所述训练数据以确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述检测模块被配置为确定状态，所述状态包括：
所述形状感测导丝的末端从所述介入设备突出；
所述形状感测导丝的所述末端在所述介入设备内部，并且所述介入设备的末端从所述形状感测导丝突出；以及
所述形状感测导丝的所述末端与所述介入设备的所述末端对齐。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述检测模块被配置为将所述曲率数据与最大曲率阈值进行比较，以确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
6.一种用于确定形状感测导丝相对于介入设备的状态的方法，包括以下步骤：
在介入设备的管腔中接收(260)具有形状感测系统的形状感测导丝；以及
从所述形状感测导丝的所述形状感测系统采集(275)曲率数据；以及
确定(280)所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
7.如权利要求6所述的方法，还包括从处于默认位置的所述形状感测导丝的末端收集(265)数据以确定所述形状感测导丝的末端的最大曲率的步骤。
8.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：
在训练阶段期间收集(270)关于所述形状感测导丝的曲率的训练数据；以及
分析所述曲率数据和所述训练数据以确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态。
9.如权利要求6所述的方法，包括将所述曲率数据与最大曲率阈值进行比较以确定所述形状感测导丝相对于所述介入设备的所述状态的步骤。
10.如权利要求6所述的方法，还包括在所述导丝与所述介入设备对齐时通过所述导丝的3D形状位置来确定(295)导管的长度的步骤。
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