JP2013534433A

JP2013534433A - 光ファイバの形状再構成

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Publication number: JP2013534433A
Application number: JP2013509638A
Authority: JP
Inventors: フェリペグティエレス，ルイス; チャン，レイモンド
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2013-09-05
Also published as: CN102892347A; EP2568865A1; WO2011141830A1

Abstract

光センシングシステム（１０）は、フレキシブルな光ファイバ（３０）と光ファイバコントローラ（４０）とを使用する。光ファイバ（３０）は、近位端（３１ｐ）と遠位端（３１ｄ）とを有する変形光センサアレイ（３１）を含み、医療装置（２０）に接合されて、規定空間内での医療装置（２０）の移動に応じた光ファイバ（３０）の形状の変化を指し示すエンコード光信号（３２）を生成し得る。光ファイバコントローラ（４０）は、エンコード光信号（３２）を用いて、近位端（３１ｐ）と遠位端（３１ｄ）との間の光ファイバ（３０）の形状の一部又は全体を再構成する。この目的のため、光ファイバコントローラ（４０）は、当該光ファイバコントローラによって指定される前記規定空間内の固定サンプリング位置を有するアンカー点に対して、光ファイバ（３０）をアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに区分けする。

Description

本発明は概して、光ファイバの形状再構成に関する。本発明は具体的には、光ファイバの異なる複数のセグメントの異なる時間的速さでの形状再構成のための仕様に関する。

皮膚の小切開を介して、あるいは生まれながらの孔又は開口部（例えば、鼻又は口）を介して、手術針、カテーテル、チューブ、内視鏡、又はその他の医療装置を経皮的に挿入することによって、低侵襲医療処置が行われている。しばしば、人体内の医療装置の位置が、リアルタイム医用撮像装置（例えば、２次元若しくは３次元超音波（“２ＤＵＳ”若しくは“３ＤＵＳ”）装置、Ｘ線透視装置、磁気共鳴撮像（“ＭＲＩ”）装置、及びコンピュータ断層撮影（“ＣＴ”）装置）を用いてモニタされる。

特定の用途において、処置時間を短縮するため、あるいは電離放射線への被曝を最小化するために、非撮像的な追跡技術が医療装置の位置特定に使用されている。現行の追跡システムは、３次元空間でセンサを三角測量するために、電磁的、音響的、インピーダンス的、及び光学的な技術を用いたセンシングに基づくことがあり、また、例えば信号の強度（及び／又は減衰）、信号の位相／周波数シフト、及び／又は飛行時間（タイム・オブ・フライト）などの原理を用いることがある。

光ファイバに基づく位置特定技術は、幾何学的な変化を伝送光にエンコードすることによって光ファイバの形状を再構成することを伴う。具体的には、光ファイバの形状再構成は、光ファイバ内へのファイバ・ブラッグ・グレーティングの導入、又は光ファイバの製造プロセスに由来する生まれもっての光屈折の不均一性、に起因して生じる光学的な屈折率の変化を利用することによって行われ得る。ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、光の特定の波長を反射し且つその他全てを透過させる光ファイバの小区画（ショートセグメント）である。これは、ファイバーコア内に屈折率の周期的な変化を付与することによって達成される。この周期的な変化は、特定の波長に対する誘電体ミラーを生成する。ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、歪みに対する感度が高く、それにより、歪みの大きさに比例したファイバ・ブラッグ・グレーティングのブラッグ波長のシフトΔλ_Ｂを生じさせる。分散型センシングにファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いることの主な利点は、単一のひかりファイバの長さに沿って多数の変形光センサを調べ得ることである。同様に、光ファイバの長さに沿って生じる光屈折率の生まれもっての変動を利用するレイリー散乱手法を用いて、ファイバ変形を検知することができる。

光ファイバの形状センシング能力は、光ファイバの近位端で始めて光ファイバの遠位端で終わるよう、光ファイバの長さに沿った各検知位置で３次元（“３Ｄ”）変形を測定することによって遂行される。そして、ファイバ長に沿った歪みの積分によって、あるいは逆問題を解くための多数の推定方法のうちの何れかを用いることによって、再構成が可能である。また、この処理は集成的なものである。すなわち、光ファイバに沿った１つの箇所の１つの変形光センサの３Ｄ位置は、光ファイバ内のその箇所の前の全ての変形光センサがやはり３Ｄで再構成されている場合にのみ計算されることができる。

低侵襲医療処置の状況において、外科医は、関心ある解剖学的領域の近くにある光ファイバの遠位部分にのみ関心があることがある。しかしながら、光ファイバのその遠位部分の形状を得るためには、患者の体の外側にある光ファイバ部分も含めて、光ファイバの近位部分全体の形状を再構成する必要がある。

この手法の欠点は、形状再構成が計算的に非常に高コストになることである。例えば、１．０メートルのファイバはおよそ２５，０００個の変形光センサを有し、それらの各々がそのロー（生）データを、処理を行う再構成エンジンに報告しなければならない。その結果は低い時間分解能であり、現行システムは１．０メートルのファイバの場合で２．５Ｈｚに制限されている。この程度の時間サンプリングでは、多くの介入手順に不適合である。

アンカー点に対して光ファイバをアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに区分けするファイバセグメンテーション技術が開示される。

本発明は、アンカーファイバセグメントを光ファイバの近位端とアンカー点と延在させ、且つアクティブファイバセグメントをアンカー点と光ファイバの遠位端との間に延在させて、アンカー点に対して光ファイバをアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに区分けするファイバセグメンテーション技術を提供する。このファイバセグメンテーション技術は、ファイバ形状サンプリング目的でアンカー点が空間内で固定されると仮定し、それにより、光ファイバの形状サンプリングにおいて、アンカーファイバセグメントの測定及び再構成を行う必要なしに、アクティブファイバセグメントの測定及び再構成が行われる。

本発明の一形態は、人体の解剖学的領域を撮像するのに使用される、１つ以上のフレキシブル光ファイバと光ファイバコントローラとを用いる光形状センシングシステムである。各光ファイバは、近位端と遠位端とを有する変形光センサのアレイ（例えば、ファイバ・ブラッグ・グレーティングアレイ）を含む。光ファイバは、医療装置（例えば、カテーテル、手術針、チューブ、又は内視鏡）に接合されて、規定空間内での医療装置の移動に応じた光ファイバの形状の各変化を指し示すエンコード光信号を生成するよう動作する。例えば、カテーテルの管腔内に光ファイバが挿入され、それにより、手術手順中に関心ある解剖学的領域までカテーテルの遠位端がナビゲートされるときに、管腔内及び／又は外の光ファイバの形状が変化する。

光ファイバコントローラは、エンコード光信号を処理して、近位端と遠位端との間の光ファイバの形状の一部又は全体を再構成する。本発明に係るセグメンテーション技術を実行するため、光ファイバコントローラは、当該光ファイバコントローラによって指定される規定空間内のサンプリング位置を有するアンカー点に対して、光ファイバをアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに区分けする。アンカーファイバセグメントは近位端とアンカー点との間に延在し、アクティブファイバセグメントはアンカー点と遠位端との間に延在する。より具体的には、アンカーファイバセグメントは、近位端を含む、あるいは含まず、そして、アンカー点を含む、あるいは含まない。同様に、アクティブファイバセグメントは、アンカー点を含む、あるいは含まず、そして、遠位端を含む、あるいは含まない。

低空間時間形状サンプリングモードにおいて、光ファイバコントローラは、光ファイバのアンカーファイバセグメントの形状及び光ファイバのアクティブファイバセグメントの形状を順次に再構成する。

高空間時間形状サンプリングモードにおいて、光ファイバコントローラは専ら、光ファイバのアクティブファイバセグメントの形状を再構成する。

アンカー点更新サンプリングにおいて、光ファイバコントローラは専ら、光ファイバのアンカーファイバセグメントの形状を再構成する。

本発明の様々な典型的な実施形態についての以下の詳細な説明を添付図面と関連付けて読むことにより、本発明の上述の形態及びその他の形態、並びに本発明の様々な特徴及び利点が、より一層と明らかになる。以下の詳細な説明及び図面は、本発明を単に例示するものであって限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項及びそれに均等なものによって定められる。

本発明に従った医用撮像システムの典型的な一実施形態を示す図である。技術的に知られた光ファイバの典型的な形態を示す図である。技術的に知られた光ファイバの典型的な形態を示す図である。技術的に知られた光ファイバの典型的な形態を示す図である。技術的に知られた光ファイバの典型的な形態を示す図である。本発明に従った光ファイバセグメンテーションの典型的な一実施形態を示す図である。本発明に従った光ファイバ形状再構成の典型的な一実施形態を示す図である。本発明に従った図１に示した医用撮像システムの典型的な一実施形態を示す図である。本発明に従ったパラメータ入力オプションテーブルの典型的な一実施形態を示す図である。本発明に従ったＧＵＩパラメータ入力オプションの典型的な一実施形態を示す図である。本発明に従ったファイバ画像パラメータ入力オプションの典型的な一実施形態を示す図である。

図１に示すように、本発明に係る医用画像化システムは、光形状センシングシステム１０と撮像システム５０（例えば、Ｘ線システム、ＭＲＩシステム、ＣＴシステム、ＵＳシステム、又はＩＶＵＳシステム）とを使用する。

システム１０は、医療装置２０（例えば、カテーテル、手術針、チューブ、又は内視鏡）に接合され得る光ファイバ３０を使用する。本発明の目的において、光ファイバ３０は、近位端３１ｐ及び遠位端３１ｄを有する変形光センサアレイ３１を介して、連続した内部光反射によって光を伝送するように構造的に構成された任意の要素又は装置として広く定義され、アレイ３１の各変形光センサは、光ファイバ３０に印加される外部刺激の関数として反射波長がシフトされ得るようにして、特定の波長の光を反射するがその他全ての波長の光を透過させるように構造的に構成された任意の要素として広く定義される。光ファイバ３０及び変形光センサアレイ３１の例には、以下に限られないが、技術的に知られているような、ファイバの長さに沿って一体化されたファイバ・ブラッグ・グレーティングのアレイを組み入れた、フレキシブルで光学的に透明なガラス又はプラスチックのファイバと、技術的に知られているような、ファイバの長さに沿って生じた光屈折率の生まれもっての変動を有した、フレキシブルで光学的に透明なガラス又はプラスチックのファイバとがある。

また、本発明の目的において、“接合される”なる用語は、光ファイバ３０が医療装置２０に取り付けられる、あるいは医療装置２０と連続にされる、ための如何なる手法をも包含するものである。医療装置２０に接合された光ファイバ３０の例には、以下に限られないが、技術的に知られているような、カテーテル又は内視鏡の管腔の内部に挿入された光ファイバ３０がある。

医療装置２０に接合された光ファイバ３０での動作において、光ファイバ３０は、技術的に知られているように、変形光センサアレイ３１によって、光ファイバ３０の瞬間的な形状サンプリング時の光ファイバ３０の形状を指し示すエンコードされた光信号（encoded optical signal；“ＥＯＳ”）３２を生成する。特に、複数の形状サンプリングを含んだ経路にわたって、エンコード光信号（ＥＯＳ）３２は、規定空間内で医療装置２０が移動されるときに発生する光ファイバ３０の形状の変化の各々を指し示す。故に、エンコード光信号３２は、瞬間的な時点での規定空間内での医療装置２０の位置及び向きを視覚的に表示することに、また、規定空間内での医療装置２０の移動追跡を視覚的に表示することに、光ファイバ３０を使用することを容易にする。例えば、エンコード光信号３２は、医療処置中に患者内のカテーテル又は内視鏡の位置及び向きを視覚的に表示するよう、光ファイバ３０の瞬時形状サンプリング時の光ファイバ３０の形状を指し示すことになる。特に、複数の形状サンプリングを含んだ経路にわたって、エンコード光信号３２は、患者内でのカテーテル又は内視鏡の移動による光ファイバ３０の形状変化の各々を指し示すことになり、それにより、光ファイバ３０を用いて患者内のカテーテル又は内視鏡の移動追跡を視覚的に表示することになる。

この目的のため、システム１０は更に、エンコード光信号３２を処理することによって光ファイバ３０の一部又は全体形状を周期的に再構成するため、光インタフェース４１と形状再構成部４２とファイバ区分化部４３とを組み入れた光ファイバコントローラ４０を使用する。本発明の目的において、光インタフェース４１は、近位端３１ｐから遠位端３１ｄまで光ファイバ３０中で光を伝送し、変形光センサアレイ３１による透過光の連続した内部反射によって生成されたエンコード光信号３２を受信するように構造的に構成された任意の装置又はシステムとして広く定義される。光インタフェース４１の一例には、以下に限られないが、近位端３１ｐから遠位端３１ｄまで光ファイバ３０中で光を伝送し、且つ変形光センサアレイ３１による透過光の連続した内部反射によって生成されたエンコード光信号３２を受信するための、技術的に知られた、光カップラ、広帯域リファレンスリフレクタ、及び周波数ドメイン反射率計の構成がある。

本発明の目的において、形状再構成部４２は、エンコード光信号３２を処理して光ファイバ３０の形状を部分的あるいは全体的に再構成するとともに、撮像システム５０が医療装置２０の瞬時的な位置及び向き、特に、医療装置２０の移動追跡を視覚的に表示することを可能にする適切な形式でファイバ形状データ（“ＦＳＤ”）４４を生成するように構造的に構成された任意の要素又は装置として広く定義される。形状再構成部４２の一例には、以下に限られないが、既知の形状再構成技術を実行するための何らかのタイプのコンピュータにソフトウェア及び／又はファームウェアとしてインストールされる再構成エンジンがある。特に、或る既知の形状再構成技術は、エンコード光信号３２を、光ファイバ３０の形状に組み込まれた歪み／屈曲測定値に相関付ける。実際には、この再構成エンジンは、撮像システム５０に統合されてもよいし、統合されなくてもよい。

本発明の目的において、ファイバ区分化部４３は、本発明に係るファイバセグメンテーション（区分化）技術を実行する任意の要素又は装置をして広く定義される。具体的には、ファイバ区分化部４３は、光ファイバ３０を、アンカー点に対して、アンカー（固定）ファイバセグメントとアクティブ（動作）ファイバセグメントとに区分けする。アンカーファイバセグメントは、近位端３１ｐとアンカー点との間に延在し、アクティブファイバセグメントはアンカー点と遠位端３１ｄとの間に延在する。実際には、アンカーファイバセグメントは近位端３１ｐを含んでいても含んでいなくてもよく、アクティブファイバセグメントは遠位端３１ｄを含んでいても含んでいなくてもよい。また、実際には、アンカー点は変形光センサのアレイ位置と一致しても一致しなくてもよく、故に、アンカーファイバセグメント、アクティブファイバセグメントはアンカー点を含んでいてもよいし、何れかがアンカー点を含まなくてもよい。

このファイバセグメンテーション技術は、医療装置２０に関連する規定空間内でアンカー点が恒久的あるいは一時的な固定サンプリング位置を有すると仮定するものであり、光ファイバ３０の形状サンプリングにおいて、形状再構成部４２は、アンカーファイバセグメントの測定及び再構成を行う必要なしに、アクティブファイバセグメントの測定及び再構成を行い得る。より具体的には、光ファイバ３０の低空間時間形状サンプリングでは、形状再構成部４２はアンカーファイバセグメントの形状及びアクティブファイバセグメントの形状を順次に測定して再構成することになり、光ファイバ３０の高空間時間形状サンプリングでは、形状再構成部４２は専らアクティブファイバセグメントの形状を測定して再構成することになる。

実際には、ファイバ区分化部４３は、アンカー点が規定空間内で移動し得るか否かということにかかわらず、空間時間形状サンプリングのために、医療装置２０に関連する規定空間内の恒久的あるいは一時的に固定されたサンプリング位置を有するものとしてアンカー点を指定する。あるいは、それに代えて、ファイバ区分化部４３は、アンカーファイバセグメントの排他的再構成を伴う光ファイバ３０のアンカー点更新サンプリングに基づいて、アンカー点のサンプリング位置を規定空間内で周期的に更新し得る。

例えば、光ファイバ３０がカテーテルの管腔内に挿入される場合、ファイバ区分化部４３は、カテーテルの本体とカテーテルの操作可能な先端部との間の境界にアンカー点を構築し得る。従って、アンカーファイバセグメントはカテーテルの本体内にあり、アクティブファイバセグメントは操作可能な先端部内にある。ファイバ区分化部４３は、アンカーファイバセグメントの形状及びアクティブファイバセグメントの形状の順次再構成を伴う光ファイバ３０の低空間時間形状サンプリングを実行すべきときに、形状再構成部４２に、それによって患者内のカテーテルの本体と操作可能な先端部との双方をモニタして追跡するよう命令することになる。ファイバ区分化部４３はまた、アクティブファイバセグメントの形状の排他的再構成を伴う光ファイバ３０の高空間時間形状サンプリングを実行すべきときに、形状再構成部４２に、それによってカテーテルの操作可能な先端部のみをモニタして追跡するよう命令することになる。そして、適用可能な場合、ファイバ区分化部４３は、アンカーファイバセグメントの形状の排他的再構成を伴う光ファイバ３０のアンカー点更新サンプリングを実行すべきときに、形状再構成部４２に、それによって患者内のアンカー点のサンプリング位置を更新するよう命令することになる。

代替的な一実施形態において、ファイバ区分化部４３は、光ファイバ３０を、アンカー点及びトラッキング（追跡）点に対して、アンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントと非追跡ファイバセグメントとに区分けし得る。この代替実施形態において、アンカーファイバセグメントは、近位端３１ｐとアンカー点との間に延在し、アクティブファイバセグメントはアンカー点とトラッキング点との間に延在し、非追跡ファイバセグメントは、トラッキング点と遠位端３１ｄとの間に延在する。この実施形態は、非追跡ファイバセグメントは規定空間内での医療装置２０の移動追跡に重要なものでないと仮定するものであり、故に、光ファイバ３０の低空間時間形状サンプリング及び高空間時間形状サンプリングの双方が非追跡ファイバセグメントの測定及び再構成を行うことを必要としないことを可能にする。実際には、トラッキング点は変形光センサのアレイ位置と一致しても一致しなくてもよく、故に、アクティブファイバセグメントはトラッキング点を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。

動作時、ファイバ区分化部４３は、本発明に係るファイバセグメンテーション技術を実行するのに必要な条件を指定する様々なパラメータを使用する。例えば、ファイバ区分化部４３は、（１）光ファイバ３０に沿ったアンカー点の最初のサンプリング位置、（２）適用可能な場合の、光ファイバ３０に沿ったアンカー点のサンプリング位置を更新する時間間隔、（３）光ファイバ３０に沿ったアンカー点からのアクティブファイバセグメントの最初の長さ、（４）撮像システム５０によって指定される再構成速度に基づく、アクティブファイバセグメントの長さを更新する時間間隔、及び／又は（５）適用可能な場合の、光ファイバ３０に沿ったトラッキング点の最初のサンプリング位置、を指定するパラメータを使用し得る。この目的のため、医療処置の術前段階及び／又は術間段階において、ファイバ区分化部４３は、パラメータを自動生成することができ、且つ／或いはパラメータ入力を対話的に受け取ることができる。

ファイバ区分化部４３の一例には、以下に限られないが、本発明に係るファイバセグメンテーション技術を実行するための何らかのタイプのコンピュータにソフトウェア及び／又はファームウェアとしてインストールされるモジュールがある。実際には、ファイバ区分化部４３は、形状再構成部４２及び／又は撮像システム５０に統合されてもよいし、統合されなくてもよい。

次に、本発明の更なる理解を容易にするため、図２−５を参照して、本発明に係るファイバセグメンテーション技術に従った例示的な形状再構成を説明する。

図２は、カテーテル２１の管腔内に挿入された、近位端３５ｐから遠位端３５ｄまで延在する１つ以上のファイバ・ブラッグ・グレーティングアレイ３５を有する光ファイバ３４を示している。実際には、３次元屈曲センシングの場合、当業者に認識されるように、光ファイバ３４は如何なる数のアレイ３５を含んでいてもよく、あるいは、２本以上の光ファイバが使用されてもよい。例えば、図３Ａに示す一例において、光ファイバ３４は、３次元屈曲センシングで必要とされる１２０°間隔で配置された３つのファイバ・ブラッグ・グレーティングアレイ３５を含み得る。他の例では、図３Ｂに示すように、３本の光ファイバ３４ｂが使用され、各光ファイバ３４ｂが、単一のファイバ・ブラッグ・グレーティングアレイ３５を有し、各ファイバ・ブラッグ・グレーティングアレイ３５が、３次元屈曲センシングで必要とされる１２０°間隔で配置される。更なる例として、図３Ｃに示すように、光ファイバ３４は、１２０°間隔で配置されたアレイ３５（１）−３５（３）によって軸上アレイ３５（４）が取り囲まれた、４つのファイバ・ブラッグ・グレーティングアレイ３５を含んでいてもよい。この例において、光ファイバ３４は、３次元屈曲センシングを強化するために、恒久的な螺旋状のねじれ（図示せず）を有する。

図４は、本発明に係るファイバセグメンテーション技術による光ファイバ３４の区分化を示している。具体的には、アンカー点３６が、カテーテル２１（図２）の本体２１ａと操作可能先端部２１ｂとの間の境界であるとして指定され、それにより、光ファイバ３４は、アンカーファイバセグメント３７とアクティブファイバセグメント３８とに区分けされている。アンカーファイバセグメント３７は、近位端３５ｐとアンカー点３６との間に延在し、アクティブファイバセグメント３８は、アンカー点３６と遠位端３５ｄとの間に延在している。

より具体的には、アンカーファイバセグメント３７は、近位端３５ｐを含んでいてもよいし、例えば終端３７ａを有するように近位端３５ｐを含んでいなくてもよい。また、アンカーファイバセグメント３７は、アンカー点３６を含んでいてもよいし、例えば終端３７ｂを有するようにアンカー点３６を含んでいなくてもよい。同様に、アクティブファイバセグメント３８は、アンカー点３６を含んでいてもよいし、例えば終端３８ａを有するようにアンカー点３６を含んでいなくてもよい。また、アンカーファイバセグメント３８は、遠位端３５ｄを含んでいてもよいし、例えば終端３８ｂを有するように遠位端３５ｄを含んでいなくてもよい。

図５は、図４に示したファイバセグメンテーションによる光ファイバ３４の典型的な形状再構成の状態図を示している。具体的には、カテーテル２１が患者内に導入されるとき、カテーテル２１全体が患者内の関心ある解剖学的領域までナビゲートされるにつれて、光ファイバ３４のアンカー点３６は患者空間内で移動する。故に、カテーテル２１全体が追跡されており、光ファイバ３４のサンプリング状態は、アンカーファイバセグメント３７の形状及びアクティブファイバセグメント３８の形状の順次再構成を伴う低空間時間形状サンプリング６０である。

光ファイバコントローラ４０によって、患者空間内の固定サンプリング位置にあるものとしてアンカー点３６が指定されることができ、故に、医療処置の規定ステップを実行するようにカテーテル２１の操作可能先端部２１ｂのみが動かされることになるとの決定６３を受け、光ファイバ３４のサンプリング状態は、アクティブファイバセグメント３８の形状の排他的再構成を伴う高空間時間形状サンプリング６１となる。

高空間時間形状サンプリング６１の間に、患者空間内のアンカー点３６の位置は更新されることが必要となり得る。患者空間内のアンカー点３６のサンプリング位置を更新することが必要との決定６４の都度、光ファイバ３４のサンプリング状態は、アンカーファイバセグメント３７の形状の排他的再構成を伴うアンカー点更新サンプリング６２となる。患者空間内のアンカー点３６のサンプリング位置の更新６５を受け、光ファイバ３４のサンプリング状態は、アクティブファイバセグメント３８の形状の排他的再構成を再び伴う高空間時間形状サンプリング６１へと戻る。

医療処置が完了し、カテーテル２１を患者から取り出し得るとの決定６６を受け、光ファイバ３４のサンプリング状態は、カテーテル２１が患者から取り出されるまで、アンカーファイバセグメント３７の形状及びアクティブファイバセグメント３８の形状の順次再構成を再び伴う低空間時間形状サンプリング６０へと戻る。

図２−５の説明から、当業者は、光ファイバ３０を支持するのに適した何らかの種類の医療装置２０を用いる数多くの医療処置において、本発明に係るファイバセグメンテーション技術による光ファイバの形状再構成をどのように実行するかを認識するであろう。例えば、心房細動アブレーションにおいては、光ファイバの一部は、心臓内にあって、医療装置のユーザ操作並びに患者の心運動及び呼吸運動とともに移動するが、光ファイバの残りの部分は、下大静脈内にあって、比較的安定している。光ファイバの下大静脈部分は、光ファイバの高空間時間形状サンプリング中にアンカー点を位置付けるための良い候補を提供する。

また、例として、ステントバルーンの位置決め及び配備においては、ステント領域付近の医療装置の遠位部のみに関心が集められる。この場合、ステント領域から遠隔の光ファイバ部分が、光ファイバの高空間時間形状サンプリング中にアンカー点を位置付けるための良い候補を提供する。

次に、本発明の更なる理解を容易にするため、図６−９を参照して、本発明に係るファイバセグメンテーション技術に従った更に詳細な例示的な形状再構成を説明する。

図６は、光ファイバ３４を支持するカテーテル２１と、Ｃアーム５３を制御するとともに画像モニタ５２上に画像を表示するＸ線装置５１とを含んだ、医療処置用に準備された、患者７０を有する臨床設定を示している。光ファイバコントローラ４５が、図４に示した光ファイバ３４のファイバセグメンテーションを実行するために、図示のようなパラメータ４６−４９を生成且つ／或いは受信する。

具体的には、パラメータＩ_アンカー４６は、光ファイバ３４の長さに沿ったアンカー点３６のサンプリング位置を指定する。パラメータＩ_{アクティブ}４７は、アンカー点３６から遠位端３５ｄまで、あるいはアンカー点３６と遠位端３５ｄとの間の点までの、アクティブファイバセグメント３８の長さを指定する。パラメータｔ_アンカー４８は、適用可能な場合にアンカー点３６のサンプリング位置が更新されるべき時間間隔を指定する。パラメータｔ_{アクティブ}４９は、アクティブファイバセグメント３８の形状が更新されるべき時間間隔を指定する。

図７は、パラメータ４６−４９を生成且つ／或いは受信する４つの実施形態を表す表８０を例示している。

具体的には、医療処置の術前段階における自動モード８１は、同様の医療介入から以前に取得されたトレーニングデータの１つ以上のライブラリに基づくルール、及び／又は同様の手法／視点を有する医師からの１つ以上の嗜好プロファイルに基づくルールにより、光ファイバコントローラ４５が自動的にパラメータＩ_アンカー４６、パラメータＩ_{アクティブ}４７、及びパラメータｔ_アンカー４８を定めることを含む。さらに、光ファイバコントローラ４５は、４５の最大の再構成速度に基づいてパラメータｔ_{アクティブ}４９を自動的に定める。自動モード８１の他の実施形態においては、未定のパラメータが３つの既定のパラメータに基づいて決定されるとして、パラメータ４５−４９のうちのその他の組み合わせに係る３つのパラメータが定められてもよい。

医療処置の術間段階における自動モード８２においては、光ファイバコントローラ４５は、光ファイバ３４全体の形状の幾つかの再構成結果の分析を伴うアンカー点校正サンプリングを実行する。具体的には、形状再構成結果から、光ファイバコントローラ４５は、光ファイバ３４の遠位端から逆方向に作業して最小（存在する場合）の動きを被る光ファイバ３４の点を探索し、パラメータＩ_アンカー４６についてその点をアンカー点として自動的に定める。パラメータ４７−４９は、更なる術間データストリーム（例えば、Ｘ線装置５１を用いた蛍光透視）のリアルタイム処理に基づいて自動的に定められることができ、このモード８２で定められなければならない更なるパラメータは、校正収集の継続時間、及びアンカー点を選定するために使用される動き閾値を含む。

医療処置の術前段階におけるインタラクティブモード８３においては、グラフィカルユーザインタフェース（“ＧＵＩ”）が提示され、それにより、ユーザが、パラメータ４６−４９を対話的に選択し、撮像情報又はモニタリング情報に基づいて更なるカスタマイズされたパラメータを定め、その他のパラメータ選択についての１つのパラメータ選択の結果、又は何らかの測定データに対する形状センシングセクションの全体的な影響（例えば、画像が形状センシングファイバと統合される）、を見ること、が可能にされ得る。

例えば、図８に示すように、パラメータ入力９５−９８を有するカラーコード化されたＧＵＩが提示され得る。具体的には、パラメータ入力Ｉ_アンカー９５は、光ファイバの長さに沿ったアンカー点９３（例えば、青色の点）のサンプリング位置を指定し、アンカー点９３に対するアンカーファイバセグメント９０（例えば、黄色のセグメント）とアクティブファイバセグメント９１（例えば、緑色のセグメント）とを設定する。より具体的には、アンカーファイバセグメント９０は、変形光センサアレイ（図示せず）の近位端とアンカー点９３との双方を含み、アクティブファイバセグメント９１は、アンカー点９３を含まず、終端点９４（例えば、青色の点）を含む。

パラメータ入力Ｉ_{アクティブ}９６は、終端点９４によってアクティブファイバセグメント９１の長さを指定する。終端点９４は、変形光センサアレイ（図示せず）の遠位端と一致し、あるいは、それに代えて、非追跡ファイバセグメント９２（例えば、赤色のセグメント）を設定し得る。非追跡ファイバセグメント９２は、終端点９４を含まず、変形光センサアレイの遠位端を含む。

パラメータ入力ｔ_アンカー９７は、アンカー点９３のサンプリング位置が更新されるべき時間間隔を指定する。そして、パラメータ入力ｔ_{アクティブ}９８は、アクティブファイバセグメント９１の形状が更新されるべき時間間隔を指定する。

実際には、ＧＵＩは更に、ユーザ指定特性からの形状再構成の逸脱を指し示すために、ユーザ指定による警告（例えば、可聴合図及び／又は視覚的な合図）を定めることを可能にし得る（例えば、光センシングとリアルタイム蛍光透視データとに基づく空間又は時間におけるアンダーサンプリングに起因する形状不的確アラーム）。

医療処置の術間段階におけるインタラクティブモード８４においては、画像モニタ５２上にファイバの画像が提示され、それにより、ユーザは、光ファイバ３４の位置を、光ファイバ３４の形状が表示された医用画像と視覚的に比較することにより、パラメータを図形的に選定することができる。例えば、図９に示すように、アンカーファイバセグメント１００（例えば、黄色のセグメント）とアクティブファイバセグメント１０１（例えば、緑色のセグメント）とを設定するため、表示された光ファイバに沿ってアンカー点１０３（例えば、青色の点）が案内され得る。同様に、表示された光ファイバの遠位端までアクティブファイバセグメント１０１の長さを延ばすため、あるいは、非追跡ファイバセグメント１０２（例えば、赤色のセグメント）を設定するため、表示された光ファイバに沿って終端点１０４が案内され得る。

より具体的には、アンカーファイバセグメント１００は、変形光センサアレイ（図示せず）の近位端とアンカー点１０３との双方を含む。比較して、アクティブファイバセグメント１０１は、アンカー点１０３を含まず、終端点１０４を含む。終端点１０４は、変形光センサアレイ（図示せず）の遠位端と一致し、あるいは、それに代えて、図示のように、非追跡ファイバセグメント１０２を設定し得る。非追跡ファイバセグメント１０２は、終端点１０４を含まず、変形光センサアレイの遠位端を含む。

再び図６を参照するに、必要な全てのパラメータを定めるために何れのモード８１−８４が使用されるかに関係なく、光ファイバコントローラ４５は、図５の状態図に従って、あるいは本発明に係るファイバセグメンテーション技術に従った別の形状再構成に従って、光ファイバ３４によるカテーテル２１の移動追跡を実行する。

図６−９の説明から、当業者は、光ファイバ３０を支持するのに適した何らかの種類の医療装置２０を用いる数多くの医療処置において、本発明に係るファイバセグメンテーション技術による光ファイバの形状再構成をどのように実行するかを更に認識するであろう。

本発明の様々な典型的な実施形態を図示して説明してきたが、当業者に理解されるように、ここで説明した本発明の典型的な実施形態は例示であり、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変形及び変更を為すことができ、また、その要素に代えて、その要素に均等なものを使用し得る。例えば、ここではＦＢＧに関して本発明を説明したが、理解されるように、例えば、ＦＢＧの存在の有／無も含めて、あるいは後方散乱、光ファイバフォース（力）センシング、ファイバ位置センサ若しくはレイリー散乱を用いたファイバ内の１つ以上の区画における変化の検出によるその他の光学的センシング若しくは位置特定も含めて、形状センシング又は全般的な位置特定のための光ファイバも含まれる。また、本発明の教示をその中心範囲を逸脱することなく適応させる数多くの変更が為され得る。故に、本発明は、本発明の実施に関して予期されるベストモードとして開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲に入る全ての実施形態を含むものである。

Claims

近位端と遠位端とを有する変形光センサアレイを含むフレキシブルな光ファイバであり、
当該光ファイバは、医療装置に接合されて、規定領域内での前記医療装置の移動に応じた当該光ファイバの形状の変化を指し示すエンコード光信号を生成するよう動作する、
光ファイバと、
前記エンコード光信号に応答して、前記近位端と前記遠位端との間の前記光ファイバの形状の少なくとも一部を再構成する光ファイバコントローラであり、
当該光ファイバコントローラは、当該光ファイバコントローラによって指定される前記規定領域内の固定サンプリング位置を有するアンカー点に対して、前記光ファイバをアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに選択的に区分けし、前記アンカーファイバセグメントは前記近位端と前記アンカー点との間に延在し、前記アクティブファイバセグメントは前記アンカー点と前記遠位端との間に延在し、
前記光ファイバの低空間時間形状サンプリングにおいて、当該光ファイバコントローラは、前記光ファイバの前記アンカーファイバセグメントの形状及び前記アクティブファイバセグメントの形状を順次に再構成し、
前記光ファイバの高空間時間形状サンプリングにおいて、当該光ファイバコントローラは、前記光ファイバの前記アクティブファイバセグメントの形状を排他的に再構成する、
光ファイバコントローラと、
を有する光形状センシングシステム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を、前記光ファイバの複数の空間時間形状サンプリングにおいて前記規定領域内で恒久的に固定されるものとして指定する、請求項１に記載の光形状センシングシステム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を、前記光ファイバの複数の空間時間形状サンプリングにおいて前記規定領域内で一時的に固定されるものとして指定する、請求項１に記載の光形状センシングシステム。
前記光ファイバの空間時間形状サンプリング同士の間のアンカー点更新サンプリングにおいて、前記光ファイバコントローラは、前記光ファイバの前記アンカーファイバセグメントの形状を排他的に再構成し、且つ前記規定領域内の前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する、請求項３に記載の光形状センシングシステム。
前記医療装置に関する少なくとも１つの術前ルールに基づいて、前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置、前記アクティブファイバセグメントの長さ、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する時間間隔、及び前記アクティブファイバセグメントの長さを更新する時間間隔、のうちの少なくとも１つを取得する、請求項１に記載の光形状センシングシステム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置、前記アクティブファイバセグメントの長さ、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する時間間隔、及び前記アクティブファイバセグメントの長さを更新する時間間隔、のうちの少なくとも１つを取得するためのグラフィカルユーザインタフェースを含む、請求項１に記載の光形状センシングシステム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を、前記光ファイバコントローラによる前記光ファイバの形状の複数の再構成結果にわたって最小の動きを被る点として指定する、請求項１に記載の光形状センシングシステム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置、及び前記アクティブファイバセグメントの長さ、のうちの少なくとも１つを取得するための、前記光ファイバの画像オーバーレイを含む、請求項１に記載の光形状センシングシステム。
医療装置と、
近位端と遠位端とを有する変形光センサアレイを含むフレキシブルな光ファイバであり、
当該光ファイバは、前記医療装置に接合されて、規定領域内での前記医療装置の移動に応じた当該光ファイバの形状の変化を指し示すエンコード光信号を生成する、
光ファイバと、
前記エンコード光信号に応答して、前記近位端と前記遠位端との間の前記光ファイバの形状の少なくとも一部を再構成する光ファイバコントローラであり、
当該光ファイバコントローラは、当該光ファイバコントローラによって指定される前記規定領域内の固定サンプリング位置を有するアンカー点に対して、前記光ファイバをアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに選択的に区分けし、前記アンカーファイバセグメントは前記近位端と前記アンカー点との間に延在し、前記アクティブファイバセグメントは前記アンカー点と前記遠位端との間に延在し、
前記光ファイバの低空間時間形状サンプリングにおいて、当該光ファイバコントローラは、前記光ファイバの前記アンカーファイバセグメントの形状及び前記アクティブファイバセグメントの形状を順次に再構成し、
前記光ファイバの高空間時間形状サンプリングにおいて、当該光ファイバコントローラは、前記光ファイバの前記アクティブファイバセグメントの形状を排他的に再構成する、
光ファイバコントローラと、
前記近位端と前記遠位端との間の前記光ファイバの形状の前記少なくとも一部の複数の再構成結果から得られる、前記医療装置の移動追跡を表示する画像化システムと、
を有する医用撮像システム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を、前記光ファイバの複数の空間時間形状サンプリングにおいて前記規定領域内で恒久的に固定されるものとして指定する、請求項９に記載の医用撮像システム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を、前記光ファイバの複数の空間時間形状サンプリングにおいて前記規定領域内で一時的に固定されるものとして指定する、請求項９に記載の医用撮像システム。
前記光ファイバの空間時間形状サンプリング同士の間のアンカー点更新サンプリングにおいて、前記光ファイバコントローラは、前記光ファイバの前記アンカーファイバセグメントの形状を排他的に再構成し、且つ前記規定領域内の前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する、請求項１１に記載の医用撮像システム。
前記医療装置に関する少なくとも１つの術前ルールに基づいて、前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置、前記アクティブファイバセグメントの長さ、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する時間間隔、及び前記アクティブファイバセグメントの長さを更新する時間間隔、のうちの少なくとも１つを取得する、請求項９に記載の医用撮像システム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置、前記アクティブファイバセグメントの長さ、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する時間間隔、及び前記アクティブファイバセグメントの長さを更新する時間間隔、のうちの少なくとも１つを取得するためのグラフィカルユーザインタフェースを含む、請求項９に記載の医用撮像システム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を、前記光ファイバコントローラによる前記光ファイバの形状の複数の再構成結果にわたって最小の動きを被る点として指定する、請求項９に記載の医用撮像システム。
前記光ファイバコントローラは、前記アンカー点の前記固定サンプリング位置、及び前記アクティブファイバセグメントの長さ、のうちの少なくとも１つを取得するための、前記光ファイバの画像オーバーレイを含む、請求項９に記載の医用撮像システム。
医療装置に接合された光ファイバを用いて、規定領域内での前記医療装置の移動に応じた前記光ファイバの形状の各変化を指し示すエンコード光信号を生成する方法であって、前記光ファイバは、近位端と遠位端とを有する変形光センサアレイを含み、当該方法は：
前記規定領域内の固定サンプリング位置を有するアンカー点に対して、前記光ファイバをアンカーファイバセグメントとアクティブファイバセグメントとに区分けし、前記アンカーファイバセグメントは前記近位端と前記アンカー点との間に延在し、前記アクティブファイバセグメントは前記アンカー点と前記遠位端との間に延在し、
前記光ファイバの低空間時間形状サンプリングにおいて、前記光ファイバの前記アンカーファイバセグメントの形状及び前記アクティブファイバセグメントの形状を順次に再構成し、
前記光ファイバの高空間時間形状サンプリングにおいて、前記光ファイバの前記アクティブファイバセグメントの形状を排他的に再構成する、
ことを有する、方法。
前記アンカー点の前記固定サンプリング位置は、前記光ファイバの複数の空間時間形状サンプリングにおいて前記規定領域内で恒久的に固定されるものとして指定される、請求項１７に記載の方法。
前記アンカー点の前記固定サンプリング位置は、前記光ファイバの複数の空間時間形状サンプリングにおいて前記規定領域内で一時的に固定されるものとして指定される、請求項１７に記載の方法。
前記光ファイバの空間時間形状サンプリング同士の間のアンカー点更新サンプリングにおいて、前記光ファイバの前記アンカーファイバセグメントの形状を排他的に再構成し、且つ前記規定領域内の前記アンカー点の前記固定サンプリング位置を更新する、
ことを更に有する請求項１９に記載の方法。