RU2594814C2 - Интеграция оптоволоконного определения формы в интервенционную среду - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицинской технике. Интегрированная оптическая система для определения формы и способ включают в себя структуру устройства, предназначенную для размещения волоконного порта или соединителя. Платформа предназначена для обеспечения дистанционного отношения со структурой устройства таким образом, чтобы положение волоконного порта или соединителя отслеживались для обеспечения опорного положения. Платформа фиксирует пациента вблизи от структуры устройства. Интервенционный инструмент, снабженный оптическим определением формы, имеет первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к волоконному порту или соединителю. Оптический модуль запросов предназначен для сбора оптической обратной связи от инструмента и имеет второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к волоконному порту или соединителю таким образом, чтобы обеспечивать известное опорное положение для точной реконструкции формы. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Настоящее описание относится к медицинским устройствам и способам, более конкретно к системам и способам интеграции оптических определяющих форму структур в интервенционной среде для надежного и гибкого применения в ходе медицинской процедуры.

Определение формы на основе оптоволоконных технологий приравнивают к измерению распределенного напряжения в оптических волокнах с помощью характерных диаграмм рассеяния Рэлея. Рассеяние Рэлея наблюдается в результате случайных флуктуаций показателя преломления в сердцевине волокна, свойственных процессу производства волокна. Такие случайные флуктуации могут быть также смоделированы в виде решетки Брэгга со случайной вариацией амплитуды и фазы по длине решетки. Если напряжение или изменение температуры приложено к оптическому волокну, характерная диаграмма рассеяния Рэлея изменяется. Оптическое измерение может быть выполнено сначала без применения напряжения/температурного стимула к волокну, с получением опорной диаграммы рассеяния, а затем снова, после индукции напряжения/температуры. Взаимная корреляция рэлеевских спектров рассеяния волокна в напряженном/ненапряженном состояниях определяет спектральный сдвиг, вызванный приложением напряжения. Эта длина волны Δλ или частотный сдвиг Δν диаграммы обратного рассеяния вследствие изменения температуры ΔT или напряжения вдоль оси волокна ε очень похожи на реакцию волоконной решетки Брэгга: $$\frac{\Delta \lambda }{\lambda }=-\frac{\Delta \nu }{\nu }=K_T\Delta T+K_{\epsilon }\epsilon$$

, где температурный коэффициент K_T является суммой теплового расширения и термооптического коэффициента. Коэффициент напряжения K_ε является функцией группового показателя, n, компонентов тензора оптической деформации, p_i,j, и коэффициента Пуассона: $$K_{\epsilon }=1-\frac{n_{eff}^2}{2(p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12}))}$$

. Таким образом, изменение температуры или напряжения является всего лишь пропорциональным изменением сдвига длины волны спектра Δλ.

Оптическая рефлектометрия частотной области (OFDR) по существу выполняет частотное кодирование пространственных локализаций по длине волокна, что позволяет распределенное считывание локальных отраженных рэлеевских волн. В OFDR, длина волны излучения лазера или оптическая частота линейно модулируются по времени. Для когерентного детектирования волну обратного рассеяния смешивают с опорной когерентной волной в детекторе. Детектор принимает модулированный сигнал вследствие изменения конструктивной на деструктивную интерференцию, и наоборот, при сканировании по длине волны. Его частота Ω отмечает положение s на волокне, а его амплитуда пропорциональна локальному фактору обратного рассеяния и фактору полного ослабления амплитуды прямого плюс обратного распространения на расстояние s. При выполнении преобразования Фурье в отношении сигнала детектора с использованием, например, анализатора спектра, данный способ позволяет выполнять одновременное выделение волн обратного рассеяния из всех точек s по длине волокна. Таким образом, напряжение в различных участках волокна может быть определено путем измерения спектральных сдвигов характеристической диаграммы рэлеевского рассеяния с использованием любого количества методов детектирования сдвига или сравнения спектров (например, сравнения блоков со взаимной корреляцией или другим показателем подобия, вычисления изменения сигнальной фазы и т.д.) в комбинации с OFDR.

Устройство для определения формы можно сконструировать с применением вышеуказанной методики измерения распределенного напряжения, когда два или больше оптических волокон находятся в известном пространственном отношении, как, например, при интеграции в многожильное оптоволокно, определяющее форму. На основе опорной формы или локализации с опорными диаграммами рассеяния Рэлея (или опорными напряжениями), новые формы могут быть реконструированы при использовании относительных напряжений между волокнами в известном/данном/фиксированном пространственном отношении.

Несколько параметров учитывают при проектировании системы измерения распределенных напряжений на основе OFDR и запроса рассеяния Рэлея, что формирует основу многих прототипных систем оптического определения формы. С учетом следующих уравнений можно вычислить размер выборки Δs, максимальную длину волокна L_max и количество выборок, которые требуется получить N_max:

$$\Delta s\cong \frac{{\lambda }_s{\lambda }_f}{2n\Delta \lambda }$$

, $$L_{\max }\cong \frac{R_s{\lambda }_s{\lambda }_f}{4n\frac{\partial \lambda }{\partial t}}$$

, $$N_{\max }\cong \frac{\frac{R_s\Delta \lambda }{\partial \lambda }}{\partial t}$$

, где λ_s,f является начальной/конечной длиной волны, n обозначает групповой показатель, R_s является частотой выборки, и $$\frac{\partial \lambda }{\partial t}$$

представляет собой частоту развертки.

Длина когерентности источника при развертке должна быть больше чем 2*n*L_max. Это дает верхний предел по ширине линии δν=c/(2*n*L_max). У лазеров может быть ширина линии ниже 10 МГц, что соответствует длине когерентности больше 10 м. При рациональных длинах кабелей 1-2 м такая длина когерентности более чем достаточна. Кабель соответствует длине волокна, подсоединенного к медицинскому прибору. Соединительный шнур соединяет прибор с блоком запросов.

На практике L_max делают больше, чем длину кабеля, для соответствия достаточной величине соединительного шнура между блоком запросов и кабелем. Минимальный размер длины волокна устанавливает верхний предел для шага длины волны. Соблюдение такого же значения 10 м для максимальной длины волокна дает максимальный размер шага по длине волны приблизительно 0,040 пм. Нужно отметить, что когда применение требует расстояния больше 10 м, между консолью и кабелем можно всегда увеличить длину опорного плеча в интерферометре. Указанная длина волокна опорного плеча не должна при этом превышать длину соединительного шнура, соединенного с кабелем.

Размер шага определяет точность оптического тактового сигнала, который управляет разверткой длины волны. Область дисперсии такого тактового сигнала не должна превышать в несколько сотен раз, скажем в 300, минимальный размер шага, поскольку сложно гарантировать измерения фазы точнее градуса. В примере выше, это означало бы, что область дисперсии тактового сигнала не должна превышать 12 пм. Это устанавливает ограничение на воспроизводимость длины волны лазера от одной развертки до следующей. Если лазер не выполняет такое требование, то тогда нужно калибровать каждую развертку с известным стандартом (например, линиями поглощения HCN ячейки низкого давления). Это бы отрицательно повлияло на частоту обновления системы формирования запросов.

Чтобы иметь настолько быструю схему обработки данных, насколько это возможно, требуется взять ряд точек данных в степени 2, при этом развертка должна быть не линейной по длине волны, но линейной относительно волнового вектора (инверсия длины волны). Это позволяет выполнить оптимизированные по времени быстрые преобразования Фурье. Отклонение от линейности определяется длиной кабеля. При длине 1 м это означало бы, что отклонение от линейности должно составить менее 100 МГц. Не существует ни одного лазера, который бы выполнял такое требование, и необходимо повторное осуществление выборки данных.

Реконструирование формы может быть выполнено итерационным методом: $${\overrightarrow{r}}_{i+1}={\overrightarrow{r}}_i+\Delta {\overrightarrow{s}}_i$$

, где $${\overrightarrow{r}}_i$$

является вектором положения в i-м пространственном элементе вдоль определяющего форму волокна, а $$\Delta {\overrightarrow{s}}_i$$

является реконструированным вектором приращения, полученным из фактического измерения напряжения многожильного волокна. Для реконструирования формы можно принять $${\overrightarrow{r}}_0$$

, равное (0,0,0)^T, или любую другую точку данных, то есть, опорную точку от зажима с известным отношением к (рентгеновскому) устройству формирования изображений. Любая ошибка, получаемая в $$\Delta {\overrightarrow{s}}_i$$

, например, обусловленная шумами при измерении, передается дальше и влияет на точность реконструирования формы.

Патентная заявка США 2010/0030063, озаглавленная "SYSTEM AND METHOD FOR TRACKING AN INSTRUMENT" (Lee et al.), относится к отслеживанию положения инструмента относительно анатомической структуры. Lee описывает применение устройства для определения формы, к которому подсоединено отслеживающее устройство. Впрочем, Lee не обсуждает конфигурацию соединителя многожильного оптического волокна, определяющего форму, с портами для подключения, находящимися в непосредственной близости к точкам или положениям доступа относительно пациента, при этом положения соединителей или портов конфигурации отслеживаются или известны.

В соответствии с настоящими принципами, интегрированная оптическая система и способ определения формы включают структуру устройства, выполненную с возможностью размещения волоконного порта или соединителя. Платформа служит для обеспечения дистанционного отношения со структурой устройства таким образом, чтобы положение волоконного порта или соединителя являлись отслеживаемыми для обеспечения контроля положения. Платформа фиксирует пациента вблизи структуры устройства. Интервенционный инструмент, снабженный оптическим определением формы, имеет первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к волоконному порту или соединителю. Оптический модуль запросов выполнен с возможностью сбора оптической обратной связи от инструмента и имеет второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к волоконному порту или соединителю таким образом, чтобы известное опорное положение обеспечивалось для точной реконструкции формы.

Интегрированная оптическая система определения формы включает структуру устройства, предназначенную для размещения одного или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы положение одного или более волоконных портов или соединителей отслеживалось для обеспечения контроля положения. Стол служит для размещения структуры устройства. Интервенционный инструмент, снабженный оптическим определением формы, имеет первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконным портам или соединителям. Оптический модуль запросов служит для сбора оптической обратной связи от инструмента и имеет второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконным портам или соединителям таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей обеспечивали известное опорное положение для точной реконструкции формы. Одно или более устройств формирования изображений служат для формирования изображений интервенционного инструмента при использовании контроля положения для регистрации изображения.

Способ включает предоставление интегрированной оптической системы определения формы, имеющей структуру устройства, выполненную с возможностью размещения одного или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы положение одного или более волоконных портов или соединителей отслеживались для обеспечения контроля положения, платформу, предназначенную для обеспечения одного или более дистанционных отношений со структурой устройства, интервенционный инструмент, снабженный оптическим определением формы, имеющий первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконным портам или соединителям, и оптический модуль запросов, служащий для сбора оптической обратной связи от инструмента и имеющий второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконным портам или соединителям таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей обеспечивали известное опорное положение для точной реконструкции формы; подсоединение первого и второго оптических кабелей по меньшей мере к одному из волоконных портов или соединителей; фиксацию, по меньшей мере, части пациента вблизи структуры устройства и определение формы инструмента при использовании положения по меньшей мере одного из волоконных портов или соединителей в качестве ориентира.

Указанные и другие объекты, признаки и преимущества настоящего описания станут очевидными из следующего подробного описания иллюстративных вариантов их конструкции, которое следует рассматривать с обращением к сопровождающим чертежам.

Настоящее описание представит подробно следующее описание предпочтительных вариантов осуществления в отношении следующих чертежей, на которых:

Фиг.1 является блок-схемой, на которой показана система/способ с интегрированным определением формы для интервенционных или клинических условий в соответствии с настоящими принципами.

На фиг.2A и 2B показан вид сверху и сбоку, соответственно, системы с интегрированным определением формы со структурой устройства или конфигурацией для подсоединения волоконной оптики в интервенционных или клинических условиях в соответствии с настоящими принципами.

На фиг.3 показан вид сверху системы, имеющей структуру или конфигурацию устройства с регулируемыми волоконными соединителями в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления.

На фиг.4 показан вид в перспективе регулируемой платформы, имеющей конфигурацию устройства с регулируемыми волоконными соединителями в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления.

На фиг.5 показан вид в перспективе системы, имеющей структуру устройства или конфигурацию с регулируемой стенкой волоконного соединителя или подвесом, установленным в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления.

На фиг.6 показан вид в перспективе системы, имеющей структуру устройства или конфигурацию с регулируемыми волоконными соединителями, установленными на трехмерной структуре в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления.

Фиг.7 является блок-схемой последовательности операций, на которой показан способ интеграции и применения определения формы в интервенционных или клинических условиях в соответствии с одним вариантом осуществления.

В соответствии с настоящими принципами, применение оптического определения формы в интервенционной среде или лаборатории требует специализированных конфигураций соединителей, консолей, а также конфигураций определения формы (например, длины, геометрии подсоединения и т.д.) в клинических условиях, чтобы оптимизировать и функциональность регулировки, и технологический процесс. В интервенционной среде на применимость определения формы влияет множество параметров. В соответствии с настоящими принципами, предложены устройства и структуры для применения оптического определения формы в клинике. Такие конфигурации могут применяться в условиях интервенционной лаборатории; схемах комбинированной терапии; полной интеграции оптических систем определения формы в клинических установках формирования изображений и т.д.

В одном варианте осуществления, для интеграции оптоволоконных систем определения формы (OSS) в рентгеновский интервенционный комплекс необходимо рассмотреть несколько аспектов. Например, свет в волокно требуется вводить из известных опорных положений, чтобы обеспечить точное реконструирование формы. Такие положения должны быть известны в отношении системы формирования изображений, чтобы обеспечить прямую регистрацию. Кроме того, такие параметры, как ширину полосы сканирующего лазера, частоту развертки, длину когерентности, частоту выборки, длину волокна и т.д., требуется подобрать и оптимизировать в зависимости от интеграции с системой формирования изображений.

В наиболее предпочтительных вариантах осуществления предложены способы, которые обеспечивают оптимальное применение системы определения формы в интервенционном комплексе. На основе клинических критериев, предложены конфигурации для волоконного соединения OSS (например, вдоль бока пациента), которые гарантируют правильный контроль введения света в волокно. Такие конфигурации также обеспечивают прямую регистрацию с помощью оборудования для формирования изображений, такого как рентген, ультразвук и т.д.

Также нужно понимать, что настоящее изобретение будет описано в отношении медицинских инструментов; впрочем, принципы настоящего изобретения намного более широки и могут быть применены к любым инструментам, используемым в трактографии или анализе комплексных биологических или механических систем. В частности, настоящие принципы применимы к процедурам внутренней трактографии биологических систем, процедурам во всех областях тела, таких как легкие, желудочно-кишечный тракт, выделительные органы, кровеносные сосуды и т.д. Элементы, представленные на чертежах, могут быть выполнены в различных комбинациях технических средств и программных средств, и обеспечивают функции, которые могут быть объединены в одном элементе или множестве элементов.

Функции различных элементов, показанных на чертежах, могут обеспечиваться с помощью специализированных технических средств, а также технических средств, способных к выполнению программных средств в сочетании с подходящими программами. В случае обеспечения процессором, функции могут обеспечиваться одним специализированным процессором, одним общим процессором или множеством отдельных процессоров, некоторые из которых могут быть общими. Кроме того, конкретное применение термина "процессор" или "контроллер" не должно рассматриваться в отношении исключительно технических средств, способных к выполнению программных средств, и может в неявной форме включать, без ограничения, процессор цифрового сигнала ("DSP"), постоянное запоминающее устройство (ROM) для хранения программного обеспечения, память с произвольной выборкой (RAM), энергонезависимое запоминающее устройство и т.д.

Кроме того, подразумевается, что все положения в настоящем описании, в которых изложены принципы, аспекты и варианты осуществления изобретения, а также их конкретные примеры, охватывают их структурные и функциональные эквиваленты. Дополнительно подразумевается, что такие эквиваленты включают как известные в настоящее время эквиваленты, так и эквиваленты, которые будут разработаны в будущем (то есть, любые разработанные элементы, которые выполняют ту же функцию, независимо от структуры). Таким образом, например, специалистам, квалифицированным в данной области, будет очевидно, что блок-схемы, представленные в настоящей заявке, представляют концептуальные изображения иллюстративных компонентов системы и/или схемы, в которых применены принципы изобретения. Аналогичным образом, следует понимать, что любые блок-схемы, диаграммы последовательности операций и т.п. представляют различные процессы, которые могут быть представлены по существу в машиночитаемых носителях данных и затем выполнены компьютером или процессором, независимо от того, показан ли такой компьютер или процессор в явной форме.

Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут принимать форму компьютерного программного продукта, доступного с машиноиспользуемого или машиночитаемого носителя данных, предоставляющего программный код для использования компьютером или в соединении с компьютером, или любой системой выполнения инструкций. В рамках настоящего описания машиноиспользуемый или машиночитаемый носитель данных может быть любым устройством, которое может содержать, хранить, передавать, распространять или переносить программу для использования или в соединении с системой или устройством выполнения инструкций. Носитель может быть электронной, магнитной, оптической, электромагнитной, инфракрасной или полупроводниковой системой (или устройством) или передающим носителем. Примеры машиночитаемого носителя включают полупроводниковое или твердотельное запоминающее устройство, магнитную ленту, съемную компьютерную дискету, память с произвольной выборкой (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), твердый магнитный диск и оптический диск. Текущие примеры оптических дисков включают компакт-диск только для чтения (CD-ROM), компакт-диск для чтения/записи (CD-R/W) и DVD.

На чертежах одинаковые ссылочные позиции обозначают одни и те же или подобные элементы, при этом на Фиг.1 иллюстративно изображена система 100 для выполнения медицинской процедуры в интервенционных условиях, в которых применяются интегрированные оптические сенсорные структуры. Система 100 может включать в себя автоматизированное рабочее место или консоль 112, с которой контролируется и/или управляется процедура. Автоматизированное рабочее место 112 предпочтительно включает в себя один или более процессоров 114 и запоминающее устройство 116 для хранения программ и приложений. Запоминающее устройство 116 может хранить оптический сенсорный модуль 115, служащий для интерпретации оптических сигналов обратной связи из устройства определения формы 104. Оптический сенсорный модуль 115 выполнен с возможностью использования оптических сигналов обратной связи (и любой другой обратной связь, например, электромагнитной (EM)) для реконструкции деформаций, изгибов и других изменений, связанных с медицинским устройством 102 и/или его окружающей областью. Медицинское устройство 102 может включать в себя катетер, проволочный направитель, зонд, эндоскоп, робота или другой активный элемент и т.д.

Автоматизированное рабочее место 112 может включать в себя дисплей 118 для отображения внутренних изображений субъекта в случае применения системы 110 формирования изображений или трактографии. Система 110 формирования изображений может включать в себя, например, магниторезонансную (MRI) систему формирования изображений, рентгеноскопическую систему (рентген), компьютерную томографическую (КТ) систему, ультразвуковую (УЗ) систему, позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ) и т.д. Трактография может включать в себя электромагнитную трактографию, УЗИ и т.д. Дисплей 118 может также позволять пользователю взаимодействовать с автоматизированным рабочим местом 112 и его узлами и функциями. Этому также способствует интерфейс 120, который может включать в себя клавиатуру, мышь, джойстик или любое другое периферическое или контрольное устройство, позволяющее пользователю взаимодействовать с автоматизированным рабочим местом 112.

Автоматизированное рабочее место 112 включает оптический источник 106 для введения света в оптические волокна. Оптический блок запросов или модуль 108 используются для управления светом во всех волокнах. Это позволяет определять напряжения или другие параметры, которые будут использоваться для интерпретации формы, ориентации и т.д. интервенционного устройства 102. Световые сигналы будут использоваться в качестве обратной связи, чтобы вносить изменения, получать доступ к ошибкам и калибровать устройство 102 или систему 100.

Устройство 104 определения формы включает в себя одно или более волокон, которые позволяют применять их геометрию для обнаружения и исправления/калибровки ошибок отслеживания формы. Оптический модуль 108 запросов работает с оптическим сенсорным модулем 115 (например, программой определения формы), позволяя отслеживать инструмент или устройство 102. Оптические волокна устройства 104 определения формы могут быть подсоединены к инструменту 102 в известной или заданной геометрии, позволяя выполнять запросы ошибок слежения и калибровку.

Система 104 определения формы (OSS) обеспечивает рэлеевское рассеяние для точного определения диаграммы рассеяния и информации геометрии волокна (например, шага спирали) из заданных положений. На основе клинических критериев, связанных с требованиями приложения и легкостью использования, предоставляется одно или более устройств 132 для соединений OSS волокон или волоконных портов. В одном варианте осуществления волоконные порты 132 расположены в положении, соответствующем боковому положению пациента. Положения волоконных портов 132 могут быть расположены сбоку от пациента в пределах стола или платформы 130 или в пределах калибровочных рам или других структур, закрепленных вблизи от пациента. Порты 132 гарантируют режим контроля возбуждения волокна, который либо является фиксированным и поэтому известным, или перестраиваемым, но измеримым и ограниченным для оптимальной оценки формы волокна на основе определенных граничных условий. Такие устройства позволяют выполнять прямую регистрацию с помощью оборудования для формирования изображений, такого как рентген, ультразвук и т.д.

Положения волоконных портов 132 расположены для оптимизации длины волокна между кабелями к OSS устройству 102 и соединительными шнурами между кабелем и оптическим блоком 108 запросов. Кроме того, положения соединителей или портов 132 отслеживаются или известны. Данная особенность позволяет знать точные ориентиры или положения введения света в волокна, обеспечивая регистрацию с помощью системы 110 формирования изображений или слежения. Слежение может быть выполнено с использованием позиционных кодовых датчиков или сенсоров 150, подсоединенных к соединителям или портам 132. Положения волоконных портов 132 могут перемещаться с использованием привода или электродвигателя 152 и контролировать так, чтобы перемещение конфигурации или отдельных портов/соединителей могло быть всегда известно.

Оптический блок 108 запросов включает в себя один или более интерферометров 134, которые включают длину опорного плеча. В одном варианте осуществления длина опорного плеча интерферометра 134 блока 108 запросов включает предварительно установленные длины или включает полуавтоматический или полностью автоматический контроль длины опорного плеча на основе размера пациента, типа процедуры и положений конфигурации системы. На основе этой информации, оптимизация технических/программных средств может быть осуществлена модулем 142 управления, который изменял бы известные параметры влияния, например, частоту развертки, амплитуду длины волны, ширину шага длины волны, длину когерентности, опорное плечо для максимальной длины и разрешения активированного волокна, определяющего форму.

Оптический сенсорный модуль 115 может иметь способность хранить различные длины опорного плеча на основе длины пациента и предварительно установленных положений 132 стола пациента. Каждое положение соединителя оптического волокна (132) может иметь различную длину опорного плеча в зависимости от его положения (около ног пациента, подвижное или подвешенное), что максимизирует контрольные точки по длине волокна. Это также может позволить преодолеть любое ограничение потерянных данных при увеличении значения смещения волокна и потенциально уменьшает требуемую длину волокна, определяющего форму.

Блок 108 запросов может дополнительно включать оптико-электронный мультиплексор 136, который позволяет выполнять запросы нескольких волокон для отслеживания катетеров, устройств, ультразвуковых датчиков, которые находятся физически в различных местоположениях, но связаны с одним блоком 108 запросов.

Блок управления длины оптического волокна 138 может быть помещен в автоматизированном рабочем месте 112 (объединительная плата) или интегрирован в стол пациента 130 для уменьшения длины волокна. Различные длины слоя могут быть выбираемыми для оптимизации конфигурации. В одном варианте осуществления оптический модуль 108 запросов с оптическими компонентами и электроникой обнаружения может быть отдельным блоком и устанавливается в автоматизированном рабочем месте или в более близком положении, например, присоединяется к столу пациента, например, на подставке или на установленной в столе док-станции для блока 108 запросов. Опционально, для повышения удобства и простоты использования конфигурации может быть предусмотрен установленный на столе или прикроватный дисплей 118 и интерфейс пользователя 120.

На фиг.2A показан вид сверху, и на фиг.2B показан вид сбоку интервенционной системы 200, формируемой в соответствии с настоящими принципами. Пациент 202 изображен на платформе или столе 204. Стол 204 включает устройство 206 соединителя многожильного оптического волокна, определяющего форму, с портами 205 для подключения в непосредственной близости к местам доступа или положениям относительно пациента 202. Порты 205 для подключения могут быть расположены, например, на уровне бедренных или плечевых точек доступа, которые являются стандартными положениями доступа, со стороны грудной клетки пациента для применений при онкологии печени и т.д. В данном варианте осуществления, порты 205 для подключения зафиксированы в столе 204 или в установленных на столе подставках 210.

Порты 205 для подключения расположены во множестве положений, чтобы обеспечивать возможность регулировки в зависимости от роста или размера пациента 202. Порты 205 снабжены стандартными или улучшенными оптоволоконными соединителями, чтобы позволять легкое подсоединение/разъединение, учитывая специфические особенности специализированного волокна для определения формы. Соединители могут включать технологию ST соединения или подобное.

На стороне пациента оптоволоконный кабель 212 подсоединяется к интервенционному устройству 214 с возможностью оптического определения формы. Кабель 212 соединяется с портом 205 для подключения. Другой оптоволоконный кабель 216 подсоединяется к противоположной стороне порта 205 для подключения, замыкая соединение с блоком 228 запросов (который может быть частью автоматизированного рабочего места 112).

В данном примере другое интервенционное устройство 221 используется для применения с иллюстративным устройством 224 формирования изображений, которое в данном примере включает в себя ультразвуковую систему (224) формирования изображений. В системе 224 формирования изображений может применяться устройство 221 со способностью оптоволоконного определения формы. Кабель 218 соединяется с устройством 221 и подсоединен к системе 224 формирования изображений, которое также соединено с блоком 228 запросов оптоволоконным кабелем 220. Кабели 218 и 220 связаны в заданной конфигурации с системой 224, но могут также быть направлены через устройство 206, как описано.

Рентгеновский аппарат 222 может использоваться для отслеживания или формирования изображений устройств 221 и 214. Формирование изображений и другая информация может отображаться на мониторах/дисплеях 226. Изображения на дисплее могут регистрироваться в данные по определению формы при использовании положения портов 205 в качестве ориентира.

На Фиг.3 изображена другая конфигурация 305 для портов 306. В данном варианте осуществления, подвижные оптоволоконные соединители 306 с возможностью скольжения закреплены в конфигурации 305, обеспечивая возможность регулировки в различных положениях (например, в направляющей, фиксируемой зажимным винтом или другими механизмами). Подвижные оптоволоконные соединители 306 могут быть расположены по сторонам стола 304, чтобы быть доступными в подходящих положениях относительно пациента 202. Конфигурация 305 может формироваться в столе 304 или в установленных на столе подставках (305).

В одном варианте осуществления соединители 306 скользят в конфигурации 305 и могут запираться или фиксироваться в заданных положениях с помощью фиксирующего механизма 310, обеспечивая известные точки ввода света для реконструирования формы. Фиксирующий механизм 310 может включать в себя винт, рычаг, защелку, обнаружить или другую механическую структуру, фиксирующую положение соединителей 306.

Скользящие соединители 306 могут иметь рентгеноконтрастные маркеры или другие видимые маркеры формирования изображений для одновременного анализа на основе изображений опорной конфигурации волокон. Таким образом, конфигурация и положения соединителей могут быть определены непосредственно системой(ами) формирования изображений.

Соединители 306 могут быть автоматически приведены в действие для самоустанавливания на основе процедурных требований и/или их положение отслеживается для обеспечения обратной связи по опорным конфигурациям волокна. Кроме того, соединители 306 могут быть зафиксированы или приведены в действие с использованием датчика положения (150, фиг.1) для регистрации другой системой, например, регистрации рентгеновской системой, перемещения пациента, перемещения стола и т.д. Движение в заданное положение может использовать полуавтоматическую или полностью автоматическую приводную систему (например, при использовании модуля 142 управления и приводов 152, фиг.1).

Соединители 306 предпочтительно применяются во всех вариантах осуществления для обеспечения плавного изгиба в точках возбуждения в целях обеспечения ограниченных граничных условий для реконструирования формы. Например, оптоволоконные кабели, идущие от соединителей 306, должны иметь ограничители изгиба, чтобы обеспечивать надлежащее сохранение радиуса кривизны.

Согласно фиг.4, площадка возбуждения волокна 402 может быть встроена в поверхность стола или может перестраиваться и перемещаться (вручную или автоматически) в различные положения стола в зависимости от расположения пациента, типа процедуры, целевых органов и необходимого доступа. Площадка 402 может устанавливаться на столе 404 и закрепляться на нем. Площадка 402 включает конфигурацию 205 или 305, позволяющую регулировать волоконные порты 206 или соединители 306. Площадку 402 можно регулировать с использованием приводов или перемещать вручную, в случае необходимости.

Согласно фиг.5, оптоволоконные соединители 506 могут быть размещены на других структурах или конфигурациях 508. В примере, показанном на фиг.5, конфигурация 508 включает подвесные направляющие или подобное крепление 510, подвешиваемое, например, к потолку или стене. Крепление 510 включает предварительно устанавливаемые положения, соответствующие геометрии других систем, например, рентгеновского аппарата и т.д., обеспечивая свободное пространство для другого оборудования. Предварительно устанавливаемые положения определяют местоположение портов или соединителей 506 для соединений волокон.

Согласно фиг.6, опора 608 включает предварительно установленные положения 614 на столе 604 для установки трехмерной структуры 610 над пациентом 602. Структура 610 может обеспечивать рентгеновское формирование изображений рентгеновского аппарата 601 или другой процесс через отверстия 612 свободным путем. Структура 610 предпочтительно служит для обеспечения нескольких известных точек возбуждения 606 вблизи от точки введения в тело пациента. Окна или отверстия 612 могут автоматически или вручную перемещаться в положения, оптимальные для данной процедуры или интересующих органов. Перемещение в заданное положение может использовать полуавтоматическую или полностью автоматическую приводную систему.

На фиг.7 в форме блок-схемы показан способ интеграции и применения инструмента для определения формы в интервенционной среде в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления. В блоке 702 обеспечивается интегрированная оптическая система определения формы. Система включает структуру устройства, предназначенную для размещения одного или более волоконных портов или соединителей, и платформу, предназначенную для обеспечения одного или более дистанционных отношений со структурой устройства. Интервенционный инструмент, оснащенный оптическим определением формы, имеет первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконных портов или соединителей, и оптический модуль запросов служит для сбора оптической обратной связи от инструмента. Оптический модуль запросов имеет второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей обеспечивали известное опорное положение для точной реконструкции формы. Структура устройства может включать конфигурации со скользящими соединителями, пространственные структуры, присоединенные к платформе с возможностью регулировки, для обеспечения возможности размещения одного или более волоконных портов или соединителей над пациентом, устанавливаемые на стену или потолок структуры устройства и т.д.

В блоке 704 один или более волоконных портов или соединителей можно регулировать в конфигурации устройства в соответствии по меньшей мере с одним из размера пациента и типа процедуры. В блоке 706 первый и второй оптические кабели подключают по меньшей мере к одному из волоконных портов или соединителей. В блоке 710, по меньшей мере, часть пациента фиксируют вблизи от структуры устройства. Блоки 706 и 710 являются взаимозаменяемыми, при этом любой блок может быть выполнен перед другим. В блоке 712 определяют форму инструмента, используя положение по меньшей мере одного из волоконных портов или соединителей в качестве ориентира. Данный этап может быть выполнен в любой момент в течение процедуры. В блоке 714 длину опорного плеча интерферометра можно регулировать в соответствии по меньшей мере с одним из размера пациента, типа процедуры и конфигурации системы. В блоке 716 выполняют формирование изображений. Это может быть выполнено в процессе всей процедуры, при этом волоконные порты или соединения могут применяться в качестве опорных положений. В блоке 718 процедура продолжается.

При интерпретации прилагаемой формулы изобретения необходимо понимать, что:

a) слово "включающий" не исключает наличия других элементов или действий помимо перечисленных в данном пункте формулы;

b) единственное число какого-либо элемента в оригинальном тексте заявки не исключают наличие множества таких элементов;

c) любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не ограничивают своего объема;

d) несколько "средств" могут быть представлены одним и тем же элементом или структурой или функцией, выполняемой техническими средствами или программными средствами; и

e) никакую конкретную последовательность действий не следует считать требуемой, если прямо не указано иное.

После описания предпочтительных вариантов осуществления систем и способов интеграции оптоволоконного определения формы в интервенционной среде (которые считаются иллюстративными и не ограничивающими), следует отметить, что с учетом вышеприведенного описания специалистами, квалифицированными в данной области, могут быть сделаны изменения и вариации. Поэтому необходимо понимать, что изменения могут быть внесены в конкретные варианты осуществления, раскрытые в описании, которые включены в объем вариантов осуществления, раскрытых в настоящей заявке, как представлено в прилагаемой формуле изобретения. Описанные, таким образом, детали и особенности, требуемые патентным законодательством, которые заявляются и защищаются патентом на изобретение, изложены в прилагаемой формуле изобретения.

Claims (15)

1. Интегрированная оптическая система для определения формы, содержащая:
структуру (132) устройства, предназначенную для размещения одного или более волоконных портов или соединителей;
платформу (130), предназначенную для обеспечения одного или более пространственных отношений со структурой устройства, для обеспечения фиксации, по меньшей мере, части пациента вблизи от структуры устройства таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей отслеживались для обеспечения опорного положения;
интервенционный инструмент (102), снабженный оптическим определением формы, имеющий первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконных портов или соединителей; и
оптический модуль (108) запросов, предназначенный для сбора оптической обратной связи от инструмента и имеющий второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей обеспечивали предварительно определенное опорное положение для точной реконструкции формы.

2. Система по п. 1, в которой один или более волоконных портов или соединителей (306) являются регулируемыми в конфигурации (305) устройства.

3. Система по п. 1, в которой структура (610) устройства включает в себя трехмерную структуру, соединенную с платформой с возможностью регулировки, для обеспечения возможности размещения одного или более волоконных портов или соединителей на платформе.

4. Система по п. 3, в которой трехмерная структура включает в себя окна (612) для формирования изображений пациента на платформе.

5. Система по п. 1, в которой платформа включает в себя подвижную площадку (402), которая включает в себя структуру устройства.

6. Система по п. 1, дополнительно содержащая модуль (142) управления длиной опорного плеча, предназначенный для регулировки длины опорного плеча интерферометра (134) в соответствии с по меньшей мере одним из размера пациента, типа процедуры и конфигурации системы.

7. Интегрированная оптическая система для определения формы, содержащая:
структуру (132) устройства, предназначенную для размещения одного или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы положение одного или более волоконных портов или соединителей отслеживалось для обеспечения опорного положения;
стол (130), предназначенный для размещения структуры устройства;
интервенционный инструмент (102), снабженный оптическим определением формы, имеющий первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконных портов или соединителей;
оптический модуль (108) запросов, предназначенный для сбора оптической обратной связи от инструмента и имеющий второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей обеспечивали предварительно определенное опорное положение для точной реконструкции формы; и
одно или более устройств (110) формирования изображений, предназначенных для формирования изображений интервенционного инструмента с использованием опорного положения для регистрации изображения.

8. Система по п. 7, в которой один или более волоконных портов или соединителей (306) являются регулируемыми в конфигурации (305) устройства.

9. Система по п. 7, в которой структура устройства включает в себя трехмерную структуру (610), соединенную со столом с возможностью регулировки, для обеспечения возможности расположения одного или более волоконных портов или соединителей по столу.

10. Система по п. 9, в которой трехмерная структура включает в себя окна (612) для формирования изображений пациента на столе.

11. Система по п. 7, дополнительно содержащая модуль (142) управления длиной опорного плеча, предназначенный для регулировки длины опорного плеча интерферометра (134) в соответствии с по меньшей мере одним из размера пациента, типа процедуры и конфигурации системы.

12. Способ для определения формы, содержащий этапы, на которых:
предоставляют (702) интегрированную оптическую систему определения формы, имеющую структуру устройства для размещения одного или более волоконных портов или соединителей таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей отслеживались для обеспечения опорного положения, платформу, предназначенную для обеспечения одного или более пространственных отношений со структурой устройства, интервенционный инструмент, снабженный оптическим определением формы, имеющий первый оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконным портам или соединителям, и оптический модуль запросов, предназначенный для сбора оптической обратной связи от инструмента и имеющий второй оптоволоконный кабель, подсоединяемый к одному или более волоконным портам или соединителям таким образом, чтобы один или более волоконных портов или соединителей обеспечивали предварительно определенное опорное положение для точной реконструкции формы;
подключают (706) первый и второй оптические кабели по меньшей мере к одному из волоконных портов или соединителей;
фиксируют (710), по меньшей мере, часть пациента вблизи от структуры устройства; и
определяют (712) форму инструмента с использованием положения по меньшей мере одного из волоконных портов или соединителей в качестве опорной точки.

13. Способ по п. 12, в котором один или более волоконных портов или соединителей регулируются (704) в конфигурации устройства в соответствии с по меньшей мере одним из размера пациента и типа процедуры.

14. Способ по п. 12, в котором структура устройства включает в себя трехмерную структуру (610), присоединенную к платформе с возможностью регулировки, для обеспечения возможности перемещения одного или более волоконных портов или соединителей по платформе, дополнительно содержащий этап, на котором формируют изображения (716) пациента на столе через окно в трехмерной структуре.

15. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этап, на котором регулируют (714) длину опорного плеча интерферометра в соответствии по меньшей мере с одним из размера пациента, типа процедуры и конфигурации системы.

Images