專利名稱：用于具有實(shí)時(shí)位置跟蹤的觀測(cè)儀器的柔性儀器通道插件的制作方法
用于具有實(shí)時(shí)位置跟蹤的觀測(cè)儀器的柔性儀器通道插件本公開(kāi)涉及醫(yī)學(xué)設(shè)備，具體而言涉及采用光纖技術(shù)在程序中進(jìn)行位置跟蹤的醫(yī)學(xué)設(shè)備。將支氣管鏡導(dǎo)航至肺部支氣管樹(shù)中的目標(biāo)即使對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師來(lái)說(shuō)也是非常用有挑戰(zhàn)性的。對(duì)于疑似惡性或其它增生的情況，通常通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)來(lái)識(shí)別目標(biāo)，并且作為后續(xù)，經(jīng)由支氣管鏡的儀器通道進(jìn)行活檢。然而，在使用支氣管鏡時(shí)，通常缺乏用于確定在分支點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航的方向的視覺(jué)信息并因而使得醫(yī)生失去方向感。到達(dá)目標(biāo)的過(guò)程可能非常低效，其可以導(dǎo)致增加的程序時(shí)間或錯(cuò)誤位置的組織活檢。對(duì)肺臟學(xué)家來(lái)說(shuō)，一種使支氣管鏡頂端的位置與CT圖像體積(volume)相關(guān)的具有魯棒性的方法將會(huì)是明顯的進(jìn)步。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提出過(guò)不同的方法，并且每種都有其不足。一種方法包括電磁(EM)導(dǎo)航。在好的情形下，精度會(huì)在1-2_的范圍內(nèi)，這是足夠 的。該方法包含冗長(zhǎng)而復(fù)雜的設(shè)置過(guò)程，其中要環(huán)繞患者定位EM傳感器。另外，該方法對(duì)外場(chǎng)的存在敏感，外場(chǎng)可明顯降低精度。另一方法包括將由支氣管鏡觀察到的視覺(jué)特征與從程序前采集的3D數(shù)據(jù)組獲得的3D飛掠重建(fly-through reconstruction)配準(zhǔn)。該方法的不足是經(jīng)常沒(méi)有足夠的用于提供魯棒性配準(zhǔn)的視覺(jué)提示。提供一種可靠地執(zhí)行醫(yī)學(xué)設(shè)備的定位和放置的系統(tǒng)和方法將會(huì)是有利的。根據(jù)本發(fā)明的原理，提供了一種用于確定儀器的位置的裝置、系統(tǒng)和方法。護(hù)套被配置為適配到醫(yī)學(xué)觀測(cè)儀器的儀器通道內(nèi)。在所述護(hù)套內(nèi)設(shè)置一條或多條光纖并且在(一條或多條)光纖中集成多個(gè)傳感器。所述傳感器被配置為測(cè)量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲。固定機(jī)構(gòu)的尺寸適于在第一狀態(tài)適配到儀器通道內(nèi)，并在第二狀態(tài)固定護(hù)套在儀器通道內(nèi)從而所述固定機(jī)構(gòu)錨定護(hù)套和光纖以便采用光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來(lái)確定儀器的位置。一種用于跟蹤醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分的系統(tǒng)，包括集成在光纖上并設(shè)置在柔性插件內(nèi)的分布式光纖光柵(FBG)，所述柔性插件能夠被定位到醫(yī)學(xué)設(shè)備的儀器通道內(nèi)。一種光學(xué)系統(tǒng)被配置為向所述FBG傳送光并從所述FBG接收光從而測(cè)量所述光纖的偏轉(zhuǎn)。一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括形狀確定程序，其被配置為計(jì)算與光纖的偏轉(zhuǎn)相關(guān)的參數(shù)并確定柔性插件的構(gòu)型；以及圖體積，其從程序前掃描采集，從而基于所述柔性插件的構(gòu)型和圖體積之間的比較，確定所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的位置。—種用于跟蹤醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分的方法包括將護(hù)套插入到儀器通道中，所述護(hù)套包括光纖和集成到光纖的多個(gè)分布式傳感器；將護(hù)套錨定到儀器通道內(nèi)；使用患者的程序前體積確定患者體內(nèi)的參考位置，并且使用傳感器確定光纖的形狀；以及將形狀與所述程序前體積相關(guān)以提供醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分的位置。通過(guò)結(jié)合附圖理解以下圖示性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本公開(kāi)的這些和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)顯而易見(jiàn)。本公開(kāi)將參照如下附圖詳細(xì)介紹如下優(yōu)選實(shí)施例的描述，其中圖I示出了包括光纖光柵(FBG)的光纖、折射率與距離的圖和因FBG導(dǎo)致的光譜響應(yīng)；圖2示出了在三維空間中偏轉(zhuǎn)的光纖三聯(lián)體；
圖3是示出了其中具有裝置的觀測(cè)儀器的截面圖的示意圖，其中所述裝置包括具有FBG和用于錨定柔性插件的末端部分的氣球的柔性插件；圖3A是示出了圖3中截面圖的示意圖，其中氣球膨脹用于錨定所述柔性插件的末端部分；圖4是從圖3的剖面線4-4獲取的截面圖；圖5是從圖3中剖面線5-5獲取的截面圖；以及圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于跟蹤體內(nèi)的支氣管鏡的圖示性程序的流程圖。 本公開(kāi)描述了一種用于實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記(無(wú)需患者身上的外部標(biāo)記)跟蹤醫(yī)學(xué)設(shè)備的頂端的裝置和方法，其中所述醫(yī)學(xué)設(shè)備例如是支氣管鏡。傳感器，例如光纖光柵(FBG)被集成到柔性插件內(nèi)，該柔性插件可定位在設(shè)備的儀器通道內(nèi)。一種系統(tǒng)可包括(I)支氣管鏡或其它儀器，其具有至少一個(gè)儀器通道、光源、和用于采集圖像的光學(xué)系統(tǒng)(例如，位于頂端或光纖束上的CCD相機(jī))，(2)至少一條光纖，其包括多個(gè)FBG用于以空間分布的方式監(jiān)測(cè)所述光纖的偏轉(zhuǎn)或彎曲，(3)光學(xué)控制臺(tái)，其傳送光到所述FBG并從所述FBG接收光，所述光學(xué)控制臺(tái)具有相應(yīng)的形狀確定程序，該程序計(jì)算與光纖偏轉(zhuǎn)相關(guān)的參數(shù)，以及(4)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其具有從程序前掃描采集的支氣管樹(shù)的3D體積，優(yōu)選地具有例如支氣管樹(shù)的分割。所述裝置和方法幫助醫(yī)師或技術(shù)人員在導(dǎo)航通過(guò)支氣管樹(shù)或其它結(jié)構(gòu)的分支點(diǎn)時(shí)定向，使得能夠更有效地到達(dá)目標(biāo)，減少程序所需要的時(shí)間并確保更加容易地從正確位置進(jìn)行活檢。在一個(gè)圖解性實(shí)施例中，提供一種用于實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記跟蹤支氣管鏡的頂端的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)優(yōu)選地使用集成到柔性護(hù)套或插件內(nèi)的光纖光柵(FBG)，該柔性護(hù)套或插件可插入到支氣管鏡的儀器通道中。一條、兩條、三條或更多的光纖可包括集成的FBG，其相互聯(lián)合使用從而實(shí)時(shí)地跟蹤光纖的3D形狀。應(yīng)該理解，本發(fā)明將根據(jù)醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)行描述；然而，本發(fā)明的教導(dǎo)更加寬泛并可用于任何在跟蹤或分析復(fù)雜生物或機(jī)械系統(tǒng)時(shí)所采用的儀器。特別地，本原理適用于肺部支氣管鏡檢查程序，以及身體其它區(qū)域的內(nèi)窺鏡檢查程序例如胃腸道、血管，等等。附圖中所描繪的元件可以以各種硬件和軟件的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)并且提供可組合在一個(gè)元件或多個(gè)元件中的功能。附圖中所示各種元件的功能可以使用專用硬件以及能夠結(jié)合合適軟件以執(zhí)行軟件的硬件來(lái)提供。在由處理器提供時(shí)，所述功能可由單個(gè)專用處理器、由單個(gè)共用處理器、或由其中一些是共用的多個(gè)獨(dú)立處理器提供。另外，術(shù)語(yǔ)“處理器”或“控制器”的明確表述并不限制于單指能夠執(zhí)行軟件的硬件，也可暗示包括，但不限于，數(shù)字信號(hào)處理器(“DSP”)硬件，用于存儲(chǔ)軟件的只讀存儲(chǔ)器(“R0M”)，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(“RAM”)，和非易失性存儲(chǔ)設(shè)備。此外，本文中記載本發(fā)明的原理、方面、和實(shí)施例、以及它們的特定實(shí)例的所有表述，旨在包括它們的結(jié)構(gòu)或功能等價(jià)物。額外地，這樣的等價(jià)物旨在包括目前己知的等價(jià)物以及將來(lái)發(fā)展出的等價(jià)物(即，發(fā)展出的執(zhí)行相同功能的任何元件，不管結(jié)構(gòu)如何)。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，本文中示出的方框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明原理的圖示性系統(tǒng)部件和/或電路的概念性視圖。類似地，將要理解，任何流程表、流程圖、狀態(tài)變化圖、偽代碼以及類似物表示可在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中實(shí)質(zhì)性表示并因此通過(guò)計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種過(guò)程，不管所述計(jì)算機(jī)或處理器有沒(méi)有明確示出。進(jìn)一步，本發(fā)明的實(shí)施例可以以計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)可用或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)來(lái)訪問(wèn)，提供用于或連接到計(jì)算機(jī)或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)的程序代碼。為了此描述的目的，計(jì)算機(jī)可用或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是任何裝置，其可能包括存儲(chǔ)、通信、傳播、或轉(zhuǎn)移用于或連接到指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置、或設(shè)備的程序。所述介質(zhì)可以是電子的、磁的、光學(xué)的、電磁的、紅外、或半導(dǎo)體系統(tǒng)(或裝置或設(shè)備)或傳播介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的范例包括半導(dǎo)體或固態(tài)存儲(chǔ)器、磁帶、可擦除計(jì)算機(jī)磁盤、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、硬磁盤和光盤。當(dāng)前光盤的范例包括光盤-只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、激光盤-讀/寫存儲(chǔ)器(CD-R/W)和DVD?，F(xiàn)在參考附圖，其中相似的數(shù)字表示相同或相似的元件，并首先參考

圖1，圖示地描繪了光纖光柵(FBG) 10。在特別有用的實(shí)施例中，所述FBG 10包括光纖12的一短段，其反射特定波長(zhǎng)的光并透射所有其它的。這是通過(guò)在纖芯16中加入折射率的周期性變化14 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的介質(zhì)鏡。圖示性示出了纖芯折射率與距離的繪圖20。因此光纖光柵10可被用作用于阻擋特定波長(zhǎng)的隊(duì)列式(inline)光學(xué)濾波器，或用作特定波長(zhǎng)反射器。輸入光譜22和相應(yīng)的輸出光譜24及26圖解地示出了輸入光譜22的透射部分(光譜24)和反射部分(光譜26)。光纖光柵10工作的基本原理是在折射率變化的每一界面的菲涅爾反射。對(duì)于特定的波長(zhǎng)，不同周期的反射光是同相從而反射存在相長(zhǎng)干涉，并且因此透射存在相消干涉。中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)變以及溫度敏感。這意味著光柵可用作光纖傳感器中的感測(cè)元件。在FBG傳感器中，應(yīng)力導(dǎo)致中心波長(zhǎng)的位移，ΛλΒ。由施加應(yīng)力(ε )和溫度變化(AT)引
起的中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移，Λ λ Β/λ Β，可近似地表示為^i=Cse+CTAT。系數(shù)Cs稱為應(yīng)力系數(shù)并且其大小通常在約O. 8xl0_6/μ ε或者絕對(duì)數(shù)量約為lpm/μ ε)。系數(shù)CT描述傳感器的溫度敏感性；其由熱膨脹系數(shù)和熱光效應(yīng)組成。它的值大約在7χ10_6/Κ (或者絕對(duì)數(shù)量為13pm/K)。盡管FBG特別適用于本原理，但是也可采用其它傳感器。參考圖2，光纖三聯(lián)體30包括三條光纖34和三個(gè)FBG 32。采用三聯(lián)體30或多條光纖/FBG元件的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是多個(gè)傳感器元件可以分布在光纖的長(zhǎng)度范圍內(nèi)。例如，沿嵌入到結(jié)構(gòu)中的光纖的長(zhǎng)度并入具有不同傳感器(計(jì)量器)的三個(gè)芯，能夠準(zhǔn)確地確定這種結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。沿光纖34長(zhǎng)度的多個(gè)位置定位FBG傳感器32。通過(guò)每個(gè)FBG 32的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，可以推出結(jié)構(gòu)30在三維空間(x，y，z)中的位置處的曲率。通過(guò)多個(gè)測(cè)量位置，可確定總體三維形態(tài)。光纖34優(yōu)選地裝在柔性材料中，諸如醫(yī)用高分子材料(例如，PEEKTM)。纖芯35在內(nèi)嵌的截面視圖中示出。圍繞光纖的護(hù)套36可由醫(yī)用高分子材料、硅樹(shù)脂、或其它合適材料構(gòu)成。參考圖3，圖解地描繪了用于實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記跟蹤醫(yī)學(xué)儀器的頂端的裝置或設(shè)備100。通過(guò)截面圖描繪裝置100以使得設(shè)備的一部分可見(jiàn)。設(shè)備100可包括支氣管鏡、導(dǎo)管、或類似設(shè)備。設(shè)備100至少包括一個(gè)儀器通道102，其被配置為容納其中具有傳感器106的護(hù)套、插件或管104。光源108可在設(shè)備100的末端提供或位于近端并用于通過(guò)光纖112發(fā)射光。光學(xué)系統(tǒng)114包括用于采集圖像的部件。這些部件110可包括，例如，位于設(shè)備100的頂端的C⑶相機(jī)110，光纖束等。在護(hù)套104中提供包括一個(gè)或多個(gè)傳感器106的至少一條光纖112，所述傳感器優(yōu)選地包括以空間分布的方式監(jiān)視光纖112的偏轉(zhuǎn)或彎曲的光纖光AI(FBG)0光學(xué)系統(tǒng)114包括光學(xué)控制臺(tái)116，其將光傳送到FBG 106并從FBG接收光。控制臺(tái)116可連接至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)130，其包括具有相應(yīng)的形狀確定程序122的存儲(chǔ)器設(shè)備118和操作系統(tǒng)120，該形狀確定程序計(jì)算與光纖112的偏轉(zhuǎn)相關(guān)的參數(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)130 (其可能包括控制臺(tái)116或者作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng))包括從程序前掃描或其它來(lái)源采集的支氣管樹(shù)的3D體積150，優(yōu)選地伴有用于支氣管程序的支氣管樹(shù)的分割(或圖)。盡管所述范例描述支氣管樹(shù)，但是可以理解其它與本申請(qǐng)一致的其他體積、圖、或圖像均可被采用/提供?？刂婆_(tái)116可包括光學(xué)收發(fā)器117以發(fā)射和接收光學(xué)信號(hào)或光和/或從設(shè)備100的遠(yuǎn)端取回實(shí)況圖像。相機(jī)110可用在觀測(cè)儀器的末端以將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送回控制臺(tái)116。來(lái)自相機(jī)110和/或來(lái)自光纖112的視頻數(shù)據(jù)可以與3D體積或圖150相關(guān)，如下文中將描述的。
在所描述的圖解性實(shí)施例中，護(hù)套104將具有FBG 106的光纖112封入支氣管鏡的儀器通道102內(nèi)。包括一種固定機(jī)構(gòu)140并且其能夠以至少兩種狀態(tài)操作。在未膨脹的狀態(tài)，通道102的直徑足夠大以允許醫(yī)師/技術(shù)人員將護(hù)套104插入到觀測(cè)儀器或設(shè)備100的儀器通道102中。在膨脹狀態(tài)，護(hù)套104的至少一部分與儀器通道102的壁接觸，并且因此在護(hù)套104的壁和儀器通道102上會(huì)有壓力。這種膨脹狀態(tài)可抵抗護(hù)套104相對(duì)于壁的滑動(dòng)，優(yōu)選地位于支氣管鏡或設(shè)備100的遠(yuǎn)端。這使得光纖112的彎曲與支氣管鏡100的彎曲非常接近。所述膨脹狀態(tài)可以通過(guò)采用氣球142和使氣球142膨脹的充氣管144來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3示出了未膨脹狀態(tài)的氣球142，而圖3A示出了膨脹狀態(tài)的氣球142。在光學(xué)控制臺(tái)116和包括支氣管樹(shù)的3D體積150的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)130之間可有數(shù)據(jù)連接148，或者控制臺(tái)116可以包括在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)130中。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)130產(chǎn)生顯示138，該顯示示出在由3D體積150識(shí)別的支氣管樹(shù)內(nèi)由形狀確定程序122 (使用由傳感器106 (例如，F(xiàn)BG)測(cè)得的應(yīng)變)確定的支氣管鏡頂端的位置。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)130可包括用戶接口 152，其用于與控制臺(tái)116、設(shè)備100和/或體積/圖150交互。接口 152可包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏系統(tǒng)等。參考圖4，描繪了從圖3中剖面線4-4處獲取的截面。以允許護(hù)套104無(wú)阻力地插入到觀測(cè)儀器或設(shè)備100的儀器通道中的直徑將三個(gè)FBG 106對(duì)稱地布置在柔性護(hù)套104內(nèi)。柔性灌封材料105將包括FBG 106的光纖相對(duì)于彼此以及相對(duì)于護(hù)套104保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。通過(guò)將光纖固定在灌封材料105中，可以獲得可預(yù)測(cè)的應(yīng)變反應(yīng)。參考圖5，描繪了從圖3中剖面線5-5處獲取的截面。在支氣管鏡或設(shè)備100的頂端，圓環(huán)形狀氣球142穩(wěn)固地附接到柔性插件或護(hù)套104。氣球142可以借助于壓力充氣和放氣，所述壓力經(jīng)由朝柔性護(hù)套104外的支氣管鏡100近端延伸的薄柔性管道144傳送。在其放氣狀態(tài)，氣球不會(huì)對(duì)儀器通道102的內(nèi)壁施加顯著的壓力。在其充氣狀態(tài)，氣球142對(duì)儀器通道102的內(nèi)壁施加壓力，以產(chǎn)生防止氣球/護(hù)套組合容易地從儀器通道102中縮回的顯著摩擦。參考圖6，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例圖解地示出了采用設(shè)備(100)的一種方法?？梢匀缦碌夭捎米o(hù)套(104) /氣球(142)的組合。在方框202，針對(duì)將被檢查的解剖區(qū)域(程序的主體)采集程序前掃描(例如，CO。在方框204，針對(duì)支氣管鏡檢查或其它程序?qū)颊哌M(jìn)行準(zhǔn)備。在方框206，護(hù)套(104)連接到光學(xué)控制臺(tái)(116)并被插入到支氣管鏡的儀器通道(140)中，氣球(142)處于放氣狀態(tài)。護(hù)套被插入到儀器通道中。護(hù)套包括光纖和與光纖(或多個(gè)光纖)集成的多個(gè)分布式傳感器。在方框208，護(hù)套被錨定在儀器通道內(nèi)。這可包括采用氣球(142)。為氣球充氣以將護(hù)套(104)固定在支氣管鏡或設(shè)備(100)內(nèi)。氣球在儀器通道的頂端給光纖施加壓力產(chǎn)生光纖上的應(yīng)變以在身體內(nèi)部定位儀器通道的頂端。氣球在光纖上產(chǎn)生的應(yīng)變將提供所述頂端的位置的指示。在方框210，將觀測(cè)儀器/設(shè)備(例如，支氣管鏡)插入到患者體內(nèi)。在方框212，利用患者的程序前體積確定患者體內(nèi)的參考位置。在諸如支氣管樹(shù)的入口的特定位置，醫(yī)生指示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(130)特定位置對(duì)應(yīng)于參考位置并在程序前圖像體積上注釋相應(yīng)的位置。在方框214，使用傳感器確定光纖的形狀，所述形狀與程序前體積相關(guān)以提供醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分的位置。隨著支氣管鏡進(jìn)一步插入到支氣管樹(shù)內(nèi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(130)，將由形狀確 定程序(122)確定的支氣管鏡的形狀與程序前體積相關(guān)，優(yōu)選地具有分割的支氣管樹(shù)。所述形狀確定程序從光纖光柵接收光學(xué)測(cè)量結(jié)果作為輸入并提供其中嵌入了 FBG的柔性結(jié)構(gòu)的三維形狀的估計(jì)作為輸出。所述程序可包括分兩步驟的過(guò)程，其中首先光學(xué)測(cè)量結(jié)果被轉(zhuǎn)化為應(yīng)變測(cè)量結(jié)果；然后組合處理應(yīng)變測(cè)量結(jié)果以產(chǎn)生柔性結(jié)構(gòu)的三維形狀的估計(jì)。這一相關(guān)將反映支氣管鏡的頂端在支氣管樹(shù)中的位置；實(shí)時(shí)顯示所述位置，以引導(dǎo)醫(yī)生到達(dá)目標(biāo)組織。在方框216，可采集視頻數(shù)據(jù)以重建身體的圖像(從內(nèi)部)。在采集支氣管鏡視頻數(shù)據(jù)時(shí)，可使用根據(jù)圖像陰影提示(image shading cue)的3D重建快速算法以獲得支氣管鏡視場(chǎng)內(nèi)的表面圖。在方框217，使用從傳感器導(dǎo)出的形狀信息將圖像映射回實(shí)際空間，從而提供相機(jī)空間中的圖像像素和光學(xué)形狀感測(cè)參考坐標(biāo)系之間的映射。視頻圖像中的每一 3D表面通過(guò)使用從FBG數(shù)據(jù)導(dǎo)出的支氣管鏡相機(jī)位置(例如，在觀測(cè)儀器100的末端)和取向信息結(jié)合校準(zhǔn)矩陣而被映射回實(shí)際3D空間中，所述校準(zhǔn)矩陣將相機(jī)空間中的圖像像素映射回光學(xué)形狀感測(cè)參考坐標(biāo)系中?？梢岳盟阉鞑⒈容^圖像以識(shí)別最佳匹配的程序執(zhí)行視頻處理和圖像比較。以這種方式，提供充足和冗余的線索以在程序期間實(shí)時(shí)地識(shí)別至少測(cè)量?jī)x器的遠(yuǎn)端的位置和取向。在方框218，可以利用程序前體積成像動(dòng)態(tài)地配準(zhǔn)重建圖像以進(jìn)一步改善配準(zhǔn)的質(zhì)量和導(dǎo)航的精度。來(lái)自FBG使能的支氣管鏡系統(tǒng)的3D重建氣道表面可以與來(lái)自CT或磁共振(MR)的程序前體積成像配準(zhǔn)以進(jìn)一步改善配準(zhǔn)和導(dǎo)航精度。例如，可以分割程序前體積圖像以導(dǎo)出支氣管的3D輪廓，然后其可用作在先信息以改善相機(jī)空間中圖像像素和光學(xué)形狀感測(cè)坐標(biāo)系之間的映射精度。例如，可以利用從程序前體積圖像估計(jì)的支氣管3D輪廓來(lái)確定支氣管鏡的空間位置的約束。用于解釋所附權(quán)利要求，應(yīng)當(dāng)理解a)詞語(yǔ)“包括”并不排除在給定權(quán)利要求中所列出之外的其它元件或操作的存在；b)位于元件前的詞語(yǔ)“一”并不排除多個(gè)這樣元件的存在；
c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記并不限制它們的范圍；d)幾種“裝置”可以表示為相同條目或硬件或軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和功能；并且e)所述動(dòng)作并不意在需要特定的順序除非有特殊說(shuō)明。在描述了用于具有實(shí)時(shí)位置跟蹤的觀測(cè)儀器的柔性儀器通道插件的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實(shí)施例(其旨在用作圖示性而非限制性)后，可注意到，通過(guò)以上教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行修改和變形。因此應(yīng)該理解，可以對(duì)如所附權(quán)利要求中描述并在此處所公開(kāi)的 實(shí)施例的范圍內(nèi)公開(kāi)的公開(kāi)物的特定實(shí)施例進(jìn)行變化。通過(guò)描述了專利法所要求的細(xì)節(jié)和特性，在所附權(quán)利要求中闡明了主張和期望被專利許可證保護(hù)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于確定位置的裝置，包括 護(hù)套(104)，其被配置為適配到醫(yī)學(xué)觀測(cè)儀器的儀器通道內(nèi)； 至少一條光纖(112)，其被設(shè)置到所述護(hù)套內(nèi)； 多個(gè)傳感器(106)，其與所述至少一條光纖光學(xué)通信，所述傳感器被配置為測(cè)量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲；以及 固定機(jī)構(gòu)(140)，其尺寸適于在第一狀態(tài)適配到所述儀器通道內(nèi)，并在第二狀態(tài)固定所述護(hù)套到所述儀器通道內(nèi)從而所述固定機(jī)構(gòu)錨定所述護(hù)套和所述至少一條光纖以便采用所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)和彎曲來(lái)確定所述儀器的位置。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述多個(gè)傳感器(106)包括用于測(cè)量應(yīng)變的分布在所述至少一條光纖的長(zhǎng)度上的光纖光柵。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述至少一條光纖(112)包括光纖三聯(lián)體。
4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述固定機(jī)構(gòu)(140)包括氣球(142)和充氣管(144)從而當(dāng)所述氣球膨脹時(shí)所述護(hù)套被錨定到所述儀器通道內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述氣球(142)包括圓環(huán)形狀從而所述護(hù)套適配到所述圓環(huán)形狀內(nèi)并且所述圓環(huán)形狀的外部接觸所述儀器通道的內(nèi)部。
6.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述固定機(jī)構(gòu)(140)被定位在所述儀器通道的頂端并且產(chǎn)生所述至少一條光纖的應(yīng)變以在身體內(nèi)部定位所述儀器通道的所述頂端。
7.一種用于跟蹤醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分的系統(tǒng)，包括 空間分布的光纖光柵(FBG) (106)，其集成到光纖(112)上并且被設(shè)置在柔性插件(104)內(nèi)，所述柔性插件可被定位在所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的儀器通道內(nèi)； 光學(xué)系統(tǒng)(114)，其被配置為將光傳送到所述FBG，并且從所述FBG接收光，從而測(cè)量所述光纖的偏轉(zhuǎn)； 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(130)，包括 形狀確定程序(122)，其被配置為計(jì)算與所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)相關(guān)的參數(shù)并確定所述柔性插件的構(gòu)型；以及 圖體積(150)，其通過(guò)程序前掃描采集，從而基于所述柔性插件的所述構(gòu)型和所述圖體積之間的比較，確定所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的位置。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中,所述光纖(112)包括光纖三聯(lián)體。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括固定機(jī)構(gòu)(140)，其尺寸適于在第一狀態(tài)適配到所述柔性插件內(nèi)，并在第二狀態(tài)固定所述柔性插件到所述儀器通道內(nèi)從而所述固定機(jī)構(gòu)錨定所述柔性插件和所述光纖。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述固定機(jī)構(gòu)(140)包括氣球(142)和充氣管(144)，從而當(dāng)所述氣球膨脹時(shí)所述柔性插件被錨定到所述儀器通道內(nèi)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述氣球(142)包括圓環(huán)形狀從而所述柔性插件適配到所述圓環(huán)形狀內(nèi)并且所述圓環(huán)形狀的外部接觸所述儀器通道的內(nèi)部。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述固定機(jī)構(gòu)(140)被定位在所述儀器通道的頂端并產(chǎn)生所述光纖的應(yīng)變以在身體內(nèi)部定位所述儀器通道的所述頂端。
13.一種用于跟蹤醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分的方法，包括 將護(hù)套插入(206)到儀器通道中，所述護(hù)套包括光纖和集成到所述光纖的多個(gè)分布式傳感器； 將所述護(hù)套錨定(208)到所述儀器通道內(nèi)； 使用患者的程序前體積確定(212)所述患者體內(nèi)的參考位置； 使用所述傳感器確定(214)所述光纖的形狀并將所述形狀與所述程序前體積相關(guān)以提供所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的所述一部分的位置。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括 采集(216)視頻數(shù)據(jù)用于重建圖像；以及 通過(guò)使用相機(jī)位置、從所述傳感器導(dǎo)出的形狀信息和將相機(jī)空間的圖像像素映射回光學(xué)形狀感測(cè)參考坐標(biāo)系的校準(zhǔn)矩陣，將所述圖像映射(217)回實(shí)際空間。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括 使用程序前體積成像動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)(218)重建圖像以進(jìn)一步改善配準(zhǔn)質(zhì)量和導(dǎo)航精度。
16.如權(quán)利要求13所述的方法,其中，所述傳感器包括分布在所述光纖的長(zhǎng)度上的多個(gè)光纖光柵，并還包括使用所述光纖光柵測(cè)量(214)偏轉(zhuǎn)。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，錨定(208)包括提供氣球和充氣管從而當(dāng)所述氣球膨脹時(shí)所述護(hù)套被錨定到所述儀器通道內(nèi)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述氣球包括圓環(huán)形狀從而所述護(hù)套適配到所述圓環(huán)形狀內(nèi)并且所述圓環(huán)形狀的外部接觸所述儀器通道的內(nèi)部。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其中錨定(208)包括向所述儀器通道的頂端處的所述光纖施加壓力以產(chǎn)生所述光纖的應(yīng)變從而在身體內(nèi)部定位所述儀器通道的所述頂端。
全文摘要
提供一種用于確定儀器(100)位置的裝置、系統(tǒng)和方法。護(hù)套(104)被配置為適配到醫(yī)學(xué)觀測(cè)儀器的儀器通道內(nèi)。在所述護(hù)套內(nèi)設(shè)置光纖(112)，并且在光纖中集成多個(gè)傳感器(106)。所述傳感器被配置為測(cè)量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲。固定機(jī)構(gòu)(140)的尺寸適于在第一狀態(tài)適配到所述儀器通道內(nèi)，并在第二狀態(tài)固定所述護(hù)套到所述儀器通道內(nèi)從而所述固定機(jī)構(gòu)錨定所述護(hù)套和所述光纖以便采用所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來(lái)確定所述儀器的位置。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102711587SQ201080061429
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者A·E·德雅爾丹, G·T·霍夫特, G·謝克特, R·陳 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司