形状感测启用设备与成像系统的形状配准的制作方法

本发明总体上涉及使用光纤传感器的光学形状感测(oss)领域，也被称为fors(光纤整形)。特别地，本发明涉及一种将光学形状感测系统的部分配准到成像系统(例如，x射线或mr(磁共振)成像系统)的方法。更具体地，本发明涉及一种将光学形状感测系统的部分配准到成像系统的方法，其中，所述部分包括通过具有后部加载能力的光学连接器光学连接到近侧多芯光纤的远侧多芯光纤。本发明还涉及一种相应的系统和计算机程序。

背景技术：

1、尽管本说明书涉及在医疗或手术领域中使用fors，但是应当理解，本发明不限于此。

2、在医疗领域中，存在明显且持续的趋势将常规外科手术替换为微创介入。在这些微创介入中，诸如导丝和导管的医疗器械通过小切口被插入体内。存在几种可视化技术来将医疗器械导航到体内所需的位置。

3、fors是跟踪患者体内的设备(例如，配备有光纤的导丝)的技术。可以根据对所述设备所包括的光纤的光学询问来重建设备的整个三维形状。在适当坐标系中实时确定设备的确切取向和位置。在fors中，设备的几何变化被编码到光场中，所述光场通过集成在设备中的光纤进行传播。对该光纤的光学询问给出了原则上实时重建整个光纤的三维形状(以及因此重建设备的三维形状)所需的信息。光纤的重建形状(因此，光纤被集成到其中的医学设备的重建形状)通常显示在相关坐标系中，例如与使用fors的手术室匹配的坐标系，例如与成像系统(例如x射线成像系统或mr成像系统)关联的坐标系。然后，fors启用设备的形状和取向可以与对象的图像(例如，患者的血管结构，其由成像系统预先提供或在设备的导航期间提供)共同对准地被可视化。为此，例如在使用例如一个或多个x射线或mr图像设置期间，fors启用设备通常被配准到相关坐标系。

4、用于确定设备(fors传感器)的形状的光纤通常包括多个光学芯，例如中心芯和多个外芯，所多个述外芯可以沿着光纤的长度围绕中心芯螺旋。例如，光纤可以包括四个芯，一个中心芯和三个外芯，所述三个外芯可以被定位在距中心芯的固定距离处彼此标称地120°处。

5、为了在远侧光纤(例如被集成到诸如导丝的医学设备中的光纤)与近侧光纤(例如，被集成到连接到光学询问器的接插线中的光纤)之间进行功能性连接，重要的是将远侧光纤的光纤芯与近侧光纤的芯对准。实现这种对准的常见方式是：将两个光纤组装到光学连接器中，并且将它们配合在配合套筒中。连接器中的低公差元件(例如陶瓷套管)确保两个光纤在配合套管内居中。连接器键限定两个光纤之间的角度对准。

6、对于医学设备的某些设计，例如导丝，尤其是后部可加载导丝，其中外径通常不能大于零点几毫米，难以制造稳固的连接器钥匙。在一些外科手术中，光学导丝周围的导管需要由另一个更换，以实施患者的医学处置。在那些手术中，光学导丝保持在患者体内，而围绕导丝的导管由另一个替换。需要后部可加载光学连接器，其可以将(例如，导丝的)远侧光纤与(例如，接插线的)近侧光纤断开连接，以互换导管。在互换导管之后，远侧光纤和近侧光纤重新连接在光学连接器中。

7、在某些预见的fors系统设置中，尤其是支撑后部可加载导丝的设置中，重建询问器与导丝之间的后部可加载导丝的形状和接插线的部分的形状二者。这两种形状在光学连接的点处组合。由于连接器中的制造公差和未对准，两个形状之间的精确相对取向可能不是完全已知的，从而对患者内部的医学设备(例如，导丝)的部件的预测位置和取向的准确性具有不利影响。

8、因此，对于光学后部可加载连接器的适当功能，重要的是，仍部分位于患者内部的光纤部分中的中心芯和外芯与连接到询问器的光纤部分中的中心芯和外芯适当地对准。这保持两个光纤的初始连接以及在断开连接之后两个光纤的重新连接。必须找到并实施一种方法以补偿连接器中的远侧光纤和近侧光纤的两部分的可能不正确对准。由于在包括光纤的导丝的制造过程中以及在光学连接器的制造过程中的非零公差，很可能存在远侧光纤与近侧光纤之间的未对准。这些非零公差以及因此未对准对患者内部的医学设备(例如，导丝)的部件(尤其是在其远侧端部附近)的预测位置和取向的准确性具有不利影响。准确知道医学设备的远侧端部的位置对于患者的适当处置是必要的。

9、因此，仍然需要一种方法和系统，其允许在成像系统的相关坐标系中高精度地确定(例如由光学引导线构成的)远侧光纤的位置和取向，尽管在光纤和光学连接器的制造过程中存在非零公差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种将光学形状感测系统配准到成像系统的方法，所述光学形状感测系统包括远侧多芯光纤、近侧多芯光纤和其间的光学连接器，所述方法补偿所述远侧光纤和所述近侧光纤在所述连接器中的可能不正确对准。

2、本发明的另一个目的是提供一种将光学形状感测系统配准到成像系统的方法，所述方法允许在在近侧光纤与远侧光纤之间的断开连接和重新连接之后进行精确的重新配准。

3、本发明的另一个目的是提供一种利用根据本发明的方法的光学形状感测系统。

4、本发明的又一目的是提供一种执行根据本发明的方法的计算机程序。

5、根据本发明的第一方面，提供了一种将光学形状感测系统的部件配准到成像系统的方法，所述部分包括：远侧多芯光纤和近侧多芯光纤；光学连接器，其将所述远侧光纤和所述近侧光纤彼此光学地连接；发射基座，其相对于所述成像系统固定并且被布置为固定所述近侧光纤，所述方法包括：

6、i)从成像系统的图像提供所述远侧光纤的至少部分的数据；

7、ii)根据光学连接器在第一位置和/或第一取向的定位，并且在所述光学连接器的第一位置或第一取向中：

8、-光学地测量所述远侧光纤的形状和取向，

9、-光学地测量所述近侧光纤的从所述光学连接器延伸到所述发射基座的区段的形状和取向，

10、iii)根据所述光学连接器在不同于所述第一位置或第二取向的第二位置和/或第二取向的定位，并且在所述光学连接器的所述第二位置和/或第二取向中：

11、-光学地测量所述远侧光纤的形状和取向，

12、-光学地测量所述近侧光纤的所述区段的形状和取向，

13、iv)基于在所述光学连接器的所述第一位置和/或所述第一取向中的光学形状测量结果以及在所述光学连接器的所述第二位置和/或所述第二取向中的光学形状测量结果中的至少一个光学形状测量结果与所提供的数据之间的形状与形状的基础，将所述远侧光纤的至少所述部分配准到所述成像系统，

14、v)基于在所述光学连接器的所述第一位置和/或第一取向中的光学测量结果以及在所述光学连接器的第二位置和/或第二取向中的光学测量结果，将所述光学形状系统的所述部分作为整体配准到所述成像系统，包括在所述光学连接器处和在所述发射基座处将所述光学形状系统的所述部分作为整体配准到所述成像系统。

15、根据本发明的方法允许准确配准并且因此跟踪光学形状感测启用设备，尽管远侧光纤的近侧部分与近侧光纤的远侧部分可能在光学连接器中未对准。尽管存在配准方法，其允许将fors启用设备配准到成像系统，但如果不存在连接器，或者如果在光学路径中存在“完美”连接器，但这些配准方法不能简单地应用于fors系统，所述fors系统不仅包括固定发射基座，而且还包括光学形状感测路径中的“非完美”连接器。本发明基于以下认识：不仅需要在配准过程中确定从固定发射基座(其是光学形状测量的起始点)到所述设备的端部到成像系统的坐标系(即，到真实世界)的变换(旋转和平移)，以及因此所述设备的三维形状重建到成像系统的坐标系(即，到真实世界)的变换(旋转和平移)，而且需要确定在彼此光学连接的两个光纤部分之间的(不完美)光学连接器中的变换，以在成像系统的坐标系中正确地定位所述设备，例如导丝。需要确定连接器中的变换，以便补偿光学连接器中的未对准。在初始配准(例如，在形状感测系统的设置期间)中，不仅从发射基座到成像系统的坐标系的变换是未知的，而且光学连接器中的变换也是未知的。在现有的常规配准过程中，不能单独确定属于发射基座的变换和属于光学连接器的变换。换句话说，仅可以确定组合的变换，然而这对于在相关坐标系中的远侧设备的准确定位是不足够的。

16、本发明现在通过将光学连接器定位在至少两个不同的位置和/或取向(例如，相对于对象)来克服该缺点，远侧光纤可以至少部分地插入所述光学连接器中，并且在光学连接器的每个位置和/或取向中，光学地测量远侧光纤的形状和取向以及近侧光纤的从光学连接器延伸到发射基座的区段的形状。即，在远侧光纤相对于成像系统的定位/配准过程期间，光学连接器的位置和/或取向(例如相对于对象)至少一次改变，所述远侧光纤可以插入所述对象。对于光学连接器的不同位置和/或取向中的至少一个，基于将光学地测量的形状/取向与由来自成像系统的图像的数据提供的设备的形状/取向匹配，将远侧光纤定位在成像系统的坐标系中或配准到成像系统的坐标系。这产生针对固定发射基站的n≥2个虚拟变换。根据这些n≥2个虚拟变换，则可以确定发射基座和光学连接器中的实际变换。因此，尽管在光学连接器中可能未对准，但是可以高精度地执行系统到成像系统的配准，所述系统从所述设备的远侧端部到发射基座并且包括发射基座，并且由此可以在操纵对象中的设备期间准确地跟踪设备(特别是其远侧端部)的位置和取向。一旦将远侧光纤插入对象，根据本发明的方法可以开始。

17、根据本发明的方法的另一个优点是不需要来自成像系统的附加图像。

18、然后，在使用设备的过程或介入中，通过配准方法获得的配准数据可以用于所述设备的实时重建。还可以使用例如卡尔曼滤波器或类似技术来(例如，连续地)更新配准数据。

19、应当理解，本文描述的方法的步骤可以以与上述不同的顺序执行。

20、本发明的优选实施例在从属权利要求中定义并且在本文中描述。

21、可以在不移动远侧光纤的至少部分的情况下执行步骤ii)和iii)中的至少一个，使得在配准过程中需要更少的图像，例如x射线图像。这可以基于由成像系统提供的图像数据来简化远侧光纤与成像系统的配准以及因此包括远侧光纤的设备与成像系统的配准。

22、此外，可以存储步骤v)中获得的配准的配准数据的至少部分，以获得存储的配准数据，以便在远侧光纤与近侧光纤在光学连接器处断开连接和重新连接之后能够使用所述配准数据。存储的配准数据可以有利地用于在光学连接器处已经执行光纤断开连接和重新连接之后的重新配准过程，从而减少在连接器处重新连接光纤之后所需的计算量。

23、进一步有利的是，如果在远侧光纤与近侧光纤在光学连接器处断开连接和重新连接期间，在将远侧光纤与近侧光纤断开连接期间不移动远侧光纤的至少部分。在该实施例中，在光纤在光学连接器处断开连接之前立即测量的远侧光纤的形状可以被存储为配准数据，并且可以在光纤重新连接之后有利地用于重新配准过程。因此，由于远侧光纤的至少部分在断开连接和重新连接期间具有稳定的位置和取向，因此这种稳定的位置/取向在重新连接之后替换x射线图像。

24、所述方法还可以包括：在将远侧光纤与近侧光纤在光学连接器处重新连接之后，提供所存储的配准数据；光学地测量远侧光纤的形状和取向；光学地测量从光学连接器到发射基座的近侧光纤的形状和取向；以及，基于使远侧光纤的新测量的形状和取向与配准数据相等来将光学形状感测系统配准到成像系统。

25、在先前实施例的上下文中，所存储的配准数据可以包括在将远侧光纤与近侧光纤断开连接之前光学地测量的远侧光纤的形状和取向，或者所存储的配准数据可以包括沿着远侧光纤的一个或多个单个点。一个或多个点可以包括远侧光纤进入对象或沿着远侧光纤或包括远侧光纤的设备的任何其他单个点或多个点的点，例如解剖点(例如，与解剖特定特征相关联)。

26、在另一个实施例中，所述方法可以包括，在重新连接远侧光纤和近侧光纤之后，提供所存储的配准数据，根据光学连接器在第三位置和/或第三取向的定位，在光学连接器处于第三位置和/或第三取向中时，光学地测量远侧光纤的形状和取向，并且光学地测量近侧光纤的从光学连接器到发射基座的形状和取向，根据光学连接器在第四位置和/或第四取向的定位，在光学连接器处于第四位置和/或取向中时，光学地测量远侧光纤的形状和取向，并且光学地测量近侧光纤从光学连接器到发射基座的形状和取向，基于在光学连接器的第三位置和/或第三取向和第四位置和/或第四取向中的光学测量结果以及所提供的配准数据来将所述光学形状感测系统配准到所述成像系统。在该实施例中，配准数据优选地是在将远侧光纤与近侧光纤断开连接之前将发射基座与成像系统的配准。将光学形状感测系统配准到成像系统可以包括配准远侧光纤的可以插入到对象中的部分(包括远侧光纤的远侧端部)。

27、根据本发明的第二方面，提供了一种在执行第一配准之后将光学形状感测系统的部分配准到成像系统的方法，所述光学形状感测系统的所述部分包括远侧多芯光纤和近侧多芯光纤；光学连接器，所述光学连接器将所述远侧光纤和所述近侧光纤彼此光学地连接；发射基座，所述发射基座相对于所述成像系统固定并且被布置为固定所述近侧光纤，其中在所述第一配准之后，所述近侧光纤和所述远侧光纤已经彼此断开，所述方法包括在重新连接所述近侧光纤和所述远侧光纤之后：

28、i)提供存储的第一配准的配准数据；

29、ii)将光学连接器定位在第一位置；

30、光学地测量远侧光纤的形状和取向，

31、光学地测量近侧光纤的从光学连接器延伸到发射基座的区段的形状和取向，

32、iii)将光学形状感测系统的所述部分作为整体配准到成像系统：

33、a)基于将远侧光纤的新光学测量的形状和取向与所存储的配准数据相等，其中，所存储的配准数据是在将近侧光纤与远侧光纤断开连接之前的远侧光纤的形状相关或位置相关数据；

34、或

35、b)通过进一步包括将光学连接器定位在第二位置和/或第二取向，并且在第二位置和/或第二取向中，基于在光学连接器的第一位置和/或第一取向和第二位置和/或第二取向中的光学测量结果以及所存储的配准数据，光学地测量远侧光纤的形状和取向，并且光学地测量近侧光纤的从光学连接器延伸到发射基座的区段的形状和取向，其中，所存储的配准数据是发射基座的第一配准的数据。

36、根据(重新)将光学形状感测系统配准到成像系统的第二方面的方法可以基于已经在不同于根据第一方面的配准过程中获得的所存储的配准数据。根据第二方面的方法可以在已经进行光学形状感测系统到成像系统的第一配准之后执行，其中，第一配准继而可以经由存储在光学形状感测系统中的所存储的配准数据来完成。根据第二方面的方法，包括替代方案a)或b)，是或被认为是本发明自身，即独立于根据第一方面的方法。应当理解，第二方面可以具有与根据第一方面的方法相同或相似的实施例和/或优点。

37、在本发明的第三方面，提供了一种系统，所述系统包括：远侧多芯光纤和近侧多芯光纤；光学连接器，其将所述远侧光纤和所述近侧光纤彼此光学连接；发射基座，其相对于所述成像系统固定并且被布置为固定所述近侧光纤；以及，电路，其被配置为：

38、i)从成像系统的图像提供远侧光纤的至少部分的数据；

39、ii)在将光学连接器定位在第一位置和/或第一取向之后：

40、-光学地测量远侧光纤的形状和取向，

41、-光学地测量近侧光纤的从光学连接器延伸到发射基座的区段的形状和取向，

42、iii)在将光学连接器定位在不同于所述第一位置和/或第一取向的第二位置和/或第二取向之后：

43、-光学地测量远侧光纤的形状和取向，

44、-光学地测量所述近侧光纤的所述区段的形状和取向，

45、iv)基于在所述光学连接器的所述第一位置和/或所述第一取向中的光学测量结果以及在所述光学连接器的所述第二位置和/或所述第二取向中的光学测量结果中的至少一个光学测量结果与所提供的数据之间的形状与形状的基础，将远侧光纤的至少所述部分配准到成像系统，

46、v)基于在所述光学连接器的所述第一位置和/或所述第一取向和所述第二位置和/或所述第二取向中的光学测量结果，将所述系统作为整体配准到所述成像系统，包括在所述光学连接器处和在所述发射基座处将所述系统作为整体配准到所述成像系统。

47、在第四方面，提供了一种计算机程序，其包括程序代码单元，其用于当所述计算机程序在计算机上执行时，使计算机执行本文公开的方法的步骤，并且提供一种非暂时性计算机可读记录介质，其中存储有计算机程序产品，所述计算机程序产品在由处理器执行时使本文公开的方法被执行。

48、应当理解，所要求保护的方法、系统和计算机程序具有类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的并且如本文所公开的。