本發(fā)明總體上涉及使用光纖傳感器的光學形狀感測(oss)領域，也被稱為fors(光纖整形)。特別地，本發(fā)明涉及一種將光學形狀感測系統(tǒng)的部分配準到成像系統(tǒng)(例如，x射線或mr(磁共振)成像系統(tǒng))的方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種將光學形狀感測系統(tǒng)的部分配準到成像系統(tǒng)的方法，其中，所述部分包括通過具有后部加載能力的光學連接器光學連接到近側多芯光纖的遠側多芯光纖。本發(fā)明還涉及一種相應的系統(tǒng)和計算機程序。

背景技術：

1、盡管本說明書涉及在醫(yī)療或手術領域中使用fors，但是應當理解，本發(fā)明不限于此。

2、在醫(yī)療領域中，存在明顯且持續(xù)的趨勢將常規(guī)外科手術替換為微創(chuàng)介入。在這些微創(chuàng)介入中，諸如導絲和導管的醫(yī)療器械通過小切口被插入體內。存在幾種可視化技術來將醫(yī)療器械導航到體內所需的位置。

3、fors是跟蹤患者體內的設備(例如，配備有光纖的導絲)的技術?？梢愿鶕λ鲈O備所包括的光纖的光學詢問來重建設備的整個三維形狀。在適當坐標系中實時確定設備的確切取向和位置。在fors中，設備的幾何變化被編碼到光場中，所述光場通過集成在設備中的光纖進行傳播。對該光纖的光學詢問給出了原則上實時重建整個光纖的三維形狀(以及因此重建設備的三維形狀)所需的信息。光纖的重建形狀(因此，光纖被集成到其中的醫(yī)學設備的重建形狀)通常顯示在相關坐標系中，例如與使用fors的手術室匹配的坐標系，例如與成像系統(tǒng)(例如x射線成像系統(tǒng)或mr成像系統(tǒng))關聯(lián)的坐標系。然后，fors啟用設備的形狀和取向可以與對象的圖像(例如，患者的血管結構，其由成像系統(tǒng)預先提供或在設備的導航期間提供)共同對準地被可視化。為此，例如在使用例如一個或多個x射線或mr圖像設置期間，fors啟用設備通常被配準到相關坐標系。

4、用于確定設備(fors傳感器)的形狀的光纖通常包括多個光學芯，例如中心芯和多個外芯，所多個述外芯可以沿著光纖的長度圍繞中心芯螺旋。例如，光纖可以包括四個芯，一個中心芯和三個外芯，所述三個外芯可以被定位在距中心芯的固定距離處彼此標稱地120°處。

5、為了在遠側光纖(例如被集成到諸如導絲的醫(yī)學設備中的光纖)與近側光纖(例如，被集成到連接到光學詢問器的接插線中的光纖)之間進行功能性連接，重要的是將遠側光纖的光纖芯與近側光纖的芯對準。實現(xiàn)這種對準的常見方式是：將兩個光纖組裝到光學連接器中，并且將它們配合在配合套筒中。連接器中的低公差元件(例如陶瓷套管)確保兩個光纖在配合套管內居中。連接器鍵限定兩個光纖之間的角度對準。

6、對于醫(yī)學設備的某些設計，例如導絲，尤其是后部可加載導絲，其中外徑通常不能大于零點幾毫米，難以制造穩(wěn)固的連接器鑰匙。在一些外科手術中，光學導絲周圍的導管需要由另一個更換，以實施患者的醫(yī)學處置。在那些手術中，光學導絲保持在患者體內，而圍繞導絲的導管由另一個替換。需要后部可加載光學連接器，其可以將(例如，導絲的)遠側光纖與(例如，接插線的)近側光纖斷開連接，以互換導管。在互換導管之后，遠側光纖和近側光纖重新連接在光學連接器中。

7、在某些預見的fors系統(tǒng)設置中，尤其是支撐后部可加載導絲的設置中，重建詢問器與導絲之間的后部可加載導絲的形狀和接插線的部分的形狀二者。這兩種形狀在光學連接的點處組合。由于連接器中的制造公差和未對準，兩個形狀之間的精確相對取向可能不是完全已知的，從而對患者內部的醫(yī)學設備(例如，導絲)的部件的預測位置和取向的準確性具有不利影響。

8、因此，對于光學后部可加載連接器的適當功能，重要的是，仍部分位于患者內部的光纖部分中的中心芯和外芯與連接到詢問器的光纖部分中的中心芯和外芯適當地對準。這保持兩個光纖的初始連接以及在斷開連接之后兩個光纖的重新連接。必須找到并實施一種方法以補償連接器中的遠側光纖和近側光纖的兩部分的可能不正確對準。由于在包括光纖的導絲的制造過程中以及在光學連接器的制造過程中的非零公差，很可能存在遠側光纖與近側光纖之間的未對準。這些非零公差以及因此未對準對患者內部的醫(yī)學設備(例如，導絲)的部件(尤其是在其遠側端部附近)的預測位置和取向的準確性具有不利影響。準確知道醫(yī)學設備的遠側端部的位置對于患者的適當處置是必要的。

9、因此，仍然需要一種方法和系統(tǒng)，其允許在成像系統(tǒng)的相關坐標系中高精度地確定(例如由光學引導線構成的)遠側光纖的位置和取向，盡管在光纖和光學連接器的制造過程中存在非零公差。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種將光學形狀感測系統(tǒng)配準到成像系統(tǒng)的方法，所述光學形狀感測系統(tǒng)包括遠側多芯光纖、近側多芯光纖和其間的光學連接器，所述方法補償所述遠側光纖和所述近側光纖在所述連接器中的可能不正確對準。

2、本發(fā)明的另一個目的是提供一種將光學形狀感測系統(tǒng)配準到成像系統(tǒng)的方法，所述方法允許在在近側光纖與遠側光纖之間的斷開連接和重新連接之后進行精確的重新配準。

3、本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用根據本發(fā)明的方法的光學形狀感測系統(tǒng)。

4、本發(fā)明的又一目的是提供一種執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的計算機程序。

5、根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種將光學形狀感測系統(tǒng)的部件配準到成像系統(tǒng)的方法，所述部分包括：遠側多芯光纖和近側多芯光纖；光學連接器，其將所述遠側光纖和所述近側光纖彼此光學地連接；發(fā)射基座，其相對于所述成像系統(tǒng)固定并且被布置為固定所述近側光纖，所述方法包括：

6、i)從成像系統(tǒng)的圖像提供所述遠側光纖的至少部分的數據；

7、ii)根據光學連接器在第一位置和/或第一取向的定位，并且在所述光學連接器的第一位置或第一取向中：

8、-光學地測量所述遠側光纖的形狀和取向，

9、-光學地測量所述近側光纖的從所述光學連接器延伸到所述發(fā)射基座的區(qū)段的形狀和取向，

10、iii)根據所述光學連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，并且在所述光學連接器的所述第二位置和/或第二取向中：

11、-光學地測量所述遠側光纖的形狀和取向，

12、-光學地測量所述近側光纖的所述區(qū)段的形狀和取向，

13、iv)基于在所述光學連接器的所述第一位置和/或所述第一取向中的光學形狀測量結果以及在所述光學連接器的所述第二位置和/或所述第二取向中的光學形狀測量結果中的至少一個光學形狀測量結果與所提供的數據之間的形狀與形狀的基礎，將所述遠側光纖的至少所述部分配準到所述成像系統(tǒng)，

14、v)基于在所述光學連接器的所述第一位置和/或第一取向中的光學測量結果以及在所述光學連接器的第二位置和/或第二取向中的光學測量結果，將所述光學形狀系統(tǒng)的所述部分作為整體配準到所述成像系統(tǒng)，包括在所述光學連接器處和在所述發(fā)射基座處將所述光學形狀系統(tǒng)的所述部分作為整體配準到所述成像系統(tǒng)。

15、根據本發(fā)明的方法允許準確配準并且因此跟蹤光學形狀感測啟用設備，盡管遠側光纖的近側部分與近側光纖的遠側部分可能在光學連接器中未對準。盡管存在配準方法，其允許將fors啟用設備配準到成像系統(tǒng)，但如果不存在連接器，或者如果在光學路徑中存在“完美”連接器，但這些配準方法不能簡單地應用于fors系統(tǒng)，所述fors系統(tǒng)不僅包括固定發(fā)射基座，而且還包括光學形狀感測路徑中的“非完美”連接器。本發(fā)明基于以下認識：不僅需要在配準過程中確定從固定發(fā)射基座(其是光學形狀測量的起始點)到所述設備的端部到成像系統(tǒng)的坐標系(即，到真實世界)的變換(旋轉和平移)，以及因此所述設備的三維形狀重建到成像系統(tǒng)的坐標系(即，到真實世界)的變換(旋轉和平移)，而且需要確定在彼此光學連接的兩個光纖部分之間的(不完美)光學連接器中的變換，以在成像系統(tǒng)的坐標系中正確地定位所述設備，例如導絲。需要確定連接器中的變換，以便補償光學連接器中的未對準。在初始配準(例如，在形狀感測系統(tǒng)的設置期間)中，不僅從發(fā)射基座到成像系統(tǒng)的坐標系的變換是未知的，而且光學連接器中的變換也是未知的。在現(xiàn)有的常規(guī)配準過程中，不能單獨確定屬于發(fā)射基座的變換和屬于光學連接器的變換。換句話說，僅可以確定組合的變換，然而這對于在相關坐標系中的遠側設備的準確定位是不足夠的。

16、本發(fā)明現(xiàn)在通過將光學連接器定位在至少兩個不同的位置和/或取向(例如，相對于對象)來克服該缺點，遠側光纖可以至少部分地插入所述光學連接器中，并且在光學連接器的每個位置和/或取向中，光學地測量遠側光纖的形狀和取向以及近側光纖的從光學連接器延伸到發(fā)射基座的區(qū)段的形狀。即，在遠側光纖相對于成像系統(tǒng)的定位/配準過程期間，光學連接器的位置和/或取向(例如相對于對象)至少一次改變，所述遠側光纖可以插入所述對象。對于光學連接器的不同位置和/或取向中的至少一個，基于將光學地測量的形狀/取向與由來自成像系統(tǒng)的圖像的數據提供的設備的形狀/取向匹配，將遠側光纖定位在成像系統(tǒng)的坐標系中或配準到成像系統(tǒng)的坐標系。這產生針對固定發(fā)射基站的n≥2個虛擬變換。根據這些n≥2個虛擬變換，則可以確定發(fā)射基座和光學連接器中的實際變換。因此，盡管在光學連接器中可能未對準，但是可以高精度地執(zhí)行系統(tǒng)到成像系統(tǒng)的配準，所述系統(tǒng)從所述設備的遠側端部到發(fā)射基座并且包括發(fā)射基座，并且由此可以在操縱對象中的設備期間準確地跟蹤設備(特別是其遠側端部)的位置和取向。一旦將遠側光纖插入對象，根據本發(fā)明的方法可以開始。

17、根據本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)點是不需要來自成像系統(tǒng)的附加圖像。

18、然后，在使用設備的過程或介入中，通過配準方法獲得的配準數據可以用于所述設備的實時重建。還可以使用例如卡爾曼濾波器或類似技術來(例如，連續(xù)地)更新配準數據。

19、應當理解，本文描述的方法的步驟可以以與上述不同的順序執(zhí)行。

20、本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權利要求中定義并且在本文中描述。

21、可以在不移動遠側光纖的至少部分的情況下執(zhí)行步驟ii)和iii)中的至少一個，使得在配準過程中需要更少的圖像，例如x射線圖像。這可以基于由成像系統(tǒng)提供的圖像數據來簡化遠側光纖與成像系統(tǒng)的配準以及因此包括遠側光纖的設備與成像系統(tǒng)的配準。

22、此外，可以存儲步驟v)中獲得的配準的配準數據的至少部分，以獲得存儲的配準數據，以便在遠側光纖與近側光纖在光學連接器處斷開連接和重新連接之后能夠使用所述配準數據。存儲的配準數據可以有利地用于在光學連接器處已經執(zhí)行光纖斷開連接和重新連接之后的重新配準過程，從而減少在連接器處重新連接光纖之后所需的計算量。

23、進一步有利的是，如果在遠側光纖與近側光纖在光學連接器處斷開連接和重新連接期間，在將遠側光纖與近側光纖斷開連接期間不移動遠側光纖的至少部分。在該實施例中，在光纖在光學連接器處斷開連接之前立即測量的遠側光纖的形狀可以被存儲為配準數據，并且可以在光纖重新連接之后有利地用于重新配準過程。因此，由于遠側光纖的至少部分在斷開連接和重新連接期間具有穩(wěn)定的位置和取向，因此這種穩(wěn)定的位置/取向在重新連接之后替換x射線圖像。

24、所述方法還可以包括：在將遠側光纖與近側光纖在光學連接器處重新連接之后，提供所存儲的配準數據；光學地測量遠側光纖的形狀和取向；光學地測量從光學連接器到發(fā)射基座的近側光纖的形狀和取向；以及，基于使遠側光纖的新測量的形狀和取向與配準數據相等來將光學形狀感測系統(tǒng)配準到成像系統(tǒng)。

25、在先前實施例的上下文中，所存儲的配準數據可以包括在將遠側光纖與近側光纖斷開連接之前光學地測量的遠側光纖的形狀和取向，或者所存儲的配準數據可以包括沿著遠側光纖的一個或多個單個點。一個或多個點可以包括遠側光纖進入對象或沿著遠側光纖或包括遠側光纖的設備的任何其他單個點或多個點的點，例如解剖點(例如，與解剖特定特征相關聯(lián))。

26、在另一個實施例中，所述方法可以包括，在重新連接遠側光纖和近側光纖之后，提供所存儲的配準數據，根據光學連接器在第三位置和/或第三取向的定位，在光學連接器處于第三位置和/或第三取向中時，光學地測量遠側光纖的形狀和取向，并且光學地測量近側光纖的從光學連接器到發(fā)射基座的形狀和取向，根據光學連接器在第四位置和/或第四取向的定位，在光學連接器處于第四位置和/或取向中時，光學地測量遠側光纖的形狀和取向，并且光學地測量近側光纖從光學連接器到發(fā)射基座的形狀和取向，基于在光學連接器的第三位置和/或第三取向和第四位置和/或第四取向中的光學測量結果以及所提供的配準數據來將所述光學形狀感測系統(tǒng)配準到所述成像系統(tǒng)。在該實施例中，配準數據優(yōu)選地是在將遠側光纖與近側光纖斷開連接之前將發(fā)射基座與成像系統(tǒng)的配準。將光學形狀感測系統(tǒng)配準到成像系統(tǒng)可以包括配準遠側光纖的可以插入到對象中的部分(包括遠側光纖的遠側端部)。

27、根據本發(fā)明的第二方面，提供了一種在執(zhí)行第一配準之后將光學形狀感測系統(tǒng)的部分配準到成像系統(tǒng)的方法，所述光學形狀感測系統(tǒng)的所述部分包括遠側多芯光纖和近側多芯光纖；光學連接器，所述光學連接器將所述遠側光纖和所述近側光纖彼此光學地連接；發(fā)射基座，所述發(fā)射基座相對于所述成像系統(tǒng)固定并且被布置為固定所述近側光纖，其中在所述第一配準之后，所述近側光纖和所述遠側光纖已經彼此斷開，所述方法包括在重新連接所述近側光纖和所述遠側光纖之后：

28、i)提供存儲的第一配準的配準數據；

29、ii)將光學連接器定位在第一位置；

30、光學地測量遠側光纖的形狀和取向，

31、光學地測量近側光纖的從光學連接器延伸到發(fā)射基座的區(qū)段的形狀和取向，

32、iii)將光學形狀感測系統(tǒng)的所述部分作為整體配準到成像系統(tǒng)：

33、a)基于將遠側光纖的新光學測量的形狀和取向與所存儲的配準數據相等，其中，所存儲的配準數據是在將近側光纖與遠側光纖斷開連接之前的遠側光纖的形狀相關或位置相關數據；

34、或

35、b)通過進一步包括將光學連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，基于在光學連接器的第一位置和/或第一取向和第二位置和/或第二取向中的光學測量結果以及所存儲的配準數據，光學地測量遠側光纖的形狀和取向，并且光學地測量近側光纖的從光學連接器延伸到發(fā)射基座的區(qū)段的形狀和取向，其中，所存儲的配準數據是發(fā)射基座的第一配準的數據。

36、根據(重新)將光學形狀感測系統(tǒng)配準到成像系統(tǒng)的第二方面的方法可以基于已經在不同于根據第一方面的配準過程中獲得的所存儲的配準數據。根據第二方面的方法可以在已經進行光學形狀感測系統(tǒng)到成像系統(tǒng)的第一配準之后執(zhí)行，其中，第一配準繼而可以經由存儲在光學形狀感測系統(tǒng)中的所存儲的配準數據來完成。根據第二方面的方法，包括替代方案a)或b)，是或被認為是本發(fā)明自身，即獨立于根據第一方面的方法。應當理解，第二方面可以具有與根據第一方面的方法相同或相似的實施例和/或優(yōu)點。

37、在本發(fā)明的第三方面，提供了一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：遠側多芯光纖和近側多芯光纖；光學連接器，其將所述遠側光纖和所述近側光纖彼此光學連接；發(fā)射基座，其相對于所述成像系統(tǒng)固定并且被布置為固定所述近側光纖；以及，電路，其被配置為：

38、i)從成像系統(tǒng)的圖像提供遠側光纖的至少部分的數據；

39、ii)在將光學連接器定位在第一位置和/或第一取向之后：

40、-光學地測量遠側光纖的形狀和取向，

41、-光學地測量近側光纖的從光學連接器延伸到發(fā)射基座的區(qū)段的形狀和取向，

42、iii)在將光學連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、-光學地測量遠側光纖的形狀和取向，

44、-光學地測量所述近側光纖的所述區(qū)段的形狀和取向，

45、iv)基于在所述光學連接器的所述第一位置和/或所述第一取向中的光學測量結果以及在所述光學連接器的所述第二位置和/或所述第二取向中的光學測量結果中的至少一個光學測量結果與所提供的數據之間的形狀與形狀的基礎，將遠側光纖的至少所述部分配準到成像系統(tǒng)，

46、v)基于在所述光學連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學測量結果，將所述系統(tǒng)作為整體配準到所述成像系統(tǒng)，包括在所述光學連接器處和在所述發(fā)射基座處將所述系統(tǒng)作為整體配準到所述成像系統(tǒng)。

47、在第四方面，提供了一種計算機程序，其包括程序代碼單元，其用于當所述計算機程序在計算機上執(zhí)行時，使計算機執(zhí)行本文公開的方法的步驟，并且提供一種非暫時性計算機可讀記錄介質，其中存儲有計算機程序產品，所述計算機程序產品在由處理器執(zhí)行時使本文公開的方法被執(zhí)行。

48、應當理解，所要求保護的方法、系統(tǒng)和計算機程序具有類似和/或相同的優(yōu)選實施例，特別是如從屬權利要求中所限定的并且如本文所公開的。