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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201580065620.6 (22)申请日 2015.12.01 (30)优先权数据 62/086,248 2014.12.02 US (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2017.06.02 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/IB2015/059248 2015.12.01 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2016/088037 EN 2016.06.09 (71)申请人 皇家飞利浦有限公司 地址 荷兰艾恩德霍芬 (72)发明人 G克莱 MP德雷尔 B拉马钱德。
2、兰 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人 王英 刘炳胜 (51)Int.Cl. A61B 8/00(2006.01) A61B 8/12(2006.01) A61B 5/00(2006.01) A61B 5/06(2006.01) (54)发明名称 在末端不固定的情况下使用光学形状感测 对超声探头的自动跟踪和配准 (57)摘要 一种配准设备， 包括附接件(106)， 其被配置 为与成像探头(102)相符合并且附接到所述成像 探头(102)， 成像探头(102)尤其是内部或外部超 声探头， 诸如TEE探头。 在所述附接件中或者在所 述附接件上形成的通路(105)被配。
3、置为接收光学 形状感测设备(OSS光纤)， 使得所述光学形状感 测设备能够自由浮置(不固定末端)， 以允许在所 述通路内的纵向扭转。 所述通路包括用于对所述 OSS设备进行成形的独特的几何结构， 使得所述 独特的几何结构提供在使用所述成像探头所收 集的图像内的模板样式(107)， 以允许在成像坐 标与OSS坐标之间的配准。 配准模块(130)被配置 为将存储的形状模板(121)与包括所述模板样式 的图像(134)进行比较， 以允许所述配准(独有的 变换)。 权利要求书2页 说明书9页 附图7页 CN 106999153 A 2017.08.01 CN 106999153 A 1.一种配准设备，。
4、 包括： 附接件(106)， 其被配置为与成像探头(102)相符合并且耦合到所述成像探头(102)； 以 及 通路(105)， 其被形成在所述附接件中或所述附接件上， 并且被配置为接收光学形状感 测设备， 使得所述光学形状感测设备能够自由浮置以允许在所述通路内的纵向扭转， 所述 通路包括用于对所述光学形状感测设备进行成形的独特的几何结构， 使得所述独特的几何 结构提供在使用所述成像探头收集的图像内的模板样式(107)， 以允许在成像坐标与光学 形状感测坐标之间的配准。 2.根据权利要求1所述的设备， 其中， 所述通路(105)包括管腔， 所述管腔用于在其中接 收所述光学形状感测设备。 3.根据。
5、权利要求1所述的设备， 其中， 所述通路(105)包括裂开的管腔， 所述裂开的管腔 被配置为被打开以用于接收所述光学形状感测设备， 所述光学形状感测设备具有被耦合在 其远端部分上的器械。 4.根据权利要求1所述的设备， 其中， 所述附接件(106)包括轮廓化内部剖面， 所述轮廓 化内部剖面用于在其中接收所述成像探头。 5.根据权利要求1所述的设备， 其中， 所述通路(105)沿着所述探头的线缆纵向地延伸， 所述通路包括被耦合到所述线缆的外部的保护性管腔。 6.根据权利要求1所述的设备， 其中， 所述成像探头(102)包括内部超声探头。 7.根据权利要求1所述的设备， 其中， 所述成像探头(10。
6、2)包括外部超声探头。 8.一种配准系统， 包括： 附接件(106)， 其被配置为与用于成像系统的成像探头(102)相符合并且耦合到所述成 像探头(102)； 通路(105)， 其被形成在所述附接件中或所述附接件上， 并且被配置为接收光学形状感 测设备(104)， 使得所述光学形状感测设备能够自由浮置以允许在所述通路内的纵向扭转， 所述通路包括用于对所述光学形状感测设备进行成形的独特的几何结构， 使得所述独特的 几何结构提供在使用所述成像探头收集的图像内的模板样式(107)； 以及 配准模块(130)， 其被配置为将与所述模板样式相对应的被存储在存储器中的形状模 板(121)与包括所述模板样式。
7、的图像(134)进行比较， 以允许在成像坐标与光学形状感测坐 标之间的配准。 9.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述配准模块(130)计算所述形状模板与所述模 板样式之间的变换(144)。 10.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述通路(105)包括管腔， 所述管腔用于在其中 接收所述光学形状感测设备。 11.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述通路(105)包括裂开的管腔， 所述裂开的管 腔被配置为被打开以用于接收所述光学形状感测设备， 所述光学形状感测设备具有被耦合 在其远端部分上的器械。 12.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述附接件(106)包括轮廓化内部剖面， 所。
8、述轮 廓化内部剖面用于在其中接收所述成像探头。 13.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述通路(105)沿着所述探头的线缆纵向地延 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106999153 A 2 伸， 所述通路包括被耦合到所述线缆的外部的保护性管腔。 14.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述成像探头(102)包括内部超声探头。 15.根据权利要求8所述的系统， 其中， 所述成像探头(102)包括外部超声探头。 16.一种用于配准的方法， 包括： 将附接件连接(1002)到成像探头， 所述附接件被配置为与用于成像系统的所述成像探 头相符合并且耦合到所述成像探头； 将光学形状感测设。
9、备放置(1004)于在所述附接件中或所述附接件上形成的通路中， 所 述通路允许所述光学形状感测设备自由浮置以允许在所述通路内的纵向扭转， 所述通路包 括用于对所述光学形状感测设备进行成形的独特的几何结构， 使得所述独特的几何结构提 供在使用所述成像探头收集的图像内的模板样式； 并且 将与所述模板样式相对应的被存储在存储器中的形状模板与包括所述模板样式的图 像进行配准(1006)， 以在成像坐标与光学形状感测坐标之间进行配准。 17.根据权利要求16所述的方法， 其中， 配准包括计算(1008)所述形状模板与所述模板 样式之间的变换。 18.根据权利要求16所述的方法， 其中， 所述通路(105。
10、)包括管腔， 所述管腔用于在其中 接收所述光学形状感测设备， 并且所述光学形状感测设备被穿过所述管腔。 19.根据权利要求16所述的方法， 其中， 所述通路(105)包括裂开的管腔， 所述裂开的管 腔被配置为被打开以用于接收所述光学形状感测设备， 所述光学形状感测设备具有被耦合 在其远端部分上的器械。 20.根据权利要求16所述的方法， 其中， 所述通路(105)沿着所述探头的线缆纵向地延 伸， 所述通路包括被耦合到所述线缆的外部的保护性管腔。 21.根据权利要求16所述的方法， 其中， 所述成像探头(102)包括以下中的一个： 内部超 声探头， 或外部超声探头。 权 利 要 求 书 2/2 。
11、页 3 CN 106999153 A 3 在末端不固定的情况下使用光学形状感测对超声探头的自动 跟踪和配准 技术领域 0001 本公开涉及医学器械， 并且更具体涉及具有与超声探头集成的无约束形状感测光 纤的系统、 设备和方法。 背景技术 0002 光学形状感测(OSS)使用沿着多芯光纤的光以用于在手术介入期间的设备定位和 导航。 所涉及的一种原理利用使用特征锐利背向散射或受控的光栅样式的光纤中的分布式 应变测量。 沿着光纤的形状在沿着传感器的被称为发起点(或z0)的特定点处开始， 并且 后续的形状位置和取向是相对于该点的。 对于有意义的临床使用而言， 形状感测设备需要 被配准到成像参考系(诸如。
12、术前计算机断层摄影(CT)图像或实况荧光透视图像)。 0003 在多系绳形状感测中， 其中， 利用光学形状感测使能多个设备， 这些设备中的每个 设备需要被配准到成像参考系。 备选地， 如果一个设备被配准到成像参考系， 那么后续设备 能够被简单地配准到该第一设备。 设备之间的配准被称为 “形状到形状” 配准。 0004 在被配准时， 术前CT提供对于介入流程有用的大量信息； 该信息不是实况的并且 不响应于在流程期间的状况而更新。 实况超声成像扩增该术前数据并且在介入流程期间给 出有临床价值的深入观察。 然而， 为了使该实况成像的价值最大化， 所述信息将需要被配准 到患者空间和工具空间。 发明内容。
13、 0005 根据本原理， 一种配准设备， 包括附接件， 所述附接件被配置为与成像探头相符合 并且耦合到所述成像探头。 在所述附接件中或者在所述附接件上形成的通路被配置为接收 光学形状感测设备， 使得所述光学形状感测设备能够自由浮置以允许在所述通路内的纵向 扭转。 所述通路包括用于对所述光学形状感测设备进行成形的独特的几何结构， 使得所述 独特的几何结构提供在使用所述成像探头所收集的图像内的模板样式， 以允许成像坐标与 光学形状感测坐标之间的配准。 0006 另一种配准系统， 包括附接件， 所述附接件被配置为与用于成像系统的成像探头 相符合并且耦合到所述成像探头。 在所述附接件中或者在所述附接件。
14、上形成的通路被配置 为接收光学形状感测设备， 使得所述光学形状感测设备能够自由浮置以允许在所述通路内 的纵向扭转。 所述通路包括用于对所述光学形状感测设备进行成形的独特的几何结构， 使 得所述独特的几何结构提供在使用所述成像探头所收集的图像内的模板样式。 配准模块被 配置为将与所述模板样式相对应的被存储在存储器中的形状模板与包括所述模板样式的 图像进行比较， 以允许成像坐标与光学形状感测坐标之间的配准。 0007 一种用于配准的方法， 包括： 将附接件连接到成像探头， 所述附接件被配置为与用 于成像系统的成像探头相符合并且耦合到所述成像探头； 将光学形状感测设备放置于在所 述附接件中或者在所述。
15、附接件上形成的通路中， 所述通路允许所述光学形状感测设备自由 说 明 书 1/9 页 4 CN 106999153 A 4 浮置以允许在所述通路内的纵向扭转， 所述通路包括用于对所述光学形状感测设备进行成 形的独特的几何结构， 使得所述独特的几何结构提供在使用所述成像探头所收集的图像内 的模板样式； 并且将与所述模板样式相对应的被存储在存储器中的形状模板与包括所述模 板样式的图像相配准， 以在成像坐标与光学形状感测坐标之间进行配准。 0008 本公开的这些和其他目标、 特征和优点将根据要结合附图阅读的其例示性实施例 的以下详细说明而变得显而易见。 附图说明 0009 本公开将参考以下附图详细呈。
16、现优选实施例的以下说明， 在附图中： 0010 图1是根据一个实施例的、 示出被配置为将光学形状感测系统与成像模态相配准 的配准系统的框图/流程图； 0011 图2A是根据一个实施例的示出了用于经食道超声心动图(TEE)探头的裂开的一半 附接件或头帽的透视图； 0012 图2B是根据一个实施例的示出了供TEE探头使用的闭合的图2A的裂开的一半附接 件的透视图； 0013 图2C是根据一个实施例的示出了用于示出OSS管腔的TEE探头的裂开的一半附接 件的图像； 0014 图3示出了根据一个实施例的具有附接件并且示出两个自由度的TEE探头的侧透 视图； 0015 图4示出了根据一个实施例的其中具有。
17、附接件的TEE探头和用于OSS光纤的保护性 外部管腔的侧透视图； 0016 图5示出了根据一个实施例的附接件能够附着到的外部成像探头和相对于所述探 头的例示性光纤路径的透视图； 0017 图6是根据一个实施例的具有附着到其的附接件的外部成像探头与在附接件中所 提供的OSS光纤的透视图； 0018 图7是根据另一实施例的附着到探头并且具有在附接件中所提供的OSS光纤的铰 链附接件的透视图； 0019 图8是根据另一实施例的改造为探头并且具有在附接件中所提供的OSS光纤的附 接件的透视图； 0020 图9是根据本原理的示出了被匹配到模板样式以将OSS坐标系与超声坐标系相配 准的形状模板的图像； 并。
18、且 0021 图10是根据例示性实施例的示出了用于将光学形状感测光纤与成像模态相配准 的方法的流程图。 具体实施方式 0022 根据本原理， 提供了用于跟踪超声空间相对于光学形状感测(OSS)空间的位置的 系统、 设备和方法。 超声成像， 并且特别是经食道超声心动图(TEE)成像， 常常被用于介入式 心脏流程和血管流程； 然而， 将光纤附接到TEE探头以便将OSS空间配准到TEE图像空间提出 了重大的机械方面的挑战。 本实施例提供了克服这些挑战并且适用于各种超声换能器的机 说 明 书 2/9 页 5 CN 106999153 A 5 构。 在一个范例中， 提供特定的样式或模板， 作为夹到矩阵超。
19、声探头上的附接件。 这确保了 OSS不需要是固定的并且光纤的任何部分能够穿过探头。 通过沿着针对匹配样式的OSS重建 的长度进行搜索， 可以计算超声探头相对于OSS的位置以及超声图像/体积相对于OSS的位 置。 当超声换能器被移动时， OSS实时地更新探头的位置以及体积。 0023 为了实现OSS光纤与市售超声探头的集成， 可以采用外部设备类型的集成或者可 以采用内部集成设备。 在任一种情况下， 光纤可以被改造或制造为超声探头。 与超声探头的 内部集成可能伴随有额外的成本和努力以修改市售探头的结构。 提供了具有可逆外部设备 的OSS增强的超声以解决这些挑战中的一些挑战。 0024 应当理解， 。
20、本原理可以被用于任何内部或外部探头。 在特别有用的实施例中， 广泛 用于心脏流程的经食道超声心动图(TEE)探头、 或者常常被用于血管和产科成像的外部矩 阵阵列探头(例如， X6-1探头)可以与OSS一起采用， 并且在本文中被用作范例。 本原理解决 面对OSS与探头集成的(特别是针对可逆外部集成)的挑战。 0025 例如， 将OSS光纤附接到TEE探头以使得探头图像空间能够被配准到OSS空间会面 对许多挑战。 例如， 一些挑战包括： 将光纤固定到探头， 使得能够提供对换能器的可重复的 六个自由度的配准； 以足够小的剖面(profile)创建可逆附接以适合于食管插入； 创建将容 纳TEE探头的头。
21、部和主体的运动的针对光纤的支撑管腔； 准确地并且实时地将光纤空间配 准到超声图像空间； 解决与创建对超声探头硬件的永久改变以固定OSS光纤的末端(tip)等 相关联的高成本。 0026 这些限制能够通过找到对光纤进行固定以及创建可逆低成本改造附接的备选方 案来克服。 由于探头的头部需要在6个DOF中被跟踪， 因而光纤末端需要被刚性地固定到跟 踪辊。 这是对常规系统中的光纤可靠性和性能的严重损害。 通过采用根据本原理的模板， 光 纤能够浮置而不固定末端。 这改善了光纤的可靠性、 性能和寿命。 0027 根据本原理的实施例可以包括硬件集成， 其将OSS光纤附接到超声成像探头并且 提供用于将OSS光。
22、纤配准到物理集成(integration)的方法。 在一个实施例中， 所述物理集 成被配准到探头的头部。 由于一些实施例聚焦于出于跟踪探头的目的用于将OSS光纤与超 声探头集成的外部方法， 因而光纤能够被重复地配准到附接硬件， 其继而被配准到超声空 间。 所述硬件集成包括超声探头与自由浮置的OSS光纤的集成。 0028 超声是这样一种成像模态， 其以基于针和导管的介入的许多形式用于为介入提供 实时的图像引导。 光学形状感测能够通过重建在其中其被集成的管腔的3维(3D)形状来提 供对这些流程的深入观察。 两种技术的组合能够允许实时的无辐射介入(例如， 没有X射 线)。 成像空间和OSS信息需要被。
23、配置到彼此。 根据本原理， OSS光纤能够是自由浮置的(不固 定的)并且利用特定形状的模板。 所述超声探头能够自由地移动， 并且OSS能够使用允许实 时配准的特定形状模板来跟踪所述探头。 0029 不像形状到形状的配准那样， 本原理实时地将形状特征(像曲率)匹配到已知模 板， 其允许对一个或多个超声图像/体积的运动补偿的实时跟踪和配准以及OSS。 在无需对 超声硬件或软件的任何修改(对探头的改变)的情况下， 本原理还允许使用改造方案来使用 具有超声的OSS。 这在提供针对OSS的该技术的容易的发起中是特别有用的(例如， 在心脏或 血管空间中)。 通过跟踪所述设备(即， 导管或针)和超声换能器两。
24、者， 即使在超声图像空间 的原点是不固定的并且在没有次级成像模态或跟踪方法的情况下， 所述介入设备能够被配 说 明 书 3/9 页 6 CN 106999153 A 6 准在超声图像空间中。 这实现了针对OSS使能的导航设备以及针对包括自动图像切片选择 的超声成像的解读的高级功能(例如， 跟踪设备的平面， 诸如虚拟内部心脏超声心动图 (ICE)、 虚拟血管内超声(IVUS)或者其中小的一次性超声探头被放置在导管或其他设备上 的其他方法的图像信息的虚拟表示)； 高级信息(例如， 设备位置、 治疗历史和进度等)的图 像叠加； 超声图像的复合(例如， 将3维超声体积缝合为更大的体积， 对图像进行叠加。
25、以改善 图像的分辨率并降低运动模糊， 执行增强的超声弹性成像等)； 对设备进行配准(例如， 使用 在IXR框架中的TEE探头的现有配准(iXR是用于自动地在X射线空间中配准探头的方法， 这 常常被用在TEE流程中以将超声信息叠加在X射线图像空间中)， 将探头配准到X射线空间以 桥接将X射线到OSS空间的配准等)； 用于将超声配准到患者空间和OSS空间使用的自动智能 超声； 等等。 0030 应当理解， 将在医学器械方面描述本发明； 然而， 本发明的教导宽泛得多并且适于 任何光纤器械。 在一些实施例中， 在跟踪或分析复杂的生物或机械系统中采用本原理。 具体 而言， 本原理适于对生物系统的内部跟踪。
26、流程， 在诸如肺、 胃肠道、 排泄器官、 血管等的身体 中的所有区域中的流程。 附图中所描绘的元件可以以硬件和软件的各种组合来实施并且提 供可以组合在单个元件或多个元件中的功能。 0031 附图中所示的各种元件的功能能够通过专用硬件以及能够运行与适当软件相关 联的软件的硬件的使用来提供。 当由处理器提供时， 所述功能能够通过单个专用处理器、 单 个共享处理器、 或者其中的一些可以共享的多个个体处理器来提供。 此外， 术语 “处理器” 或 “控制器” 的明确使用不应当被解释为排他地指代能够运行软件的硬件， 并且能够隐含地包 括， 而不限于： 数字信号处理器( “DSP” )硬件、 用于存储软件的。
27、只读存储器( “ROM” )、 随机存 取存储器( “RAM” )、 非易失性存储等。 0032 此外， 记载本发明的原理、 各方面和实施例以及特定范例的在本文中的所有陈述 旨在涵盖其结构和功能等同物两者。 另外， 预期这样的等同物包括当前已知的等同物以及 将来发展的等同物两者(即， 不管结构如何， 执行相同功能的所发展的任何元件)。 因此， 例 如， 本领域技术人员将意识到， 在本文中所呈现的框图表示实现本发明的原理的例示性系 统部件和/或电路的概念图。 类似地， 将意识到， 任何流程图、 流向图等表示可以基本上表示 在计算机可读存储媒介中并且因此由计算机或处理器运行的各种过程， 无论这样的。
28、计算机 或处理器是否被明确示出。 0033 此外， 本发明的实施例可以采取由计算机可用或计算机可读存储介质可访问的计 算机程序产品的形式， 所述存储介质提供用于由计算机或任何指令运行系统使用或与其结 合的程序代码。 出于该说明的目的， 计算机可用或计算机可读存储介质可以是可以包括、 存 储、 传递、 传播或传输用于由指令运行系统、 装置或设备或与其结合的任何装置。 所述介质 可以是电子、 磁性、 光学、 电磁、 红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。 计算机可读 介质的范例包括半导体、 固态存储器、 磁带、 可移除计算机软盘、 随机存取存储器(RAM)、 只 读存储器(ROM)、 刚性磁。
29、盘和光盘。 光盘的当前范例包括压缩磁盘-只读存储器(CD-ROM)、 压 缩磁盘-读/写(CD-R/W)、 Blu-RayTM和DVD。 0034 现在参考附图， 在附图中， 相同的数字表示相同或相似的元件， 并且初始地参考图 1， 根据一个实施例， 例示性地示出了用于利用形状感测使能的设备来跟踪并配准图像的系 统100。 系统100可以包括工作站或控制台112， 从工作站或控制台112监督和/或管理流程。 说 明 书 4/9 页 7 CN 106999153 A 7 工作站112优选包括一个或多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。 存储器 116可以存储光学感测模块115， 。
30、光学感测模块115被配置为解读来自形状感测设备或系统 104的光学反馈信号。 光学感测模块115被配置为使用光学信号反馈(以及任何其他反馈， 例 如， 电磁(EM)跟踪)来重建与医学设备或器械102和/或其周围区域相关联的变形、 偏离和其 他改变。 医学设备102可以包括导管、 导丝、 探头、 内窥镜、 机器人、 电极、 光纤设备、 气囊设备 或其他医学部件等。 在一个特别有用的实施例中， 医学设备102包括具有附接件106的超声 探头， 附接件106包括具有独特的几何结构的光纤承载模板或通路105， 其可以适配在探头 102上或探头102之上， 处在通路或模板105中或者通过所述通路或模板1。
31、05。 附接件106可以 包括医学设备102的外壳、 壁或包装特征。 附接件106可以包括可移除件(例如， 裂开的一半、 可脱卸的附接件等)或者包括医学设备102的永久件。 0035 形状感测系统104传递到探头102上或探头102中的附接件106的模板或通路105中 或以其他方式耦合到模板或通路105并且包括被耦合在一个或多个设定样式中的系统104 中的一条或多条光纤126。 光纤126连接到工作站112。 形状感测系统104还可以包括导管、 导 丝或其他医学部件等或被包括在导管、 导丝或其他医学部件中。 0036 具有光纤的形状感测系统104可以基于光纤布拉格光栅传感器。 光纤布拉格光栅 。
32、(FBG)是反射特定波长的光并且透射所有其他波长的光的光纤的短段。 这是通过在光纤纤 芯中添加折射率的周期性变化来实现的， 其生成特定波长的介质镜。 因此， 光纤布拉格光栅 能够被用作阻挡特定波长的内联光学滤波器或波长特异性反射器。 0037 在光纤布拉格光栅的操作的背后的基本原理是在其中折射率改变的界面中的每 个界面处的菲涅耳反射。 对于一些波长而言， 各种时段的反射光是同相的， 使得针对反射存 在相长干涉并且因此针对透射存在相消干涉。 布拉格波长对于应变以及对于温度而言是敏 感的。 这意指布拉格光栅能够被用作光纤传感器中的感测元件。 在FBG传感器中， 应变引起 布拉格波长的偏移。 003。
33、8 本技术的一个优点在于， 各种传感器元件能够被分布在光纤的长度上。 包含具有 沿着嵌入在结构中的光纤的长度的各种传感器(量规)的三个或更多个芯允许精确地确定 这样的结构的三维形式， 通常以比1mm的准确度更好。 沿着光纤的长度， 在各种位置处， 能够 定位大量FBG传感器(例如， 3个或更多个光纤感测芯)。 根据每个FBG的应变测量结果， 能够 在该位置处推断结构的曲率。 根据大量所测量的位置来确定总体三维形式。 0039 作为光纤布拉格光栅的备选方案， 能够利用常规光纤中的固有背向散射。 一种这 样的方法是使用标准单模通信光纤中的瑞利散射。 瑞利散射作为纤芯中的折射率的随机波 动的结果而发。
34、生。 这些随机波动能够被建模为具有沿着光栅长度的幅度和相位的随机变化 的布拉格光栅。 通过使用在多纤芯光纤的单个长度内延伸的三个或更多个纤芯的这种效 应， 能够跟随感兴趣表面的3D形状和动力学。 0040 在一个实施例中， 模板105包括通过其的签名(signature)光纤几何结构或模板样 式107。 模板样式107包括一条或多条曲线， 所述一条或多条曲线在其中接收形状感测系统 104。 模板样式107优选允许(一条或多条)光纤126在通路105内浮置(末端不固定)。 以这种 方式， 纵向或轴向应变不在光纤中积聚。 0041 空间或体积131内的形状感测系统104的图像134能够被显示在显示。
35、设备118上。 可 以使用任何成像模态或系统142(优选使用探头102)来捕获图像134。 在特别有用的实施例 说 明 书 5/9 页 8 CN 106999153 A 8 中， 成像模态或系统142包括超声(US)。 工作站112包括用于查看对象(患者)或体积131的内 部图像的显示器118， 并且可以包括图像134作为利用形状感测系统104配准的叠加或其他 绘制。 显示器118还可以允许用户与工作站112(并且可以包括触摸屏接口)以及其部件和功 能或者系统100内的任何其他元件进行交互。 这还由可以包括键盘、 鼠标、 操纵杆、 触觉设备 或任何其他外设或控件的接口120来促进， 以允许来自。
36、工作站112的用户反馈以及与工作站 112的交互。 0042 为了支持对超声空间相对于OSS空间的位置进行跟踪的一个目标， 存在关于将OSS 光纤126或系统104附接到超声成像探头102的若干考虑。 配准模块130被配置为将OSS光纤 126或系统104配准到物理集成(模板105和/或附接件106)。 配准模块130还将物理集成106 和/或模板105配准到设备102(例如， 探头的头部)。 光纤126或系统104能够被重复地被配准 到附接硬件或模板105， 其继而被配准到超声空间。 对于要被有效地配准到超声空间的OSS 空间而言， 光纤126能够要么被刚性地安装到探头102， 要么在光纤与。
37、探头102之间的关系的 任何改变可以被跟踪并且被更新。 然而， 如果物理附接硬件106、 OSS系统104、 或管腔/通路 105重复地可附接到探头102而不必重新校准在光纤126与成像空间之间的配准(即， 例如， 可以根据需要附接、 移除和重新附接物理附接硬件、 光纤、 管腔或通路)， 则其将是有利的。 对此， 模板105、 管腔等每次以完全相同方式(例如， 键控的或适配的连接)附接到探头102。 另外， 模板105需要是足够刚性的， 使得在常规使用的情况下， 配准到模板105的OSS光纤空 间将不相对于超声图像空间移动。 0043 对于OSS光纤126或系统104与物理附接硬件106/模板。
38、105的最佳配准而言， 光纤 126需要以在OSS空间与超声空间之间仅能够使用单个变换的方式相对于探头102被跟踪。 这能够通过确保包含取向和位置信息的光纤126的一些可识别的部分保持相对于超声探头 一致而要么静态地要么动态地实现。 换言之， 附接硬件或模板105提供设定形状的光纤通 路， 使得能够容易地识别驻留在通路内的光纤的部分。 此外， 该通路的形状特性应当使得驻 留在通路内的光纤的所述部分的形状信息能够被用于识别通路的位置和取向， 其继而刚性 地可配准到超声成像空间。 0044 为了使用沿着光纤126的单个点以用于将光纤点位置配准到超声空间， 该点需要 被刚性地固定到探头102或物理附。
39、接硬件106或模板105。 所述点包括相对于OSS系统104的 发起点或位置的位置和滚动取向信息。 对所述点进行固定确保了位置和取向两者能够在一 次手动或自动设置之后被跟踪。 然而， 对光纤的两个点(发起点和配准点)进行固定是不理 想的光纤不能使其轴向扭转松弛， 并且光纤看到的路径长度需要保持一致。 0045 对于形状识别配准而言， 能够采用独特的形状以获得来自光纤126的位置信息和 取向信息两者。 如果光纤126采取探头102周围的预定义和不可变的路径， 则该路径的曲率 和形状信息能够被用于识别对于光纤变换的独有的超声图像。 形状模板121能够被创建并 且被存储在存储器116中， 其匹配光纤。
40、126在探头102周围采取的路径， 并且定义原点位置和 取向的轴能够相对于该形状模板121来定义。 形状模板121能够使用形状到形状的配准被静 态地或动态地配准到光纤126。 来自形状模板121的曲率信息能够被用于找到处于预定义形 状的光纤126的定位。 0046 在一次配准初始化过程中， 在超声图像与由形状模板121定义的轴之间找到变换 144。 这能够使用配准体模来完成， 其中， 在超声图像中清楚地看到经配准的光纤。 然后， 能 说 明 书 6/9 页 9 CN 106999153 A 9 够要么手动地要么自动地将超声图像与经配准的光纤的可视化相匹配。 备选地， 如果超声 图像原点的定位和。
41、取向相对于探头102上的点是已知的， 则能够计算配准初始化变换。 与形 状模板121对光纤126的实况配准相组合的超声图像对形状模板121的一次配准导致光纤配 准的实况超声图像。 0047 基于形状的配准的益处中的一些益处被描述如下。 因为模板配准独立于轴向扭 转， 在形状重建能力之内， 沿着光纤126的扭转不需要相对于探头102进行约束。 形状自身 (x， y， z位置)将提供任何必要的取向信息。 浮置末端配置在扭转、 应变松弛和光纤寿命方面 对于光纤126是有益的。 0048 对光纤126在探头102周围采取的预定义路径的模板配准独立于沿着光纤126的位 置。 这意味着其设备中的光纤126。
42、能够相对于探头102滑动， 给出针对操作者的添加的灵活 性的可能性。 形状感测设备(系统104， 诸如导管)不需要被定制以供与超声探头102一起使 用， 只要其足够灵活以符合附接件内的形状模板通路。 可以沿着光纤126或系统104采用多 个探头。 使用基于形状的配准的灵活性允许多个探头利用一个设备来容易地跟踪。 0049 参考图2A-2C， 根据一个例示性实施例， 示出了用于TEE探头的TEE集成帽200。 TEE 探头是内部超声探头的范例。 通过其性质， TEE探头的头部被设计为适配在人类食管内部。 为了维持该功能性， 任何附接件需要具有也适合于插入食管中的纤细剖面。 另外， 将光纤附 接到。
43、所述头部需要适合于创建光纤空间与超声空间之间的变换。 对此， 提供了超低剖面头 部帽200。 可以在具有使用成型匹配的内表面214制造的一半210的裂开的一半布置中制造 头部帽200， 以将帽200可重复地定位在TEE探头(未示出)上。 基于轮廓的夹紧机构212实现 了非常低剖面的设计以及单个附接件螺钉204。 在用于路由OSS光纤(未示出)的帽200之内 或之上提供管腔或通道206。 当帽200在使用中时， 换能器窗口216提供针对声能的窗口。 0050 参考图3并且继续参考图2A、 图2B和图2C， TEE探头300包括被定位在长的柔性主体 或护套318的末端处的换能器302， 并且在远侧。
44、末端处， 换能器的头部200具有引起路径长度 改变的弯曲中的两个自由度。 图3示出了TEE远端部分的自由度， 其示出了在每个方向上的 总路径长度改变。 为了跟踪TEE探头头部304的运动并且由此跟踪超声成像空间的运动， 光 纤管腔206需要跟踪TEE探头的头部运动以避免扭结。 由于管腔206将总是与由箭头A和B所 指示的这种弯曲的中心轴偏移， 因而将存在与光纤的路径相关联的路径长度改变。 为了防 止光纤扭结， 该路径长度改变需要被管理。 0051 该问题是通过弹性光纤管腔206、 312(图4)(例如， 镍钛诺)的使用来解决的， 其通 过管腔夹等被附接到探头头部304(并且可以在探头护套318。
45、的内部或外部)。 光纤管腔206、 312(图4)用于若干目的， 包括提供受保护的管腔以将光纤引入到或通过头部帽200， 抵抗光 纤管腔206、 312(图4)的弯曲以确保光纤总是经历可能的最小曲率， 并且提供裂断强度以响 应于在探头300的远端颈部处的路径长度改变而推和拉管腔主体。 0052 参考图4， 例示性实施例示出了被开发用于解决参考图3所描述的目的的管腔和夹 支持系统。 针对原型头部帽400示出了TEE探头300的远端部分的自由度。 示出了支持装甲的 光纤管腔312的管腔引导夹402。 装甲的光纤管腔312接收OSS光纤并且保持受保护并且与探 头404偏移， 同时为探头404提供全范。
46、围的运动。 0053参考图5， 外部探头500， 诸如从可商购的X6-1探头， 被设计为提供人体工 程学形状。 不管该约束， 该类型的探头比TEE探头或其他内部探头提供显著更多空间自由， 说 明 书 7/9 页 10 CN 106999153 A 10 因为这是外部探头并且不需要适配在身体内。 图5示出了在没有处在适当位置的附接件或 帽600的情况下沿着其路径的光纤502。 在图6中示出了附接件或帽600。 0054 参考图6， 描绘了定制设计的探头附接件或帽600， 其提供独有的管腔602以引导由 护套(或其他结构)所保护的光纤502通过相对于探头500被固定的路径。 在光纤自由平移和 旋转。
47、时， 模板形状路径不相对于超声探头或换能器500以及因此相对于超声图像空间而改 变。 管腔602的截面能够被设定大小以允许光纤护套的通用性。 例如， 附接件600能够与导 管、 导丝或达到针的护套等相兼容。 可以对管腔602进行构建， 使得光纤502被推动通过管腔 602、 或者被放置到裂开的管腔中以允许容纳刚性末端件(例如， 针等)。 0055 参考图7， 在一个实施例中， 能够利用裂开的管腔702和闭合的管腔704来构建附接 件700。 覆盖件(未示出)被夹到裂开的管腔702上以创建完全的管腔。 附接件能够被设计为 包括完全裂开或完全闭合的管腔或者其组合。 附接件700包括将件700的各部。
48、分保持在一起 或者将其打开以访问件700的中心部分的铰链706。 0056 参考图8， 另一实施例描绘了外部X6-1探头500上的改造附接件800方案。 件800包 括一个或多个圆周曲线部分802和一个或多个纵向曲线部分804以创建用于设置在其中的 OSS光纤系统806的独特的曲率签名。 所定义的特征允许对探头500的实时跟踪和配准。 尽管 针对X6-1探头例示性地描绘了外部探头附接件， 但是应当理解， 本原理适于任何超声探头。 0057 本原理能够类似地适于其他外部或内部探头。 根据本原理， 探头可以利用管腔来 制造或者外部附接件的设计可以最好地听取临床医师的意见而被更改。 对于根据本原理的。
49、 所有附接件而言， 光纤路径应当是非对称的而非模拟自然引起的曲率样式， 以实现对于超 声体积配准的独特的基于形状的光纤。 0058 参考图9， 示出了描绘具有通过其中的形状感测使能的导管906的超声体模904的 图像900。 导管906利用模板样式902关于附接件缠绕。 模板样式902的已知几何结构出现在 用于从模板样式902上继续的导管906的OSS光纤的体模904中。 基于其中OSS导管906匹配模 板样式902的位置， 变换并且放置体模904的体积， 确保实时的配准。 0059 已经针对TEE和外部US探头配置例示性地呈现了本原理； 然而， 本原理适于任何将 光学形状感测集成到医学设备中以用于在身体或者在医学系统或设备中的导航。 这些原理 特别地与其中采用具有相对于彼此的已知几何结构的两个设备并且其中形状到形状配准 是考虑因素的多系绳应用有关。 应用包括导丝和导管(手动的和机器人的)的使用， 但是可 以被延伸到内窥镜、 气管镜和其他这样的应用。 OSS光纤可以采用不同的物理参数(例如， 瑞 利散射(增强的和正常的)、 光纤布拉格实。