[发明专利]快速的光纤的形状重建

说明书

本发明总体涉及光纤的形状重建。本发明具体涉及用于以不同时间速率进行形状重建的光纤的不同段的详述。

通过经由皮肤中的小的切口或经由自然腔或孔（例如，鼻子或嘴）经由皮肤地插入针、导管、管、内窥镜或其它医学装置来执行微创医学处置。经常，使用实时医学成像装置（例如，二维或三维超声（“2DUS”或“3DUS”）装置、X射线荧光装置、磁共振成像（“MRT”）装置以及计算机断层摄影（“CT”）装置）来监视体内的医学装置的位置。

在特定应用中，使用非成像跟踪技术来定位医学装置的位置，以减少处置时间或最小化对电离辐射的暴露。当前的跟踪系统可以基于利用电磁、声音、阻抗以及光学技术的感测，并且可以使用诸如信号强度（和/或衰减）、信号相位/频率偏移、和/或在三维空间对传感器作三角测量（triangulate）的飞行时间的原理。

基于光纤的定位技术涉及通过将几何改变编码为传输光来重建光纤的形状。具体地，通过利用归因于在光纤中引入光纤布拉格光栅或归因于光纤的制造过程中引起的光折射的自然不均匀性而发生的光折射率的变化来执行光纤的形状重建。光纤布拉格光栅是反射特定波长的光且透射所有其它波长的光的短的光纤段。这通过在光纤芯中增加折射率的周期性变化来实现，折射率的周期性变化生成波长特定的介质镜。光纤布拉格光栅对应力敏感，这对光纤布拉格光栅的布拉格波长引起与应力的幅度成比例的偏移Δλ_B。使用用于分布式感测的光纤布拉格光栅的主要优点是可以沿单个光纤的长度询问大量变形光学传感器。以类似方式，能够使用瑞利散射途径来感测光纤变形，瑞利散射途径利用沿光纤的长度发生的光折射率的自然变化。

通过沿光纤的从光纤的近端开始并在光纤的远端结束的长度在每个感测位置测量三维（“3D”）变形实现了形状感测能力。于是通过沿光纤长度询问应变或通过使用用于解决反问题的大量估计方法中的任何方法，重建是可能的。此外，过程是一体化的，意指仅在在3D中重建了沿光纤的一点之前的所有变形光学传感器时，才能够计算在沿光纤的该点处的一个变形光学传感器的3D位置。

在微创医学处置的背景中，外科医生可能仅对感兴趣的解剖区域附近的光纤的远侧部分感兴趣。然而，为了推导光纤的远侧部分的形状，需要重建光纤的整个近侧部分的形状，包括患者体外的光纤的部分。

此途径的缺点是形状重建变得计算上非常昂贵。例如，1.0米的光纤具有大约25000个变形光学传感器，每个变形光学传感器必需将其原始数据报告回重建引擎用于处理。结果是低时间分辨率的，当前系统对于1.0米的光纤限于2.5Hz。此水平的时间采样与许多介入处置不兼容。

本发明提供用于将光纤相对于锚点分割成锚光纤段和有源光纤段的光纤分割技术，锚光纤段在光纤的近端点与锚点之间延伸，且有源光纤段在光纤的锚点与远端点之间延伸。光纤分割技术假定锚点固定于空间用于光纤形状采样目的，由此，在光纤的形状采样期间，可以测量和重建有源光纤段，而无需测量和重建锚光纤段。

本发明的一个形式是采用一个或多个柔性光纤和光纤控制器的用于对身体的解剖区域进行成像的光学形状感测系统。每个光纤包括具有近端点和远端点的变形光传感器的阵列（例如，光纤布拉格光栅阵列）。在接合至医学装置（例如，导管、针、管或内窥镜）时，光纤用于生成编码光信号，所述编码光信号指示所述光纤的形状的响应于所述医学装置在定义的空间内的移动的每个改变。例如，光纤可以插入导管的腔内，由此随导管的远尖端在手术处置期间导航至感兴趣的解剖区域，在所述腔内和/或不具有所述腔的光纤的形状改变。

光纤控制器处理编码光信号，来重建光纤的在近端点与远端点之间的部分或整个形状。为实施本发明的分割技术，光纤控制器将光纤相对于锚点分割为锚光纤段和有源光纤段，锚点在定义的空间内具有由光纤控制器指定的采样位置。锚光纤段在近端点与锚点之间延伸，并且有源光纤段在锚点与远端点之间延伸。更具体地，锚光纤段包括或不包括近端点，并且包括或不包括锚点。类似地，有源光纤段包括或不包括锚点，并且包括或不包括远端点。

在低空间时间形状采样模式中，光纤控制器顺序重建光纤的锚光纤段的形状和有源光纤段的形状。

在高空间时间形状采样模式中，光纤控制器专门重建光纤的有源光纤段的形状。

在锚点更新采样中，光纤控制器专门重建光纤的锚光纤段的形状。

结合附图阅读本发明的各范例实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其它形式以及本发明的各特征和优点将变得更加明显。详细描述和附图仅是示例本发明，而不是限制本发明，本发明的范围由所附权利要求及其等同物定义。