利用多條光纖的光學(xué)形狀感測(cè)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及形狀感測(cè)，尤其是三維(3D)光學(xué)形狀感測(cè)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]通過使用光學(xué)形狀感測(cè)，能夠通過在這樣的設(shè)備中集成帶有光學(xué)形狀感測(cè)元件的光纖，來重建細(xì)長(zhǎng)對(duì)象(例如可轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)設(shè)備)的形狀。這通過，例如，借助于光纖布拉格光柵或基于瑞利的元件的光學(xué)形狀感測(cè)元件，來對(duì)光纖進(jìn)行光學(xué)詢問，而是可能的。對(duì)所重建的3D形狀的實(shí)時(shí)可視化具有許多應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用，這是因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)了針對(duì)細(xì)長(zhǎng)介入醫(yī)學(xué)設(shè)備的重要的導(dǎo)航引導(dǎo)。這樣的設(shè)備能夠以診斷和導(dǎo)航設(shè)備(例如導(dǎo)管、導(dǎo)絲、內(nèi)窺鏡、通管絲或針)以及處置設(shè)備(例如消融設(shè)備)的形式，被用于例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用內(nèi)。
[0003]在實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式中，光學(xué)形狀感測(cè)可能對(duì)直到1.5-2米的長(zhǎng)度具有可接受的準(zhǔn)確度。然而，光纖自身能夠?yàn)閹酌组L(zhǎng)。針對(duì)一些應(yīng)用，該長(zhǎng)度限制是不期望的。該限制能夠通過使用在一個(gè)X射線圖像中關(guān)于它們的位置而被跟蹤的兩個(gè)分開的光學(xué)形狀感測(cè)設(shè)備來緩解。然而，這是不實(shí)用的，因?yàn)槠湫枰~外的工作，并且準(zhǔn)確度可能會(huì)受妥協(xié)。另外，針對(duì)一些應(yīng)用，這樣的兩個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)設(shè)備可能相隔太遠(yuǎn)，而不能使這樣的方法起作用。
[0004]W0 2012/168855 A1公開了一種用于監(jiān)測(cè)治療期間的改變的系統(tǒng)，并且包括帶有被設(shè)置在其中的光纖傳感器的第一和第二探查段。所述第二段大體上被設(shè)置為遠(yuǎn)離所述第一探頭并且提供針對(duì)所述第一段的空格鍵參考點(diǎn)。所述第一和第二段具有至少一個(gè)共同位置，以起作用為在所述第一與第二探頭之間的參考。
[0005]US 2011/0098533 A1公開了一種醫(yī)學(xué)器械，包括扭曲探頭和坐標(biāo)計(jì)算部分，所述扭曲探頭被設(shè)置在要被插入受檢查者的內(nèi)部的插入部分中，并且被提供有多個(gè)探測(cè)插入部分的扭曲的FBG傳感器節(jié)，所述坐標(biāo)計(jì)算部分根據(jù)第一三維坐標(biāo)系來計(jì)算各自FBG傳感器部分的第一三維坐標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供一種能夠在超過利用單條光纖所可能的長(zhǎng)度上提供高精度3D光學(xué)形狀感測(cè)的方法和光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)，將是有利的。
[0007]在第一方面中，本發(fā)明提供一種如權(quán)利要求1所述的光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)。
[0008]這樣的系統(tǒng)對(duì)于并入到例如一個(gè)細(xì)長(zhǎng)醫(yī)學(xué)設(shè)備或其他長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)對(duì)象，它們被期望以高精度關(guān)于3D形狀進(jìn)行跟蹤，中是有利的。本發(fā)明基于以下洞察，即兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)形狀感測(cè)纖維能夠被機(jī)械地連接以提供對(duì)長(zhǎng)對(duì)象的3D形狀感測(cè)，這是由于第二光纖的位置數(shù)據(jù)被關(guān)于第一坐標(biāo)系配準(zhǔn)，例如其中該坐標(biāo)系是由例如第一光纖的原點(diǎn)(近端)的位置和取向來定義的。能夠相對(duì)于第一光纖的端部(遠(yuǎn)端)的位置來定義對(duì)第二光纖，例如第二光纖的原點(diǎn)(近端)，的位置的感測(cè)。存在有幾種方式執(zhí)行在第一坐標(biāo)系中對(duì)針對(duì)第二光學(xué)的位置數(shù)據(jù)的感測(cè)，如將在下文對(duì)實(shí)施例的描述中認(rèn)識(shí)到的。
[0009]通過“坐標(biāo)系”被理解為實(shí)現(xiàn)對(duì)三維位置的唯一識(shí)別的任意數(shù)據(jù)表示。詞語(yǔ)“指示第一光纖在空間中的位置的第一坐標(biāo)系”意指坐標(biāo)系與第一光纖一起移動(dòng)，因此移動(dòng)第一光纖中被選擇為定義坐標(biāo)系的原點(diǎn)的參考點(diǎn)或改變其取向?qū)⒁虼烁淖?D空間中的坐標(biāo)系Ο
[0010]要理解，第二光纖能夠被直接固定到第一光纖。然而，第二光纖也能夠經(jīng)由已知形狀的剛性對(duì)象(例如臺(tái)面上的兩個(gè)固定位置)或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)非剛性或剛性對(duì)象，被連接到第二光纖的接近遠(yuǎn)點(diǎn)或接近遠(yuǎn)點(diǎn)，只要第一與第二光纖的相對(duì)位置是已知的。
[0011]處理器可以被布置為關(guān)于第一坐標(biāo)系配準(zhǔn)第二光纖的近端部分的空間位置和取向兩者。因此，以此方式，第二光纖起作用為延伸第一光纖的有效長(zhǎng)度，因此實(shí)現(xiàn)了在更長(zhǎng)的距離上的光學(xué)形狀感測(cè)。
[0012]光學(xué)控制臺(tái)系統(tǒng)可以包括被布置用于詢問第一光纖中的光學(xué)形狀感測(cè)元件的第一光學(xué)控制臺(tái)，以及被布置用于詢問第二光纖中的光學(xué)形狀感測(cè)元件的第二光學(xué)控制臺(tái)。尤其地，針對(duì)每條光纖的這樣分開的光學(xué)控制臺(tái)可以形成分開的設(shè)備的部分，因此系統(tǒng)允許相對(duì)于第一坐標(biāo)系配準(zhǔn)帶有光學(xué)形狀感測(cè)能力的分開的設(shè)備，由此允許這樣分開的設(shè)備合作產(chǎn)生一個(gè)組合的3D形狀感測(cè)可視化。
[0013]圖像探測(cè)器可以被布置在第一光纖的遠(yuǎn)端部分處或附近，并且其中，圖像探測(cè)器被布置為探測(cè)對(duì)第二光纖的位置的度量。尤其地，這樣的圖像探測(cè)器可以包括:可見光相機(jī)、超聲傳感器、射頻傳感器，或X射線設(shè)備。例如利用被放置在第一光纖的尖端(遠(yuǎn)端)附近的相機(jī)，有可能使第一光纖的該空間位置與第二光纖的部分鏈接，只要相機(jī)能夠探測(cè)第二光纖的部分?？梢詰?yīng)用圖像處理技術(shù)以處理來自相機(jī)的輸出，以得到例如第二光纖的原點(diǎn)(近端)的3D位置。
[0014]第一光纖的遠(yuǎn)端部分可以被機(jī)械地布置為鄰近第二光纖的近端部分，以便在第一與第二光纖之間形成交疊曲線，并且其中，光學(xué)控制臺(tái)系統(tǒng)被布置為生成對(duì)在第一與第二光纖之間的該交疊曲線的至少部分的三維形狀的度量。因此，利用與第二光纖的近端交疊的第一光纖的遠(yuǎn)端，能夠獲得對(duì)第二光纖相對(duì)于所選第一坐標(biāo)系的空間位置的可靠度量，由此確保高準(zhǔn)確性，即使是在其中甚至更多光纖構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)的形狀感測(cè)鏈的實(shí)施例中。尤其地，光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)可以被布置為響應(yīng)于對(duì)在第一與第二光纖之間的交疊曲線的該至少部分的三維形狀的度量，而校正對(duì)第一光纖的三維形狀重建。利用因此在它們的延伸范圍上被拼接在一起的第一和第二光纖，存在這樣的可能，即具有能夠被用于改善對(duì)第一光學(xué)的遠(yuǎn)端部分的形狀重建的交疊形狀感測(cè)數(shù)據(jù)。這在一些情況中可以被用于確保能夠利用光學(xué)形狀感測(cè)纖維的較長(zhǎng)部分，而不損失對(duì)纖維的遠(yuǎn)端部分的形狀重建的準(zhǔn)確性。
[0015]光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)可以包括輔助對(duì)象，并且其中處理器被布置為在分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中關(guān)于第一坐標(biāo)系配準(zhǔn)輔助對(duì)象的位置。尤其地，系統(tǒng)可以包括多個(gè)輔助對(duì)象，其中，處理器被布置為在分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中關(guān)于第一坐標(biāo)系配準(zhǔn)多個(gè)輔助對(duì)象的位置，其中，多個(gè)對(duì)象中的至少一個(gè)被鏈接到針對(duì)分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中較高層的至少兩個(gè)對(duì)象配準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)。這樣的一個(gè)或多個(gè)輔助對(duì)象可以包含或者可以不包含被布置用于光學(xué)形狀感測(cè)的光纖。例如，對(duì)象可以為另一對(duì)象(例如光學(xué)形狀感測(cè)設(shè)備)被附接到其的臺(tái)面等等。這將允許幾個(gè)對(duì)象的鏈形成用于對(duì)對(duì)象的位置數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)的基礎(chǔ)，這將實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)于第一坐標(biāo)系被非常遠(yuǎn)地定位的光學(xué)形狀感測(cè)設(shè)備的位置和取向的正確跟蹤，即使存在幾個(gè)被定位在中間的對(duì)象。尤其地，多個(gè)輔助對(duì)象中的至少一個(gè)可以包括帶有光學(xué)形狀感測(cè)元件的第三光纖，并且其中，光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)被布置為響應(yīng)于數(shù)據(jù)在分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中被配準(zhǔn)得比針對(duì)第三光纖的位置數(shù)據(jù)被配準(zhǔn)處更高，來校正對(duì)第三光纖的三維形狀重建。通過“第三光纖”在這里僅被理解為除上文已定義的第一和第二光纖以外的至少一條光纖。由于每個(gè)輔助對(duì)象均被鏈接到分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中更高處的至少兩個(gè)對(duì)象，因此可能驗(yàn)證或校正針對(duì)給定對(duì)象所配準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)的任何不一致，并且甚至有可能在對(duì)被用于形狀重建的對(duì)象的鏈中的一個(gè)對(duì)象的形狀感測(cè)完全失敗時(shí)或者在針對(duì)這樣的對(duì)象所配準(zhǔn)的位置被認(rèn)為不可靠時(shí)，完全跳過該對(duì)象。由此，對(duì)位于遠(yuǎn)程的光學(xué)形狀感測(cè)纖維的形狀和位置的準(zhǔn)確表示是可能的。
[0016]光學(xué)形狀感測(cè)元件優(yōu)選地包括，例如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，瑞利傳感器，或者光纖布拉格光柵。光學(xué)控制臺(tái)以及用于對(duì)光學(xué)形狀感測(cè)元件的光學(xué)詢問的方法可以用例如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的幾種方式來執(zhí)行。
[0017]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)被布置為利用一個(gè)共同三維坐標(biāo)系生成第一和第二光纖兩者的部分的三維圖像。因此，利用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，有可能可視化一個(gè)長(zhǎng)的感測(cè)到的3D形狀，而沒有嚴(yán)重的形狀和位置不一致，但是兩個(gè)或者甚至更多條光纖合作以對(duì)完整圖像產(chǎn)生形狀感測(cè)數(shù)據(jù)。
[0018]在第二方面中，本發(fā)明提供一種包括根據(jù)第一方面的光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備。尤其地，該設(shè)備可以為醫(yī)學(xué)設(shè)備或機(jī)器人。然而，要理解，大體上本發(fā)明適用于用于跟蹤、導(dǎo)航和形狀重建的系統(tǒng)。第一和第二光纖可以被布置為感測(cè)設(shè)備的細(xì)長(zhǎng)部分，例如被內(nèi)置、嵌入這樣的設(shè)備的細(xì)長(zhǎng)部分中或被附接在外面，設(shè)備的細(xì)長(zhǎng)部分例如為醫(yī)學(xué)器械的細(xì)長(zhǎng)介入部分。
[0019]在第三方面中，本發(fā)明提供一種如權(quán)利要求15所述的用于增加光學(xué)形狀感測(cè)系統(tǒng)的有效長(zhǎng)度的方法。.
[0020]應(yīng)認(rèn)識(shí)到，第一方面的相同優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施例也適用于第二和第三方面。總體上，第一、第二和第三方面可以以本發(fā)明的范圍內(nèi)任意可能的方式被組合和耦合。本發(fā)明的這些以及其他方面、特征和/或優(yōu)點(diǎn)將從后文描述的實(shí)施例變得明顯，并將參考這