利用多条光纤的光学形状感测的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及形状感测，尤其是三维(3D)光学形状感测的领域。
【背景技术】
[0002]通过使用光学形状感测，能够通过在这样的设备中集成带有光学形状感测元件的光纤，来重建细长对象(例如可转向医学设备)的形状。这通过，例如，借助于光纤布拉格光栅或基于瑞利的元件的光学形状感测元件，来对光纤进行光学询问，而是可能的。对所重建的3D形状的实时可视化具有许多应用，例如医学应用，这是因为其实现了针对细长介入医学设备的重要的导航引导。这样的设备能够以诊断和导航设备(例如导管、导丝、内窥镜、通管丝或针)以及处置设备(例如消融设备)的形式，被用于例如医学应用内。
[0003]在实际实现方式中，光学形状感测可能对直到1.5-2米的长度具有可接受的准确度。然而，光纤自身能够为几米长。针对一些应用，该长度限制是不期望的。该限制能够通过使用在一个X射线图像中关于它们的位置而被跟踪的两个分开的光学形状感测设备来缓解。然而，这是不实用的，因为其需要额外的工作，并且准确度可能会受妥协。另外，针对一些应用，这样的两个光学形状感测设备可能相隔太远，而不能使这样的方法起作用。
[0004]W0 2012/168855 A1公开了一种用于监测治疗期间的改变的系统，并且包括带有被设置在其中的光纤传感器的第一和第二探查段。所述第二段大体上被设置为远离所述第一探头并且提供针对所述第一段的空格键参考点。所述第一和第二段具有至少一个共同位置，以起作用为在所述第一与第二探头之间的参考。
[0005]US 2011/0098533 A1公开了一种医学器械，包括扭曲探头和坐标计算部分，所述扭曲探头被设置在要被插入受检查者的内部的插入部分中，并且被提供有多个探测插入部分的扭曲的FBG传感器节，所述坐标计算部分根据第一三维坐标系来计算各自FBG传感器部分的第一三维坐标。
【发明内容】
[0006]提供一种能够在超过利用单条光纤所可能的长度上提供高精度3D光学形状感测的方法和光学形状感测系统，将是有利的。
[0007]在第一方面中，本发明提供一种如权利要求1所述的光学形状感测系统。
[0008]这样的系统对于并入到例如一个细长医学设备或其他长的细长对象，它们被期望以高精度关于3D形状进行跟踪，中是有利的。本发明基于以下洞察，即两个或更多个光学形状感测纤维能够被机械地连接以提供对长对象的3D形状感测，这是由于第二光纤的位置数据被关于第一坐标系配准，例如其中该坐标系是由例如第一光纤的原点(近端)的位置和取向来定义的。能够相对于第一光纤的端部(远端)的位置来定义对第二光纤，例如第二光纤的原点(近端)，的位置的感测。存在有几种方式执行在第一坐标系中对针对第二光学的位置数据的感测，如将在下文对实施例的描述中认识到的。
[0009]通过“坐标系”被理解为实现对三维位置的唯一识别的任意数据表示。词语“指示第一光纤在空间中的位置的第一坐标系”意指坐标系与第一光纤一起移动，因此移动第一光纤中被选择为定义坐标系的原点的参考点或改变其取向将因此改变3D空间中的坐标系Ο
[0010]要理解，第二光纤能够被直接固定到第一光纤。然而，第二光纤也能够经由已知形状的刚性对象(例如台面上的两个固定位置)或者经由一个或多个非刚性或刚性对象，被连接到第二光纤的接近远点或接近远点，只要第一与第二光纤的相对位置是已知的。
[0011]处理器可以被布置为关于第一坐标系配准第二光纤的近端部分的空间位置和取向两者。因此，以此方式，第二光纤起作用为延伸第一光纤的有效长度，因此实现了在更长的距离上的光学形状感测。
[0012]光学控制台系统可以包括被布置用于询问第一光纤中的光学形状感测元件的第一光学控制台，以及被布置用于询问第二光纤中的光学形状感测元件的第二光学控制台。尤其地，针对每条光纤的这样分开的光学控制台可以形成分开的设备的部分，因此系统允许相对于第一坐标系配准带有光学形状感测能力的分开的设备，由此允许这样分开的设备合作产生一个组合的3D形状感测可视化。
[0013]图像探测器可以被布置在第一光纤的远端部分处或附近，并且其中，图像探测器被布置为探测对第二光纤的位置的度量。尤其地，这样的图像探测器可以包括:可见光相机、超声传感器、射频传感器，或X射线设备。例如利用被放置在第一光纤的尖端(远端)附近的相机，有可能使第一光纤的该空间位置与第二光纤的部分链接，只要相机能够探测第二光纤的部分。可以应用图像处理技术以处理来自相机的输出，以得到例如第二光纤的原点(近端)的3D位置。
[0014]第一光纤的远端部分可以被机械地布置为邻近第二光纤的近端部分，以便在第一与第二光纤之间形成交叠曲线，并且其中，光学控制台系统被布置为生成对在第一与第二光纤之间的该交叠曲线的至少部分的三维形状的度量。因此，利用与第二光纤的近端交叠的第一光纤的远端，能够获得对第二光纤相对于所选第一坐标系的空间位置的可靠度量，由此确保高准确性，即使是在其中甚至更多光纤构成一个长的形状感测链的实施例中。尤其地，光学形状感测系统可以被布置为响应于对在第一与第二光纤之间的交叠曲线的该至少部分的三维形状的度量，而校正对第一光纤的三维形状重建。利用因此在它们的延伸范围上被拼接在一起的第一和第二光纤，存在这样的可能，即具有能够被用于改善对第一光学的远端部分的形状重建的交叠形状感测数据。这在一些情况中可以被用于确保能够利用光学形状感测纤维的较长部分，而不损失对纤维的远端部分的形状重建的准确性。
[0015]光学形状感测系统可以包括辅助对象，并且其中处理器被布置为在分层数据结构中关于第一坐标系配准辅助对象的位置。尤其地，系统可以包括多个辅助对象，其中，处理器被布置为在分层数据结构中关于第一坐标系配准多个辅助对象的位置，其中，多个对象中的至少一个被链接到针对分层数据结构中较高层的至少两个对象配准的位置数据。这样的一个或多个辅助对象可以包含或者可以不包含被布置用于光学形状感测的光纤。例如，对象可以为另一对象(例如光学形状感测设备)被附接到其的台面等等。这将允许几个对象的链形成用于对对象的位置数据的配准的基础，这将实现对相对于第一坐标系被非常远地定位的光学形状感测设备的位置和取向的正确跟踪，即使存在几个被定位在中间的对象。尤其地，多个辅助对象中的至少一个可以包括带有光学形状感测元件的第三光纤，并且其中，光学形状感测系统被布置为响应于数据在分层数据结构中被配准得比针对第三光纤的位置数据被配准处更高，来校正对第三光纤的三维形状重建。通过“第三光纤”在这里仅被理解为除上文已定义的第一和第二光纤以外的至少一条光纤。由于每个辅助对象均被链接到分层数据结构中更高处的至少两个对象，因此可能验证或校正针对给定对象所配准的位置数据的任何不一致，并且甚至有可能在对被用于形状重建的对象的链中的一个对象的形状感测完全失败时或者在针对这样的对象所配准的位置被认为不可靠时，完全跳过该对象。由此，对位于远程的光学形状感测纤维的形状和位置的准确表示是可能的。
[0016]光学形状感测元件优选地包括，例如本领域技术人员已知的，瑞利传感器，或者光纤布拉格光栅。光学控制台以及用于对光学形状感测元件的光学询问的方法可以用例如本领域技术人员已知的几种方式来执行。
[0017]在一个优选的实施例中，光学形状感测系统被布置为利用一个共同三维坐标系生成第一和第二光纤两者的部分的三维图像。因此，利用根据本发明的系统，有可能可视化一个长的感测到的3D形状，而没有严重的形状和位置不一致，但是两个或者甚至更多条光纤合作以对完整图像产生形状感测数据。
[0018]在第二方面中，本发明提供一种包括根据第一方面的光学形状感测系统的设备。尤其地，该设备可以为医学设备或机器人。然而，要理解，大体上本发明适用于用于跟踪、导航和形状重建的系统。第一和第二光纤可以被布置为感测设备的细长部分，例如被内置、嵌入这样的设备的细长部分中或被附接在外面，设备的细长部分例如为医学器械的细长介入部分。
[0019]在第三方面中，本发明提供一种如权利要求15所述的用于增加光学形状感测系统的有效长度的方法。.
[0020]应认识到，第一方面的相同优点和实施例也适用于第二和第三方面。总体上，第一、第二和第三方面可以以本发明的范围内任意可能的方式被组合和耦合。本发明的这些以及其他方面、特征和/或优点将从后文描述的实施例变得明显，并将参考这