專利名稱：用于使用光學位置感測進行成像和處置的裝置、系統(tǒng)和方法
用于使用光學位置感測進行成像和處置的裝置、系統(tǒng)和方法本公開涉及醫(yī)學設備，具體而言涉及采用光纖技術(shù)用于成像和處置換能器設備的形狀、位置和取向追蹤的醫(yī)學設備。在超聲應用中，通過機械掃描(例如，靜脈內(nèi)超聲(IVUS )拉回設備)、基于圖像的來自2D或3D探頭的數(shù)據(jù)的配準、基于紅外(IR)相機的立體視覺或電磁(EM)感測來執(zhí)行換能器的空間追蹤。用于限制換能器運動的機械設備的使 用是不方便的(并且可能會潛在地影響圖像質(zhì)量，因為由機械運動定義的路徑可能與最佳聲學視圖不一致)。另外，依賴于嚴格控制的機械拉回，機械設備具有有限的精度?；趫D像的配準是計算密集型的并且耗時，以及降低可能的成像幀速率數(shù)。進一步，基于圖像的配準受限于追蹤體積之間的相對運動并且不能提供換能器路徑的絕對位置估計(特別是當發(fā)生換能器在非線性表面運動時)?；贗R相機的定位對視線阻礙敏感，限制了其應用，特別是在不能保證被追蹤的換能器和IR相機之間具有清晰的視線的臨床背景下。EM定位表現(xiàn)出有限的空間精度和準確性，并對局部EM環(huán)境的時空特性變化敏感。這些在追蹤性能上的限制，繼而，在提供高圖像質(zhì)量、解剖精度、大的視場或高的時間幀速率等方面影響超聲成像設備的功能。所有這些追蹤技術(shù)均將剛性換能器的位置作為獨立實體來測量，然而一種允許感測換能器元件的動態(tài)形狀的追蹤技術(shù)將允許柔性的換能器構(gòu)造，并在當圖像形成過程中結(jié)合換能器信號使用元件追蹤數(shù)據(jù)時具有增強的圖像采集和重建。有利的是提供可靠地執(zhí)行醫(yī)學設備的定位和安置并且可以以空間分布的方式進行位置感測的系統(tǒng)和方法，從而允許在目前常規(guī)探頭中不可能實現(xiàn)的柔性成像陣列。根據(jù)本原理，一種用于確定位置、取向或形狀的裝置、系統(tǒng)和方法包括被配置用于接收來自控制臺的信號并基于反射波生成圖像的換能器設備。柔性線纜被耦合到換能器設備以從控制臺為所述換能器設備提供激發(fā)能量。光纖在操作過程中具有對應于所述線纜的形狀和位置的形狀和位置。多個傳感器與所述光纖光學通信。所述傳感器被配置用于測量光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定關于所述換能器設備的位置信肩、O換能器和拴系線纜的光學位置和取向感測克服了常規(guī)追蹤方法的限制，允許改進的成像能力，例如實時的延伸視場的成像、通過多角度成像的實況空間組合、多換能器同時成像以及通過形狀增強超聲束形成和重建的增強的圖像分辨率和質(zhì)量改善。此外，并入到柔性/能夠重構(gòu)的換能器陣列主體中的光學形狀感測將允許換能器的幾何結(jié)構(gòu)的實時知識，該知識可用來改善圖像采集和重建，并允許動態(tài)調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)以適應臨床應用(換能器陣列將不再被限制于剛性的幾何結(jié)構(gòu)而是允許非常規(guī)的柔性幾何結(jié)構(gòu)，例如，分布在光學追蹤的導管的長度上以形成空間延伸的可變形的換能器陣列)。用于確定位置、取向和/或形狀的裝置包括被配置用于接收來自控制臺的信號并基于反射或透射能量生成圖像的換能器設備。柔性線纜被耦合到換能器設備以從控制臺給所述換能器設備提供激發(fā)能量。至少一條光纖在操作過程中具有對應于線纜的形狀和位置的形狀和位置。提供與所述至少一條光纖光學通信的多個傳感器，所述傳感器被配置用于測量光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定關于所述換能器設備的形狀和位置信息中的至少一個。用于確定位置、取向和/或形狀的另一裝置，包括醫(yī)學儀器、被配置用于接收來自控制臺的信號并基于反射或透射能量生成圖像的換能器設備以及被耦合到所述換能器設備以從所述控制臺為所述換能器設備提供激發(fā)能量的柔性線纜。至少一條光纖在程序過程中具有對應于所述醫(yī)學設備的形狀和位置的形狀和位置。提供至少一個其他位置感測設備用于感測所述醫(yī)學設備相對于所述至少一條光纖的形狀和位置。多個傳感器與所述至少一條光纖光學通信，所述傳感器被配置用于測量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲以及至少一個其他位置感測設備確定在程序過程中關于所述醫(yī)學設備的形狀和位置信息中的至少一個。一種用于追蹤成像或治療設備的一部分的系統(tǒng)，包括集成于光纖上并且設置在柔性線纜內(nèi)的空間分布的光纖布拉格光柵(FBG)。超聲換能器通過柔性線纜耦合到超聲控制臺。光學系統(tǒng)被配置用于向所述FBG傳送光并接收來自所述FBG的光，從而測量所述柔性·線纜中的光纖的偏轉(zhuǎn)。計算機系統(tǒng)包括形狀確定程序，其被配置用于計算與所述光纖的偏轉(zhuǎn)相關的參數(shù)并確定所述柔性線纜的構(gòu)造，從而所述柔性線纜的所述構(gòu)造提供超聲換能器的位置。一種用于追蹤成像設備的位置的方法，包括提供被配置用于接收來自控制臺的信號并基于反射波生成圖像的換能器設備、被耦合到換能器設備以從控制臺為換能器設備提供激發(fā)能量的柔性線纜、和在操作過程中具有對應于所述線纜的形狀和位置的形狀和位置的至少一條光纖、以及與所述至少一條光纖光學通信的多個傳感器。定位所述換能器設備，并且測量對應于所述線纜的形狀和位置的所述至少一條光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定關于所述換能器設備的形狀和位置信息。結(jié)合附圖，閱讀以下圖解實施例的詳細描述，本公開的這些和其他的目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。本公開將參考以下附圖詳細呈現(xiàn)優(yōu)選實施例的以下描述，其中圖I示出了包括光纖布拉格光柵(FBG)的光纖、折射率與距離的圖和FBG導致的光譜響應；圖2示出了在三維空間中偏轉(zhuǎn)的光纖三聯(lián)體；圖3是根據(jù)一個圖示性實施例示出了用于確定超聲探頭位置的系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據(jù)一個實施例示出了超聲設備的示意圖以及具有光學傳感器組件的線纜的截面圖；圖5是根據(jù)另一實施例示出了具有耦合到單個光學傳感器組件的多個換能器元件的超聲設備的示意圖；圖6是根據(jù)另一實施例示出了與適形護套連接以便使超聲設備的線纜和光纖傳感器組件一致的超聲設備的示意圖；圖7是根據(jù)另一實施例示出了具有多個換能器元件的超聲設備的示意圖，所述多個換能器的每個都耦合到各自的光學傳感器；圖8是根據(jù)另一實施例示出了超聲設備、醫(yī)學設備和被采用來引導醫(yī)學設備的至少一個光學傳感器組件的示意圖9是根據(jù)另一實施例示出了形成為陣列以檢測換能器元件上的壓力的光學傳感器的示意圖；以及

圖10是根據(jù)本原理示出了用于確定超聲設備的位置的方法的方框/流程圖。本公開描述了用于換能器、換能器元件或多陣列組件的位置感測的系統(tǒng)和方法。在一個特別有用的實施例中，使用光纖傳感器定位血管內(nèi)超聲換能器。光學傳感器可包括光纖布拉格光柵(FBG)。在一個實施例中，通過FGB功能化的超聲成像系統(tǒng)采用形狀感測功能從而允許新的成像功能(例如，實時擴展視場成像、通過多角度成像的空間組合、多換能器同時成像、柔性換能器陣列/面片(patch)、以及通過形狀增強超聲束形成/重建的增強的圖像分辨率/質(zhì)量的提高等)。使用多個FBG光柵和光學探詢的光學形狀感測允許以高時空分辨率追蹤(一個或多個)換能器以及相應的線纜/導管形狀(僅舉幾例，如用于經(jīng)胸廓的或身體超聲、經(jīng)食道的回波的線纜、或用于心臟內(nèi)回波的導管等)。通過比較，例如基于電磁(EM)的常規(guī)追蹤方法 目前尚未表現(xiàn)出對于光纖形狀感測位置和取向而言可能的追蹤精度或?qū)Νh(huán)境狀況的魯棒性。應該理解，本發(fā)明將關于醫(yī)學儀器進行描述；然而，本發(fā)明的教導更加寬泛并可應用于在追蹤或分析復雜生物或機械系統(tǒng)中采用的任何儀器中。特別地，本原理適用于生物系統(tǒng)的內(nèi)部超聲程序、身體所有區(qū)域，例如肺部、胃腸道、其他器官、血管等中的程序。該教導并不一定要限定在超聲感測中，而是可用于諸如X射線探測器陣列、閃爍體陣列、MR線圈、光學傳感器陣列(例如，追蹤分布式光纖內(nèi)窺鏡)等的任何其他模態(tài)的柔性傳感器陣列的發(fā)展和使用。附圖中所描繪的元件可以以軟件和硬件的各種組合來實現(xiàn)并提供可在單個元件或多個元件中組合的功能?？梢酝ㄟ^使用專用硬件以及能夠與合適的軟件結(jié)合來執(zhí)行軟件的硬件來提供附圖中所示的各元件的功能。當由處理器提供時，所述功能可以由單個專用處理器、單個共用處理器或其中一些可以是共用的多個獨立處理器提供。此外，術(shù)語“處理器”或“控制器”的具體使用不應被理解為僅指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，也可暗示地包括但不限于，數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)以及非易失性存儲器。此外，此處記載本發(fā)明的原理、方面和實施例的所有表述，以及其具體范例，旨在包含其結(jié)構(gòu)和功能上的等價物兩者。額外地，期望這樣的等價物包括目前己知的等價物以及未來發(fā)展出的等價物(即，所發(fā)展出的執(zhí)行相同功能的任何元件，不管結(jié)構(gòu)如何)兩者。因而，例如，本領域技術(shù)人員將意識到，此處示出的方框圖表示圖解性系統(tǒng)部件的概念性視圖和/或采用本發(fā)明原理的線路圖。相似地，將意識到，任何流程圖、流程表、狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖、偽代碼等表示各種過程，其基本上可表現(xiàn)在計算機可讀存儲介質(zhì)中并因而被計算機或處理器執(zhí)行，不管這樣的計算機或處理器是否明確地示出。此外，本發(fā)明的實施例可以采用計算機程序產(chǎn)品的形式，所述計算機程序產(chǎn)品能通過計算機可用或計算機可讀介質(zhì)訪問，所述介質(zhì)提供程序代碼以供計算機或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或連接到計算機或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)。為了本描述的目的，計算機可用或計算機可讀介質(zhì)可以是可包括、存儲、通信、傳播或轉(zhuǎn)移程序的任何裝置，所述程序供指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備使用或與其連接。所述介質(zhì)可以是電子、磁、光學、電磁、紅外、或半導體系統(tǒng)(或裝置或設備)或傳播介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)的范例包括半導體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移除計算機磁盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤和光盤。光盤的當前范例包括光盤-只讀存儲器(CD-ROM)、光盤-讀/寫(CD-R/W)和DVD。根據(jù)有用的實施例，用于超聲換能器的追蹤傳感器可采用多種不同技術(shù)。根據(jù)本原理，描述了光纖技術(shù)?；诠饫w的應變感測可以使用光學傳感器來執(zhí)行。在一個實例中，傳感器可包括FBG。通過在一長度上集成應變測量，可以確定光纖在一長度上的局部形狀。至少基于以下原因使得幾何結(jié)構(gòu)的光學測量是有吸引力的。測量不受電磁干擾影響并無需電磁發(fā)射。傳感器是被動的，因此內(nèi)在地是安全的。存在陣列中復用傳感器的能力。存在多參數(shù)感測(應變、溫度、壓力等)的可能。分布式感測是可能的，且傳感器具有高靈敏度(當在光學探詢中使用干涉測量法時可以達到納米應變)。另外，光纖小且重量輕，并且對于微創(chuàng)應用是理想的。光纖對信號幅度變化不敏感(當在波長檢測中采用光纖布拉格傳感器時)。 在很多醫(yī)學應用中，特別是那些需要微創(chuàng)導航和儀器中，具有光纖布拉格光柵的光纖感測沿光纖長度上以高時空分辨率提供高精度和高準確性的定位。由于光纖的重量輕、光纖的伸長的形狀因子以及其緊湊的截面特征(footprint)，光纖技術(shù)為需要經(jīng)由線纜、內(nèi)窺鏡外罩、或?qū)Ч?ICE)拴系到控制臺的換能器的超聲應用提供改進。在線纜/內(nèi)窺鏡/導管外罩的主體內(nèi)嵌入光纖布拉格光柵允許在伸長的醫(yī)學儀器內(nèi)的一個或多個換能器元件/陣列的精細時空追蹤?，F(xiàn)在參考附圖，其中相似的標號表示相同或相近的元件，首先參考圖1，圖解地描繪了光纖布拉格光柵(FBG) 10。在特別有用的實施例中，F(xiàn)BGlO包括光纖12的一小段，其反射特定波長的光并透射其他光。這是通過在纖芯16中加入折射率的周期性變化14實現(xiàn)的，這形成波長特異性的介質(zhì)鏡。圖解地示出了纖芯折射率對距離的繪圖20。因此光纖布拉格光柵10可被用作用于阻擋特定波長的隊列式(inline)光學濾波器，或用作波長特異性反射器。輸入光譜22和相應的輸出光譜24及26圖解地示出了輸入光譜22的透射部分(光譜24)和反射部分(光譜26)。光纖布拉格光柵10工作的基本原理是在折射率變化的每一界面的菲涅爾反射。對于某些波長，不同周期的反射光是同相從而反射存在相長干涉，并且因此透射存在相消干涉。中心波長對應變以及溫度敏感。這意味著布拉格光柵可用作光纖傳感器中的感測元件。在FBG傳感器中，應力導致中心波長的移動，Λ λ B。由施加應力(ε )和溫度變化
(AT)引起的中心波長相對移動，Λ λΒ/λΒ，可近似地表示為 =<、ε十
凡B系數(shù)Cs稱為應力系數(shù)并且其大小通常在約(λ 8Χ10_6/μ ε或者絕對數(shù)量約為lpm/μ ε)。系數(shù)Ct描述傳感器的溫度敏感性；其由熱膨脹系數(shù)和熱光效應組成。它的值大約在7χ10_6/Κ (或者絕對數(shù)量為13pm/K)。盡管FBG特別適用于本原理，但是也可采用其它傳感器。參考圖2，光纖三聯(lián)體30包括三條光纖34和三個FBG 32。采用三聯(lián)體30或多條光纖/FBG元件的一個優(yōu)勢是多個傳感器元件可以分布在光纖的長度范圍內(nèi)。例如，沿嵌入到結(jié)構(gòu)中的光纖的長度并入具有不同傳感器(計量器)的三個芯，能夠準確地確定這種結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。沿光纖34長度的多個位置定位FBG傳感器32。通過每個FBG 32的應力測量結(jié)果，可以推出結(jié)構(gòu)30在三維空間(x，y，z)中的位置處的曲率。通過多個測量位置，可確定總體三維形態(tài)。光纖34優(yōu)選地裝在柔性材料中，諸如醫(yī)用聚合物(例如，PEEK )。纖芯35在內(nèi)嵌的截面視圖中示出。圍繞光纖的護套36可由醫(yī)用聚合物、硅樹脂、或其它合適材料構(gòu)成。參考圖3，根據(jù)一個圖解性實施例圖解地描繪了具有超聲換能器的成像或處置系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括具有通過形狀感測的引導反饋的醫(yī)學成像設備101。設備101包括一個或多個換能器元件102。設備101可以在其他實施例的處置程序中采用。換能器元件102可包括響應于電脈沖生成超聲能量的壓電換能器元件。應當理解，可以采用其他形式的機械和電磁能量并且換能器元件可包括其他結(jié)構(gòu)。換能器元件102可以經(jīng)由線纜108連接到手推車(cart)/控制臺104。線纜108可包括內(nèi)窺鏡外罩或其他醫(yī)學設備、導管或其他 柔性構(gòu)件。線纜108包括至少一條內(nèi)嵌在其中的光學形狀感測光纖110，用于換能器元件102和相關聯(lián)的線纜(108)的實時聞精度空間定位。換能器元件102容納在柔性組件120中。手推車/控制臺104包括超聲控制臺112，超聲控制臺被配置用于提供能量以驅(qū)動生成超聲波的換能器元件102。形狀感測光纖或光纖束110沿線纜108的至少一部分延伸并與控制臺104互連以允許準確、實時地評估換能器元件的幾何結(jié)構(gòu)和動力學?？刂婆_104包括光學控制臺116，其向光纖束的光學傳感器122 (例如，F(xiàn)BG)傳送光并接收來自它們的光。在控制臺116 (或者其他位置，如果需要)提供為形狀感測光纖照明的光源。在控制臺116提供光學探詢單元接收器(例如收發(fā)器117)以讀出從所有光纖110的FBG 122返回的復用信號?？刂婆_116可連接到計算機系統(tǒng)130，該計算機系統(tǒng)包括存儲器設備128和具有相應的形狀確定程序132的操作系統(tǒng)124，所述形狀確定程序計算與光纖110的偏轉(zhuǎn)相關的參數(shù)。計算機系統(tǒng)130可包括控制臺116或是獨立的系統(tǒng)。光學收發(fā)器117向光纖110發(fā)射光學信號并從光纖接收光學信號。解析光信號以確定光纖的形狀并因此確定體內(nèi)換能器元件102的位置或取向。來自傳感器122的數(shù)據(jù)通過光纖110傳輸并可與3D體積或圖或參考位置(例如，手推車104)相關以確定換能器元件102或線纜108的位置信息。計算機130包括處理器131，其實施實時FBG感測方法132以感測光纖偏轉(zhuǎn)并導出相應的光纖束的形狀，以及計算形成延伸的換能器陣列的一個或多個換能器元件102的空間幾何結(jié)構(gòu)。計算機130基于所計算的一個或多個換能器元件102的空間幾何結(jié)構(gòu)計算空間定位的3D超聲數(shù)據(jù)組。輸入/輸出(I/O)設備或接口 152提供與計算機130、設備101和空間定位超聲成像的視覺顯示器138的實時交互，并且可以顯示線纜108的取向、形狀和/或位置。計算機130可包括用于與控制臺116、控制臺112和設備101交互的用戶接口152。用戶接口 152可包括鍵盤、鼠標、觸摸屏系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)連接154將超聲控制臺112、光學探詢單元117及控制臺116與處理器131連接以確定換能器幾何結(jié)構(gòu)/形狀。光學探詢單元或控制臺116為超聲控制臺112提供實時空間定位數(shù)據(jù)用于空間準確的超聲數(shù)據(jù)的3D動態(tài)重建以達到增強。所述增強可包括實時延伸視場成像；通過多角度成像的實況空間組合；多換能器同時成像；通過形狀增強超聲束形成/重建(例如，超聲斷層攝影重建)的增大的圖像分辨率/質(zhì)量改善。換能器元件102的柔性組件可以順從相關的患者解剖結(jié)構(gòu)(例如，皮膚表面、彎曲的血管解剖結(jié)構(gòu)、胃腸道等)。光學形狀光纖110允許一個或多個換能器102相對于彼此及相對于固定參考位置(例如，超聲手推車參照物)的準確確定以增強成像性能。參考圖4，根據(jù)一個圖解性實施例示出了設備101。在此實施例中，設備101包括單換能器元件102。換能器元件102被耦合到線纜108，線纜可包括導管、內(nèi)窺鏡等。線纜108中包括至少一個應變/形狀感測組件。細節(jié)202示出了線纜108的截面視圖。應變/形狀感測組件204包括具有傳感器(例如，F(xiàn)BG)122的光纖110，所述傳感器允許光學感測應變和形狀。在圖4的示范性實施例中，感測組件204包括光纖三聯(lián)體以更好地追蹤光纖布拉格光柵的形狀、旋轉(zhuǎn)和位置。設備101包括感測組件204以及超聲換能器元件102。以這種方式，基于感測組件204提供的位置信息，可以在整個程序中確定并追蹤換能器元件102相對于參考物的位置和取向。記錄的圖像現(xiàn)在可以包括形狀/位置信息，以及實時的或用于稍后取回的超聲圖像。換能器元件102可以包含在伸長的超聲探頭中，例如，在連接到超聲手推車(104，圖3)的手持、內(nèi)窺鏡或?qū)Ч芙M件中，所述手推車包括光源和探詢單元(117，圖3)。感測組件204沿外罩/線纜108的長度嵌入從而允許設備101的定位，接著是3D空間追蹤和重建的超聲數(shù)據(jù)的可視化。參考圖5，超聲探頭210包括以延伸的幾何結(jié)構(gòu)安排的多個換能器元件102。幾何結(jié)構(gòu)可包括元件102沿導管(例如，心臟內(nèi)超聲心動描記(ICE)導管)、探頭(例如，經(jīng)食道的超聲心動描記(TEE)探頭)等長度的一維分布或者可包括順從患者解剖結(jié)構(gòu)的多維度柔性面片探頭，(例如，環(huán)繞患者頸部包裹的柔性頸動脈探頭)或其他構(gòu)造。另一種幾何結(jié)構(gòu)可包括己有成像探頭的組合，諸如TEE與ICE，或ICE與經(jīng)胸廓的超聲心動描記(TTE)等，以及所有其他置換。光學形狀光纖組件204在該組件中與換能器102互連以允許高精度追蹤換能器相對運動。利用這些信息，可以連同超聲成像數(shù)據(jù)收集身體表面和其他信息。這種構(gòu)造通過利用陣列元件的同時發(fā)射/接收結(jié)合3D位置信息而允許多換能器采集和重建的優(yōu)化。參考圖6，這里描述的實施例可以被采用或被連接到適形護套240，適形護套彈性地或通過其他固定附接手段連接到(一個或多個)超聲換能器元件102。換能器元件102相對于護套240固定。護套240可包括護帶、手套等以附接到用戶或患者的身體。護套240被綁定在超聲線纜241上并且與將被供能的超聲控制臺連接。感測組件204通過連接件243耦合到線纜241，或者替代地，可以延伸護套240并且線纜241和組件204可被置于護套240內(nèi)以便它們是相符的并且在操作或程序過程中保持這樣。以這種方式，使用傳感器組件204連同線纜241的位置確定換能器元件102的運動。在參考位置采用光源(未示出)來照射光學傳感器組件204以確定光纖中的應力從而提供線纜241并因而換能器元件102的形狀和位置。本實施例的一個優(yōu)勢是它允許己有換能器或探頭的回顧性適配。參考圖7，可以采用高強度聚焦超聲(HIFU)換能器250，它的獨立元件252可以用多條光纖254 (例如，傳感器組件204)分別追蹤。光纖254包括FBG以確定形狀和位置及以上所描述的。本實施例允許識別多個元件252中每一個的位置(和形狀)，并且允許柔性幾何結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中換能器元件252可定位為使得它們不被骨(如肋骨中)或其他充氣的通道(例如肺或腸)所阻塞。以小于500微米的數(shù)量級的精度監(jiān)視它們的位置的能力允許大約周期的1/3的相位不確定性。以小于250微米的精度，可以獲得適合于附加HIFU相位的相位調(diào)整(phasing)，從而得到加熱組織并因而為患者提供處置的能力。還可以提供其他處置，例如，超聲處置等。、
參考圖8，可包括針、導管等的設備280包括具有光纖110和傳感器122 (圖3、4)的形狀感測組件204。通過超聲對設備280成像。在該實施例中，通過兩條光纖(組件204)或光纖與EM傳感器282的組合來測量設備280和光纖(204)的相對位置。確定設備的位置并計算設備282和超聲換能器284之間的相對角度。如果設備280偏離垂直，預期多數(shù)超聲信號285將反射離開換能器284。然而,信號的一部分將反射向換能器284。通過感測整個長度的設備和換能器的相對取向，可以采用這樣的波束形成技術(shù)，其中波束求和過程中僅包括預期垂直的波道。另外，通過得知設備280的相對位置，可以僅向圖像的一部分施加波束形成，以允許在同一圖像形成中優(yōu)化的“硬反射器”成像和“軟散射器”成像。參考圖9，面片300包括取向為圓形或其他封閉或部分封閉構(gòu)型的光纖。中間帶有聲學窗口的面片300被安置在患者上。來自換能器306所施加的壓力造成的皮膚變形連同 面片300和換能器306 (關于控制臺104或112，圖3)相對位置的知識，將不僅允許空間配準而且允許可重復的施加給患者的壓力(實際是應變)。經(jīng)常需要壓力(或者(一個或多個)換能器306的推動)來獲得最佳聲學路徑并且為患者提供好的聲學耦合。本實施例可以幫助訓練經(jīng)驗較少的操作者，提供在監(jiān)視情形下重新獲得患者的聲學路徑的能力；以及被用在封閉的反饋回路中，例如控制者需要知道用換能器向患者施加多大的壓力的機器人技術(shù)中。應當理解，也在本權(quán)利要求的范圍內(nèi)構(gòu)想了其他構(gòu)造和實施例。本實施例可用于使用拴系到超聲手推車的用于介入性應用的所有超聲成像技術(shù)。參考圖10，示出了追蹤成像設備，例如超聲換能器的位置的方法。在方框402中，提供一種設備。該設備包括被配置用于接收來自控制臺的信號并基于反射波生成圖像的換能器設備。柔性線纜被耦合到換能器設備以從控制臺為換能器設備提供激發(fā)能量，并且至少一條光纖在操作過程中具有對應于線纜的形狀、取向和位置的形狀、取向和位置。也提供與所述至少一條光纖光學通信的多個傳感器。在方框404中，定位換能器設備。在方框406中，所述至少一條光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲對應于線纜的形狀、取向和位置。光纖也經(jīng)歷線纜所經(jīng)歷的偏轉(zhuǎn)和彎曲。利用光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定關于換能器設備的位置信息。傳感器優(yōu)選地包括分布在光纖長度上的多個光纖布拉格光柵，并且使用光纖布拉格光柵測量偏轉(zhuǎn)和彎曲。在替代的實施例中，可以采用不同的光纖和換能器的構(gòu)造來測量不同的參數(shù)。在一個實施例中，所述至少一條光纖包括形成封閉或部分封閉構(gòu)型的多個傳感器并且所述方法包括在所述多個傳感器中安置換能器設備以在方框408中測量由施加到換能器設備的壓力引起的位置變化。在方框410中，可以存儲位置(和/或壓力)信息。位置和壓力信息可與超聲圖像或來自其他技術(shù)的圖像一起存儲。用于解釋所附權(quán)利要求，應當理解a)詞語“包括”并不排除在給定權(quán)利要求中所列出之外的其它元件或動作的存在；b)位于元件前的詞語“一”并不排除多個這樣元件的存在；c)權(quán)利要求中的任何附圖標記并不限制它們的范圍；d)幾種“裝置”可以表示為相同條目或硬件或軟件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和功能；并且e)動作并不意在需要特定的順序除非有特殊說明。在描述了用于利用光學位置感測進行成像和處置的裝置、系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例(其旨在用作圖示性而非限制性)后，可注意到，通過以上教導，本領域技術(shù)人員可以進行修改和變形。因此應該理解，可以對如所附權(quán)利要求中描述并在此處所公開的實施例的范圍內(nèi)公開的公開物的特定實施例進行變化。通過描述了專利法所要求的細節(jié)和特性，在所 附權(quán)利要求中闡明了主張和期望被專利許可證保護的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于確定位置、取向和/或形狀的裝置，包括 換能器設備(102)，其被配置用于接收來自控制臺(104)的信號并基于反射或透射能量生成圖像； 柔性線纜(108)，其被耦合到所述換能器設備以從所述控制臺為所述換能器設備提供激發(fā)能量； 至少一條光纖(110)，其在操作過程中具有對應于所述線纜的形狀和位置的形狀和位置；以及 多個傳感器(122)，其與所述至少一條光纖光學通信，所述傳感器被配置用于測量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定關于所述換能器設備的形狀和位置信息中的至少一個。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述多個傳感器(122)包括分布在所述至少一條光纖的長度上以測量應變的光纖布拉格光柵。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述至少一條光纖包括光纖三聯(lián)體(34)。
4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述換能器設備(210)包括耦合到同一光纖(204)的多個換能器元件(102)，所述同一光纖具有傳感器以確定所述光纖的所述形狀和位置并因而確定所述換能器元件相對于彼此的動態(tài)幾何結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述至少一條光纖(110)包括形成封閉或部分封閉構(gòu)型(300)的多個傳感器(122)，并且所述換能器設備被安置于所述多個傳感器中，以測量由于施加到所述換能器設備的壓力而導致的位置變化。
6.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述換能器設備(102)包括多個換能器元件(252)，每個換能器元件都被耦合到相應的光纖，所述相應的光纖具有傳感器以確定所述光纖的所述形狀和位置。
7.如權(quán)利要求I所述的裝置，還包括護套(240)，所述換能器設備(102)被附接到所述護套，并且其中，所述線纜和所述至少一條光纖沿它們的長度相互耦合，從而在操作過程中所述線纜的所述形狀和位置對應于所述至少一條光纖的所述形狀和位置。
8.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述換能器設備(102)包括耦合到一條或多條光纖的多個換能器元件(252)，所述一條或多條光纖具有傳感器以確定所述光纖的所述形狀和位置，所述換能器元件被配置用于給患者提供處置。
9.一種用于確定位置、取向和/或形狀的裝置，包括 醫(yī)學儀器(280)； 換能器設備(284)，其被配置用于接收來自控制臺(104)的信號并基于反射或透射能量生成圖像； 柔性線纜(241)，其被耦合到所述換能器設備以從所述控制臺為所述換能器設備提供激發(fā)能量； 至少一條光纖(110)，其在程序過程中具有對應于所述醫(yī)學設備的形狀和位置的形狀和位置； 至少一個其他位置感測設備(282)，其用于感測所述醫(yī)學設備相對于所述至少一條光纖的所述形狀和位置；以及 多個傳感器(122)，其與所述至少一條光纖光學通信，所述傳感器被配置用于測量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)和彎曲以及所述至少一個其他位置感測設備在程序過程中確定關于所述醫(yī)學設備的形狀和位置信息中的至少一個。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述多個傳感器(122)包括分布在所述至少一條光纖的長度上以測量應變的光纖布拉格光柵。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一條光纖包括光纖三聯(lián)體(34)。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述至少一個其他位置感測設備(282)包括具有光學傳感器的另一光纖和電磁傳感器中的一個。
13.一種用于追蹤成像或治療設備的一部分的系統(tǒng)，包括 空間分布的光纖布拉格光柵(FBG) (122),其被集成于光纖(110)上并且被設置在柔性線纜(108)內(nèi)； 超聲換能器(102)，其通過所述柔性線纜耦合到超聲控制臺； 光學系統(tǒng)(116)，其被配置用于向所述FBG傳送光并接收來自所述FBG的光，從而測量所述柔性線纜中的所述光纖的偏轉(zhuǎn)； 計算機系統(tǒng)(130)，包括 形狀確定程序(132)，其被配置用于計算與所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)相關的參數(shù)并確定所述柔性線纜的構(gòu)造，從而所述柔性線纜的所述構(gòu)造提供所述超聲換能器的位置。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其中,所述光纖包括光纖三聯(lián)體(34)。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述超聲換能器(102)包括多個換能器元件(210)，所述換能器元件被耦合到同一光纖，所述同一光纖具有傳感器以測量所述光纖的所述位置。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一條光纖(110)包括形成封閉或部分封閉的構(gòu)型(300)的多個傳感器(122)，并且所述換能器設備被安置于所述多個傳感器中，以測量由于施加到所述換能器設備上的壓力而導致的位置變化。
17.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述超聲換能器(102)包括多個換能器元件(252)，每個換能器元件都被耦合到相應的光纖，所述相應的光纖具有傳感器以確定所述光纖的所述位置。
18.一種用于追蹤成像設備的位置的方法，包括 提供(402)被配置用于接收來自控制臺的信號并基于反射波生成圖像的換能器設備、被耦合到所述換能器設備以從所述控制臺為所述換能器設備提供激發(fā)能量的柔性線纜、和在操作過程中具有對應于所述線纜的形狀和位置的形狀和位置的至少一條光纖、以及與所述至少一條光纖光學通信的多個傳感器； 定位(404)所述換能器設備；以及 測量(406)對應于所述線纜的所述形狀和位置的所述至少一條光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定關于所述換能器元件的形狀和位置信息。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述傳感器(122)包括多個光纖布拉格光柵，所述多個光纖布拉格光柵分布于所述光纖的長度上并且還包括使用所述光纖布拉格光柵測量偏轉(zhuǎn)和彎曲。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述傳感器設備(102)包括耦合到同一光纖的多個換能器元件，所述同一光纖具有傳感器以確定所述光纖的所述位置。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述至少一條光纖包括形成封閉或部分封閉構(gòu)型(300)的多個傳感器，并且所述方法包括在所述多個傳感器中安置(408)所述換能器設備，以測量由施加到所述換能器設備上的壓力導致的位置變化。
全文摘要
一種用于確定位置的裝置、系統(tǒng)和方法，其包括被配置用于接收來自控制臺(104)的信號并基于反射波生成圖像的換能器設備(102)。柔性線纜(108)被耦合到所述換能器設備以從所述控制臺為換能器設備提供激發(fā)能量。光纖(110)在操作過程中具有對應于所述線纜的形狀和位置的形狀和位置。多個傳感器(122)與所述光纖光學通信。所述傳感器被配置用于測量所述光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲，從而利用所述光纖的所述偏轉(zhuǎn)和彎曲來確定有關所述換能器設備的位置信息。
文檔編號A61B5/06GK102753092SQ201180008660
公開日2012年10月24日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者A·E·德雅爾丹, C·S·霍爾, G·T·霍夫特, G·謝克特, R·陳 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司