用于設(shè)備感知柔性工具配準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本文描述的是一種確定設(shè)備在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的精確定位的方法。在一方面，所述方法包括根據(jù)描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)生成至少一個(gè)解剖通道的第一模型，確定被安置在患者解剖結(jié)構(gòu)的分支解剖通道內(nèi)的設(shè)備的形狀，所述設(shè)備包括多個(gè)部段，所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段具有不同的物理性質(zhì)，針對(duì)所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段計(jì)算一組變形力，以及通過基于所確定的所述設(shè)備的形狀和針對(duì)所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的所述組變形力調(diào)節(jié)第一模型，生成被安置在所述多個(gè)分支解剖通道內(nèi)的所述設(shè)備的第二模型。
【專利說明】
用于設(shè)備感知柔性工具配準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開涉及用于在醫(yī)療程序期間追蹤在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及用于使用形狀傳感器和/或位置傳感器來有效地追蹤在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)意在減少在醫(yī)療程序期間受損的組織的量，從而減少患者恢復(fù)時(shí)間、不適和有害副作用。此類微創(chuàng)技術(shù)可以通過在患者解剖結(jié)構(gòu)中的自然孔口或通過一個(gè)或多個(gè)手術(shù)切口來執(zhí)行。臨床醫(yī)生可以將醫(yī)療工具插入通過這些自然孔口或切口從而到達(dá)目標(biāo)組織部位。醫(yī)療工具包括器械，諸如治療器械、診斷器械和手術(shù)器械。為了到達(dá)目標(biāo)組織部位，微創(chuàng)醫(yī)療工具可以在解剖系統(tǒng)(諸如肺、結(jié)腸、腸、腎、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等等)中的自然通道或手術(shù)創(chuàng)建的通道導(dǎo)航(navigate)。
[0003]微創(chuàng)手術(shù)程序通常依靠某種器械位置監(jiān)控來確保至目標(biāo)組織部位的適當(dāng)?shù)目杉靶院驮谀繕?biāo)組織部位處的行為。常規(guī)微創(chuàng)手術(shù)器械通常由剛性的、細(xì)長(zhǎng)元件(例如，腹腔鏡系統(tǒng)或遙操作系統(tǒng))形成或由被設(shè)計(jì)成沿著預(yù)定的解剖路徑(例如，血管成形術(shù)球囊導(dǎo)管)的高度柔性的系統(tǒng)形成。不論哪種情況，位置監(jiān)控通常涉及器械的獨(dú)立部件部分(discreteport1n)(例如，導(dǎo)管的遠(yuǎn)側(cè)尖端)的局部追蹤。除了在尖端前進(jìn)的熒光鏡(屏)檢查可視化期間，偶然感測(cè)剩余長(zhǎng)度被示出的程度外，剩余的導(dǎo)絲/導(dǎo)管長(zhǎng)度不能被主動(dòng)地監(jiān)控。
[0004]然而，為了安全和有效使用，越來越復(fù)雜的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)會(huì)要求增強(qiáng)的器械位置監(jiān)控。導(dǎo)航輔助系統(tǒng)幫助臨床醫(yī)生為手術(shù)器械規(guī)定路線(route)且避免對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的損害。這些系統(tǒng)能夠并入形狀傳感器的使用從而更加精確地描述手術(shù)器械在真實(shí)空間中或相對(duì)于預(yù)定程序或同步影像的形狀、位姿和部位。在動(dòng)態(tài)解剖系統(tǒng)和/或在密集有很多解剖通道的解剖區(qū)域，將微創(chuàng)器械精確地配準(zhǔn)(registering)到解剖系統(tǒng)是費(fèi)時(shí)的且處理密集的任務(wù)。需要改進(jìn)的系統(tǒng)和方法用于增加將微創(chuàng)器械配準(zhǔn)到解剖系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法的精確度和效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一方面，本公開描述了一種確定設(shè)備在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的精確定位的方法。所述方法包括根據(jù)描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)生成至少一個(gè)解剖通道的第一模型。在一方面，方法包括確定被安置在患者解剖結(jié)構(gòu)的分支解剖通道內(nèi)的設(shè)備的形狀，所述設(shè)備包括多個(gè)部段，多個(gè)部段中的每個(gè)部段具有不同的物理性質(zhì)，以及針對(duì)所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段計(jì)算一組變形力。在一方面，所述方法包括通過基于所確定的所述設(shè)備的形狀和針對(duì)所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的所述組變形力調(diào)節(jié)第一模型，生成被安置在所述多個(gè)分支解剖通道內(nèi)的所述設(shè)備的第二模型。
[0006]在另一方面，本公開描述了一種醫(yī)療系統(tǒng)，其包括柔性設(shè)備，所述柔性設(shè)備包括形狀傳感器、存儲(chǔ)器(memory)和非暫時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。在一方面，存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)，并且非暫時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)能夠包含用于將所述柔性設(shè)備配準(zhǔn)到描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。在一方面，計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令包括:用于根據(jù)描述患者解剖結(jié)構(gòu)的所存儲(chǔ)的解剖數(shù)據(jù)來生成多個(gè)分支解剖通道的第一模型的指令；用于接收來自形狀傳感器的信息以確定被安置在所述多個(gè)分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的設(shè)備的形狀的指令，所述設(shè)備包括多個(gè)部段，所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段具有不同的物理性質(zhì)；用于針對(duì)所述設(shè)備的多個(gè)不同部段的每個(gè)部段計(jì)算一組變形力的指令;和/或用于通過基于所確定的所述設(shè)備的形狀和針對(duì)所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的所述組變形力調(diào)節(jié)第一模型，生成被安置在所述多個(gè)分支解剖通道內(nèi)的所述設(shè)備的第二模型的指令。
【附圖說明】
[0007]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)以下【具體實(shí)施方式】能夠最好地理解本公開的各個(gè)方面。要強(qiáng)調(diào)是，根據(jù)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)慣例，各種特征沒有按比例繪制。實(shí)際上，為了清晰的論述，各種特征的尺寸可以任意地增加或減小。另外，本公開可以重復(fù)各種示例中的參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)要且清晰的目的，而其本身不是為了指示所論述的各種實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。
圖1是根據(jù)本公開的實(shí)施例的遙操作醫(yī)療系統(tǒng)。
圖2圖示說明了利用本公開的各方面的醫(yī)療器械系統(tǒng)。
圖3A是與明顯被安置在解剖通道外部的微創(chuàng)器械的影像配準(zhǔn)的人肺的影像。
圖3B是與明顯被安置在不正確的解剖通道內(nèi)的微創(chuàng)器械的影像配準(zhǔn)的人肺的影像。
圖3C是人肺的內(nèi)部影像，其描繪了從微創(chuàng)器械的視角來看的人肺的區(qū)域。
圖4A是帶有導(dǎo)管的肺的支氣管通道的模型的圖示。
圖4B是基于由導(dǎo)管施加的變形力而調(diào)節(jié)圖4A的模型的圖示。
圖5A圖示說明了支氣管通道的未變形模型和導(dǎo)管的檢測(cè)模型的合成影像。
圖5B-5D圖示說明了支氣管通道的各種變形的模型合成影像，其示出導(dǎo)管推進(jìn)到不同的通道。
圖6是與表示可能包含導(dǎo)管的兩種可能通道的兩種不同模型相比較，在圖5A-f5D中示出的導(dǎo)管的感測(cè)模型的簡(jiǎn)圖。
圖7A圖示說明了支氣管通道的未變形模型和導(dǎo)管的檢測(cè)模型的合成影像。
圖7B-7D圖示說明了隨著導(dǎo)管的推進(jìn)而調(diào)節(jié)的支氣管通道的模型的合成影像。
圖8圖示說明了支氣管通道的變形模型和在圖7A-7D中示出的導(dǎo)管的合成影像。
圖9是流程圖，其圖示說明了用于基于導(dǎo)管的形狀、由導(dǎo)管的不同部段所施加的可變形力和通道的恢復(fù)力來使解剖通道的模型變形的方法。
圖10是處于呼氣狀態(tài)和吸氣狀態(tài)的肺的支氣管通道的模型的圖示。
圖11是流程圖，其圖示說明了使支氣管通道的模型變形來用于吸氣狀態(tài)和呼氣狀態(tài)的方法。
圖12包括根據(jù)本公開的另一實(shí)施例的解剖通道的模型的圖示。
圖13是用于匹配圖12的模型的直方圖(histogram)。
圖14圖示說明了用于確定轉(zhuǎn)換的點(diǎn)集。
【具體實(shí)施方式】
[0008]為了促進(jìn)對(duì)本公開的原理的理解，現(xiàn)將會(huì)參考在附圖中圖示說明的實(shí)施例，且將會(huì)用特定的語(yǔ)言描述在附圖中圖示說明的實(shí)施例。不過應(yīng)當(dāng)理解不意在限制本公開的范圍。在以下的本發(fā)明的各方面的詳細(xì)描述中，闡述很多具體細(xì)節(jié)是為了提供對(duì)所公開實(shí)施例的通徹理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的是在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下，也可以實(shí)行本公開的實(shí)施例。在其他情況下，沒有具體地描述熟知的方法、程序、部件和電路(circuits)，以便不會(huì)不必要的模糊本發(fā)明實(shí)施例的各方面。
[0009]對(duì)本公開的所描述的設(shè)備、器械、方法以及原理的任何進(jìn)一步應(yīng)用的任何變更和進(jìn)一步修改完全如本公開所涉及到的本領(lǐng)域技術(shù)人員通常所想到的預(yù)期那樣。具體地，關(guān)于本公開的一個(gè)實(shí)施例所描述的特征、部件和/或步驟可以結(jié)合本關(guān)于本公開的其他實(shí)施例所描述的特征、部件和/或步驟，這是完全能預(yù)期到的。此外，本文所提供的尺寸針對(duì)具體示例，且可以預(yù)期的是，不同的大小、尺寸和/或比例可以用于實(shí)施本公開的概念。為了避免不必要的描述性重復(fù)，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例所描述的一個(gè)或多個(gè)部件或動(dòng)作(act1n)能夠適用于其他示例性實(shí)施例或從其他示例性實(shí)施例中省略。為了簡(jiǎn)潔起見，將不會(huì)單獨(dú)描述這些組合的很多重復(fù)。為了簡(jiǎn)潔，在一些情況下，全部附圖使用相同的參考數(shù)字來指相同的或類似的部分。
[0009]下面的實(shí)施例將會(huì)按照各種器械和的各部分器械在三維空間的狀態(tài)來描述它們。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“位置”指的是物體或物體的一部分在三維空間中的部位(例如，沿笛卡爾X、Y、Z坐標(biāo)的三個(gè)平移自由度)。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“取向”指的是物體或物體的一部分的旋轉(zhuǎn)位移(三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度-即，滾動(dòng)、俯仰和偏轉(zhuǎn))。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“位姿”指的是物體或物體的一部分在至少一個(gè)平移自由度中的位置和該物體或物體的該部分在至少一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度中的取向(多達(dá)共六個(gè)自由度)。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“形狀”指的是沿物體所測(cè)量的一組位姿、位置或取向。
[0010]參照附圖的圖1，通常用參考數(shù)字100指示使用在例如包括診斷、治療或手術(shù)程序的醫(yī)療程序中的遙操作醫(yī)療系統(tǒng)。如將會(huì)描述的，本公開的遙操作醫(yī)療系統(tǒng)處于外科醫(yī)生的遙操作控制下。在替代實(shí)施例中，遙操作醫(yī)療系統(tǒng)可以處于被編程來執(zhí)行程序或子程序的計(jì)算機(jī)的部分控制下。在又一些替代實(shí)施例中，在被編程來執(zhí)行程序或子程序的計(jì)算機(jī)的完全控制下的完全自動(dòng)的醫(yī)療系統(tǒng)可以用于執(zhí)行程序或子程序。
[0011]如圖1所示，遙操作系統(tǒng)100通常包括遙操作組件102，遙操作組件102用于在患者P上執(zhí)行各種程序中操作醫(yī)療器械系統(tǒng)104。組件102被安裝至手術(shù)臺(tái)O或被安裝在手術(shù)臺(tái)O附近，患者P被安置在手術(shù)臺(tái)O上。醫(yī)療器械系統(tǒng)104可操作地耦接至遙操作組件102。操作者輸入系統(tǒng)106允許外科醫(yī)生或其他類型的臨床醫(yī)生S觀察手術(shù)部位的影像或觀察表示手術(shù)部位的影像且控制醫(yī)療器械系統(tǒng)104的操作。
[0012]在替代實(shí)施例中，遙操作系統(tǒng)可以包括多于一個(gè)操縱器組件。操縱器組件的確切數(shù)量將取決于手術(shù)程序和在手術(shù)室內(nèi)的空間限制等其他因素。操作者輸入系統(tǒng)106可以定位在外科醫(yī)生的控制臺(tái)C處，控制臺(tái)C通常定位在和手術(shù)臺(tái)O相同的室內(nèi)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，夕卜科醫(yī)生S能夠位于不同的室內(nèi)或與患者P完全不同的建筑物內(nèi)。操作者輸入系統(tǒng)106通常包括用于控制醫(yī)療器械系統(tǒng)104的一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備112。一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備112可以包括任何數(shù)量的多個(gè)輸入設(shè)備(諸如，把手、操縱桿、追蹤球、數(shù)據(jù)手套、觸發(fā)槍、手動(dòng)控制器、語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備、觸摸屏、身體運(yùn)動(dòng)或存在傳感器等)中的一個(gè)或多個(gè)。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備112將被提供有和遙操作組件的醫(yī)療器械同樣的自由度以便提供給外科醫(yī)生以臨場(chǎng)感(telepresence )、一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備與器械集成的感知，從而使得外科醫(yī)生具有好像置身在手術(shù)部位處直接控制器械的強(qiáng)烈感覺。在其他實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備112可以具有比相關(guān)聯(lián)的醫(yī)療器械更多或更少的自由度并且依然提供外科醫(yī)生以臨場(chǎng)感。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備112是手動(dòng)輸入設(shè)備，其以六個(gè)自由度移動(dòng)，并且其也可以包括可致動(dòng)手柄用致動(dòng)器械(例如，用于關(guān)閉抓緊的鉗頭(jaws)、施加電勢(shì)至電極、遞送醫(yī)療治療件等)。
[0013]遙操作組件102支撐醫(yī)療器械系統(tǒng)104并且可以包括一個(gè)或多個(gè)非伺服控制的鏈接(例如，可以被手動(dòng)安置且鎖定在合適位置的一個(gè)或多個(gè)鏈接，通常指的是設(shè)置結(jié)構(gòu))的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)以及遙操作操縱器。遙操作組件102包括響應(yīng)于來自控制系統(tǒng)(例如，控制系統(tǒng)116)的命令來驅(qū)動(dòng)在醫(yī)療器械系統(tǒng)104上的輸入的多個(gè)致動(dòng)器或馬達(dá)。馬達(dá)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被耦接至醫(yī)療器械系統(tǒng)104時(shí)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以將醫(yī)療器械推進(jìn)到自然地或手術(shù)地創(chuàng)建的解剖孔口。其他機(jī)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在多個(gè)自由度中移動(dòng)醫(yī)療器械的遠(yuǎn)側(cè)端，多個(gè)自由度可以包括三個(gè)線性運(yùn)動(dòng)自由度(即，沿X、Y、Z笛卡爾坐標(biāo)軸的線性運(yùn)動(dòng))和在三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度(即，繞X、Y、Z笛卡爾坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng))。此外，馬達(dá)能夠被用來致動(dòng)用于抓取在活檢設(shè)備的鉗頭中的組織等的器械的可鉸接的末端執(zhí)行器。
[0014]遙操作醫(yī)療系統(tǒng)100也包括帶有用于接收關(guān)于遙操作組件的器械的信息的一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)108。此類子系統(tǒng)可以包括位置傳感器系統(tǒng)(例如，電磁(EM)傳感器系統(tǒng))；形狀傳感器系統(tǒng)，其用于確定導(dǎo)管尖端的和/或沿著器械系統(tǒng)104的柔性本體的一個(gè)或多個(gè)部段的位置、取向、速率、速度、位姿和/或形狀;和/或可視化系統(tǒng)110，其用于捕獲來自導(dǎo)管系統(tǒng)的遠(yuǎn)側(cè)端的影像。
[0015]可視化系統(tǒng)110可以包括觀察范圍組件(在下面更加詳細(xì)的描述的)，使得手術(shù)部位的同步或?qū)崟r(shí)影像被提供至外科醫(yī)生控制臺(tái)C。同步影像可以是，例如由安置在手術(shù)部位的內(nèi)窺鏡捕獲的二維或三維影像。在這個(gè)實(shí)施例中，可視化系統(tǒng)100包括內(nèi)窺鏡部件，該內(nèi)窺鏡部件可以被集成至和/或可以被可移除地耦接至醫(yī)療器械104。然而，在替代實(shí)施例中，附接至分離的操作器組件的分離的內(nèi)窺鏡可以與手術(shù)器械一起使用來成像手術(shù)部位。該可視化系統(tǒng)110可以被實(shí)施作為與一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器交互的或由一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器以其他方式執(zhí)行的硬件、固件、軟件或其組合，該一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器可以包括控制系統(tǒng)116(以下所描述的)的處理器。
[0016]遙操作醫(yī)療系統(tǒng)100也包括顯示系統(tǒng)111，其用于顯示由傳感器系統(tǒng)108的子系統(tǒng)生成的手術(shù)部位和一個(gè)或多個(gè)醫(yī)療器械系統(tǒng)104的影像或表示。顯示器111和操作者輸入系統(tǒng)106可以被定向，因此操作者能夠利用臨場(chǎng)感的感知控制醫(yī)療器械系統(tǒng)104和操作者輸入系統(tǒng)106。
[0017]顯示系統(tǒng)111也可以顯示由可視化系統(tǒng)110捕獲的手術(shù)部位和手術(shù)器械的影像。顯示器111和控制設(shè)備112可以被取向，使得在范圍組件中的成像設(shè)備以及手術(shù)器械的相對(duì)位置類似于外科醫(yī)生的眼睛和手的相對(duì)位置，因此，操作者能夠仿佛在基本真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)中觀察工作空間一樣操縱手術(shù)器械104和手控制。通過真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)，即意味著，影像的呈現(xiàn)是模擬物理地操縱器械104的操作者的視角的真實(shí)透視影像。
[0018]替代地或附加地，顯示器111可以呈現(xiàn)使用成像技術(shù)(諸如計(jì)算機(jī)層析術(shù)(CT)、核磁共振成像(MRI)、熒光鏡透視屏檢查、熱像圖、超聲、光學(xué)相干斷層成像術(shù)(OTC)、熱成像、阻抗成像、激光成像或納米管X-射線成像)記錄的和/或術(shù)前建模的手術(shù)部位的影像。所呈現(xiàn)的術(shù)前影像可以包括二維、三維或四維影像。所呈現(xiàn)的術(shù)前或術(shù)中影像可以包括二維、三維或四維(S卩，基于時(shí)間或基于速度的信息)影像和用于再現(xiàn)影像的相關(guān)的影像數(shù)據(jù)集。
[0019]在一些實(shí)施例中，顯示器111可以顯示虛擬導(dǎo)航影像，醫(yī)療器械104的實(shí)際位置在該虛擬導(dǎo)航影像中與術(shù)前或同步影像配準(zhǔn)(即，動(dòng)態(tài)地參照)來呈現(xiàn)給外科醫(yī)生S以在器械104的尖端的部位處的內(nèi)部手術(shù)部位的虛擬影像。器械104的尖端的影像或其他圖形或字母指示器可以被疊合在虛擬影像上來輔助外科醫(yī)生控制手術(shù)器械。替代地，器械104可以在虛擬影像中不可見。
[0020]在其他實(shí)施例中，顯示器111可以顯示虛擬導(dǎo)航影像，手術(shù)器械的實(shí)際位置在該虛擬導(dǎo)航影像中與術(shù)前或同步影像配準(zhǔn)來呈獻(xiàn)給外科醫(yī)生S以從外部視角來看在手術(shù)部位內(nèi)的手術(shù)器械的虛擬影像。手術(shù)器械的一部分的影像或其他圖形或字母指示器可以被疊合在虛擬影像上來輔助外科醫(yī)生控制器械104。
[0021]遙操作醫(yī)療系統(tǒng)100也包括控制系統(tǒng)112?？刂葡到y(tǒng)112包括至少一個(gè)存儲(chǔ)器和至少一個(gè)處理器(未示出)，且通常是多個(gè)處理器，其用于實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械系統(tǒng)104、操作者輸入系統(tǒng)106、傳感器系統(tǒng)108和顯示系統(tǒng)110之間的控制?？刂葡到y(tǒng)112也包括編程的指令(例如，存儲(chǔ)指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì))以根據(jù)本文所公開的各方面來實(shí)施所描述的方法中的一些或全部。雖然控制系統(tǒng)112在圖1的簡(jiǎn)化視圖中被示出為單一的塊，但是系統(tǒng)可以包括兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)處理電路，其中所述處理的一個(gè)部分在遙操作組件102上或鄰近遙操作組件可102可選地被執(zhí)行，所述處理的另一個(gè)部分在操作者輸入系統(tǒng)106處被執(zhí)行，等等?？梢圆捎枚喾N集中式或分布式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)中任一種。類似地，編程的指令可以被實(shí)施為若干的單獨(dú)的程序或子程序，或者他們可以被集成至本文所描述的遙操作系統(tǒng)的若干其他方面。在一個(gè)實(shí)施例中，控制系統(tǒng)112支持無線通信協(xié)議，諸如，藍(lán)牙、紅外數(shù)據(jù)通訊、家庭無線射頻、IEEE 802.11、數(shù)字增強(qiáng)無繩通訊(DECT)、和無線遙測(cè)。
[0022]在一些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)伺服控制器，該一個(gè)或多個(gè)伺服控制器接收來自醫(yī)療器械系統(tǒng)104的力和/或扭矩反饋。響應(yīng)于所述反饋，伺服控制器將信號(hào)傳輸至操作者輸入系統(tǒng)106。一個(gè)或多個(gè)伺服控制器也可以傳輸指導(dǎo)遙操作組件102移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)醫(yī)療器械系統(tǒng)104的信號(hào)，醫(yī)療器械系統(tǒng)104經(jīng)由在身體中的開口延伸進(jìn)入到患者體內(nèi)的內(nèi)部手術(shù)部位處。可以使用任何合適的常規(guī)或?qū)Ｓ玫乃欧刂破?。伺服控制器可以與遙操作組件102分離或與遙操作組件102集成。在一些實(shí)施例中，伺服控制器和遙操作組件被提供作為鄰近患者身體安置的遙操作臂推車的一部分。
[0023]控制系統(tǒng)還112可以進(jìn)一步包括虛擬可視化系統(tǒng)以為一個(gè)或多個(gè)醫(yī)療器械系統(tǒng)104提供導(dǎo)航協(xié)助。使用虛擬可視化系統(tǒng)的虛擬導(dǎo)航基于參考所獲得與解剖通道的三維結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)集。更具體地，虛擬可視化系統(tǒng)處理使用成像技術(shù)(諸如計(jì)算機(jī)層析術(shù)(CT)、核磁共振成像(MRI)、熒光鏡透視屏檢查、熱像圖、超聲、光學(xué)相干斷層成像術(shù)(OTC)、熱成像、阻抗成像、激光成像或納米管X-射線成像等)成像的手術(shù)部位的影像。使用軟件將所記錄的影像轉(zhuǎn)化成一部分或整個(gè)解剖器官或解剖區(qū)域的二維或三維復(fù)合表象。圖案數(shù)據(jù)集與復(fù)合表象相關(guān)聯(lián)。復(fù)合表象和影像數(shù)據(jù)集描述通道的各種位置形狀以及它們的連通性。用來生成復(fù)合表象的影像可以在臨床程序期間在術(shù)前或術(shù)中被記錄下來。在替代實(shí)施例中，虛擬可視化系統(tǒng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)表象(即，不是具體患者)或標(biāo)準(zhǔn)表象的合成和患者具體數(shù)據(jù)。復(fù)合表象和通過復(fù)合表象生成的虛擬影像可以呈現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)(例如，在肺的吸氣/呼氣周期之間)的一個(gè)或多個(gè)階段期間的可變形解剖區(qū)域的靜態(tài)位姿。
[0024]在虛擬導(dǎo)航程序期間，傳感器系統(tǒng)108可用于計(jì)算器械相對(duì)于患者解剖結(jié)構(gòu)的大概位置。該部位能夠用于產(chǎn)生患者解剖結(jié)構(gòu)的宏觀水平追蹤影像和患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬內(nèi)部影像二者。用于利用術(shù)前所記錄的手術(shù)影像(諸如，來自虛擬可視化系統(tǒng)中的那些)使用光纖傳感器來配準(zhǔn)且顯示醫(yī)療實(shí)施的各種系統(tǒng)是已知的。例如，美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/107，562(2011年5月13日提交的)(公開“提供用于影像導(dǎo)引手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)的模型的動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)的醫(yī)療系統(tǒng)”)公開了一個(gè)這樣的系統(tǒng)，其全文通過引用被并入本文。
[0025]遙操作醫(yī)療系統(tǒng)100還可以包括可選操作和支持系統(tǒng)(未示出)，諸如照明系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、和/或抽吸系統(tǒng)。在替代實(shí)施例中，遙操作系統(tǒng)可以包括多于一個(gè)遙操作組件和/或多于一個(gè)操作者輸入系統(tǒng)。操縱器組件的具體數(shù)量將取決于手術(shù)程序和在手術(shù)室內(nèi)的空間限制等其他因素。操作者輸入系統(tǒng)可以被放置在一起或它們可以被安置在分開的部位。多操作者輸入系統(tǒng)允許多于一個(gè)操作者來控制在各種組合中的一個(gè)或多個(gè)操作組件。
[0026]圖2圖示說明了追蹤器械系統(tǒng)118，追蹤器械系統(tǒng)118包括醫(yī)療器械系統(tǒng)104和它的接口系統(tǒng)。醫(yī)療器械系統(tǒng)104包括通過接口 122被耦接至遙操作組件102和可視化系統(tǒng)110的柔性器械120。器械120具有柔性本體124、在遠(yuǎn)側(cè)端128的尖端126和在近側(cè)端130的接口122。本體124容納在接口 122和尖端126之間延伸的電纜、鏈接或其他操縱控制件(未示出)，從而可控制地彎曲或轉(zhuǎn)動(dòng)尖端，如用于通過彎曲尖端126的虛線版本的示例所示出的那樣，且在一些實(shí)施例中用于控制可選的末端執(zhí)行器132。柔性器械可以是可操縱的(包括先前所述的操縱控制件)或可以是不可操縱的，其中沒有用于器械彎曲的操作者控制的集成的機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器可以是針對(duì)醫(yī)療功能(例如，用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組織的預(yù)定的治療)可操縱的工作遠(yuǎn)側(cè)零件。舉例來說，一些末端執(zhí)行器具有單個(gè)工作構(gòu)件，諸如手術(shù)刀、刀片、內(nèi)窺鏡或電極。諸如在圖2的實(shí)施例中示出的其他末端執(zhí)行器具有一對(duì)或多個(gè)工作構(gòu)件，諸如鉗子、抓緊器、剪刀或施夾器，例如。電激活的末端執(zhí)行器的示例包括電外科電極、換能器、傳感器等。末端執(zhí)行器也可以包括導(dǎo)管，以傳送液體、氣體或固體來執(zhí)行例如，抽吸、吹入、沖洗、需要液體遞送的治療、附件引入、活檢提取等。在其他實(shí)施例中，柔性本體124能夠限定一個(gè)或多個(gè)管腔，手術(shù)器械通過所述一個(gè)或多個(gè)管腔能夠被布置在目標(biāo)手術(shù)位置處且能夠在目標(biāo)手術(shù)位置處被使用。在各種實(shí)施例中，器械120可以包括柔性支氣管器械，諸如，用于在肺的檢查、診斷、活檢或治療中使用的支氣管窺鏡或支氣管導(dǎo)管。柔性本體也適用于在包括結(jié)腸、腸、腎、大腦、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等的多種解剖系統(tǒng)中的任一種中經(jīng)由自然地或手術(shù)創(chuàng)建的連接通道導(dǎo)航和治療。
[0027]器械120也能夠包括影像捕獲元件134，影像捕獲元件134可以包括被布置在遠(yuǎn)側(cè)端128處的用于捕獲影像的立體或單視場(chǎng)相機(jī)，所述影像被傳輸至可視化系統(tǒng)110且通過可視化系統(tǒng)110處理所述影像以用于通過顯示系統(tǒng)111顯示。替代地，影像捕獲元件134可以是耦接到在器械120的近側(cè)端上的成像和處理系統(tǒng)的相干光導(dǎo)纖維束，諸如纖維鏡。影像捕獲元件134可以是用于捕獲在可見光譜或紅外線光譜/紫外線光譜中的影像數(shù)據(jù)的單或多光
L曰O
[0028]在描繪的實(shí)施例中，追蹤系統(tǒng)135包括電磁(EM)傳感器系統(tǒng)136和形狀傳感器系統(tǒng)138，形狀傳感器系統(tǒng)138用于確定遠(yuǎn)側(cè)端128和沿器械120的一個(gè)或多個(gè)部段137的位置、取向、速率、位姿和/或形狀。雖然在圖2中只描繪了一組說明性部段137，但是在遠(yuǎn)側(cè)端128和近側(cè)端130(且包括尖端126)之間的器械120的整個(gè)長(zhǎng)度可以被有效地劃分為部段。追蹤系統(tǒng)135可以被實(shí)施為與一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器交互的或由一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器以其他方式執(zhí)行的硬件、固件、軟件或其組合，該一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器可以包括控制系統(tǒng)116(以下所描述的)的處理器。
[0029]電磁傳感器系統(tǒng)136包括可以受制于外部生成的電磁場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電線圈。那么電磁傳感器系統(tǒng)136的每個(gè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)的電信號(hào)，所述電信號(hào)具有取決于線圈相對(duì)于外部生成的電磁場(chǎng)的位置和取向的特性。在一個(gè)實(shí)施例中，電磁傳感器系統(tǒng)可以被構(gòu)造成且被安置成用來測(cè)量六個(gè)自由度，即，三個(gè)位置坐標(biāo)軸X、Y、Z和指示基點(diǎn)的俯仰、偏轉(zhuǎn)和滾動(dòng)的三個(gè)取向角度。在1999年8月11日提交的美國(guó)專利N0.6，380，732提供了電磁傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步描述，其公開了 “具有在被追蹤的物體上的被動(dòng)式轉(zhuǎn)發(fā)器的六自由度追蹤系統(tǒng)”，其全文通過引用被并入本文。
[0030]傳感器系統(tǒng)138包括與柔性本體124對(duì)齊的光導(dǎo)纖維140(例如，被提供在內(nèi)部通道內(nèi)(未示出)或被安裝在外部)。追蹤系統(tǒng)135被耦接至光導(dǎo)纖維140的近側(cè)端。在這個(gè)實(shí)施例中，纖維140具有大約200微米的直徑。在其他實(shí)施例中，尺寸可以更大或更小。
[0031]光導(dǎo)纖維140形成了用于確定器械120的形狀的光導(dǎo)纖維彎曲傳感器。在一個(gè)替代中，包括光纖光柵(FBG)的光導(dǎo)纖維用于提供處于一個(gè)或多個(gè)維度中的在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變測(cè)量。2005年7月13日提交的公開了“光導(dǎo)纖維位置和形狀感測(cè)設(shè)備及與其相關(guān)的方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)Νο.11/180，389、2004年7月16日提交的公開了 “光導(dǎo)纖維形狀和相對(duì)位置感測(cè)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.60/588，336和1998年6月17日提交的公開了 “光導(dǎo)纖維彎曲傳感器”的美國(guó)專利N0.6389187描述了用于檢測(cè)光導(dǎo)纖維在三個(gè)維度中的形狀和相對(duì)位置的各種系統(tǒng)和方法，上述申請(qǐng)全文通過引用被并入本文。在另一些實(shí)施例中，采用其他應(yīng)變感測(cè)技術(shù)(諸如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射和熒光散射)的傳感器可以是合適的。
[0032]在其他替代實(shí)施例中，使用其他技術(shù)可以確定器械120的形狀。例如，如果器械尖端的位姿的歷史被儲(chǔ)存達(dá)比用于更新顯示或用于交替運(yùn)動(dòng)(例如，吸氣和呼氣)的時(shí)期要短的時(shí)段，那么位姿歷史能夠用于在該段時(shí)段重建設(shè)備的形狀。作為另一個(gè)示例，歷史位姿、位置或取向數(shù)據(jù)可以針對(duì)器械沿交替運(yùn)動(dòng)(諸如呼吸)的周期的器械的已知點(diǎn)被存儲(chǔ)。這個(gè)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以用于開發(fā)關(guān)于器械的形狀信息。替代地，一系列沿器械安置的位置傳感器(諸如電磁傳感器)能夠用于形狀感測(cè)。替代地，在程序期間來自在器械上的位置傳感器(諸如，電磁傳感器)的數(shù)據(jù)的歷史可以用于呈現(xiàn)器械的形狀，尤其如果解剖通道是大體靜態(tài)的。替代地，帶有位置或取向通過外部磁場(chǎng)控制的無線設(shè)備可以用于形狀感測(cè)。它的位置的歷史可以用于確定用于導(dǎo)航通道的形狀。
[0033]在該實(shí)施例中，光導(dǎo)纖維140可以包括在單個(gè)包層(cladding)146內(nèi)的多個(gè)核心。每個(gè)核心可以是具有足夠的距離的單模并且包層隔開核心，使得在每個(gè)核心中的光不與攜帶在其他核心中的光顯著地相互作用。在另一些實(shí)施例中，核心的數(shù)量可以變化或每個(gè)核心可以被包含在隔離的光導(dǎo)纖維中。
[0034]在一些實(shí)施例中，在每個(gè)核心中提供一排FBG。每個(gè)FBG包括核心的折射率的一系列調(diào)制，以便生成在折射率方面的空間周期性?？梢赃x擇間隔，使得來自每個(gè)折射率變化的部分反射前后一致地增加波長(zhǎng)的窄頻帶，并且因此當(dāng)穿過寬得多的頻帶時(shí)僅反射波長(zhǎng)的這個(gè)窄頻帶。在FBG的制備期間，調(diào)制按已知的距離間隔，因此產(chǎn)生波長(zhǎng)的已知頻帶的反射。然而，當(dāng)應(yīng)變?cè)诶w維核心上感應(yīng)時(shí)，調(diào)制的間隔將根據(jù)在核心的應(yīng)變的量改變。替代地，隨著光導(dǎo)纖維的彎曲變化的反向散射或其他光學(xué)現(xiàn)象能夠用于確定在每個(gè)核心內(nèi)的應(yīng)變。
[0035]因此，為了測(cè)量應(yīng)變，從纖維向下發(fā)送光，且測(cè)量返回光的特性。例如，光纖光柵產(chǎn)生反射波長(zhǎng)，該反射波長(zhǎng)是纖維上的應(yīng)變和其溫度的函數(shù)。這個(gè)光纖光柵技術(shù)是可以從很多來源能從市場(chǎng)上買到的，諸如，英國(guó)的布拉克爾智能纖維公司。2006年7月20日提交的美國(guó)專利N0.7，930，065描述了用于遙操作手術(shù)的光纖光柵技術(shù)在位置傳感器中的使用，其公開了 “包括使用光纖光柵的位置傳感器的遙操作手術(shù)系統(tǒng)”，其全文通過引用被并入本文。
[0036]當(dāng)被施加至多核心纖維時(shí)，光導(dǎo)纖維的彎曲引起在核心上的應(yīng)變，能夠通過監(jiān)控在每個(gè)核心中的波長(zhǎng)偏移來測(cè)量所述應(yīng)變。由于在纖維中具有離軸線布置的兩個(gè)或更多個(gè)核心，纖維的彎曲引起在每個(gè)核心上的不同應(yīng)變。這些應(yīng)變是纖維的局部彎曲度的函數(shù)。例如，包含F(xiàn)BG的核心的區(qū)域，如果被定位在纖維被彎曲的點(diǎn)處，那么該區(qū)域能夠用于確定在那些點(diǎn)處的彎曲的量。結(jié)合FBG區(qū)域的已知間隔，這些數(shù)據(jù)能夠用于重建纖維的形狀。佛吉尼亞州黑堡市(Blacksburg，Va)的盧娜創(chuàng)新公司(Luna Innovat1ns.1nc.)已經(jīng)描述了此類系統(tǒng)。
[0037]如所描述的，光導(dǎo)纖維140用于監(jiān)測(cè)器械120的至少一部分的形狀。更具體地，穿過光導(dǎo)纖維140的光由追蹤系統(tǒng)135處理來用于探測(cè)手術(shù)器械120的形狀并且用于利用該信息來協(xié)助手術(shù)程序。追蹤系統(tǒng)135可以包括探測(cè)系統(tǒng)，其用于生成且探測(cè)用于確定器械120的形狀的光。該信息轉(zhuǎn)而能夠用于確定其他關(guān)聯(lián)的變量，諸如手術(shù)器械的各部分的速度和加速度。通過實(shí)時(shí)獲得這些變量中的一個(gè)或多個(gè)的精確測(cè)量值，控制器能夠提升遙操作手術(shù)系統(tǒng)的精確度且能夠補(bǔ)償在驅(qū)動(dòng)部件部分中引入的誤差。感測(cè)可以僅限于通過遙操作系統(tǒng)致動(dòng)的自由度，或可以被施加至被動(dòng)自由度(例如，在接合點(diǎn)之間的剛性構(gòu)件的未經(jīng)激勵(lì)的彎曲)和主動(dòng)自由度(例如，器械的致動(dòng)的運(yùn)動(dòng))二者。
[0038]來自追蹤系統(tǒng)135的信息可以發(fā)送至導(dǎo)航系統(tǒng)142，所述信息在導(dǎo)航系統(tǒng)142處與來自可視化系統(tǒng)110和/或術(shù)前取得的影像的信息結(jié)合從而在顯示系統(tǒng)111上為外科醫(yī)生或其他操作者提供實(shí)時(shí)位置信息用于使用在器械120的控制上?？刂葡到y(tǒng)116可以利用位置信息作為反饋用于定位器械120。2011年5月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/107,562提供了用于配準(zhǔn)和顯示手術(shù)器械與手術(shù)影像的各種系統(tǒng)，其公開了“提供用于影像導(dǎo)引手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)的模型動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)的醫(yī)療系統(tǒng)”，其全文通過引用被并入本文。
[0039]在圖2的實(shí)施例中，器械104在遙操作手術(shù)系統(tǒng)100內(nèi)被遙操作。在替代實(shí)施例中，遙操作組件102可以被直接操作者控制替代。在直接操作替代中，可以包含各種手柄和操作者界面用于器械的手持操作。
[0040]圖3A描繪了復(fù)合影像150，其包括從肺的外部的視角來看與柔性器械(諸如，柔性器械120)的器械影像154配準(zhǔn)的人肺152的影像151?？梢愿鶕?jù)術(shù)前記錄的影像生成肺152的影像151或可以在手術(shù)程序期間同步生成肺152的影像151。可以經(jīng)由顯示系統(tǒng)111顯示復(fù)合影像150。隨著器械120前進(jìn)通過肺152的支氣管通道156，來自追蹤系統(tǒng)135和/或可視化系統(tǒng)110的信息用于配準(zhǔn)器械影像154與肺影像151。肺152的影像151可以改變，例如，來描述處于吸氣狀態(tài)或呼氣狀態(tài)的肺。器械影像154可以改變來描繪器械120通過支氣管通道156的前進(jìn)或后退。偶爾，復(fù)合影像150可能錯(cuò)誤地顯現(xiàn)器械影像154，使得一部分器械影像154’在支氣管通道的外部(如圖3A所示)或被安置在錯(cuò)誤的支氣管通道內(nèi)(如圖3B所示)。下面所描述的系統(tǒng)和方法用于校正器械影像，使得器械被定位在正確的支氣管通道內(nèi)。
[0041]圖3C是人肺152的內(nèi)影像160，其描繪了從器械120的視角來看的肺的區(qū)域。影像160可以是在手術(shù)程序期間由同時(shí)定位在肺152所描繪的部分中的器械120所獲得的同步影像。更具體地，影像可以由可視化系統(tǒng)110捕獲。替代地，影像160可以是基于如通過追蹤系統(tǒng)135所確定的器械120尖端的位置所選擇的術(shù)前記錄的影像。
[0042]返回至圖2，包括電磁傳感器系統(tǒng)136和形狀傳感器系統(tǒng)138的追蹤系統(tǒng)135可以計(jì)算用于器械尖端126或指示尖端在包含相關(guān)器械部分的實(shí)際解剖通道外部的器械120的一個(gè)或多個(gè)部段137(例如，當(dāng)被完全安置在支氣管樹外部時(shí)或被安置在錯(cuò)誤的通道內(nèi)時(shí))的位置。這很可能指示微小的測(cè)量值誤差(假設(shè)解剖通道的壁還沒有被破壞)。此類誤差可以由某些解剖結(jié)構(gòu)(諸如，肺或心臟)的動(dòng)態(tài)本質(zhì)造成。例如，吸氣和呼氣改變肺的支氣管通道的位置和大小。替代地，誤差可以由患者動(dòng)作造成或由手術(shù)器械在解剖通道內(nèi)的存在引起的組織變形造成。在一些情況下，誤差可能由流體加速或腫瘤生長(zhǎng)引起的組織變形所造成(例如，自獲得術(shù)前成像后的漸進(jìn)腫瘤生長(zhǎng))。
[0043]為了在器械的影像與患者解剖結(jié)構(gòu)的影像相互配準(zhǔn)和顯示時(shí)校正器械的位置且將器械的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)精確地定位在正確的通道內(nèi)，器械的選定的點(diǎn)可以對(duì)齊到或圖形地配準(zhǔn)到在解剖通道的壁上的位置或?qū)R到或圖形地配準(zhǔn)到解剖通道的管腔。如將在下面詳細(xì)描述的，繼術(shù)前影像的記錄之后，多個(gè)補(bǔ)償方法可以用于校正患者解剖結(jié)構(gòu)的模型從而針對(duì)在患者解剖結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部和外部變形力、患者運(yùn)動(dòng)或其他變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。在解剖結(jié)構(gòu)的組織上的內(nèi)部變形力可以由，例如，吸氣和呼氣的呼吸狀態(tài)之間的運(yùn)動(dòng)、心臟運(yùn)動(dòng)、腫瘤生長(zhǎng)、流體加速和咳嗽造成。在解剖結(jié)構(gòu)的組織上的外部變形力可以由，例如，器械插入和操縱造成?；颊呓馄式Y(jié)構(gòu)的正確模型允許器械相對(duì)于解剖通道的更加精確的合成影像的生成。
[0044]在患者的解剖通道內(nèi)側(cè)的虛擬導(dǎo)航的情況下，正確的模型可以是特別有用的。虛擬導(dǎo)航基于參考術(shù)前獲得的與通道的三維解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)集。例如，可以通過術(shù)前CT掃描獲得數(shù)據(jù)集。軟件用于將CT影像轉(zhuǎn)化成描述通道的各種部位和形狀以及它們的連通性的三維模型。在虛擬導(dǎo)航程序期間，傳感器系統(tǒng)，特別是電磁傳感器系統(tǒng)可以用于計(jì)算器械關(guān)于患者解剖結(jié)構(gòu)的大概部位。通常做一個(gè)假設(shè)，即患者解剖結(jié)構(gòu)的所有部分是相對(duì)于彼此固定的。在這種假設(shè)下，能夠根據(jù)術(shù)前CT掃描數(shù)據(jù)集計(jì)算從在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的器械的尖端的部位來看的虛擬視圖，如圖3C所示。
[0045]如先前所描述的，由于施加到患者解剖結(jié)構(gòu)的各種變形力(例如，內(nèi)部和外部二者)，患者解剖結(jié)構(gòu)保持固定的假設(shè)通常是無效的。為了補(bǔ)償由傳感器系統(tǒng)引入的運(yùn)動(dòng)或其他誤差，可以根據(jù)在通道內(nèi)部的距所感測(cè)的器械的尖端的部位最近的點(diǎn)生成虛擬視圖，而不是根據(jù)所計(jì)算的器械的尖端的位置。將所感測(cè)的器械的部位的位置調(diào)節(jié)到在通道內(nèi)或在通道的壁上的調(diào)節(jié)的位置的過程被稱為對(duì)齊(snapping)。當(dāng)通道被很好地隔開且沒有密實(shí)填集時(shí)，對(duì)齊可以特別好地起作用。當(dāng)變形力大且通道密集(且尤其當(dāng)通道具有類似的彎曲時(shí))時(shí)，單獨(dú)地對(duì)齊可以引起針對(duì)特定氣道通道的錯(cuò)誤選擇，其中器械被定位在所述特定氣道通道中。
[0046]圖4A是肺的支氣管通道202的未變形模型200的圖示。導(dǎo)管204延伸進(jìn)入支氣管通道202。導(dǎo)管204可以大體上類似于器械120。模型200可以顯示在顯示系統(tǒng)上或可以以不可顯示的形式駐留在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。如圖所示的，導(dǎo)管204在支氣管通道202上施加變形力F。
[0047]圖4B圖示說明了變形力F在模型200上的影響。導(dǎo)管204的力F使支氣管通道202從由模型200圖示說明的起始位置移動(dòng)到由變形模型206圖示說明的新位置。因此，變形模型206圖示說明了導(dǎo)管164的力在支氣管通道202的部位和取向上的影響。
[0048]圖5A圖示說明了被疊合在肺的支氣管通道256的分支結(jié)構(gòu)的未變形模型254上的導(dǎo)管252的所感測(cè)的模型250的復(fù)合影像。肺的支氣管通道256包括不同的通道257、258、259和260。雖然已知導(dǎo)管252延伸到支氣管通道257、258、259和260中的一個(gè)(例如，通過由導(dǎo)管252所獲得的如圖3C所示的內(nèi)影像)，所感測(cè)的模型250描繪了如安置在通道257、258、259和260的外部的導(dǎo)管252。通道257、258、259和260可以彼此間隔開僅幾毫米，且通道257、258、259和260可以具有非常類似的曲率，如圖5A所示。僅僅將所感測(cè)的導(dǎo)管252的形狀匹配至通道257、258、259和260中的一個(gè)模擬的形狀可能不足以確定哪個(gè)通道已經(jīng)實(shí)際接收了導(dǎo)管252。為了更加精確地確定哪個(gè)通道已經(jīng)接收了導(dǎo)管252，可以使用變形的通道模型，該變形的模型考慮到通過改變導(dǎo)管的剛度的區(qū)域施加在通道上的力。該變形通道模型將描繪導(dǎo)管252的改變的力在支氣管通道256的部位和取向上的影響，且從而正確地描繪導(dǎo)管252相對(duì)于通道256的位置。
[0049]如將在下面詳細(xì)描述的，用于將導(dǎo)管252配準(zhǔn)到解剖通道的過程考慮了由導(dǎo)管的主動(dòng)部分(即，在直接操作者控制下的部分)和導(dǎo)管的可變化的被動(dòng)部分施加在通道組織上的變形力。用于配準(zhǔn)的過程也考慮了與通道組織和周圍組織的柔性/剛度相關(guān)的恢復(fù)力。可以建模一個(gè)或多個(gè)候選的解剖通道來匹配所感測(cè)的導(dǎo)管形狀和/或尖端位置。然后可以鑒于變形力和恢復(fù)力評(píng)估一個(gè)或多個(gè)候選的解剖通道從而來確定用于配準(zhǔn)的最可能的匹配通道。該評(píng)估過程包括從變形力和恢復(fù)力的組合排除不能實(shí)現(xiàn)如所建模的變形的任何候選通道。替代地，候選的解剖通道可以被建模來反映變形力和恢復(fù)力，且變形模型可以和導(dǎo)管形狀比較來鑒定用于配準(zhǔn)的匹配通道?？蛇x地，如通過變形力和恢復(fù)力的組合所改變的匹配通道的模型被顯示。可選地，在與變形的匹配通道配準(zhǔn)中可以圖示說明導(dǎo)管的影像。
[0050]通常，導(dǎo)管252不包括沿其插入的長(zhǎng)度的均勻的物理性質(zhì)。例如，在描繪的實(shí)施例中，導(dǎo)管252包括具有可變物理性質(zhì)的三個(gè)不同的部分。具體地，導(dǎo)管252包括從A延伸至B的第一部段262、從B延伸至C的第二部段264和從C延伸至D的第三部段266。導(dǎo)管252具有沿其長(zhǎng)度可變的剛度。例如，第一部段262具有比第二部段264大的剛度，且第三部段266包括具有主動(dòng)可控剛度的主動(dòng)部段(例如，在第三部段266的主動(dòng)操縱后)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)管252具有沿其長(zhǎng)度從A延伸到D逐漸變小的剛度。假設(shè)第三部段266為主動(dòng)部段，如在描繪的實(shí)施例中，第一部段262可以具有要放在通道256的支撐結(jié)構(gòu)上而保持盡可能筆直的傾向，第二部段264可以具有依從第一部段262和周圍組織的傾向，且第三部段266可以僅引起局部變形(例如，僅沿第三部段266的長(zhǎng)度)。換句話說，由三個(gè)單獨(dú)的部段262、264和266施加的變形力沒有必要相同或相等。由第三部段266施加在支氣管通道256上的力可以顯著地強(qiáng)于由部段262和264施加在支氣管256通道上的力。同時(shí)，由第三部段266施加的力可以被限制于比由部段262和264施加在支氣管通道256上的力更小的區(qū)域。為了評(píng)估候選匹配通道且為了構(gòu)造支氣管通道256的精確的變形模型，必須確定導(dǎo)管252的單個(gè)部段在支氣管通道的不同的部分上的影響，其中支氣管通道256的精確的變形模型示出導(dǎo)管252在正確的通道內(nèi)的正確定位。
[0051]圖5B-5D圖示說明了被安置在支氣管通道256的變形候選模型的不同通道內(nèi)的導(dǎo)管252的感測(cè)模型250(例如，基于形狀傳感器數(shù)據(jù)或累計(jì)位置傳感器數(shù)據(jù))的復(fù)合影像。圖5B圖示說明了示出被安置在支氣管通道256的變形模型270的通道257’內(nèi)的導(dǎo)管252的復(fù)合影像。變形模型270假設(shè)由導(dǎo)管252的單獨(dú)部段施加的力致使通道256向下移動(dòng)使得通道257的下部邊界272向下移動(dòng)距離Dl(顯示為變形模型270中帶有下邊界272’的通道257’)。然而，如果由導(dǎo)管252的單獨(dú)部段施加的力和已知的組織恢復(fù)力沒有致使通道256向下移動(dòng)距離Dl，那么變形模型270作為候選可以被排除。換句話說，鑒于導(dǎo)管252的物理性質(zhì)(且尤其是第二部段264和/或第三部段266)和周圍組織的物理性質(zhì)，如果導(dǎo)管252沒有施加足夠的力以使支氣管通道257位移距離Dl，那么控制系統(tǒng)116(或系統(tǒng)100的另一部分)能夠確定假設(shè)的變形模型270是用于與導(dǎo)管的已知形狀配準(zhǔn)的不太可能的候選。
[0052]圖5C圖示說明了示出被安置在支氣管通道256的變形模型280的通道258’內(nèi)的導(dǎo)管252的復(fù)合影像。變形模型280假設(shè)由導(dǎo)管252的單獨(dú)部段施加的力致使通道256向下移動(dòng)使得通道258的下部邊界282向下移動(dòng)距離D2(顯示為變形模型280中帶有下邊界282’的通道258’)。然而，如果由導(dǎo)管252的單獨(dú)部段施加的力和已知的組織恢復(fù)力沒有致使通道256向下移動(dòng)距離D2，那么變形模型280可以被排除作為候選。換句話說，鑒于導(dǎo)管252的物理性質(zhì)(且尤其是第二部段264和/或第三部段266)和周圍組織的物理性質(zhì)，如果導(dǎo)管252沒有施加足夠的力以使支氣管通道257位移距離D2，那么控制系統(tǒng)116(或系統(tǒng)100的另一部分)能夠確定假設(shè)的變形模型280是用于與導(dǎo)管的已知形狀配準(zhǔn)的不太可能的候選。
[0053]圖5D圖示說明了示出被安置在支氣管通道256的變形模型290的通道259’內(nèi)的導(dǎo)管252的復(fù)合影像。變形模型290假設(shè)由導(dǎo)管252的單獨(dú)部段施加的力致使通道259、260向上移動(dòng)使得通道259的上部邊界292向上移動(dòng)距離D3(顯示為變形模型290中帶有上邊界292’的通道259’)。然而，如果由導(dǎo)管252的單獨(dú)部段施加的力和已知的組織恢復(fù)力沒有致使通道259向上移動(dòng)距離D3，那么變形模型290可以被排除作為候選。換句話說，鑒于導(dǎo)管252的物理性質(zhì)(且尤其是第二部段264和/或第三部段266)和周圍組織的物理性質(zhì)，如果導(dǎo)管252沒有施加足夠的力以使支氣管通道259向上位移距離D3，那么控制系統(tǒng)116(或系統(tǒng)100的另一部分)能夠確定假設(shè)的變形模型290是用于與導(dǎo)管的已知形狀配準(zhǔn)的不太可能的候選。
[0054]在不可能的候選模型被排除以后，基于變形力和恢復(fù)力，可以評(píng)估剩余的候選模型來確定哪一個(gè)是匹配所感測(cè)的導(dǎo)管最可能的模型。雖然圖5B-5D圖示說明了候選匹配過程，但是應(yīng)當(dāng)理解，該過程可以通過控制系統(tǒng)116來實(shí)施，而無需顯示候選變形模型中的每一個(gè)。當(dāng)變形模型被最終選定用于與導(dǎo)管配準(zhǔn)時(shí)，可以顯示變形模型和配準(zhǔn)的導(dǎo)管。在各種替代實(shí)施例中，候選匹配過程可以被圖示說明用于顯示。
[0055]圖6圖示說明了與表示可能包含導(dǎo)管252的兩種可能通道的兩種不同候選模型294和295相比較，在圖5A-5D中示出的導(dǎo)管252的感測(cè)形狀或模型293的圖示法。如圖所示，僅僅比較所感測(cè)的導(dǎo)管252的形狀可能不足夠確定正確的通道，因?yàn)閮煞N模型294和295具有大體相似的曲率。特別地，在點(diǎn)296和點(diǎn)297之間延伸的導(dǎo)管252的感測(cè)形狀293的曲率與在點(diǎn)296和點(diǎn)298之間延伸的模型294的曲率以及在點(diǎn)296和點(diǎn)299之間延伸的模型295的曲率大體上相似。因此，為了確定導(dǎo)管252的正確位置，控制系統(tǒng)116能夠?qū)?dǎo)管252的感測(cè)形狀293與候選模型294和295相比較(例如，使用控制系統(tǒng)116的一個(gè)或多個(gè)算法)，并且也將導(dǎo)管252的不同部段(例如，部段262、264和266)的物理特性和圍繞導(dǎo)管252的不同部段的組織的物理特性計(jì)算在內(nèi)。作為非限制的示例，與變形力相關(guān)的導(dǎo)管252的物理特性包括不同部段的剛性的程度、由每個(gè)部段施加的力(且尤其是在尖端或部段266處的主動(dòng)部段)、由每個(gè)部段施加的力的方向和導(dǎo)管部段的材料組分和重量。作為非限制的示例，與恢復(fù)力相關(guān)的組織的物理特性包括組織類型、組織的組分(例如，包括組織的液體或氣體含量)、組織的柔度(compliance)和鄰近的支撐組織(例如，骨、肌肉和/或血管)。
[0056]通過采用此類綜合比較，控制系統(tǒng)116能夠確定導(dǎo)管252(例如，導(dǎo)管252的遠(yuǎn)側(cè)部段266)駐留在其中的正確通道。例如，如果基于已知的變形力和恢復(fù)力，導(dǎo)管252將不能使模型295的點(diǎn)299向下移動(dòng)距離D4到點(diǎn)297或者導(dǎo)管252將不能使模型295向側(cè)面移動(dòng)距離D5到點(diǎn)297，那么控制系統(tǒng)116可以推斷候選模型295是不太可能包含導(dǎo)管的通道(以及定位在由模型295表示的通道之上或更加側(cè)向的任何其他通道也一樣)。類似地，如果導(dǎo)管252將不能使模型294的點(diǎn)298向下移動(dòng)距離D6到點(diǎn)297或?qū)Ч?52將不能使模型295側(cè)向地移動(dòng)距離D7到點(diǎn)297，那么控制系統(tǒng)116可以推斷模型294不太可能是包含導(dǎo)管的通道(以及定位在由模型294表示的通道之上或更加側(cè)向的任何其他通道也一樣)。在排除候選模型之后，符合已知變形力和恢復(fù)力的剩余候選模型可以被選定用于與導(dǎo)管的影像配準(zhǔn)。因?yàn)樗袦y(cè)的導(dǎo)管252的模型293可能不精確到一定程度，控制系統(tǒng)116可以評(píng)估在預(yù)定范圍的可能性內(nèi)的傳感器值來解釋此類不精確。
[0057]圖7A圖示說明了支氣管通道的分支結(jié)構(gòu)的未變形模型300和延伸通過通道的導(dǎo)管302的復(fù)合影像。對(duì)于未變形模型300，導(dǎo)管302被示出延伸在通道的外部且導(dǎo)管302的尖端304在復(fù)合影像中顯示為被定位在支氣管通道L5內(nèi)。導(dǎo)管302可以與在圖5A-5D中示出的導(dǎo)管252相同。例如，在描繪的實(shí)施例中，導(dǎo)管302包括在點(diǎn)A和點(diǎn)B之間延伸的第一部段305、在點(diǎn)B和點(diǎn)C之間延伸的第二部段306和在點(diǎn)C和點(diǎn)D之間延伸的第三部段307。
[0058]如圖7A所示，支氣管通道被建模為通過接合點(diǎn)連接的一組剛性鏈節(jié)L1-L10，其能夠圍繞變形點(diǎn)(諸如圍繞連接點(diǎn)C)在俯仰和偏轉(zhuǎn)二個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，可以適應(yīng)其他的自由度，諸如伸展和滾動(dòng)。在另一些實(shí)施例中，可以沿鏈節(jié)Ll-LlO的長(zhǎng)度定位接合點(diǎn)或其他類型的變形點(diǎn)來允許用于沿鏈節(jié)的長(zhǎng)度彎曲的多個(gè)部位。在一些實(shí)施例中，變形點(diǎn)可以貫穿建模的鏈節(jié)Ll-LlO分布，而不考慮連接點(diǎn)的部位。鏈節(jié)與它們的貼近的周圍組織的組織類型和組織組分能夠顯著地變化。因此，單個(gè)鏈節(jié)可以具有不同地響應(yīng)于由導(dǎo)管302施加的力的不同的物理性質(zhì)。鏈節(jié)L3-L4的彎曲和鏈節(jié)L8-L9的彎曲大體上相似。根據(jù)未變形模型300，不清楚導(dǎo)管302的部段306和307延伸進(jìn)入鏈節(jié)L3-L4還是鏈節(jié)L8-L9。為了確定導(dǎo)管302的部段306和307是否延伸進(jìn)入鏈節(jié)L3-L4或是鏈節(jié)L8-L9，控制系統(tǒng)116能夠使用以上關(guān)于圖5A-圖6所論述的過程根據(jù)除與導(dǎo)管相互作用的組織的物理性質(zhì)之外的不同的導(dǎo)管部段的物理特性方面來評(píng)估可能的變形模型。
[0059]為了使模型300變形且校正由導(dǎo)管施加的力，確定在支氣管通道中的完整導(dǎo)管的形狀。形狀傳感器系統(tǒng)(諸如形狀傳感器系統(tǒng)138)可以用于確定整個(gè)導(dǎo)管的形狀，不僅僅是尖端。導(dǎo)管的形狀用于確定在未變形模型中的在每個(gè)連接點(diǎn)C處的一組變形變量(例如，俯仰和偏轉(zhuǎn)角度)。用于將連接點(diǎn)的建模的俯仰和偏轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化成在支氣管結(jié)構(gòu)中的鏈節(jié)的位姿的方法是標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，該方法被發(fā)現(xiàn)在例如SiciIiano等人的Springer Handbookof Teleoperat1nals(Springer，2008)中。通過由導(dǎo)管的點(diǎn)所致的虛擬力以及由解剖結(jié)構(gòu)自身(例如，支氣管通道的鏈節(jié)和它們的周圍組織)所致的反向力確定支氣管通道的變形的量，其中導(dǎo)管的點(diǎn)被描繪在未變形模型中的通道外部。導(dǎo)管力沿導(dǎo)管的長(zhǎng)度不同地作用(例如，不同的力由部段305、306和307施加)且有效地作用使通道在導(dǎo)管的方向上移動(dòng)。變形的量也是通過反向力或反作用力來確定，諸如支氣管通道的剛性和周圍的可連接的組織使通道朝向未變形形狀和構(gòu)造偏離。
[0060]圖7B-7D描繪了分支支氣管通道的未變形模型300并且也示出了當(dāng)導(dǎo)管302被推進(jìn)通過通道時(shí)，分支支氣管通道的候選變形模型310。在圖7B中，導(dǎo)管302被推進(jìn)通過鏈節(jié)LI且進(jìn)入鏈節(jié)L2。變形模型310從未變形模型300稍微地移動(dòng)來調(diào)節(jié)導(dǎo)管302的部段307在鏈節(jié)L1、L2上的直接力和在連接的遠(yuǎn)側(cè)鏈節(jié)L3-L10上的間接力，同時(shí)也調(diào)節(jié)組織在鏈節(jié)LI和L2處的反向力(并且到更小程度、更遠(yuǎn)側(cè)的鏈節(jié))。被描繪為在鏈節(jié)L2內(nèi)的尖端304既在未變形模型300中也在變形模型310中，但是在鏈節(jié)L2內(nèi)的尖端304的確切部位在兩個(gè)模型之間不同。
[0061 ]在圖7C中，導(dǎo)管302被推進(jìn)通過鏈節(jié)L2且進(jìn)入鏈節(jié)L3。候選變形模型310進(jìn)一步從未變形模型300移動(dòng)來調(diào)節(jié)導(dǎo)管302的部段306在鏈節(jié)L1、L2、L3上的直接力、導(dǎo)管302的部段307在鏈節(jié)L3上的直接力和在所連接的遠(yuǎn)側(cè)鏈節(jié)L4-L10上的間接力，同時(shí)也調(diào)節(jié)組織在鏈節(jié)L1-L3處的反向力(并且到更小程度、更遠(yuǎn)側(cè)的鏈節(jié))。尖端304被描繪為在未變形模型300中的鏈節(jié)L3的外部但是在變形模型310中的鏈節(jié)L3內(nèi)。因此，變形模型310更精確地反映了尖端304在支氣管通道內(nèi)部的現(xiàn)實(shí)。
[0062]然而，如果鏈節(jié)L3不被放置到尖端304被感測(cè)的地方(在傳感器不精確度的范圍內(nèi))，那么控制系統(tǒng)116可以推斷候選變形模型310可以被排除。例如，基于導(dǎo)管302的部段306和307的物理性質(zhì)，由那些部段施加的力以及鏈節(jié)L6-L8的組織特性和其反向力、導(dǎo)管302的尖端304延伸進(jìn)入鏈節(jié)L6和L8的可能性可以轉(zhuǎn)而被評(píng)估。在執(zhí)行此類評(píng)估中，控制系統(tǒng)116可以構(gòu)建另一個(gè)候選變形模型用于導(dǎo)管302延伸進(jìn)入鏈節(jié)L6和L8。在一些實(shí)施例中，在基于導(dǎo)管302的形狀，察覺到兩種模型都是候選后，控制系統(tǒng)116立刻構(gòu)建兩種可能的模型(例如，一個(gè)示出位于鏈節(jié)L3和L4內(nèi)的導(dǎo)管302，另一個(gè)示出位于鏈節(jié)L6和L8內(nèi)的導(dǎo)管302)。在另一些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)116(例如，基于曲率比較，和/或?qū)Ч芎屯ǖ乐g最佳擬合的線)最初構(gòu)建看起來最有可能評(píng)估該模型精確度的變形模型，如果確定該模型具有一定程度的誤差或在預(yù)定的閾值之下的不確定性(例如，低于5%的錯(cuò)誤的幾率)，那么才構(gòu)建第二模型。
[0063]在圖7D中，導(dǎo)管302被推進(jìn)進(jìn)入鏈節(jié)L4。變形模型310進(jìn)一步從未變形模型300移動(dòng)來調(diào)節(jié)導(dǎo)管302在鏈節(jié)1^1、1^、1^3、1^4上的直接力和在所連接的遠(yuǎn)側(cè)鏈節(jié)1^5-1^10上的間接力。尖端304被定位在未變形模型300中的鏈節(jié)L5中并且在變形模型310中的鏈節(jié)L4中?？刂葡到y(tǒng)116能夠確定變形模型310是導(dǎo)管302的定位的精確描繪?；谟蓪?dǎo)管302的每個(gè)單個(gè)部段在支氣管通道的不同鏈節(jié)上的力和由支氣管通道的每個(gè)鏈節(jié)施加的反向力，可以確定變形模型的精確程度。如果確定變形模型精確且所計(jì)算的不精確的幾率低于誤差的預(yù)定閾值，那么控制系統(tǒng)116能夠推斷變形模型310更加精確地反映了尖端304的實(shí)際位置。最終的變形模型310可以被顯示為如圖8中所描繪的。應(yīng)當(dāng)理解，可以通過控制系統(tǒng)116執(zhí)行候選模型評(píng)估過程而不顯示，直到確定了匹配的模型。
[0064]在圖9的流程圖400中提供了用于將未變形模型校正為更加精確的變形模型的方法的一個(gè)實(shí)施例。模型可以自描述患者解剖結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)生成，例如，來自術(shù)前影像、來自描述患者解剖結(jié)構(gòu)的二維或三維數(shù)據(jù)集、來自標(biāo)準(zhǔn)(例如，不是具體患者模型)或來自以上的任意的混合。最初，變形模型等同于靜態(tài)的、未變形模型，其中全部變形變量(例如，俯仰/偏轉(zhuǎn)角度，伸展)設(shè)置在零。在步驟402處，使用傳感器系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)傳感器獲得手術(shù)器械的導(dǎo)管或另一類型的感測(cè)設(shè)備的當(dāng)前形狀。在步驟404處，相對(duì)于沿靜態(tài)模型的取樣點(diǎn)的沿成形的導(dǎo)管的取樣點(diǎn)被匹配用于最佳擬合。更詳細(xì)地，在一個(gè)示例實(shí)施例中，最佳擬合匹配技術(shù)可以包括a)找到最接近導(dǎo)管的尖端的N個(gè)鏈節(jié)L;b)針對(duì)N個(gè)鏈節(jié)L中的每一個(gè)，計(jì)算形成從所述鏈節(jié)到支氣管結(jié)構(gòu)的基底的路徑的各鏈節(jié)的唯一子集;c)針對(duì)N個(gè)鏈節(jié)L中的每一個(gè)，計(jì)算到沿導(dǎo)管形狀的每個(gè)取樣點(diǎn)的在支氣管通道上的最近的點(diǎn)；d)根據(jù)取樣點(diǎn)到支氣管通道中的對(duì)應(yīng)最近點(diǎn)的距離，計(jì)算N個(gè)選擇中的每一個(gè)的距離得分;且基于最小的組合距離得分從N個(gè)選擇中選擇最佳選擇。因此，基于導(dǎo)管的彎曲和不同的通道的彎曲的比較，選擇最有可能的候選通道(或解剖鏈節(jié)的組合)?？蛇x地，可以確定多個(gè)候選模型。
[0065]在步驟406處，針對(duì)所選定的一個(gè)或多個(gè)最佳擬合(例如，所選定的通道)模型計(jì)算一組變形力。對(duì)于沿導(dǎo)管形狀的每個(gè)取樣點(diǎn)，力被限定為在所述點(diǎn)的位置和支氣管通道上的最近的點(diǎn)的位置之間的向量。如上述所提到的，導(dǎo)管通常將會(huì)包括具有不同物理性質(zhì)的不同部段，并且算法基于相對(duì)于每個(gè)不同的部段在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的部位的其特定物理特性來評(píng)估由每個(gè)不同的部段所施加的力。例如，由遠(yuǎn)側(cè)主動(dòng)部段(例如，圖7C中的部段307)所施加的力相比導(dǎo)管的非主動(dòng)或更柔性的部段(例如，圖7C中的部段306)的力可以更大且在周圍組織上變形更大。因此，執(zhí)行設(shè)備感知(device-aware)計(jì)算來精確地評(píng)估由導(dǎo)管的不同部分所施加的變形力。
[0066]在步驟408處，計(jì)算一組恢復(fù)力，其相當(dāng)于使支氣管通道朝向其原始形狀偏離的力。在變形支氣管通道鏈節(jié)上的取樣點(diǎn)和非變形鏈節(jié)上的對(duì)應(yīng)的點(diǎn)之間限定這些恢復(fù)力。這些恢復(fù)力可以取決于多種因素，作為非限制的示例，所述多種因素包括組織的類型、組織的液體/空氣含量、鄰近或支撐組織、組織的質(zhì)量、組織的彈性和組織的密度?？蛇x地，可以計(jì)算被稱為是保持力(maintenance force)的恢復(fù)力的子集，該力相當(dāng)于使局部形狀朝向未變形局部形狀偏離的力。這些保持力能夠被限定為，例如，作用在所連接的鏈節(jié)的每對(duì)之間的接合點(diǎn)扭矩，其中所述扭矩與在所在連接處的變形角度大小相等且方向相反。作用在支氣管通道的分支結(jié)構(gòu)上的全體組的力被計(jì)算為各組變形力和恢復(fù)力的加權(quán)和。
[0067]可以由使用者以能產(chǎn)生最切實(shí)的行為的方式確定不同的加權(quán)或加權(quán)因子或由控制系統(tǒng)以能產(chǎn)生最切實(shí)的行為的方式預(yù)設(shè)不同的加權(quán)或加權(quán)因子，例如，基于導(dǎo)管的不同部段的已知物理性質(zhì)和所測(cè)量的解剖結(jié)構(gòu)的機(jī)械性質(zhì)。也能夠在多維診斷影像(例如，三維或四維CT)被預(yù)評(píng)估的組織的彈性性質(zhì)可能也涉及用于強(qiáng)度-彈性校準(zhǔn)的真實(shí)患者影像數(shù)據(jù)庫(kù)。由于CT成像設(shè)備(imaging modality)捕獲相關(guān)的組織密度，因此能夠預(yù)先計(jì)算影像強(qiáng)度和組織部位的彈性性質(zhì)的映射。在運(yùn)行時(shí)間期間，能夠計(jì)算在已知大小和方向的力下的導(dǎo)管的每個(gè)不同部段的組織變形，從而更加物理精確的反映組織行為。
[0068]在步驟410處，通過按與在接合點(diǎn)處的全部施加的力和/或扭矩成比例的量調(diào)節(jié)支氣管通道鏈節(jié)之間的每個(gè)接合點(diǎn)，創(chuàng)建支氣管通道的一個(gè)或多個(gè)候選變形模型。因此，基于與不同的導(dǎo)管部段的物理性質(zhì)相關(guān)的變形力和與受這些導(dǎo)管部段影響的組織的物理特性相關(guān)的恢復(fù)力二者而創(chuàng)建變形模型來改進(jìn)起始的一個(gè)或多個(gè)最佳擬合通道部段。比較候選變形模型與器械本體的當(dāng)前形狀來確定哪個(gè)通道最佳地匹配器械本體的當(dāng)前形狀。替代地，候選通道被建模來匹配導(dǎo)管形狀，并且執(zhí)行評(píng)估來確定匹配導(dǎo)管形狀的變形模型中的哪一個(gè)最有可能基于已知的變形力和恢復(fù)力。
[0069]在步驟412處，生成變形模型和導(dǎo)管的復(fù)合影像從而精確地描繪在支氣管通道的分支結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)管的位置。附加地，利用與在變形模型中的正確鏈節(jié)配準(zhǔn)的導(dǎo)管的尖端，能夠從術(shù)前存儲(chǔ)的影像獲得正確的虛擬導(dǎo)航視圖。這個(gè)過程可以自步驟402被重復(fù)，直到導(dǎo)管到達(dá)其在支氣管結(jié)構(gòu)內(nèi)的期望目標(biāo)。
[0070]在另一個(gè)實(shí)施例中，分支的支氣管結(jié)構(gòu)的非靜態(tài)本質(zhì)能夠以相當(dāng)于支氣管結(jié)構(gòu)的吸入狀態(tài)的支氣管結(jié)構(gòu)的吸氣模型和相當(dāng)于支氣管結(jié)構(gòu)的呼出狀態(tài)的呼氣模型被示出。參照?qǐng)D9和圖10，隨著吸氣和呼氣狀態(tài)(反之亦然)之間的通道調(diào)節(jié)，基于傳感器系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)節(jié)的導(dǎo)管的位姿、位置或取向能夠被進(jìn)一步改進(jìn)或被扭曲到支氣管通道的形狀。圖9描繪了吸氣模型450和呼氣模型452。導(dǎo)管454起初基于傳感器系統(tǒng)被定位，但是隨著支氣管通道在吸氣和呼氣狀態(tài)之間移動(dòng)，導(dǎo)管454被調(diào)節(jié)從而保持在支氣管通道的影像內(nèi)。
[0071]圖10是流程圖460，其描述了用于基于吸氣和呼氣狀態(tài)調(diào)節(jié)導(dǎo)管的方法。在步驟462處，獲得導(dǎo)管的當(dāng)前形狀。在步驟464處，導(dǎo)管形狀被匹配成處于吸氣狀態(tài)的支氣管通道的形狀。在步驟466處，導(dǎo)管形狀被匹配成處于呼氣狀態(tài)的支氣管通道的形狀。在支氣管通道和導(dǎo)管的復(fù)合影像中，對(duì)于呼氣狀態(tài)和吸氣狀態(tài)中的每個(gè)，導(dǎo)管的影像被維持在支氣管通道內(nèi)。這個(gè)過程可以被重復(fù)，直到導(dǎo)管達(dá)到其在支氣管結(jié)構(gòu)內(nèi)的期望的目標(biāo)。在替代實(shí)施例中，所述過程可以用于為位于任何移動(dòng)解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何器械校正影像，并且尤其是在已知狀態(tài)之間重復(fù)交替的解剖結(jié)構(gòu)(諸如心臟或肺)。例如，運(yùn)動(dòng)解剖結(jié)構(gòu)可以是在心搏周期的舒張和收縮階段之間交替的心臟。
[0072]在替代實(shí)施例中，可以使用三維形狀直方圖建模器械或解剖通道來執(zhí)行相似性搜索。例如，可以研發(fā)度量標(biāo)準(zhǔn)來測(cè)量?jī)蓚€(gè)三維曲線之間的相似性。參照?qǐng)D11，曲線500相當(dāng)于通過參考解剖結(jié)構(gòu)所測(cè)量的設(shè)備路徑，且曲線502相當(dāng)于實(shí)際的解剖通道。對(duì)于這些曲線上的每個(gè)AP1，可以限定以下參數(shù):a)局部梯度，b)局部曲率，c)相對(duì)于端點(diǎn)連接器的徑向角位移，d)相對(duì)于端點(diǎn)連接器的徑向位移，e)相對(duì)于第三參考軸線504的徑向位移/徑向角位移。
[0073]如圖12所示，可以根據(jù)以上參數(shù)中的每一個(gè)創(chuàng)建直方圖505。該直方圖被直接匹配來創(chuàng)建針對(duì)每個(gè)曲線相似性的度量標(biāo)準(zhǔn)。
[0074]在另一個(gè)實(shí)施例中，使用度量標(biāo)準(zhǔn)將任意形狀的點(diǎn)集對(duì)齊到另一個(gè)點(diǎn)集以測(cè)量匹配的質(zhì)量。參照?qǐng)D13，提供了兩個(gè)點(diǎn)集Pt和Ps。從Ps開始，計(jì)算相似性測(cè)量I SwU相似性測(cè)量是建立索弓I到參考點(diǎn)的距離的一維直方圖。在參考點(diǎn)處的切向量的值相對(duì)于參考向量被存儲(chǔ)。優(yōu)化器用于使自由度在轉(zhuǎn)換上最優(yōu)化從而使在Ps和Pt之間的某一瞬時(shí)的相似性測(cè)量最大化。
[0075]美國(guó)專利申請(qǐng)N0.(參考N0.1SRG04290)和美國(guó)專利申請(qǐng)N0.(參考N0.1SRG03740)中公開了用于將柔性器械的至少一部分的影像配準(zhǔn)到解剖系統(tǒng)的影像的替代系統(tǒng)和方法，前者公開了 “用于使用減少的搜索空間的醫(yī)療設(shè)備的配準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法”，后者公開了“用于使用快速位姿搜索的醫(yī)療設(shè)備的配準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法”，兩者的全部?jī)?nèi)容通過引用被并入本文。這些通過引用并入的系統(tǒng)和方法的各方面可以與以上所公開的系統(tǒng)和方法一起使用從而提供將柔性器械的至少一部分的影像精確地配準(zhǔn)解剖系統(tǒng)的影像的替代方法。
[0076]雖然本文已經(jīng)相對(duì)于遙操作或手動(dòng)操作的手術(shù)系統(tǒng)描述了配準(zhǔn)系統(tǒng)和方法，但是這些配準(zhǔn)系統(tǒng)和方法將會(huì)在多種醫(yī)療和非醫(yī)療器械中應(yīng)用，在多種醫(yī)療和非醫(yī)療器械中精確器械影像配準(zhǔn)要不然是太耗時(shí)或者是計(jì)算機(jī)密集處理。
[0077]雖然本公開的系統(tǒng)和方法已經(jīng)被圖示說明在肺的連接的支氣管通道中使用，但是它們也適合于經(jīng)由在包括結(jié)腸、腸、腎、腦、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等的多種解剖系統(tǒng)中的任何中的自然的或手術(shù)創(chuàng)建的連接通道來用于其他組織的導(dǎo)航和治療。本公開的方法和實(shí)施例也適合于非手術(shù)應(yīng)用。
[0078]本發(fā)明的實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件可以在軟件中實(shí)施以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(諸如控制系統(tǒng)116)的處理器上執(zhí)行。當(dāng)在軟件中實(shí)施時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例的構(gòu)件本質(zhì)上是執(zhí)行所需要的任務(wù)的代碼段。程序或代碼段能夠被存儲(chǔ)在處理器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)或設(shè)備中，該程序或代碼段可以借助于體現(xiàn)在在傳輸介質(zhì)或通信鏈接上的載波中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)被下載。處理器可讀存儲(chǔ)設(shè)備可以包括能夠存儲(chǔ)信息的任何介質(zhì)，該介質(zhì)包括光學(xué)介質(zhì)、半導(dǎo)體介質(zhì)和磁介質(zhì)，處理器可讀儲(chǔ)存設(shè)備示例包括電子電路;半導(dǎo)體設(shè)備、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備、只讀存儲(chǔ)器(R0M)、閃速存儲(chǔ)器、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM);軟盤、只讀光盤(CD-ROM)、光盤、硬盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備。程序段可以經(jīng)由諸如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)等的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)下載。
[0079]注意，所呈現(xiàn)的過程和顯示可以不是固有地涉及任何特定的計(jì)算機(jī)或其他裝置。各種一般用途的系統(tǒng)可以根據(jù)本文的與程序一起使用，或者可以證明構(gòu)建更具體的裝置來執(zhí)行所描述的操作是便利的。用于多種這些系統(tǒng)所要求的結(jié)構(gòu)將會(huì)作為元件出現(xiàn)在權(quán)利要求中。此外，沒有參考任何特定的編程語(yǔ)言來描述本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，多種編程語(yǔ)言可以用于實(shí)施如本文所描述的本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0080]雖然已經(jīng)描述且在隨附的附圖中示出了本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，此類實(shí)施例僅僅是說明性的并且不限制本發(fā)明的范圍，并且本發(fā)明的實(shí)施例不局限于所示出的和所描述的具體構(gòu)造和布置，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以想到各種其他修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種方法，包括: 確定設(shè)備的形狀，所述設(shè)備至少部分地被安置在解剖通道內(nèi)； 確定用于所述設(shè)備的多個(gè)部段的一組變形力；以及 基于所述設(shè)備的所述形狀、所述組變形力和描述所述解剖通道的解剖數(shù)據(jù)生成復(fù)合模型，所述復(fù)合模型指示所述設(shè)備相對(duì)于所述解剖通道的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述設(shè)備的所述形狀包括接收來自光導(dǎo)纖維形狀傳感器的信息。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述設(shè)備的所述形狀包括接收來自電磁傳感器的信息。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中描述所述解剖通道的所述解剖數(shù)據(jù)包括描述所述解剖通道的形狀的數(shù)據(jù)，并且其中生成所述復(fù)合模型包括將所述柔性設(shè)備的所述形狀與所述解剖通道的所述形狀進(jìn)行比較。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述組變形力包括確定所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的剛度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述組變形力包括確定所述設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的可操縱性。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定一組恢復(fù)力，并且其中所述復(fù)合模型另外基于所述組恢復(fù)力。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定一組保持力，并且其中所述復(fù)合模型另外基于所述組保持力。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 確定一組恢復(fù)力； 確定一組保持力；以及 確定所述組變形力、所述組恢復(fù)力和所述組保持力的加權(quán)和， 其中所述復(fù)合模型另外基于所述加權(quán)和。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中描述所述解剖通道的所述解剖數(shù)據(jù)包括描繪至少部分所述解剖通道的第一模型，并且其中生成所述復(fù)合模型包括使用所述設(shè)備的所述形狀和所述組變形力調(diào)節(jié)所述第一模型。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中生成所述復(fù)合模型包括調(diào)節(jié)將所述解剖通道的兩個(gè)建模部段結(jié)合的所述第一模型的建模連接點(diǎn)。12.—種醫(yī)療系統(tǒng)，包括: 柔性設(shè)備，所述柔性設(shè)備被構(gòu)造成至少部分地安置在解剖通道內(nèi)，所述設(shè)備包括多個(gè)部段和形狀傳感器；以及 存儲(chǔ)器設(shè)備，所述存儲(chǔ)器設(shè)備包括計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令包括: 用于確定所述柔性設(shè)備的形狀的指令； 用于確定用于所述柔性設(shè)備的所述多個(gè)部段的一組變形力的指令；以及 用于基于所述柔性設(shè)備的所述形狀、所述組變形力和描述所述解剖通道的解剖數(shù)據(jù)生成復(fù)合模型的指令，其中所述復(fù)合模型指示所述柔性設(shè)備相對(duì)于所述解剖通道的位置。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述形狀傳感器包括光導(dǎo)纖維形狀傳感器。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述形狀傳感器包括電磁傳感器。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中描述所述解剖通道的所述解剖數(shù)據(jù)包括描述所述解剖通道的形狀的數(shù)據(jù)，并且其中用于生成所述復(fù)合模型的所述指令包括用于將所述柔性設(shè)備的所述形狀與所述解剖通道的所述形狀進(jìn)行比較的指令。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中用于確定所述組變形力的所述指令包括用于確定所述柔性設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的剛度的指令。17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中用于確定所述組變形力的所述指令包括用于確定所述柔性設(shè)備的所述多個(gè)部段中的每個(gè)部段的可操縱性的指令。18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令還包括用于確定一組恢復(fù)力的指令，并且其中所述復(fù)合模型另外基于所述組恢復(fù)力。19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令還包括用于確定一組保持力的指令，并且其中所述復(fù)合模型另外基于所述組保持力。20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令還包括: 用于確定一組恢復(fù)力的指令； 用于確定一組保持力的指令；以及 用于確定所述組變形力、所述組恢復(fù)力和所述組保持力的加權(quán)和的指令， 其中所述復(fù)合模型另外基于所述加權(quán)和。21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令還包括用于確定所述復(fù)合模型的錯(cuò)誤的百分比幾率的指令。22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中描述所述解剖通道的所述解剖數(shù)據(jù)包括描繪至少部分所述解剖通道的第一模型，并且其中用于生成所述復(fù)合模型的所述指令包括用于使用所述設(shè)備的所述形狀和所述組變形力調(diào)節(jié)所述第一模型的指令。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中用于生成所述復(fù)合模型的所述指令包括用于調(diào)節(jié)將解剖通道的兩個(gè)建模部段結(jié)合的所述第一模型的建模連接點(diǎn)的指令。
【文檔編號(hào)】A61M25/092GK105979899SQ201480075136
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2014年12月9日
【發(fā)明人】P·喬普拉
【申請(qǐng)人】直觀外科手術(shù)操作公司