JP6045152B2 - 最小の侵襲性の手術のための入れ子カニューレシステムをデザインする方法及びその製造方法 - Google Patents

Description

本願は、概して最小の侵襲性の外科的及び他の医療処置に関する。更に特に、本願は、効率的な最小限の侵襲性の外科的処置を容易にするために、患者の特定の生体構造的構成にカスタマイズされる入れ子カニューレのデザイン及びコンフィギュレーションに関したシステム及び方法に関する。

カテーテル及び気管支鏡のような既存のナビゲーション装置は、幾つかの不利な点を持つ。気管支鏡アプリケーションで発生する特定の課題は、気管支鏡が、比較的大きな管直径を通常持ち、先端において旋回できるだけか、又はさもなければナビゲートできるだけである、という点である。大きなサイズは、気管支鏡を旋回させ得る気管支鏡内に内蔵される制御メカニズムに部分的に起因する。機敏性の欠如及びそのサイズの結果として、従来の気管支鏡は、特定の領域に到達するための能力において制限される。例えば、典型的な気管支鏡は、最も太い気道が位置する肺の中央３分の１に到達できるだけである。これは、従来の気管支鏡技術で到達できない、従って、主要な物理的処置なしでは処置不能な、（例えば）全ての肺癌の２／３を残してしまう。悪性結節から良性の結節を区別し得る肺生検さえ、肺虚脱を生じさせる最大４０％の可能性を持つ。よって、治療可能かもしれない疾患は、手術が是認され及び／又は必要とされるほど疾患が侵攻的になるまで処置されないままであることが多い。

従来の外科的技術に関連するカテーテル及びガイドワイヤは、比較的可撓性で、血管に従って進むことにより身体内に深く到達できる。しかしながら、これらの装置は、生体構造の範囲内で最も困難がありそうな旋回に対処するように設計された先端形状を持つ。１タイプだけの困難な旋回を操作する特定の装置の能力は、装置の適用性を限定する。しばしば、カテーテル及びガイドワイヤは、分岐している血管が特定の制御を必要としない「上流」方向で使用され、特定のロケーション（location）のためのその１つの困難な旋回をセーブする。例えば、心臓に向かう（バルーン血管形成で使用される）大腿動脈のような末梢動脈へのカテーテルの挿入は、血管が、分かれていくよりもむしろ、この方向に連結していることを意味する。これは多くの場合に効果的である一方、これが心臓から離れて流れる、又は血液の流れに対して心臓から離れていく静脈に沿って流れるように、血液と共に進むので、複雑な動脈を横断するための効果的なメカニズムがない。肺の中において、カテーテル及びガイドワイヤは、肺の特定の分岐に到達するために遠位端において比較的わずかな制御しか持たず、従って、これらの特定のターゲットに到達することに適していない。

カニューレ、カテーテル、ガイドワイヤ又は内視鏡（気管支内視鏡、胃カメラなど）のような医療装置の挿入は、摩擦を一般にもたらし、ターゲットに進む経路全体にわたって組織の損傷を引き起こし得る。装置が指定された生体領域に挿入されるにつれて、特に、困難な生体構造を通じた試行錯誤の技術が、のこ引き動きを生じるとき、これが起こり得る。加えて、外科的又は検査的手順の間、ツール先端部の動きは、経路全体にわたって組織全てに対する動きを生じさせる。例えば、生検、切除、焼灼、電気生理現象等の間、装置の先端の動きによって、装置の経路の全体にわたって動きが生じる。この摩擦は、不安定な血小板を遊離させ、例えば、卒中の増大したリスクに至る。

本願にとって、「アクティブカニューレ」は、動き、特に遠位端の動きを生じるための管の相互作用に依存する装置を指す。「入れ子カニューレ」は、通常は最大から最小へ順次続く入れ子になった管の間で、最小の相互作用になるように構成された装置を指す。

２００８年３月２０日に出願した国際公開番号ＷＯ２００８／０３２２３０の「最小の浸襲性の外科手術のための活性カニューレ構成」というタイトルの出願人の以前の同時係属出願は、参照により本願に完全に取り込まれ、本願の一部をなす当該同時係属出願は、とりわけ、装置の遠位先端で特徴的動きを作るために、強さ及び複数の入れ子になった管形状の相互作用を達成するための活性カニューレ装置のコンフィギュレーションのためのシステム及び方法を開示する。事前に屈曲される同心の管のための逆運動学的な（inverse kinematic）技術が、Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎの２００７年のＩＥＥＥインターナショナル会議、シアーズ及びデュポンによる「同心状の管制御可能な針の逆運動学」、ｐｐ１８８７―１８９２に記載されている。しかしながら、開示されている技術は、自由空間での算定であって、障害物を考慮していない。この場合、逆運動学は、先端の特定のポジション及びオリエンテーションに到達するために、各管の特定のコンフィギュレーション（伸展及び回転）を識別することを必要とする。しかしながら、障害物周辺に到達するか、又は生体構造を横断するコストにより限定されるアクティブなすなわち入れ子カニューレの管を構成することは、大変な困難性を示す。

順次的展開により入れ子カニューレを使用するために、管のコンフィギュレーションは、遠位先端の最終的な所定のポジション及び経路に到達できるように、定義されなければならない。

経路に関しては、血管を通る正中線を見つけることは十分ではない。この情報は経路を展開可能な共通のサブコンポーネントに分解するやり方を記述しないからである。例えば、Ｓ字形状は、単一の連続Ｓ字形状として、単純に展開できない。これは、一端が、取り囲む管から出る際に、間違った方向に向くからである。むしろ、第１のＣ字形状が反時計回りに回転し、第２のＣ字形状が、第１のＣ字形状から１８０度に向けられて時計回りのＣを作るように伸展するように、２つのＣ字形状が入れ子状でなければならない。更に、２つのＣ字形状が各々わずかに異なる場合、加熱などによって、形状へのカスタム製造を必要とするだろう。更に、管の直径は、提案された生体構造に整合しなければならない。

障害物も回避しながら、３Ｄで所与のターゲットに到達するために経路が気管支鏡制御のためにどのように定義されるかを記述する技術が、以前から開示されている。この技術は、予め定められた好適な円弧を持つ屈曲可能なカテーテルに適用されてもよい。入れ子カニューレによる所望のターゲットへの経路を計画することは、２Ｄ又は３Ｄにおいて以前には教示されていなかった。また、空間内のかかる生体構造のロケーションを確立する全範囲の変数をアドレスする情報を用いた、入れ子カニューレでの所望のターゲットへの経路を計画することは、以前には教示されていなかった。

入れ子カニューレシステムは、限定するわけではないが、入れ子カニューレシステムと関連した管の可撓性、他のナビゲーションシステムに対するより小さな直径、及び伸展可能な入れ子デザインのサイズの逐次減少を含む、既存のアクセス及びナビゲーション技術に勝る幾つかの利点を提供し得る。特定の入れ子カニューレシリーズ及び／又はシステム内の管の数は、最も外側の管の直径、及び後続する管が伸展するにつれて、後続する管が生体構造の範囲内にフィットするかどうかにより制限される。ターゲットロケーションは、実施される外科的処置の必要性及び問題となっている生体構造により、一般に影響され及び／又は決定される。結果として、幾つかのかなり入り組んだ狭い経路及び／又はターゲットロケーションは、既存のシステムを使用して到達するには困難であり得る。

例えば、サーモプラスティは、入れ子カニューレシステムを活用し得る。サーモプラスティは、米国において約１４００万人の喘息患者を治療するために用いられる新進の技術である。Ａｓｔｈｍａｔｘ社により製造されるＡｌａｉｒ（登録商標）装置が、臨床テストで報告されている。平滑筋が様々なトリガーに応答して厚くなり、気道を閉じてしまい、毎年２０万人の入院及び５１億ドルの直接医療費に至る。Ａｌａｉｒ（登録商標）装置は、気管支樹を囲む平滑筋の脱感作することにより働く。

従って、効果的な入れ子カニューレシステム、及びより詳しくは、空間内の生体構造ロケーションのポジションと関連する変数の全範囲に基づいてかかる生体構造ロケーションに確実に到達するために効果的である入れ子カニューレシステムのためのニーズが存在する。これら及び他のニーズは、本願のシステム及び方法により対処され及び／又は克服される。

本願は、とりわけ、最小の侵襲性の医療処置のための入れ子カニューレのデザイン及びコンフィギュレーションのための好適なシステム及び方法を提供する。入れ子カニューレは、予め取得された三次元画像及びターゲットロケーションの識別に基づいて、特定の患者のためにいわゆる作られたカスタマイズツールでもよい。ターゲットロケーションは、ロケーション（ｘ，ｙ，ｚ）と、最初のものに対する別の点（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を選択することにより決定され得るオリエンテーションとを有する６自由度で記述される。本願による例示的なシステムは、互いに入れ子になった複数の同心のはめ込み管を含む。入れ子になった管は、特定の生体領域及びターゲットロケーションの三次元画像から生じる管経路を生成することにより、ターゲットロケーションに到達するように構成され、寸法決めされる。

生体領域の三次元画像によって定まる、ターゲットロケーションは、関係する生体構造の６自由度のロケーション及びオリエンテーションと、実施される処置のニーズとにより通常決定される。必要な経路は三次元撮像システムを使用して一般に得られ、各円弧がエントリポイントとターゲットロケーションとの間で決定される。管は、特定の生体領域内の比較的小さな及び／又は複雑なターゲットロケーションに到達するように構成され、寸法決めされる。

管は、柔軟性／弾力性の望ましいレベルを呈する物質から、好適に製作される。よって、入れ子になった管の一つ以上は、ニチノール物質から作られてもよい。力が付与されるとき曲がり、一旦力が除去されると本来設定された形状に戻るという点で、ニチノール物質は「完全な記憶」を持つ。ニチノールはＭＲＩマシン内でも使用できるが、長い管はアーチファクトを生じ得る。ニチノールは比較的強い物質であり、従って壁を薄くすることができ、幾つかの管を入れ子にすることを可能にする。５ｍｍから０．２ｍｍまでの外径を持つ管は、市場で容易に入手できる。形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）及び他の生体適合性プラスチックのような他の物質が、用いられてもよい。

例示的な実施例では、三次元撮像システムは、しばしばＣＴ、超音波、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ又はＭＲＩであるが、距離センサ、立体画像、ビデオ又は他の非医療用撮像システムからも構成され得る。通常は、問題となっている生体構造のロケーション及びオリエンテーション並びに特定の生体領域の画像が、複数の管の各々に対する特定の形状及び伸展の長さを定義するため、複数の管の各々を構成し寸法決めするために用いられる。複数の管の各々の定義された形状及び伸展の長さは、ターゲットロケーションが到達可能かどうかを決定する。ある具体例では、複数の管は、特定の生体領域、ターゲットロケーションのために形状及び伸展の長さを予め設定するように構成され寸法決めされる。予め設定された複数の管は、交互の湾曲及び直線の管を含む。

本願による例示的なシステムにおいて、複数の管は、関係する特定の個人及び生体構造に関連した特定の生体領域及びターゲットロケーションのための形状及び伸展の長さを予め設定するように構成され寸法決めされる。管は、通常、生体領域内で複雑な操作を必要とするロケーション及び／又は比較的小さな直径ロケーションに到達するように構成され寸法決めされる。生体領域は、器械の侵入又は処置を必要とする所望の領域であって、限定されるものではないが、肺領域、胸部の領域、腹部、神経学的領域、心臓部、脈管領域等を含む。生体領域のターゲットロケーションは、問題となっている生体構造により決定される。限定されるものではないが、腫瘍、病変、嚢胞、ポリープ、小結節、過誤腫、新生物、腫瘤、塊、ダクト、器官、組織、損傷、裂け目、損傷等を含む、問題となり得る様々な生体構造又は構造の状態がある。

例示的な実施例では、管は、中で入れ子になっている管に対して、複数の管のうちの外管に防壁を作成及び／又は具備することにより、挿入摩擦から生じる組織の損傷を防止するのに適している。管は、ターゲットロケーションで医療処置を実施及び／又は促進するために適する、遠位の管の先端において医療装置部材又は他のアクティブ構造を更に含み得る。本願と関連する医療装置は、限定するわけではないが、カテーテル、伸縮チップ、ガイドワイヤ、光ファイバ装置、生検、縫合、切除、焼灼、電子刺激、洗浄メカニズム、血管形成バルーン装置、他の血管形成術、掻は装置及びセンサ（例えば、ｐＨ、温度及び電気的センサ）を含む。例えば、光ファイバ装置が肺の病変を治療するために一般に用いられる一方、電気的センサは心臓の電気的機能を調べるために一般に用いられる。

管は、触知的及び／又は視覚的フィードバックにより補助されて生体領域への管の挿入に対する手動ガイダンス及び制御を可能にするのに好適である。管に埋め込まれている又は管により担持されるペイロード内の電磁トラッキングコイルのようなポジションフィードバックも使用できる。相対的なポジションはグラフィックディスプレイに表示され、好ましくは画像にレジストレーションされる。管は、自動化された制御及び／又は展開システムを可能にするか又はそれらと相互作用するようにも適応され得る。

本願は、更に、
（ａ）６自由度に基づいて、斯様な構造のロケーション及びオリエンテーションを決定するために、充分な情報を伴って、問題となっている生体構造及び生体領域の三次元画像を捕捉するステップと、
（ｂ）生体領域及び構造の三次元画像を読むステップと、
（ｃ）実施される処置と、問題となっている生体構造のロケーション及びオリエンテーションとに関して、入れ子カニューレの遠位先端の有効ポジションを決定することによりターゲットロケーションを確立するステップと、
（ｄ）三次元画像の特定ポジション及びオリエンテーションから一連の円弧を生成するステップと、
（ｅ）点を通る生成された一連の円弧を使用して、エントリ及びターゲットロケーションとの間の経路を計算するステップと、
（ｆ）生成された経路を使用して、ターゲットロケーションに到達するように構成され寸法決めされる入れ子カニューレを定義するために、互いに入れ子になった複数の同心のはめ込み管を生成するステップとを有する、入れ子カニューレ設計及び／又はコンフィギュレーションのための方法を提供する。通常、三次元画像は、ＣＴスキャン又はＭＲＩ画像である。例示的な方法において、複数の管は、直線の管と屈曲した管とで交互になる。管は、比較的小さく複雑なターゲットロケーションに到達し、実施されるべき効果的な処置を可能にするように構成されて寸法決めされる。

開示されたシステム及び方法の付加的な特徴、機能及び利点は、以下の説明、特に添付の図に関連して読まれるとき明らかになるであろう。

当業者が開示されたシステム及び方法を作ったり使用することを援助するために、添付の図が参照される。

図１は、２８ｍｍ半径、１４ｍｍ旋回半径、及び直線（無限大の半径）を持つ３つの異なる例示的なカニューレ曲率を例示する。 図２は、本願と関連した各管の中心に対する移動のオプションを表す円弧の例示的な三次元近傍を例示する。 図３は、直線方向における近傍円弧を強調している円弧の例示的な２Ｄ近傍を例示する。 図４は、左への固定曲率に沿った近傍円弧を強調している図３の円弧の例示的な２Ｄ近傍を例示する。 図５は、最初のセットの各ファイバから最適近傍解を特定する図３の円弧の例示的な２Ｄ近傍を例示する。 図６は、オープンな近傍円弧の第一のセットの展開及び円弧の連結から生じるカバレッジを例示する。 図７は、本願と関連する管の例示的なコンフィギュレーション及び肺気道のセグメンテーションを例示する。 図８は、生検を目的とする病変に対する例示的なアプローチ角度を例示する。 図９は、気管支肺胞洗浄（ＢＡＬ）を目的とする病変に対する例示的な接線アプローチ角度を例示する。 図１０は、肺の血管又は気道周辺のロケーション及びオリエンテーションである病変の光線力学的療法を例示する。 図１１は、血管又は気道周辺のロケーション及び／又はオリエンテーションでない肺の病変の光線力学的療法を例示する。 図１２は、ウェブベースのビジネスプラットフォームに適応する、開示された入れ子コンフィギュレーション、設計システム及び方法を例示する。 図１３は、選択されたターゲット点を囲む三次元状態の二次元横断面を例示する。

本願は、患者、生体対象領域及び／又は当該生体構造にカスタマイズされる入れ子カニューレを生成する入れ子カニューレコンフィギュレーションシステム及び方法を提供する。開示されたシステム及び方法は、従来の外科的手段により到達するのが一般に困難である特定のターゲットロケーションに到達するために、最小の侵襲性の外科的処置を好適に可能にする。ニチノール管は、複雑及び困難なターゲットロケーションに到達するための可撓性及び器用さを可能にする。一つ以上の三次元画像が、効果的なターゲットロケーションを決定し、可撓性の管の形状及び伸展の長さを定義する一連の三次元経路を生成するために用いられる。例示的実施例では、ターゲットロケーション及び管経路は、数分以内に計算される。構成される入れ子カニューレシステム及び方法は、複雑な脈管構造を、通常は正しく形成されるために試行錯誤を必要とする手動で形成されるカテーテルより速く通り抜けることを可能にする。構成される入れ子カニューレシステム及び方法は、また、効果的な治療のために必要とされるロケーションに到達できない手動で形づくられたカテーテル又は他の方法と比較して、より効果的な治療を可能にする。

モーター、制御ワイヤ等の付加的なサイズ又は付加的な重量なしに、複数旋回を実行できるように、ターゲットに到達するために必要とされる動きがツール内に設計される。よって、開示された小型の器用なツールは、非常に小さな生体領域及び／又は領域への正確な最小の侵襲性の到達を提供できる。

本願によると、入れ子カニューレシステムは、複数のはめ込み予備成形された管を含む。可撓性のニチノール（ニッケル―チタン合金）又は他の適切な物質から作られる同心のはめ込み管は、生体領域に沿って概して伸展し、各管が特定の曲率を持つ。ニチノールは、その記憶特性及び可撓性のため、カニューレ製作のために特に望ましい物質であり、よって、管が伸展するまでその周りの大きめの管内へ管を一致可能にする。通常、最大の管が、所望の領域へ最初に導入され、予想される／所望の長さ及びオリエンテーションへ連続的に小さくなる管の導入／伸展が続く。例示的実施例では、管は、より安価であるがより厚めの壁を必要とするゴム又はプラスチックでできていてもよい。必要とされる管の数が十分に小さくてもターゲットポジションに到達できるか、又は生体構造が各管を収容するのに十分大きい場合、非金属制作が好適である。管状弾力特性も重要であり、従って、管が新しい形状を取るか又はさもなければ記憶効果に悩まされる機会が少なくなるように、管が展開される時の近くまで、管を入れ子にすることが有利であり得る。

本願による例示的な入れ子カニューレは、所望の生体領域の比較的小さな及び／又は複雑なロケーションに到達するように操作可能な、複数の入れ子式ニチノール管（しばしば、一連の管と呼ばれる）を通常含む。

よって、本願による例示的なシステムは、特定のターゲットロケーションに到達するのに必要な各管の形状及び伸展距離が、特定の生体領域の画像から構成され寸法決めされる入れ子カニューレを含む。ターゲットロケーションは、実施される外科的処置と、問題となっている生体構造のロケーション及びオリエンテーションとにより決定されるか、又は基づいて決定される。通常、入れ子カニューレコンフィギュレーション及びターゲットロケーションの決定のために使用される画像は、ＣＴ又はＭＲＩシステムのような医学画像システムを通じて取り出される。本願に関連する例示的な入れ子カニューレシステムは、特定のターゲットが入れ子カニューレの複数のチューブにより到達可能かどうか決定するためにも操作可能である。

具体例によると、入れ子カニューレシステムは、屈曲した管と直線の管とが交互にある管の「標準セット」を含む。「標準セット」を使用することは、各特定の管のカスタムメイドの製造の費用又は遅延なしに、所与の生体領域内の様々なロケーションに到達することを可能にする。

本願は、また入れ子カニューレシステムのコンフィギュレーションのための例示的な方法を提供する。問題となっているターゲット生体領域及び構造の特定の三次元画像は、ＣＴ、超音波、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ又はＭＲＩのような撮像システムを使用して生成される。これらの画像は、互いにレジストレーションされ、ＰＥＴ―ＣＴのようなマルチモーダル画像を作成し、ここで、ＰＥＴは、ターゲット及び周囲の関係生体構造に関する重要な情報を提供し、ＣＴ画像は、禁じられた「クリティカル領域」（すなわち、入れ子カニューレが進めない領域）を定義するためにセグメント化され得る。点、通常はターゲットロケーションが、最初に定義される。このロケーションは、実施される外科的処置と、問題となっている構造のロケーション及びオリエンテーションとに関して決定される。点は、また、潜在的にエントリ又は中心キーポイントでもありえる。エントリポイントで始まって、到達可能なロケーションが計算され、三次元ターゲットロケーションに到達するために必要とされるはめ込み管形状の正しいセットが決定される。斯様な決定に基づいて、個々の管が選択され及び／又は生成される。

以下の説明は、本願と関連した例であり、これによって、フレームワークのコンポーネントの各々が記述される。
(A)方法
以下のセクションでは、離散的に定義されるコンフィギュレーション空間（configuration space）、禁止状態（forbidden state）、スタート又はゴール状態、近傍（neighborhood）及びコストメトリックを含む、本願と関連する例示的な入れ子カニューレアプリケーションに対して、フレームワークの幾つかのキーコンポーネントが記述され、規定される。

１．コンフィギュレーション空間（configuration space）：
コンフィギュレーション空間は、時々装置の「コンフィギュレーション」と呼ばれる、状態を記述する可能なパラメータのスパンにより定義される。例えば、ロボットコンフィギュレーションは、各ジョイントの角度値により定義される。全ての可能性があるジョイント角度コンフィギュレーションのスパンがコンフィギュレーション空間を形成する。同様に、車両のコンフィギュレーションは、そのｘ，ｙポジション（position：座標位置）及びオリエンテーション（orientation）により規定される。各状態、しばしば１つの装置コンフィギュレーションに対するパラメータ値により規定されるアレイエントリにおいて、この状態から次の状態へ進む方向、及びこの状態からゴールに到達するための残りのコストを含む、幾つかの値が、格納される。これらの値は、後に実行される探索法により割り当てられる。

入れ子カニューレのコンフィギュレーションは入れ子カニューレの先端のｒｘ、ｒｙ、ｒｚオリエンテーション及びｘ、ｙ、ｚロケーション（location）により表され、６次元問題空間をもたらす。関連するロケーションは、それぞれ０．０７８、０．０７８及び０．３の例示的なｘ、ｙ、ｚ分解能で、例示的な５１２ｘ５１２×２９５の術前ＣＴ画像内で発生する。ＣＴ画像に対して１０度増分で全てのオリエンテーションを離散化することは、１４４テラバイトの挑戦的メモリ要件では各々が約４０バイトを含む３．６兆個の状態を必要とするだろう。残りの４つのコンポーネントが説明された後、３次元のＣＴ画像のサイズのオーダーにあるコンフィギュレーション空間の使用を可能にする技術が説明される。

２．禁止状態（Forbidden states）：
幾つかのボクセル領域が「フリースペース（自由空間）」状態とみなされ、他のボクセル領域は装置が通れない禁止領域であるように、生体構造がセグメント化される。このセグメント化ステップは、手描き、ユーザが生体構造の領域に名目上のモデルを配置し、コンピュータがセグメント化を精緻化するモデルベースセグメンテーション、又は完全に自動化されたセグメント化を含む、多くの種々異なる技術により実施できる。この例では、肺のための入れ子カニューレを構成することは、肺気道のセグメント化を要求する。図７の例示的画像は、閾値を持つ半自動化されたＦａｓｔ Ｍａｒｃｈ（Ａ＊）法を使用してセグメント化される。これは、内側自由空間ボリューム及び外側禁止ボリューム（肺組織）を生成する。

３．スタート又はゴール状態：
ロケーション（ｘ、ｙ、ｚ）及びオリエンテーション（ｒｘ、ｒｙ、ｒｚ）又は関心点の（ｘ２、ｙ２、ｚ２）は、ターゲット状態（ゴール）を表し、探索（後述する）のためのシード点として選択され得る。このターゲット状態（ロケーション及びオリエンテーション）は、問題になっている生体構造のロケーション及びオリエンテーション（これらは６自由度であり得る）と、実施される外科的処置とに基づいて通常決定される。当然、ツール（ライトなど）を担持する管が全ての回転において同等によく機能する場合など、エントリ方向が回転不変である場合、「上」に対する特定の方向が、システムにより割り当てられる。代わりに、気管内の状態などのエントリポジションが、探索のためのシード点として使用され得る。

好ましい実施例において、スタート又はゴールは、相対的な自由空間がより小さくなる（より限定される）ところに基づいて選択される。このロケーションから、臨床的に適切であるエントリ角度が定義される。例えば、図８を参照すると、気道８００は、生検のためにターゲットとされる肺小結節又は疑わしい腫瘤８０１を含む。本目的のため、小結節又は腫瘤８０１は、問題となる生体構造を表す。目的は、ターゲット状態８０４に到達しながら、肺小結節又は疑わしい腫瘤８０１の中心領域に侵入する経路８０２を見つけることであり、ここで、穿刺部位の針の力が内部へ向かうように、ターゲットアプローチ角度８０３とも呼ばれる挿入角度は実質的に垂直である。この場合、好適な角度は、理想的な垂直方向に対して妥協案になり得るが、より大きな気道から（左へ）曲がることにより限定された血管サイズの制約に対処し、当該大きな気道から入れ子カニューレが到着する。

他の状況では、図９に図式的に表されるように、気道９００のターゲットアプローチ角度９０３は、もっと接線方向であり得、肺小結節又は疑わしい腫瘤９０１の表面をターゲット状態９０４に触れさせることさえない可能性がある。このアプローチは、例えば、肺の気管支肺胞洗浄（ＢＡＬ）処置を実施するときなど、臨床的に有効であり得る。ターゲット状態９０４は、提案された経路９０２を介して到達される。ＢＡＬは、光ファイバ気管支鏡を介して、肺の遠位セグメントに滅菌食塩水（通常は０．９％）を注入して、再吸引するプロセスである。食塩水が、気管支鏡の先端の遠位の空所を充填する。吸い込まれた細胞を評価することにより、ＣＴで識別される良性小結節から悪質な小結節を区別するため、再吸引された食塩水が使用され得る。しかしながら、ＢＡＬ処置の感度は変動し、これは、実際の疾患が検出されないかもしれないことを意味する。この可変的な感度の１つの考えられる理由は、気管支鏡の先端が十分深く肺に到達できず、従って、必要よりも多くの液体が、末梢部の領域を満たすために用いられ、実際の疾患の細胞が検出される可能性を減らすからである。

しかしながら、入れ子カニューレが使用され、より少ない水が肺領域に送られる場合、疑わしい細胞は高い相対的な濃度に存在するので、疑わしい細胞は容易に検出される。気管支鏡ベースのＢＡＬ処置の後、液体は残ったままであり、肺により吸収されるか又は吐き出されなければならない。本願で開示される入れ子カニューレＢＡＬ処置の後は、一般に肺領域に送られている液体が少ないので、術後副作用が少なくなる。加えて、入れ子カニューレをターゲットロケーションへ確実に、効率的に且つ特異的に配送するための能力は、疾患存在の強調された指標へとつながるだけでなく、疾患ロケーションを確定するために効果的でもある。

図１０に図式的に表されるような他の状況では、血管又は気道の通路１００２は、肺病変１００１により囲まれて、光線力学的療法（ＰＤＴ）のための目標とされる。病変１００１は、問題となる生体構造を表し、１０００はターゲット状態（遠位端のポジション及びオリエンテーション）を表す。ターゲットアプローチ角度１００６は接線方向であって、病変１００１の表面をターゲット状態１０００に接触させない可能性がある。アプローチ角度は、効果的な治療を容易にするために、問題となる生体構造の６自由度のロケーション及びポジションに基づいて決定され得る。これは、肺のＰＤＴを実施するときなど、臨床で有効であり得る。この例示的な場合において、ターゲット状態１０００は、実施される外科的処置（ＰＤＴ）並びに問題となる生体構造（病変１００１）の６自由度のロケーション及びオリエンテーションに関して選択された。病変１００１が血管１００２周辺に位置し、ファイバ１００３に沿って位置するディフューザー１００４からの光放射１００５が病変１００１から実効距離の範囲内であるので、ターゲット状態１０００及びアプローチ角度１００６が選択された。この状態において、目的は、ターゲットアプローチ角度１００６でターゲット状態１０００に到達する、肺血管１００２を通る経路を見つけることである。

図１１に図式的に表わされるような追加的状況において、肺病変１１００はＰＤＴ治療のための目標とされるが、病変は気道又は血管を囲んでいない。病変１１００は問題となる生体構造を表し、１１０５はターゲット状態（遠位端のポジション及びオリエンテーション）を表す。この状況では、病変１１００は、２つ以上のロケーションから攻撃されなければならない。病変カバレッジは、近くの血管１１０６、１１０７、１１０８及び１１０９のリーチに基づいて分けられなければならない。ターゲット状態１１０５、適当なアプローチ角度並びにディフューザー１１０１、１１０２、１１０３及び１１０４は、効果的なＰＤＴを促進するために、病変１１００の６自由度のロケーション及びポジションに基づいて本願に従って計算される。

注目すべきことに、利用できる気道のサイズ若しくは可視性又はナビゲーションの複雑さに基づいて、特定領域に管が到達できないかもしれない。例えば、計画者は、入れ子カニューレが、１１０７のかなり狭い狭窄のような特定の位置に到達できないとわかる場合がある。コンフィギュレーションメカニズムを持つことにより、入れ子カニューレデザイン、ターゲットロケーション及びカニューレ内部の器具の仕様は、病変、例えば、病変１１００の最大限のカバレッジ及び破壊を保証する。

同様に、一連のロケーションは、サーモプラスティを展開するために定義され得る。この場合、管のセットは、遠位のロケーションに対して計算される。サーモプラスティ素子は、最初に遠位のロケーションに送られ、サーモプラスティが実施されると、入れ子カニューレは特定のプローブのための治療的に推奨された距離だけ格納される。各カニューレは、逆順で格納されるが、アクティブな装置を坦持する最も内部の素子は伸展されたままである。

４．近傍（Neighborhood）
近傍は、装置の利用可能な制御及び機械的特性に基づいて、自由空間で実施できる基本的な装置動作のセットを包含する。特定の管の曲率は、車両に類似して、規定された「最小旋回半径」を持つ。図１に示される例において、３つの異なる曲率が、入れ子カニューレのために考察される。第１の曲率１０１は直線である（曲率がない又は等価的には無限旋回半径）、第２の曲率１０２は２８ｍｍの旋回半径を持ち、第３の曲率は１４ｍｍの旋回半径を持つ。例えば、曲率１０２に沿って示される一連の点は、２８ｍｍの屈曲する管の特定の伸展に対するＸ，Ｙ空間のポジションを示す。このポジションの接線は、オリエンテーションを与える。入れ子カニューレに対して、主要な制御は、各管の回転及び前進であり、各管の曲率は、図１に示され／説明された３つのような、一組の別々の曲率の中からあらかじめ選択される。

４５度増分で、図１に例示される３つの円弧各々を回転させることにより、結果として生じる近傍は、図２に例示され得る。特定の回転で屈曲する各管は、時々ファイバとも呼ばれる。図２では、２つの曲率（１４ｍｍ及び２８ｍｍ旋回半径）に対する８回転プラス付加的なオプション（回転なしの直線）がある。１つの例が、同じ回転に対して、各曲率、１４ｍｍの旋回半径ファイバ２０１及び２８ｍｍの旋回半径ファイバ２０２に対して強調される。ファイバの各々は、同じ曲率を続けながら何れの長さにも伸展できる。図１乃至図６に示されるように、任意の離散的に定義される空間との非ホロノミック問題のため円弧の長さは、オリエンテーションが９０度変えられるまで湾曲ファイバが進展される場合、有利に機能する。近傍２００の直線の部分は、回転成分を無視し、任意の回転で直線の管は同じ経路をフォローするので、入力される回転が同じままであると仮定する。図１及び図２は、矩形のピクセルを持って現わされているが、それは軸マーカーの選択の単なる副産物であることに留意されたい。

入れ子カニューレの近傍は、装置の非ホロノミックな挙動を包含するメカニズムである。非ホロノミックとは、制御パラメータ（前進プラス回転）のための特定の値が、すでにとられた経路の特性を知ることなしには、結果的なポジション及びオリエンテーションを一意的に定義しないことを意味する。許される動きのセットをロケーションからキャプチャするので、近傍は、探索（後述する）のキーコンポーネントである。

５．コストメトリック：
近傍状態の各々に対して、コストが割り当てられる。これは、全体の最適化基準に基づく局所移動に対する構成コストである。入れ子カニューレの例では、進む距離を最小にすることが望ましい。従って、ホームロケーションから近傍までの直線経路又は円弧に沿って進む距離が、コストを定義する。

（Ｂ）tractabilityのため６Ｄから３Ｄコンフィギュレーション空間への変換
１４４テラバイトを必要とする上記の離散的に定義されるコンフィギュレーション空間は、多くのコンピュータ上でメモリ問題を生じるだけでなく、ここで説明されているように、これらの状態の探索も必要とする。このフレームワークの進行は、コンフィギュレーション空間及び計算時間を低減する改良された技術を必要とする。

２つの所見が、この改良をドライブする。第１に、３次元（３Ｄ）ＣＴから得られる禁止領域が、先端のオリエンテーションに関係なく、同じままであるということである。従って、３Ｄ空間内で、３Ｄオリエンテーションが無視されるか、又は状態当たり格納される２、３の値にまで減少され得る条件を特定することが有効である。

第２の所見は、コンフィギュレーション空間の主要な目的をレビューすることから生じ、このことは、現在の状態を記述する値を格納し、次の状態への方向を提供することである。オリエンテーションが、スタート又はゴールシードロケーションで固定され得る場合、これは一意的な近傍オリエンテーションを計算するためのアンカー基準を提供する。このシードポジション及びオリエンテーションから、特定のオリエンテーションを伴うポジションが、到達可能な全ての点に対して計算され得る。

計画されるオリエンテーションｒｘ、ｒｙ、ｒｚ又はｘ２、ｙ２、ｚ２は、このとき、コスト及び方向と一緒に各ｘ、ｙ、ｚコンフィギュレーション状態内の値として格納され得る。オリエンテーションｒｘは、スレッド番号（スレッド番号は、各スレッドの相対オリエンテーションを定義する、図２：２０１及び２０２）として、近傍に非明示的に包含される。デカルトの座標系（ＸＹＺ）において、オリエンテーションｒｙはＹ軸のまわりの回転であり、オリエンテーションｒｚはＺ'軸のまわりの回転であり、Ｚ'軸は、角度θに対してＹ軸のまわりに回転するＺ軸である。Ｙ軸の周りの回転は、角度θで記述される。Ｚ'軸の周りの回転は、角度φにより定義される。よって、パラメータセット｛ｒｘ，ｒｙ，ｒｚ｝は、パラメータセット｛スレッド、θ、φ｝により置き換えられる。コンフィギュレーション空間の独立パラメータとして｛スレッド、θ、φ｝を除去することは、６Ｄから３Ｄまで空間を低減し、必要とされる記憶空間を約７７００万の状態及びよりtractableな３ギガバイトのメモリへ激減させる。

ポジション（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の離散化誤差は、各状態内に計画値を格納することによっても削減され得る。離散状態の固有の（デフォルト）値は、ボクセルの中心で表される値である。ボクセルの離散化のレベルに依存して、この値は、提案された装置を制御するために充分であろう。更なる改良は、コンフィギュレーション空間の全体にわたって離散化誤差を招くよりはむしろ、状態内で正確なポジション（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の値をオプション的に格納することにより達成される。２つの特別な利点がこの技術にはある。

第１の利点は、ロケーションがポジションに対して任意の精度に格納され得ることである。ある方向（例えば、Ｘ及びＹ）で高い精度を生じ、他方向（例えば、Ｚ）で低い精度を生じる、ボクセルの寸法が等しくないとき、この格納能力が特に有用である。例えば、ＣＴのような医学画像では、ボクセルは、矩形でないか、又はより適切には立方でなく異方性であり、ここで、Ｘ及びＹボクセル長は、（０．０７８ｍｍ）及びＺボクセル長は、（０．３ｍｍ）である。障害物カバレッジがボクセルの分解能で定義されるが、制御は、各状態空間内の計算された（例えば、倍精度の）ｘ、ｙ、ｚ、スレッド、θ、φ値を格納することにより、更に正確に定義される。

第２の利点は、現在の状態が次の状態まで適切に制御可能でない場合、この制約が識別され、自動的に代替の制御戦略をトリガーすることである。最も単純な場合では、装置が停止し、動きを再開するための適当で安全な条件を待ってもよい。例えば、患者が呼吸すると、装置の実際のポジションｘ、ｙ、ｚは動くだろう。実際のポジションが計画されたシナリオの０．５ｍｍ以内にあるときだけ、装置制御が進行することが適当である。

これらキーコンポーネントが定義されると、最短で衝突がない経路は、近傍に包含されるその管で許される利用可能なコンポーネントの管曲率又は形状及び動きのセット（回転及び伸展など）に基づいて固定シード（スタート又はゴール）から生成され得る。経路は、スタートとゴールとの間の連結された円弧又は直線の動きから成り、関連する制御で段階的に実施される。

（Ｃ）経路生成：
Ａ＊探索法が、シードロケーションからの全ての可能性がある経路を捜し出すために用いられる。車両操縦及び気管支鏡操縦を含む３Ｄ探索は、前述されている。同じ３Ｄ探索が、入れ子カニューレのために実施されるが、紙媒体の制限のため、２Ｄで例示される。

図３は、例示的な２Ｄ近傍を示す。この単純化された近傍は、近傍解（neighbors）３０１―３０６を含む、直線のスレッド及び「ホームポジション」３００を示す。紙の同じ面上になるように都合よく互いから１８０度回転してセットされる、同じ曲率を持つ２つのスレッドもある。図４では、ホームポジション４００は、図３のホームポジション３００に対応し、左スレッドに沿った近傍解が４０１―４０６で特定される。等価のセットが、右スレッドに沿って特定され得る。

隣接するものだけを考慮するよりはむしろ、近傍は、後続する到達可能な近傍解として考慮されるロケーションを統制する。状態はleast-cost-first方式で、順次展開され、遷移コストを今までの総コストに加えて、最小であるものだけを格納する。修正された先端オリエンテーションは、選択された近傍解に進むことにより生じる変化及び前のオリエンテーションに基づいて計算される。図５では、最小の距離メトリックで最終的に到達される近傍解が示される。近傍解は非立方コンフィギュレーション空間にあり、これは状態への最小コストがどのように特定されるかを更に強調する。この場合、５０１及び５０２から成る近傍解は、直線の経路を介して到達される。これらの状態へのより最適な（例えば直線の）経路がない左のファイバに沿って到達される近傍解は、５０３として特定される。同様の近傍解は、５０４として右のファイバに沿っても特定される。これらの近傍解は、後続回の展開のためのオープンノードになる。

図６では、図５で記述されているロケーション及びオリエンテーションにおいて展開される近傍解のパターンの例と一緒に、元のホームノード６００が示される。各「オープンロケーション」で、ホームノード６００のオリエンテーションが読み込まれ、後続の展開はそのオリエンテーションに関して配向される。図５からのオープン近傍解５０３のセットのポジション及びオリエンテーションは、ロケーション６０３において展開され、新しい近傍は、オープンノードのホームオリエンテーションにマッチするように配向される。同様に、図５の５０１及び５０２のオープンノードは、図６のロケーション６０１及び６０２において展開され、図５の５０４のオープンノードは、ロケーション６０４において展開される。

この簡略化された探索例は、今までのところ、禁止状態がないと仮定している。近傍の展開は、最も近くから最も遠くまで、各ファイバに沿って近傍のホームロケーションから、好ましくは実施される。禁止状態が見つかる場合、ファイバの残りは到達できないとみなされ、探索は次のファイバに続く。これは、経路が無効である領域を「飛び越える」ことを防止する。

障害物を回避するファイバの線形探索を含む同じ探索技術が、３Ｄで実施される。これは、図２に示される近傍は、後続する到着可能な状態のセットを計算するためにオープンノードの所与のポジション及びオリエンテーションに再配向されることだけを要求する。逐次計算が、空間を満たすとき（もはやオープン状態がないとき）、又は探索が他の受け入れ可能な終了状態に到達するとき、プロセスは終わる。受け入れ可能な終了状態のセットは、探索が図８のターゲット状態８０４のようなターゲットから始まるとき、例えば一番上の気管の面に沿った何れのノードでもよい。

このleast-cost-first Ａ＊展開のための直観的類推は次の通りである。シードロケーションで、池に落とされる小石により生成される波を想像する。さざ波が立ち、島（禁止領域）周辺で拡がるにつれて、スナップショットが、タイムスタンプ（ｔ _０ …ｔ _ｎ ）を含んで、毎秒とられる。スナップショット上で波に垂線を描画することは、各到着可能なロケーションからソースシードへ向かう方向を与える「ポインタ」を形成する。何れの到着可能なロケーションからも、小石が落とされたシードロケーションに到達するためにロケーションからロケーションまでポインタをフォローする必要があるだけである。加えて、現在のロケーションを含む画像のタイムスタンプは、シードへ戻るために必要とする推定時間を示す。ロケーションが波により到達されないときはいつでも、このロケーションとシードロケーションとの間の経路がない。（特定の装置を使用して）実行可能な経路を生じない状況を特定することは、不必要な苦労の時間とエネルギーを節約するので、有効な特性である。経路がないときは、有効なものを見つける他の装置がモデル化され得る。他のアプローチは、一つ以上の障害物が移動され得るかどうかを識別することである。この類推は２Ｄで記述されるが、Ａ＊法は、３Ｄ又はより高い次元で同様に機能する。解に必要な最尤状態のみが計算されるように探索をフォーカスするために、当業者に知られている幾つかの効果的なＡ＊法が使用され得る。

（Ｄ）経路追従：
終了ノードに到達する場合、経路は終了ノードとシードとの間で計算される。代わりに、ユーザ又はコンピュータは、最も近いシードに接続されるべき終了点を選択できる。スタートとゴールとの間で、経路は、状態から状態へ生成される。１つの状態から他方の状態への追従は、近傍数として格納され得る「方向ベクトル」を読むことを必要とする。図３及び図４に示されるように、近傍数は、ファイバも示す、従って、とられた経路のタイプも示す。例えば、図４の４０５に位置する近傍解は、特異的に屈曲する円弧が特定の距離左に向けられたことを特定し、特定のロケーション及びオリエンテーションをもたらす。これは、この屈曲する管が経路に沿って次の状態に到達するために必要とされる挿入長及び囲んでいる管内の回転に対応する。

図７では、例示的経路が、７０６のエントリとターゲット７０７との間で示される。管の数を正しく計算するために、ファイバが経路に沿って同じタイプのファイバ（同じ相対的オリエンテーション及び曲率を持つ）に至る場合、それは１つの連続する管と考えられるべきである。換言すれば、同じ曲率及び相対的回転を持つ円弧は、同じ仕様、例えば２つの２８ｍｍ半径の円弧プラス４５°回転を持つより長い管になるように連結され得る。一連のスレッドタイプの各変化は、入れ子カニューレシステムの管の入れ子になった一連の次の管への変化を表す。図７で与えられる経路は、視覚の結果を単純化するための概略図である。管は、気管に到達するために鼻又は口を通過しなければならず、規定されたオリエンテーションを持つエントリポイント７０６からの経路を考慮しなければならないことに留意されたい。

第１の管は、直線であって、７０５の長さ前進させなければならない。この点から、第２の管７０４は、７０４が管７０３に接続するところに到達するまで進む。この第２の管７０４は、７０５の内径より狭い外径を持ち、選択される近傍解及びファイバにより規定される曲率を持つ。同じように、７０３は直線であって、７０２に到達するまで伸展し、７０２は屈曲して７０１に到達するまで伸展する。各連続した管は、その先行する管より小さい。

（Ｅ）特定の機能及び生体構造のため管半径を定義すること
一連の管が規定領域内部に実際にフィットし得る場合だけ、経路は実行可能である。課題は、生体構造が全体的に直径変化して複雑であり得ることである。また、より多くのタイプの操縦が要求されると、一般に必要とされる管が多くなり、エントリで必要とされる直径がより大きくなる。幾つかの方法が、所与の経路及び利用可能な自由空間に基づいて管直径を生成するために提示される。

１．総当たり方法は、経路を作り、最も小さなものから始めて、管の各セクションに対する必要な管外径を計算することである。経路に沿った各点に対して、点と半径距離との間の不正状態を検査する。交差がある場合、経路は実行可能ではないが、何らかの追加の方法なしに、これは実行可能性を運任せにする。

２．より信頼性が高い方法は、予想される最大の管のサイズにより自由空間を縮小することである。この方法では、全径路が境界内にあるので、全経路が実現できる。残念なことに、この技術は、小さな管により到達できる生体構造へのアクセスも排除する。

３．信頼性が劣る可能性がある方法は、利用できる管の最小の外径のサイズにより自由空間を縮小することである。これは、最小の管でさえアクセスが不可能な領域、及びいくらかの可能性を提供し続ける自由空間の領域を直ちに詳細に描写する。この空間における計画は、実行可能な経路を特定する機会を向上させるが、依然それを保証するものではない。

４．好ましい方法は、幾つかのキーステップを持つ。
４．１禁止領域の幾つかのバージョンを事前計算するステップ。各禁止領域は、各有効な管の外径により大きくなる。管が他の管と入れ子になり、最小の管が意図されたペイロード又はツールを担持するのに十分大きい場合だけ、管は有効である。入れ子カニューレの使用目的は、最小の有効な管を決定する。例えば、カメラが挿入される場合は、液体サンプルが採取され管が空である場合よりも大きいだろう。自由空間を収縮するか、又は等価的に禁止空間を膨張させることは、有効な管ごとに一度だけ迅速に実行され得る。膨張（Dilation）及び収縮（Erosion）は、画像処理から良く知られている。
４．２経路に沿って生体構造の狭い部分内でシードを選択する。従って、肺において、特定のシードは、気管の中央よりもむしろ末梢部の腫瘍位置にありそうである。脳において、例えば頸動脈よりもむしろ眼の動脈のような、最も狭い血管が選択されるべきである。これは、通常、ターゲットに位置されるが、血小板蓄積中間点がある血管アプリケーションのようなエントリポイントとターゲットとの間にあることも可能である。
４．３最小の有効な管の外径により決定されるようにシードにおける禁止領域をセットする。
４．４シードロケーション以降に発生している管変化の総数を追跡する。これは、ゴールまでのコストに加えて、コンフィギュレーション空間に格納される。ノードが展開されるとき、禁止領域が管変化の数に基づいて選択され、これは、使用される現在の管の半径を定義する。

終端ノードが到達されるとき、必要とされる管の半径も規定される。本願による入れ子カニューレシステムの使用は、臨床医及び／又は他の医療関係者が、特定の生体領域内で複雑な操作を必要とするターゲットロケーション及び／又は比較的小さな直径ターゲットロケーションに到達／アクセスすることを可能にする。

多くの追加的な生体領域は開示されるシステム及び方法から利益を得る可能性があるが、例示的な生体領域は、胸部の領域を含む。本願に関連する例示的な入れ子カニューレシステムは、気管支鏡又は内視鏡により一般に到達できないターゲットロケーションに到達するように操作可能である。

非ホロノミック問題を解くために入れ子カニューレシステムを制御するための本願による例示的な方法は、特定のエントリポイントから所望の領域の特定のターゲットまで定義された一連の円弧を生成するステップを含む。一連の円弧は、領域内に所望の経路を形成する。

本願による例示的な入れ子カニューレシステムは、管挿入摩擦から生じる組織の損傷に対して保護できる。入れ子のデザインは、最も外側の管が挿入点近くで接触する組織を保護することを可能にする。これは、肺関係の処置に関連した挿入の間又は血管プラークが不安定であり得る間、特に有用であり得る。例示的な入れ子カニューレシステムは、３Ｄ撮像計算方法を通じて決定される特定の形状、長さ、最大直径及びシーケンスに対して設定され寸法決めされる一連の管を含む。

入れ子カニューレ技術は、制限するわけではないが、以下を含む他のナビゲーション装置に勝る幾つかの利点を提供する。（ｉ）ジョイントモーター又はマリオネットワイヤを用いない、入れ子式先端の効果的な制御及び角度形成、（ｉｉ）従来の装置より小さな管直径、（ｉｉｉ）比較的廉価で通常は使い捨てであるカニューレ、（ｉｖ）ニチノール及び同様の製造物質は、カニューレが任意の形状及び曲率へ形成されることを可能にし、よって、複雑な領域へのエントリ及び／又はアクセスを容易にする、（ｖ）ニチノールは、ＭＲＩに好適な物質である、（ｖｉ）予め形成されたカニューレ構成は、画像ガイダンスの助けを借りて手動でガイドされ、ＭＲＩに好適なピエゾモーターにより後に制御され得る、（ｖｉｉ）連続的に小さくなる同心のカニューレは、より大きな領域に入って、連続的に小さくなる領域へ最終的に到達する様々な医療用途用のための様々な形状にマッチする、（ｖｉｉｉ）カニューレシステムの早期展開は、コンフィギュレーションの正確な計算及び手動制御で達成され得る。

代替実施例
例示的なシステムによると、標準セットのカニューレは、生体構造、例えば肺の複数のターゲットロケーションが、特定の患者及び／又はターゲットロケーションに対して特に計算された角度及び長さでカスタムに展開されるが特定のパターンの管を使用して到達され得るように、定義され得る。特定のターゲットロケーションに到達する一連の円弧及び直線の管が計算され得る。ターゲット管経路は、結果的に得られる一連の円弧及び直線の管から生成される。１つのファイバから別のファイバへの変化が付加的なペナルティを負うように、経路計算は重み付けされ得る。

医師が、エントリ角度を定義することなく、しばしば３次元（ｘ，ｙ，ｚ）において、ターゲット点を選択することが、より単純になる。システムは、隣接ノードからターゲット点へ向かうエントリ方向に基づいて自動的にエントリ角度を計算できる。点は、一組の３つの直交図、例えばコロナル（冠状面）、アキシャル（横断面）、サジタル（矢状面）から選択できる。より単純な表現のため、図１３は、選択されたターゲット点１３０５を囲む３Ｄ状態の２Ｄスライスを示す。探索のためのシードとして、選択されたターゲット点をヒープに加えるよりはむしろ、周囲状態が潜在的シードとしてみなされる。図１３の選択された点１３０５から、一組の周囲状態が、探索ヒープへの自動包含のために分析される。周囲近傍状態は、典型的には無限又は非常に高いコストを持つ「不正状態」、例えば１３０２でラベルされる陰影状態を含み得る。他の状態は、１３０１、１３０３及び１３０４により識別されるものなど、通過可能である。類似した手順が、示されていないものも含めて３Ｄの周囲状態の全てに対して実施される。分析は、各周囲状態に対して２つの基本的なステップを含む。
（１）ゴールへの経路が許容されるかどうか、すなわち、特定の遷移又はスレッドタイプを使用して、幾らかのコストで通過可能かどうかを決定する。例えば、直線の動き、スレッド０が使用できる。介在する「不正な」又は「無限のコスト」状態がない場合、経路は許容される。明らかに、経路は、隣接状態１３０６から選択された点１３０５まで許容される。対角線近傍１３０３が通過可能である場合、これは水平近傍１３０１及び垂直近傍１３０４の少なくとも１つが通過可能である場合にだけ通過可能である。両方とも通過可能でない（すなわち、不正である）場合、確実さを持って到達できないので、対角線は許容されない。対角線を許容する前に、水平近傍及び垂直近傍両方が通過可能であることを要求することが好ましい。
（２）経路が許容される場合、ゴールまでのコストを格納し、所与の近傍からターゲット１３０５へ到達するために使用されるスレッドが、θ及びφの角度を定義し、このノードを探索ヒープに加える。１３０３及び１３０４に対して示されるように、２つの角度及びスレッドは、フル３Ｄオリエンテーションを提供する。角度は近傍の座標系の回転を表し、スレッドは所与の方向の動きを表す。

予め設定されたパターンを持つことは、同じ手順において同じ個人の種々異なるターゲットロケーションに到達するために種々異なる長さへ伸展される同じ入れ子システムの潜在的再利用を可能にする。特定の患者に対する所定形状及び伸展距離パターンは、特定の医療処置と関連したコストを著しく低減できる。

例示的なシステムによると、標準セットのカニューレは、例えば肺の複数のターゲットが、特定の患者及び／又はターゲットロケーションに対して特に計算された角度及び長さでカスタムに展開されるが、特定のパターンの管を使用して到達され得るように、定義され得る。特定のターゲットロケーションに到達する一連の円弧及び直線の管が計算され得る。ターゲット管経路は、結果的に得られる一連の円弧及び直線の管から生成される。１つのファイバから別のファイバへの変化が付加的なペナルティを負うように、経路計算は重み付けされ得る。これは可能な経路を発生させる一方で、必要な管及び／又はカスタマイズされた管の総数を低減する。

例示的な実施例において、ニチノール管のカスタム成形は、事前に決められたセットの管の注意深い選択により回避されてもよい。例示的なシステムにおいて、管は、固定の円弧のセット、又は円弧−直線−円弧−直線の管の交互のセット何れかで入れ子にされる。適当な事前に決められたセットを準備することは、簡略化された及び迅速な経路計算を可能にする。その上、標準セットのカニューレは、カスタム成形及び製造を必要とするよりはむしろ、多量に製造されることができる。予め設定されたパターンを持つことは、同じ手順において同じ個人の種々異なるターゲットロケーションに到達するために種々異なる長さへ伸展される同じ入れ子システムの潜在的再利用を可能にする。特定の患者に対する所定形状及び伸展距離パターンは、特定の医療処置と関連したコストを著しく低減できる。手動展開は、外科医などの技術者／臨床医が触知、視覚、ロケーション又は他のタイプのフィードバックにより補助される挿入プロセスに対する物理的ガイダンス及び制御を提供する能力を提供する。限定はされないが以下を含む正確な手動展開を容易にする特定のステップがとられる。
（１）正確な距離が各動きで展開され得るように管に距離マーキングをエッチングするステップ、
（２）管の適当なオリエンテーションを可能にするために管にオリエンテーションマーキングをエッチングするステップ、
（３）固定セットの形状が必要とされ、カニューレが異なるターゲットロケーションのために使用されることを意図していない特定の状況において、管は各管に対する適当なオリエンテーションをロックするためにインタロッキングリッジを持ち得る、
（４）連続する管各々が、より大きな（ペアレント）管と同じロケーションで終わるように、管は適当な長さに切られ得る。

例示的な入れ子カニューレシステムに関連する管の数は、最も外側の管の直径により制限される。限定はされないが、以下を含む特定の生体領域のターゲットロケーションに到達するために使用される管の数を最小化することを容易にする特定のステップが、採用される。
（１）必要とされる管及び／又はカスタマイズされた管の総数を低減しながら、可能な経路を発生させる各新しい円弧タイプ又はオリエンテーションに対して計算方法の範囲内でハンディキャップを加えるステップ、
（２）最も遠くて最も複雑なターゲットロケーションに到達する最後の伸展する管の端部に非常に可撓性のあるカテーテル、ガイドワイヤ及び／又は光ファイバを含ませるステップ。

例示的な入れ子カニューレシステム及び方法が、肺癌診断、生検、光線力学的処置等を含む様々な医療、診断用及び／又は外科的アプリケーションのために使用できる。例えば、入れ子カニューレシステムは、画像ガイダンスを使用し、生検ツールの正確な送出のため追跡することで、生検を実施するために使用できる。本願による入れ子カニューレシステムは、画像ガイダンス、追跡並びに光ファイバ送信及びセンシングにより、自己蛍光を容易にする。実際、本願に関連した例示的な入れ子カニューレシステム及び方法は、現在のプラクティスを越えてターゲットロケーションに到達するため肺癌療法で利用できる。

本願による例示的な入れ子カニューレシステム及び方法は、特にＰＤＴに有効である。ＰＤＴは、肺癌のためにすでに臨床的に承認されており、医療還付される。例示的なＰＤＴ処置において、薬剤（例えば、Ｐｈｏｔｏｆｒｉｎ（登録商標））は、治療の２４―７２時間前に注射されて、癌サイトに蓄積し、病変の１ｃｍ以内に送られる照明により活性化する。残念なことに、気管支鏡は、肺の約３３％を表す最大の通路に到達するだけである。酸素交換が発生するより小さな通路は、現在の技術、システム又は方法により到達できない（又は、正確に到達できない）。通路又は血管を囲んでいない病変又は腫瘍は、近くの血管又は通路から治療されることを必要とする。本願による入れ子カニューレシステムは、高解像度画像及び追跡の使用を通じて、比較的困難であるが、有効なターゲットロケーションの決定を可能にし、当該ターゲットロケーションへの到達を可能にする。例示的実施例では、本願による入れ子カニューレシステムは、現在の気管支鏡実践と連携して機能する。

例示的な入れ子カニューレシステムは、分子治療又は他の処置のための範囲及び／又はニーズを決定するために、到達し難い生体領域の生検のために利用できる。例えば、Ｘｏｆｔ社のＡｘｘｅｎｔの小型化した２．２５ｍｍのＸ線源を使用して、電子的に生成された放射線の「on the spot」デリバリーのために利用できる。心臓環境において、本願に関連する例示的な入れ子カニューレシステムは、困難なロケーション又はオリエンテーションにアクセスする際に有効である。血管アプリケーションに対しては、本願による入れ子カニューレシステムは、既存の医療技術により現在到達できない複雑な血管を通って到達できる。更にその上、入れ子カニューレが、末梢部の長さ全体よりもむしろエントリ経路の一部に対してだけ摩擦を生じるので、凝血腫瘤を除去する危険が低減される。

本願は、胆石のための最小侵襲性手術のためにも操作可能である入れ子カニューレシステムを提供する。カニューレは、除去のため胆嚢に到達するのに適している。胃腸病学に対しては、本願による例示的な入れ子カニューレシステムは、ＰＤＴを特定の消化管に送り、以前には到達できなかったターゲットロケーションに到達するのに適している。最小侵襲性血管系を通じて脳へのターゲットロケーションに到達することも可能である。この例が三次元画像のために挙げられているが、ソリューションは２Ｄ画像に対しても機能し、２Ｄ近傍は装置の許容された動きを包含する。

本願は、また、ウェブベースのビジネスを提供する。図１２に示されるように、入れ子カニューレデザイン、コンフィギュレーションシステム及び方法は、ウェブベースのビジネスプラットフォームでよく機能する。デジタル三次元画像１０は、生体領域の撮像モダリティシステム（ＣＴ、ＭＲＩ、超音波、Ｐｅｔ、蛍光透視等）のセット又は組合せの１つから生成される。画像は、撮像システムにより直接、又はＰＡＣＳ（画像アーカイブシステム）を介してリモートサーバ１４へインターネット１２若しくは他のネットワークを介して容易に送られる。放射線科医、撮像技術者又は医療介入者は、患者、実施される外科的処置の要件及び／又は他の関連する情報１１に関する情報も送信できる。例えば、生検のための３Ｄターゲットロケーションは、放射線科医の専門知識に基づいて識別されるか、又はＣＡＤシステムにより選択されてもよい。処置に依存して、好ましいエントリ角度も供給される。ウェブページ又は他のインタフェース１３は、画像及び関係する情報の手動転送を容易にする。サーバ上にあるデータと転送された三次元画像から、管デザイン及びコンフィギュレーションが決定される（１５）。コンフィギュレーション及び寸法情報は、入れ子カニューレの各管を製造するために用いられる。

好ましくは、管のセットは、管が互いに動くので、許容可能な摩擦のために適当なギャップを持つ管の予め決められたセットの組み合わせに限定される。管は、好適には壁厚を増大させるようにも選択される。従って、より小さな直径の管は、より大きな直径管より小さな壁厚を持つ。これは、より大きな管の形状に対してより小さな管の影響を低減する。

管の製作及び組立（２０）は、現場で（２２）、又はコンフィギュレーション及び寸法情報を遠隔施設若しくは第三者へ送信することにより、遠隔で（２３）完了され得る。製作及び組立完了後、入れ子カニューレ装置は、医療介入者へ直接送信される（２１）。組み立てられた入れ子カニューレ装置は、１、２日以内に医療介入者に届けられる。

本願は、癌の照明ベースの検出も提供する。感光性薬の付加的な特徴は、蛍光を呈するということである。通常、より短い波長で照明されるとき、化合物は蛍光を発する。この蛍光は、光力学性診断（ＰＤＤ）と時々呼ばれる処置で疾患組織を位置決めするために用いられる。この短い波長光は、潜在的な癌をスキャンするために使用できる。

処置のために、感光性薬が患者に投与される。薬は例えばプロドラッグ５―ＡＬＡである。５―ＡＬＡは、感光性薬であるＰＰＩＸに変換される。数時間後に、感光性を与える物質は、健康な組織と比較して、疾患組織により高い濃度で蓄積するだろう。

好ましい実施例において、光が、光力学性検出による治療のため疾患組織を強調する。すなわち、入れ子カニューレは、組織の蛍光を測定するための光源及び検出器を含む。５―ＡＬＡのような感光性を与える物質は疾患組織でＰＰＩＸに変換され、ＰＰＩＸは蛍光を発する。蛍光のための吸収ピークは、ほぼ４１０nmである。放射光は、６００―６５０nm周辺の赤である。入れ子カニューレは、このように、４１０nm近くを放射するＬＥＤのような光源を含み、組織へ光を導くためにファイバオプティクスを介して送られてもよい。組織から反射される照明は、オプションで光ファイバケーブルにより収集され、１つ又は複数の光検出器に集中される。光検出器は、蛍光バンド、この場合６００―６５０nm付近に対応してスペクトルフィルタリングされる。蛍光信号が予め設定された閾値を超えるとき、腫瘍部位が首尾よく位置決めされている。

明らかに、この例は３Ｄで提供されるが、２Ｄ計画及び経路は、画像の１枚のスライスだけを利用することにより生成できる。採用される唯一の近傍エントリは平面上にあるものであり、一連の直線及び円弧の管は平面上にとどまることになる。

本願が例示的な実施例及びそれらの実行を参照して説明されてきたが、開示されたシステム及び方法は、斯様な例示的な実施例／実行に限られない。むしろ、ここで提供される説明から当業者に容易に明らかであるように、開示されたシステム及び方法は、本願の範囲又は要旨を逸脱しない範囲で変更、代替及び補強の余地がある。従って、本願は、この範囲内で斯様な変更、代替及び補強を明白に含む。

Claims (6)

1. 互いに入れ子になっている複数の同心のはめ込み管を有する入れ子カニューレシステムをデザインする方法であって、当該はめ込み管は、ターゲットロケーションに到達するための管経路を規定するように展開可能であり、当該管経路は、特定の生体領域の三次元画像に基づいて一連の円弧又は直線で規定される、方法において、
   前記ターゲットロケーションを、（ｉ）前記特定の生体領域内の前記ターゲットロケーションで行われる医療処置と、（ｉｉ）前記特定の生体領域の生体構造のロケーション及びオリエンテーションとの要件により決定するステップと、
   前記管経路を決定するために、前記はめ込み管が通れない禁止領域、前記ターゲットロケーション、及び前記はめ込み管の機械的特性に基づいて、探索アルゴリズムを用いて、前記はめ込み管の各管の伸展及び回転を定義することにより、前記管経路のスタートと前記ターゲットロケーションとの間で前記管経路を規定するステップとを有する、方法。
2. 前記管経路を生成するステップは、所与のはめ込み管のノードにおいて、前記ノードから展開する後続のはめ込み管が取り得る全ての可能性がある経路を捜し出すための探索アルゴリズムを使用することを含み、前記後続のはめ込み管は、前記後続のはめ込み管のノードにおいて、前記所与のはめ込み管のノードと共通のオリエンテーションを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ノードから展開する後続のはめ込み管が取り得る全ての可能性がある経路の探索は、最も近くから最も遠くまで、前記ノードから実施され、禁止領域が見つかることに応じて、前記経路の探索の１つにより得られた経路の残りの探索は到達できないとみなされ、前記経路の探索は他の経路に対して続けられる、請求項２に記載の方法。
4. 障害物を示す禁止領域を回避するためはめ込み管を通じた３Ｄの線形探索を実施する、請求項３に記載の方法。
5. 前記所与のはめ込み管のノードから前記後続のはめ込み管のノードまでの直線経路又は円弧に沿って進む距離によりコストを定めて、前記入れ子カニューレシステムは、前記管経路のスタートと前記ターゲットロケーションとの間での総コストを最小にするように適合される、請求項３に記載の方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法によりデザインされた前記入れ子カニューレシステムを製造するために、前記同心のはめ込み管を製造又は組み立てるステップを有する、入れ子カニューレシステムを製造する方法。

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