CN101516277B - 用于活动套管配置的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供用于活动套管配置的系统和方法。活动套管系统包括多个伸缩的预成形的镍钛诺管，对其进行配置和尺寸设计以到达特定解剖区域内的靶标位置。为特定解剖区域读取三维图像。在解剖区域的一点和靶标位置之间生成一系列弧线。根据该系列弧线计算活动套管的通道。所述通道用于对多个管进行配置和尺寸设计。活动套管系统适于到达相对小和复杂的靶标位置。

Description

用于活动套管配置的系统和方法
相关案件的交叉参考
申请人主张2006年9月14日提交的序号为NO.60/825,629的临时申请的权益。 
本公开涉及与活动套管设计和配置相关的系统和方法，为患者定制所述活动套管设计和配置以利于微创手术程序。 
诸如导管和支气管镜的现有导航设备具有多个缺点。在支气管镜应用中遇到的具体问题是支气管镜一般具有相对大的管直径并且仅能够在尖端转向或另外被导航。大的尺寸部分归因于构建在支气管镜内的使其转向的控制机构。由于常规支气管镜的尺寸和灵巧度的缺乏，其到达某些区域的能力受到限制。例如，典型支气管镜仅能够到达肺的中央三分之一，这是最大气道所处的位置。这使得(例如)整个肺癌的三分之二不能通过使用常规支气管镜技术到达，因此在没有较大物理介入的情况下不能得到治疗。即使是可能区分良性结节和恶性结节的肺活检，也有超过10％的机会导致肺萎陷。因此，潜在可治疗疾病通常直到疾病已经侵袭到有理由和/或需要手术时才开始进行治疗。 
与传统手术技术关联的导管和导丝相对柔性并且能够通过沿脉管前进而到达体内深处。然而，这些设备具有尖端形状，将该尖端形状设计为解决在解剖结构内最困难的可能的转向。设备仅通过一种类型的挑战性转向而机动的能力限制了设备的适用性。通常，导管和导丝常用于“上游”方向，除了对于特定位置的一个困难转向之外，在此处脉管分支不需要特定控制。例如，将导管朝向心脏插入到远端动脉(诸如股动脉(用于球囊血管成形术))意味着脉管沿该方向交汇而不是分叉。虽然这在很多情况中有效，但当复杂动脉在血液远离心脏流动时与血液一同行进时，不存在遍历复杂动脉的有效机构，或者不存在逆着血流遍历引导远离心脏的静脉的 有效机构。在肺部，导管和导丝在远端处对于到达肺部特定分支具有相对较少的控制，因此不适于到达特定靶标。 
诸如套管、导管、导丝或窥镜(支气管镜、内窥镜等)之类的医学设备的插入通常会遭受摩擦问题并且会导致贯穿于行进到靶标的路径的组织损伤。这会发生在将设备插入指定解剖区域时，尤其是在通过挑战性解剖结构的试错技术导致锯切运动时。此外，在手术或探查程序过程中工具尖端的移动导致对贯穿于路径的所有组织的运动。例如在活检、消融、烧灼、电生理学等过程中，移动设备的尖端导致贯穿于设备路径的运动。例如，该摩擦可能移开导致中风的易损斑块。 
用于移动活动套管的现有技术主要关注于多个嵌套管的形状和强度的相互作用，以在远端尖端创建特性运动。为了通过嵌套管的连续展开来使用活动套管，必须定义这些管的配置，从而使得能够实现路径。找到通过脉管的中线是不够的，因为该信息不能描述如何将路径拆分为可延伸的共同的子组分。例如，不能将S形简单地展开为单一连续的S形。这是因为随着一端从封闭管露出，其面向不正确的方向。更确切地，必须嵌套两个C形，从而使得第一个C形以逆时针方向旋转，而第二个C形与第一个C形相差180度取向并延伸，从而创建顺时针方向的C。此外，如果每个形状均稍微不同，那么需要例如通过加热来定制制造成这些形状。此外，管直径必须匹配所提议的解剖结构。 
先前已经公开了一种技术，其描述在3D中怎样为支气管镜控制定义路径以到达给定靶标，同时还避免障碍。该技术还可应用于具有预定优选的弧形可弯曲导管。先前并未教导在2D或3D中采取活动套管到达期望靶标的计划路径。 
活动套管系统可提供优于现有通路或导航技术的某些益处，包括但不限于与活动套管系统相关联的管的柔性、相对于其他导航系统的更小直径以及连续可延伸的嵌套设计。在特定活动套管系列和/或系统中管的数量受限于最外层管的直径以及后续的管当其延伸时在解剖结构内是否适合。因此，使用现有系统仍然难以到达某些高度盘绕狭窄的路径。 
因此，存在对有效活动套管配置系统的需要。这些和其他需要可以通过本公开的系统和方法得以解决和/或克服。 
本公开提供了用于微创医学程序的活动套管配置的有利的系统和方法。基于预先采集的3D图像和靶标位置的识别为特定患者创建一个被称为活动套管(Active Cannula，AC)的定制的工具。根据本公开的示例性系统包括嵌套在彼此中的多个同心伸缩管。对嵌套管进行配置和尺寸设计以通过生成通过一组弧线的管通道而到达靶标位置，该组弧线由特定解剖区域的三维图像产生。通常通过使用三维成像系统而获得必需的图像，其中在解剖区域上的入口点和靶标位置之间确定每段弧线。对这些管进行配置和尺寸设计以到达特定解剖区域内的相对小和/或复杂的靶标位置。这些管可以有利地由呈现期望水平的柔性/弹性的材料制成。因此，所述嵌套管中的一个或多个可以由镍钛诺材料制成。镍钛诺材料具有“完美记忆”，因为其能够在对其施加力时弯曲，并且一旦移除力就恢复到原始设置的形状。镍钛诺还可以用于MRI机器中。镍钛诺是相对强的材料，因此可将其制成薄壁，从而能够实现多个管的嵌套。外径从约5mm降至约0.2mm的管容易在市场购买到。 
在本公开的示例性方面中，三维成像系统可以是CT、超声、PET、SPECT或MRI，还可以由范围传感器、立体图像、视频或其他非医学成像系统构成。一般，特定解剖区域的图像用于对所述多个管中的每个进行配置和尺寸设计，以定义所述多个管中的每个的特定形状和延伸长度。所定义的多个管中的每个的形状和延伸长度确定了是否可到达靶标位置。在本公开的示例性方面中，将多个管配置为并将其尺寸设计为用于特定解剖区域的预设形状和延伸长度。预设的多个管可包括交替的弯曲管和直管。 
在根据本公开的示例性系统中，将多个管配置为并将其尺寸设计为用于与特定个体相关联的特定解剖区域的预设形状和延伸长度。对管进行配置和尺寸设计以到达解剖区域内直径相对小的位置和/或需要复杂机动的位置。解剖区域可以是需要仪器侵入或手术程序的任何期望的区域，包括但下限于胸部区域、腹部区域、神经系统区域、心脏区域以及脉管区域等。 
在本公开的示例性方面中，这些管适于通过用多个管中的外部管为嵌套在内部的那些管创建和/或提供屏障来防止由于插入摩擦产生的组织损伤。这些管还可包括位于最远延伸的管的尖端处的医学设备构件或其他活 动结构，其适于执行和/或利于靶标位置处的医学程序。与本公开相关联的医学设备包括但不限于导管、伸缩尖端、导丝、光纤设备、活检、缝合和治疗设备以及(pH、温度、电)传感器。电传感器更普遍地用于检查例如心电功能。这些管可适于允许在触觉或视觉反馈的协助下手动导引和控制将管插入到解剖区域中。也可使用位置反馈，诸如嵌入在管内或在由管承载的有效载荷内的电磁跟踪线圈。可将该位置显示在图形显示器上，优选与一图像配准。 
本公开还提供了一种用于活动套管配置的方法，包括以下步骤：(a)读取特定解剖区域的三维图像；(b)根据三维图像中的特定位置和方位生成一系列弧线；(c)通过使用所生成的经过某点的该系列弧线，计算入口和靶标位置之间的通道；和(d)生成嵌套在彼此中的多个同心伸缩管，对所述多个同心伸缩管进行配置和尺寸设计以通过使用生成的通道到达靶标位置。 
根据接下来的描述，所公开的系统和方法的附加特征、功能和益处将变得明显，尤其在结合所附附图阅读接下来的描述时。 
为了帮助本领域普通技术人员实现和使用所公开的系统和方法，可以参考所附附图，其中： 
图1说明了三种不同的示例性套管曲率：半径为28mm，转向半径为14mm和直线(半径无限大)； 
图2说明了弧线的示例性3D邻域，其表示与本公开相关联的每个管的中心的行进选择； 
图3说明了弧线的示例性2D邻域，其突出了直线方向上的近邻弧线； 
图4说明了图3的弧线的示例性2D邻域，其突出了沿固定曲率向左的近邻弧线； 
图5说明了图3的弧线的示例性2D邻域，其识别了原始组的每个纤维的最优近邻； 
图6说明了由第一组开型近邻弧线的扩展和弧线的连接而产生的覆盖范围； 
图7说明了肺部空气通道的片段和与本公开相关联的管的示例性配置； 
图8说明了对意欲进行活检的病变的示例性接近角度； 
图9说明了对意欲进行支气管肺泡灌洗(BAL)的病变的示例性切向接近角度。 
本公开提供了活动套管配置系统和方法，其生成为患者和/或感兴趣解剖区域定制的能够进行微创手术程序的活动套管，以到达传统手术工具通常难以到达的特定靶标位置。镍钛诺管允许到达复杂和挑战性靶标位置的柔性和灵巧度。利用一个或多个3D图像来生成定义柔性管的形状和延伸长度的一系列3D路径。在本公开的示例性方面中，在几分钟内计算管路径。所配置的AC系统和方法允许比手动成形的导管更快地穿过复杂脉管系统，这些手动成形的导管一般需要试错法来恰当地形成。 
将到达靶标所需的运动设计到工具中，以使该工具能够在不需要电机、控制线等的附加尺寸或重量的情况下执行多种转向。该微型灵巧的工具可以准确微创地到达非常小的解剖范围和/或区域内。 
根据本公开，活动套管系统可包括多个伸缩的预成形管。由柔性镍钛诺(镍钛合金)或其他适当材料制成的同心伸缩管通常沿解剖区域延伸，每个管具有特定曲率。由于镍钛诺的记忆属性和柔性，其对于套管制造是特别期望的材料，因此能够在延伸该管之前使该管符合进入环绕其的较大管。一般，首先将最大的管引入期望区域，接着将后续较小的管引入/延伸到预期长度和方位。在本公开的示例性方面，这些管可由较便宜但可能需要更厚的壁的橡胶或塑料制成。优选的情况是所需的管的数量少到足以使这些管到达靶标位置，或解剖结构大到足以容纳每个管。这些管的弹性特征也是重要的，因此在展开这些管之前将其紧密地嵌套以使其较不可能呈现新的形状是有利的。 
示例性活动套管(AC)一般可具有多个伸缩镍钛诺管(通常称为一系列管)，这些管可用于到达期望解剖区域内的相对小和/或复杂的位置中。 
根据本公开的有益方面，AC系统可包括在弯曲管和直管之间交替的一“标准组”管。使用该“标准组”允许到达给定解剖区域内的各种位置，而不产生每个特定管的定制制造的代价或延时。 
根据本公开的一方面，提供用于AC系统的配置的示例性方法。可通过 诸如CT、超声、PET、SPECT、MRI或其他成像装置的成像系统来生成靶标解剖区域的特定3D图像。在本公开的一方面中，这些图像可以被彼此配准，以创建多模态图像，例如，PET-CT，其中PET提供关于靶标病变的关键信息，而可以对CT图像进行分割以定义禁止的“关键区域”，活动套管不可以行进到该“关键区域”。首先定义一点，通常是靶标。另一点也潜在地是入口或中央关键点。在一点开始，计算可到达的位置，并且确定到达3D靶标位置所需的一组恰当的伸缩管形状。基于该确定，选择和/或生成各个管。 
在以下部分中，将描述框架的关键组分，然后为活动套管的应用规定框架的关键组分：离散化配置空间、禁止状态、(多个)起始状态或目标状态、邻域和代价度量。 
1.配置空间：
通过描述状态的可能的参数的取值范围(span)定义配置空间，有时称其为设备的“配置”。例如，可以通过每个关节的角度值定义机器人配置。所有可能的关节角度配置的取值范围形成配置空间。同样，车辆的配置可以通过其x、y位置和方位来进行规定。在每个状态(通常是由一个设备配置的参数值规定的数组条目)，存储多个值，这些值包括从该状态进行到下一状态的方向和从该状态到达目标的剩余代价。这些值通过查找方法指定，稍后被执行。 
活动套管(AC)的配置可通过AC尖端的x、y、z位置和rx、ry、rz方位表示，从而产生6维度问题空间。相关位置可能出现在示例性512×512×295程序前(pre-procedural)CT图像内，其中示例性x、y、z分辨率分别为.078、.078和0.3。对CT图像在10度增量的所有方位进行离散化需要3.6万亿个状态，每个状态包含约40字节，则有144TB的挑战性内存需求。在解释余下的4个组分之后，解释能够使用配置空间的技术，该配置空间与3D CT图像的尺寸相似。 
2.禁止状态：
分割解剖结构，从而使得将一些体素区域视为“自由空间”状态并且将其他体素区域视为禁止区域，设备不得通过禁止区域。该分割步骤可以 通过许多不同技术执行，这些技术包括手动绘图、基于分割的模型或全自动分割，其中在基于分割的模型中用户可将标称模型放置在解剖结构的区域内并且计算机对分割进行细化。在该示例中，为肺配置活动套管需要对肺气道的分割。通过使用半自动快速行进(Fast March)(A*)方法用一阈值对图7中的示例图像进行分割。这生成内部自由空间体积和外部禁止体积(肺组织)。 
3.(多个)起始或目标状态：
可以将肿瘤或其他靶标(目标)的x、y、z位置选择为种子点以进行查找(稍后描述)。可替换地，诸如气管内状态的入口位置可用作种子点以进行查找。还必须为(多个)种子点位置定义方位(rx，ry，rz)。 
·在本公开的优选方面中，基于更小(更受约束的)的相对自由空间选择起始或目标。从该位置，定义临床上适用的入口角度。例如在图8中，气道800包含作为活检靶标的肺结节或可疑肿块801。目的是找到穿透肺结节或可疑肿块801的中心区域的路径802，从而到达靶标状态804，在靶标状态804处插入角度(也称为靶标接近角度)803应稍微垂直，从而使得穿刺部位处的针的力定向为向内。在这种情况下，优选的角度可以是理想地垂直于表面与通过朝向较大气道(向左)(活动套管将从该气道抵达)成角度来解决有限脉管尺寸的约束之间的折衷。 
·在其他情况中，例如在图9中，在气道900中靶标接近角度903可以更切向，甚至可能不接触肺结节或可疑肿块901到靶标状态904的表面。这在临床上是有用的，诸如在例如肺中执行支气管肺泡灌洗(BAL)时。通过所提议的的路径902到达靶标状态904。BAL是通过光纤支气管镜在肺的远端段中灌输和再吸入(reaspirate)无菌盐溶液(一般为0.9％)的过程。溶液填充支气管镜尖端远端的空隙(airspaces)。再吸入的溶液可用于区分恶性结节和良性结节，其通过评估已吸入的细胞而在CT上进行识别。然而，该程序的灵敏度会变化，意味着可能不会检测到实际疾病。该可变灵敏度的一种可能的原因在于支气管镜尖端不能到达肺中的足够远处，因此使用比所需液体更多的液体填充远端区域，从而降低了检测到实际患病细胞的机会。如果使用活动套管，使用较少部分的水，可以更容易检测到可疑细胞，这是因为这些可疑细胞会出现在更高的相对浓度中。在支气管 镜BAL程序之后，液体残留下来并且必须被肺吸收或者被咳出。在活动套管BAL程序之后，大概将使用更少的液体，从而产生较少的程序后副作用。最后，如果AC更明确地到达靶标位置，则结果不仅能指示疾病，而且将会确认该位置。 
4.邻域：
邻域囊括基础设备运动的集合，可以基于设备的可用控制和机械性质在自由空间内执行这些运动。特定管的曲率具有规定的“最小转向半径”，这类似于汽车。在图1所示的示例中，为活动套管考虑三个不同曲率。第一曲率101是直线(没有曲率，或相当于无限大的转向半径)，第二曲率102具有28mm的转向半径，第三曲率具有14mm的转向半径。例如沿曲率102显示的一系列点展示了28mm弯曲管的特定延伸在X、Y空间中的位置。该位置的切线给定了方位。对于AC，主要控制是旋转和推进每个管，其中每个管的曲率是从一组离散曲率(诸如图1所描述的3个曲率)中预先选定的。 
通过以45度增量旋转图1所说明的三个弧线中的每个，所得到的邻域可以在图2中说明。特定旋转的每个弯曲管有时也被称为纤维。在图2中，对于所说明的2个曲率(14mm和28mm转向半径)有8个旋转，加上额外选项(没有旋转的直线)。针对相同的旋转，为每个曲率(14mm转向半径纤维201和28mm转向半径纤维202)突出显示一个示例。可以将每个纤维按照相同的曲率延伸到任何长度。如果在将方位改变90度之前延伸弯曲纤维，例如在图1至图6中所示的，则具有任意离散化空间的非完整问题的弧线的长度有利地执行。邻域200的直线部分忽略旋转组分并且假设新的旋转保持相同，这是因为任意旋转的直线管遵循相同路径。注意到虽然图1和图2似乎具有矩形像素，但它是选择轴线标记的副产物。 
活动套管的邻域是囊括设备的非完整行为的机制。非完整意味着用于控制参数(推进加旋转)的特定值在不知道已经采取的路径特征的情况下不能唯一定义一种结果位置和方位。邻域是查找的关键组分(稍后描述)，因为其获取从一位置起的一组允许的运动。 
5.代价度量：
为每个邻域状态指定代价。这是基于整体优化准则的局部移动的构成代价。在活动套管示例中，期望使行进的距离最小化。因此从初始位置到邻近位置的沿弧线或直线路径行进的距离定义该代价。 
为了易于处理，现在转到从6D到3D配置空间的转换，上述需要144TB的离散化配置空间不仅导致大多数计算机上的存储问题，而且在下一部分需要对这些状态进行查找。以该框架继续进行需要减少配置空间和计算时间的改进的技术。 
两种观测推动这一改进。第一观测是从3D CT得到的禁止区域同样保持对尖端的方位的忽视。因此这对于在3D空间内识别忽视3D方位或将3D方位减少到每个状态存储很少的值的条件是有用的。 
第二观测产生于对配置空间的主要目的回顾，主要目的是存储描述当前状态的值并且为下一状态提供方向。如果可以将方位固定在起始或者靶标种子位置，这为计算唯一邻近方位提供锚定基础。从该种子位置和方位，可以为所有可到达的点计算具有特定方位的位置。 
然后存储计划的方位rx、ry、rz作为每个x、y、z配置状态内的值，同时存储代价和方向。消除他们作为配置空间的独立参数将空间从6D减少到3D，从而急剧地将所需的存储空间减少到约七千七百万个状态和更易处理的3GB的存储。 
也可以通过存储每个状态内的计划值来减小位置(X，Y，Z)的离散化误差。离散状态的固有(缺省)值是在体素中心表示的值。根据体素的离散化水平，该值可能足以控制所提议的设备。这可能通过以下方式得到进一步改善：任选地存储状态内的精确位置(X，Y，Z)值，而不是在整个配置空间内招致离散化误差。这有两个具体优势。 
第一优势是可以以任意精度为位置存储定位位置。这在体素维度不相等时尤其有用，这会导致在某些方向(例如X和Y)具有高精度而在其他方向(例如Z)具有低精度。例如在诸如CT的医学成像中，体素可以是非正方形或更严格来说非立方体的或各向异性的，其中X和Y体素长度可以是(0.078mm)而Z体素长度是(0.3mm)。虽然以体素的分辨率定义障碍覆盖范围，但可以通过存储每个状态空间内的计算出的可能是双精度x、y、z、rx、ry、rz值来更加精确地定义控制。 
第二优势是如果当前状态对于下一状态不是充分可控的，那么可以对其进行识别并且自动触发替换控制策略。在最简单的情况中，设备会停止并且会等待恰当的安全的条件以重新开始运动。例如，当患者呼吸时，设备的实际位置的x、y、z将移动。我们决定仅当实际位置在计划方案的5mm范围内时，才继续进行设备控制。 
一旦定义了这些关键组分，可以基于一组可用组分管曲率或形状以及被囊括在邻域内的该管允许的运动(诸如旋转和延伸)，从固定种子(起始或目标)生成最短的无碰撞的路径。路径包括在起始或目标之间连接的弧线或直线运动，并且用相关联的控制来逐步执行路径。 
关于路径生成，A*查找方法可优选用于查找从(多个)种子位置起的所有可能路径。例如在现有应用中已经描述了3D查找，现有应用包括车辆机动和支气管镜机动。为活动套管执行相同的3D查找，但由于篇幅限制将以2D进行说明。 
图3显示了示例性2D邻域。这一简化的邻域显示“初始位置”300和包括近邻301-306的直线线程。还有具有相同曲率的两个线程，方便地将其设置为彼此旋转180度，从而使得他们位于纸面的相同平面上。在图4中，初始位置400对应于图3中的初始位置300，并且将沿左侧线程的近邻识别为401-406。可沿右侧线程识别等价组。 
邻域支配被视为随后可到达的近邻的位置，而不是仅考虑那些相邻的位置。继续以最小代价优先的方式扩展这些状态，将转变代价加到目前的总代价，并且仅存储那些最小的代价。基于先前方位和由行进到选定近邻而引起的变化，计算修正的尖端方位。在图5中，显示了以最小距离度量最终到达的近邻。这些近邻位于非立方体配置空间中，该空间进一步突出了如何识别状态的最小化代价。在这种情况中，通过直线路径到达包括501和502的近邻。沿左侧纤维到达的近邻被识别为503，其中对于这些状态没有更优化(例如直线)的路径。也可以将沿右侧纤维的类似近邻识别为504。对于后续的圆形扩展，这些近邻变为开型节点。 
在图6中，显示了原始初始节点600，并且说明了以图5中描述的位置和方位扩展的近邻的模式。在每个“开型位置”，读取初始节点600的方位，并且相对于该方位对后续扩展进行定向。在位置603扩展来自图5的一组 开型近邻503的位置和方位，并且将新邻域定向为匹配该开型节点的初始方位。同理，在图6中的位置601和602处扩展图5的开型节点501和502，并且在位置604处扩展图5中的开型节点504。 
目前该简化查找示例假定没有禁止状态。优选从邻域的初始位置沿每个光纤从最近到最远执行邻域扩展。如果发现禁止状态，则认为纤维的剩余部分是不可到达的并且继续查找下一纤维。这会防止路径“跃过”非法区域。 
在3D中执行相同的查找技术，包括为避免障碍而对纤维进行的连续查找。这仅需要将图2所示的邻域重新定向到开型节点的给定位置和方位，以计算一组后续可到达的状态。该过程在连续计算充满空间时(当没有更多开型状态时)或者查找到达另一可接受的终止状态时终止。当例如从诸如图8中的靶标状态804的靶标开始查找时，一组可接受的终止状态例如可以是沿最高气管的平面的任何节点。 
接下来是该最小代价优先A*扩展的直观类比。想象在种子位置处落入池塘中的小石子生成的波纹。随着波纹的波动，在岛(禁止区域)周围传播，每秒进行一次快照，包括时间戳(t0..tn)。在快照上绘制波纹的垂线形成“指示器”，其给出从每个可到达位置朝向源种子的方向。从任意可到达位置，仅需要按照从位置到位置的指示器来到达小石子落下的种子位置。另外，包含当前位置的图像上的时间戳指示返回种子所需的估计时间。对于波纹没有到达的位置，在该位置和种子位置之间没有路径。识别不能产生可行路径的情况(使用特定设备)是有用的性质，因为它节省时间和能量而不进行不必要的努力。当没有路径时，可以对其他设备进行建模以查找有效的路径。另一方法是识别是否可以移动一个或多个障碍。虽然以2D方式描述该类比，但A*方法在3D或更高维度中同样适用。此处没有描述的多种有效的A*技术关注于查找，从而使得仅计算该方案所需的最可能的状态。 
至于后面的路径，如果到达终止节点，则计算终止节点和种子之间的路径。可替换地，用户或计算机可选择连接到最近种子的终点。在起始和目标之间，逐个状态地生成路径。按照从一个状态到另一状态需要读取可能存储为近邻编号的“方向矢量”。如图3和图4所示，近邻编号也可指 示纤维，因此指示所采取的路径类型。例如，在图4中位于405处的近邻识别出特定弯曲的弧线被向左导向一特定距离，从而产生特定位置和方位。这对应于在封闭管内的旋转和该弯曲管沿路径到达下一状态所需的插入长度。 
在图7中，显示了706处的入口和靶标707之间的示例性路径。为了正确计算管的数量，如果纤维沿路径通向相同类型的纤维(具有相同的相对方位和曲率)，则应将其视为一个连续的管。换言之，可以将具有相同曲率和相对旋转的弧线连接成为具有相同规格的较长的管，例如以+45度旋转的两个半径为28mm的弧线。在一系列中的线程类型的每种变化表示AC系统的一系列嵌套管中的下一管的变化。为了简化视觉效果，图7中给定的路径是示意性的。注意到管必须经过鼻或口以到达气管并且考虑从具有规定方位的入口点706起的路径。 
第一管是直的，并且必须前进705的长度。从该点起，推进第二管704直到其到达704与管703连接的位置。第二管704具有比705的内径更窄的外径并且具有由近邻和选定纤维规定的曲率。以相似的方式，703是直的，并且延伸直到其到达702，而702是弯曲的，并且延伸直到其到达701。每个相继的管都小于其前面的管。 
关于为特定功能和解剖结构定义管半径，仅当一系列管可以在规定区域内部实际符合时，路径才可行。一个挑战是解剖结构可能是复杂的，自始至终直径会变化。同样，所需的机动类型越多，所需的管就越多，并且在入口处所需的直径就越大。展示了基于给定路径和可用的自由空间来生成管直径的三种方法。接下来是第四方法，即本公开的优选方法。 
1.蛮力方法用于创建路径，从最小的开始，计算管的每部分所需的管外径。对于沿路径的每个点，测试在点和半径距离之间的非法状态。如果存在交集，则路径不可行，然而在没有某些额外方法的情况下，这可能会侥幸成功。 
2.非常安全的方法用于将自由空间收缩预期的最大管的尺寸。在该方法中，可实现每个路径，这是由于其位于边界内。不幸的是，其也将切断通过小的管可到达的解剖结构的通路。 
3.最优方法用于将自由空间收缩最小可用管的外径的尺寸。这立刻描 绘了即使利用最小的管也不可能存在通路的区域，以及继续提供某些可能性的自由空间的区域。在该空间内进行计划提高了识别可行路径的机会，但仍不能保证。 
4.示例性优选方法具有几个关键步骤： 
4.1-预先计算禁止区域的几种版本。将每个禁止区域收缩每个有用的管的外部半径。管仅当其与其他管嵌套时有用，并且最小的管大到足以承载预期的有效载荷或工具。活动套管的预期使用确定了最小的有用的管。例如，如果要插入摄像机，则其将大于采取液体样品和管是空的的情况。可以快速执行收缩自由空间或者等同地使禁止空间区域生长，并且对于每个有用的管仅执行一次。 
4.2-沿路径选择解剖结构的狭窄部分内的种子。因此，在肺部中，优选种子很可能是远端肿瘤位置而不是食道中心。在脑部，可能会选择最窄的脉管，诸如眼动脉而不是例如颈动脉。虽然种子一般位于靶标处，但其有可能在靶标和入口点之间，诸如在中途形成斑块的血管应用中。 
4.3-将种子处的禁止区域设置为由最小的有用的管的外半径确定。 
4.4-从种子位置开始跟踪已出现的管总数的变化。除了代价-目标，这可以被存储在配置空间中。当扩展节点时，基于管数变化选择禁止区域，这定义了当前所用的管的半径。 
当到达终止节点时，还将规定所需管的半径。根据本公开的AC系统的用途允许临床医生和/或其他医学人员到达/进入特定解剖区域内的直径相对小的靶标区域和/或需要复杂机动的靶标位置。 
活动套管技术提供了优于其他导航设备的几种优势，包括但不限于：(i)在不使用关节电机或提拉线的情况下对伸缩尖端的有效控制和角度形成；(ii)比传统设备更小的管直径；(iii)相对廉价和一般可任意使用的套管；(iv)镍钛诺和相似制造材料允许将套管形成为任意形状和曲率，从而利于进入和/或接近复杂区域；(v)镍钛诺是MRI友好材料；(vi)在图像制导的协助下并在稍后由MRI友好的压电电机进行控制可以手动引导预先形成的套管配置；(vii)相继更小的同心套管匹配用于各种医学应用的各种形状，其进入较大区域并且最终到达相继更小的区域；以及(viii)通过手动控制和对配置的准确计算，可以实现套管系统的早期展开。 
根据本公开的说明性方面，可以定义一标准组套管，从而使得通过使用特定模式的但对于特定患者和/或靶标位置以特定计算的角度和长度定制展开的管，可以到达多个靶标，例如肺部。可以计算到达特定靶标位置的一系列弧形管和直管。根据得到的一系列弧形管和直管生成靶标管路径。可以为路径计算进行加权，从而使得从一个弧线到另一弧线的变化招致额外的惩罚。 
在本公开的另一说明性方面，通过谨慎选择一预定义组管可以避免镍钛诺管的定制成形。在示例性系统中，可以将管嵌套在一组固定弧线中，或弧线-直线-弧线-直线管的可替换组中。准备适当的预定义组允许简化和快速的路径计算。而且，可以生产大量的标准组套管，而不需要定制成形和制造。具有预设模式能够允许可能重新使用相同的AC系统，将该AC系统延伸到不同长度以在相同程序中到达同一个体中的不同靶标位置。特定患者的预定形状和延伸距离模式可以显著降低与特定医学程序相关联的成本。此外，手动展开为技师/临床医生(诸如外科医生)提供在触觉、视觉、位置或其他类型反馈的辅助下对插入过程的物理导引和控制的能力。可以采取特定步骤以利于准确的手动展开，包括但不限于： 
a.将距离标志刻蚀到管内，从而使得在每个运动展开精度距离； 
b.将方位标志刻蚀到管内，以能够实现管的恰当方位； 
c.在需要一固定组形状和不意欲将套管用于不同靶标位置的特定情况下，这些管可具有用于相对于每个管锁定恰当方位的交锁脊(interlocking ridge)；以及 
d.可以将管切割至恰当长度，从而使得每个相继的管作为较大的(父)管终止在相同位置处。 
与示例性AC系统相关联的管的数量受限于最外层管的直径。可采取特定步骤以利于使用于到达特定解剖区域内的靶标位置的管的数量最小化，包括但不限于： 
a.在计算方法中为每个新弧线的类型或方位添加障碍促使出现可行的通道，同时减小管的总数和/或所需定制的管；和 
b.使最后延伸的管的末端包括高度柔性的导管、导丝和/或光纤，以到达最远最复杂的靶标位置。 
示例性AC系统和方法可用于多种医学、诊断和/或手术应用，包括肺癌诊断/活检等。例如，AC系统可用于通过使用图像制导和跟踪活检工具的精度递送而执行活检。根据本公开的AC系统通过使用图像制导、跟踪和光纤传输和感测而利于自体荧光。当然，可以在肺癌治疗中应用与本公开相关联的示例性AC系统和方法，以到达超过当前实践所能到达的靶标位置。 
根据本公开的示例性AC系统和方法还可用于光动力疗法(PDT)。PDT对于肺癌科来说已经得到临床批准并且可报销(reimburse)。在示例性PDT程序中，在治疗前24-72小时注射药剂(例如Photofrin 
Figure G2007800340919D00151
)，该药剂在癌瘤部位积累，并且通过在病变的1cm内递送的光来激活药剂。不幸的是，支气管镜仅到达最大通道，这表示约肺部的33％。现有技术、系统或方法不能到达(或准确到达)发生氧气交换的最小通道。根据本公开的AC系统允许通过使用高分辨率图像和跟踪来到达相对较小的靶标位置。在本公开的示例性方面，根据本公开的AC系统可以联合当前支气管镜实践一起工作。 
示例性AC系统可应用于难以到达的解剖区域的活检，以确定分子治疗或其他介入过程的程度和/或需要。其还可以应用于“在现场”递送电子生成的辐射，例如通过使用Xoft’s Axxent的小型化2.25mm X射线源。在心脏环境中，与本公开相关联的示例性AC系统可用于进入难以进入的位置或方位。对于脉管应用，根据本公开的AC系统可延伸通过现有医学技术当前不可到达的复杂脉管。而且，由于嵌套套管仅对入口路径的一部分而不是对整个远端长度产生摩擦，因此可以减小移开凝块的风险。 
本公开提供了AC系统，其还可用于胆结石的微创手术。套管适于到达胆囊以进行移除。对于肠胃病学，根据本公开的示例性AC系统适于将PDT递送到特定胃肠道并且到达先前不可到达的靶标位置。还可能通过微创脉管系统进入脑部到达靶标位置。 
虽然以3D给出该示例，该方案明显也适用于2D图像，其中2D邻域囊括设备所允许的运动。 
虽然已经参考示例性方面、特征和实现方式描述了本公开，但所公开的系统和方法不限于这些示例性方面、特征和/或实现方式。当然，根据本文提供的描述，对于本领域技术人员来说非常明显的是可以容易地对所公 开的系统和方法进行修改、替换和增强，而不偏离本公开的精神或范围。因此，本公开显然包括其范围内的这些修改、替换和增强。 

Claims (19)

1.一种活动套管系统，包括：
多个同心伸缩管，对其协同地进行配置和尺寸设计以通过一组弧线相对于解剖区域到达靶标位置，其中，在与所述解剖区域关联的点和所述靶标位置之间确定每段弧线，其中，为活动套管的应用规定框架的关键组分：离散化配置空间、禁止状态、起始状态或目标状态、邻域和代价度量，进一步其中，响应于所规定的关键组分，所述活动套管系统适于基于(i)一组可用组分管曲率或形状以及(ii)被囊括在给定邻域内的对应管允许的运动而从固定种子位置生成最短的无碰撞的路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，基于相对自由空间较小的位置选择起始点。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，对所述多个同心伸缩管进行配置和尺寸设计以到达特定解剖区域内相对小和/或复杂的靶标位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，生成所述解剖区域的三维图像。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，使用所述解剖区域的图像来定义所述多个同心伸缩管中的每个的特定形状和延伸长度。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所定义的所述多个同心伸缩管中的每个的形状和延伸长度允许确定是否可到达靶标位置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，将所述多个同心伸缩管配置为并将其尺寸设计为预设形状和延伸长度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个同心伸缩管包括与特定解剖区域有关的交替的弯曲管和直管。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述特定解剖区域与特定个体相关联。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解剖区域是肺。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个同心伸缩管相协作，以便防止由于所述组织和所述多个同心伸缩管之间的摩擦而引起的组织损伤。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将所述多个同心伸缩管引导至靶标位置的驱动机构。
13.根据权利要求1所述系统，其中，可以手动控制或引导所述多个同心伸缩管。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个同心伸缩管中的一个或多个由镍钛诺制成。
15.一种用于活动套管(AC)配置的方法，包括以下步骤：
(a)读取图像；
(b)在图像内的原点和靶标位置之间生成一系列相连接的路径形状，以形成通道；和
(c)生成多个同心伸缩管，对所述多个同心伸缩管可操作地进行配置和尺寸设计以通过所生成的通道到达所述靶标位置，其中，为活动套管的应用规定框架的关键组分：离散化配置空间、禁止状态、起始状态或目标状态、邻域和代价度量，进一步其中，响应于所规定的关键组分，所述活动套管配置适于基于(i)一组可用组分管曲率或形状以及(ii)被囊括在给定邻域内的对应管允许的运动而从固定种子位置生成最短的无碰撞的路径。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述图像包括由成像系统生成的三维图像。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个同心伸缩管在直管和弯曲管之间交替。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述多个同心伸缩管进行配置和尺寸设计以到达相对小和复杂的靶标位置。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个同心伸缩管中的一个或多个由镍钛诺制成。
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