CN109009431B - 设计介入程序的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开设计介入程序的系统和方法。设计布置介入器械的程序的方法包括接收解剖学结构的模型。该解剖学结构包括多个通道。该方法进一步包括在模型中鉴定目标结构，和接收关于介入器械在多个通道内的操作能力的信息。该方法进一步包括基于介入器械操作能力鉴定用于定位介入器械远端以对目标结构执行程序的设计布置位置。

Description

设计介入程序的系统和方法
本申请是于2013年12月31日提交的名称为“设计介入程序的系统和方法”的中国专利申请201380068398.6的分案申请。
发明领域
本公开涉及穿过患者解剖结构实施微创程序的系统和方法，更具体地涉及设计布置介入器械的程序的系统和方法。
发明背景
微创医疗技术意图减少介入程序过程中损伤的组织量，从而减少患者恢复时间、不适和有害副作用。这种微创技术可通过患者解剖学的自然孔口或通过一个或多个外科切口进行。通过这些自然孔口或切口，临床医生可插入介入器械(包括外科、诊断、治疗、或活组织检查器械)到达目标组织位置。为到达目标组织位置，微创介入器械可穿过解剖学系统如肺、结肠、肠、肾、心脏、循环系统、或类似物中的自然或外科生成的通道。为协助临床医生使器械穿过通道，利用术前或操作间成像来制备通道的模型。当前用于布置介入器械的系统将器械布置位置鉴定为模拟通道中最接近目标组织位置的点。鉴于介入器械或解剖结构的限制，这种最接近点布置位置可能难以到达。需要改进的系统和方法来确定用于对目标组织位置实施程序的设计器械布置位置。
发明概述
所附权利要求概括了本发明的实施方式。
在一个实施方式中，设计布置介入器械的程序的方法包括接收解剖学结构的模型。该解剖学结构包括多个通道。方法进一步包括在模型中鉴定目标结构，和接收关于介入器械在多个通道内的操作能力的信息。方法进一步包括基于介入器械的操作能力，鉴定用于定位介入器械的远端以对目标结构执行程序的设计布置位置(planned deploymentlocation)。
在另一实施方式中，系统包括非临时性计算机可读介质，其包含用于设计布置介入器械的程序的计算机可执行指令。计算机可执行指令包括接收包括多个通道的解剖学结构的模型的指令、和在模型中鉴定目标结构的指令。计算机可执行指令还包括接收关于介入器械在多个通道内的操作能力的信息的指令、和基于介入器械的操作能力鉴定用于定位介入器械远端以对目标结构执行程序的设计布置位置的指令。
附图简述
本公开的方面通过结合附图阅读下文详细描述将得到最充分的理解。注意，根据工业标准实践，各种要件没有按比例绘制。事实上，各种要件的尺寸可能为了讨论清楚而任意增加或减少。另外，本公开可在不同的实施例中重复参考编号和/或字母。这样的重复其目的是简单和清楚，而非本身表示所述不同实施方式和/或配置之间的关系。
图1是根据本公开实施方式的远程操作的介入系统。
图2示例采用本公开方面的介入器械系统。
图3示例具有伸长介入工具的图2的介入器械系统的远端。
图4示例解剖学模型图像，其中介入器械远端处于布置位置。
图5是图4的部分的视图。
图6示例解剖学模型图像，其中介入器械远端处于基于传感器反馈修正的布置位置。
图7是描述鉴定介入器械的设计布置位置的方法的流程图。
图8是描述基于传感器反馈修正设计布置位置的方法的流程图。
图9是描述利用成像系统鉴定目标结构的方法的流程图。
图10和11是图9的方法的示例。
发明详述
在下文对本发明方面的详细描述中，提出了很多具体细节以提供对本公开实施方式的充分理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，本公开实施方式的实践可无需这些具体细节。在其他实例中，公知的方法、程序、部件、和电路未被详细描述，从而不会不必要地使本发明实施方式的方面难以理解。而且，为避免不必要的重复描述，根据一个示例性实施方式描述的一个或多个部件或动作在适用于其他示例性实施方式时可被使用或省略。
下文实施方式将就其在三维空间中的状态而言描述不同器械和器械部分。如本文所用，术语“定位”指代对象或对象的部分在三维空间中的位置(例如，沿笛卡儿X、Y、Z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“定向”指代对象或对象的部分的旋转布置(三个旋转自由度——例如，滚转、俯仰、和偏转)。如本文所用，术语“姿态”指代对象或对象的部分的至少一个平移自由度的定位和对象或对象的部分的至少一个旋转自由度的定向(上至总共六个自由度)。如本文所用，术语“形状”指代沿对象测量的一组姿态、定位、或定向。
参考附图的图1，用于例如外科、诊断、治疗、或活组织检查程序的远程操作介入系统总体上由参考编号100表示。如图1所示，远程操作系统100总体上包括介入操纵器组件102，用于操作介入器械104对患者P进行不同程序。组件102安装于操作台O或安装在操作台O附近。主组件106允许外科医生S观看外科位点和控制从操纵器组件102。
主组件106可位于外科医生控制台C，外科医生控制台C通常与操作台O位于相同房间。然而，应理解，外科医生S可与患者P位于不同的房间或完全不同的建筑。主组件106总体上包括任选的载体108和一个或多个控制装置112，该控制装置112用于控制操纵器组件102。控制装置(一个或多个)112可包括任意数量的多种输入装置，如操纵杆、转球、数据手套、触发枪、手动操作控制器、语音识别装置、身体动作或存在传感器、或类似物。在一些实施方式中，控制装置(一个或多个)112被提供以与关联的介入器械104相同的自由度，以提供给外科医生远程呈现、或控制装置(一个或多个)112与器械104一体的感知，使得外科医生有直接控制器械104的强烈感觉。在其他实施方式中，控制装置(一个或多个)112可具有比相关介入器械104更多或更少自由度，并且仍提供给外科医生远程呈现。在一些实施方式中，控制装置(一个或多个)112是手动输入装置，其以六个自由度运动，并且还可包括致动手柄，用于致动器械(例如，闭合抓爪、施加电势至电极、递送药物治疗、或类似作用)。
在可选的实施方式中，远程操作系统可包括多于一个从操纵器组件和/或多于一个主组件。操纵器组件的确切数量将取决于外科程序和操作室内的空间限制、以及其他因素。主组件可并置，或其可定位在单独的位置。多个主组件允许多于一个操作人员控制不同组合的一个或多个从操纵器组件。
任选的可视化系统110可包括内窥镜系统，使得外科位点同时(实时)图像被提供给外科医生控制台C。同时图像可以是例如定位在外科位点内的内窥镜探头拍摄的二维或三维图像。在此实施方式中，可视化系统110包括内窥镜部件，其可一体化或可拆卸地偶联于介入器械104。然而，在可选的实施方式中，可利用附接于独立的操纵器组件的独立的内窥镜来成像外科位点。可选地，独立的内窥镜组件可直接由使用者操作，无远程操作控制。内窥镜组件可包括主动转向结构(例如，通过远程操作转向丝)或被动转向结构(例如，通过导丝或使用者直接导航)。可视化系统110可作为硬件、固件、软件、或其组合实施，其与一个或多个计算机处理器相互作用或被一个或多个计算机处理器执行，该计算机处理器可包括控制系统116的处理器(一个或多个)。
显示系统111可显示可视化系统110拍摄的外科位点和介入器械的图像。显示器111和主控制装置(一个或多个)112可定向使得显示器组件中的成像装置和介入器械的相对定位类似于外科医生眼和手(一个或多个)的相对定位，因此操作人员可操纵介入器械104和主控制装置(一个或多个)112，如同观看基本上真实呈现的工作空间。真实呈现意为显示的组织图像呈现给操作人员，如同操作人员亲身存在于成像器位置并且从成像器角度直接观看组织。
可选地或另外地，显示系统111可呈现利用成像技术术前记录和/或模拟的外科位点图像，该成像技术如计算机断层(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、温度记录法、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像、或类似技术。呈现的术前图像可包括二维、三维、或四维(包括，例如，基于时间或基于速度的信息)图像。
在一些实施方式中，显示系统111可显示虚拟可视化图像，其中通过来自模拟解剖结构的术前或同时图像定位(例如，动态参照)介入器械的实际位置，以呈现给外科医生S外科器械末端位置处的内部外科位点的虚拟图像。
在其他实施方式中，显示系统111可显示虚拟可视化图像，其中通过来自模拟解剖结构的已有图像(包括术前记录的图像)或同时图像定位介入器械的实际位置，以呈现给外科医生S外科位点处介入器械的虚拟图像。部分介入器械的图像可叠加在虚拟图像上，以协助外科医生控制介入器械。
在图1中，控制系统116包括至少一个处理器(未显示)，一般包括多个处理器，用于产生从外科操纵器组件102、主组件106、可视化系统110、和显示系统111之间的控制。控制系统116还包括程序指令(例如，存储指令的计算机可读介质)，以实施本文描述的一些或全部方法。虽然控制系统116在图1的简化示意图中显示为单个框，但该系统可包括多个数据处理电路(例如，在从外科操纵器组件102上和/或在主组件106上)，其中至少部分处理任选地邻近从外科操纵器组件进行，部分在主组件处进行，等等。可利用多种集中式或分布式数据处理架构中的任一种。类似地，程序指令可以多个独立的程序或子程序实施，或其可整合成本文描述的远程操作系统的多个其他方面。在一个实施方式中，控制系统116支持无线通信协议，如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT、和Wireless Telemetry。
在一些实施方式中，控制系统116可包括一个或多个伺服控制器，以向控制装置(一个或多个)112的一个或多个相应的伺服马达提供来自介入器械104的力和扭矩反馈。伺服控制器(一个或多个)也可发送信号，指示操纵器组件102移动通过身体开口延伸进入患者身体内的内部外科位点的器械。可使用任何适当的常规或专用伺服控制器。伺服控制器可独立于操纵器组件102，或与操纵器组件102是一体的。在一些实施方式中，伺服控制器和操纵器组件被提供作为定位于患者身体邻近的操纵器臂推车的部分。
每个操纵器组件102支持介入器械104，并且可包括一个或多个非伺服控制的连杆的运动结构(例如，可手动定位和锁定就位的一个或多个连杆，被统称为设置结构)和远程操作的操纵器。远程操作的操纵器组件102被多个致动器(例如，马达)驱动。这些马达响应控制系统116的命令，主动驱动远程操作的操纵器。马达进一步偶联于介入器械，从而驱动介入器械进入自然或外科形成的解剖学孔口和以多个自由度移动介入器械的远端，该自由度可包括三个线性运动度(例如，沿X、Y、Z笛卡儿轴的线性运动)和三个旋转运动度(例如，围绕X、Y、Z笛卡儿轴旋转)。另外地，马达可用于致动器械的铰接末端执行器以在活组织检查装置的夹钳或类似物中抓握组织。
图2示例采用本公开方面的微创系统200。系统200可被并入远程操作的介入系统，如系统100。可选地，系统200可用于探查程序或涉及传统手动操作的介入器械如腹腔镜器械的程序。系统200包括导管系统202(例如，器械104的部分)，其通过接口单元204偶联于跟踪系统206。穿行系统210(例如，控制系统116的部分)处理来自虚拟可视化系统208、一个或多个成像系统212、和/或跟踪系统206的信息，以在显示系统214(例如，显示系统111的部分)上生成一个或多个图像显示。系统200可进一步包括任选的操作和支持系统(未显示)，如照明系统、转向控制系统、灌洗系统和/或抽吸系统。
导管系统202包括细长挠性体216，其具有近端217和远端218。管道219在挠性体216内延伸。在一个实施方式中，挠性体216具有约3mm外径。其他挠性体外径可较大或较小。导管系统202任选地包括传感器系统，其包括定位传感器系统220(例如，电磁(EM)传感器系统)和/或形状传感器系统222——用于确定远端218处导管末端和/或沿主体216一个或多个节段224的定位、定向、速度、姿态、和/或形状。远端218和近端217之间的主体216的全长可有效分成节段224。定位传感器系统220和形状传感器系统222与跟踪系统206对接。跟踪系统206可作为与一个或多个计算机处理器相互作用或被一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合来实施，该计算机处理器可包括控制系统116的处理器。
定位传感器系统220可以是EM传感器系统，其包括一个或多个传导线圈，该传导线圈可被给予外部生成的电磁场。因此，EM传感器系统220的各线圈产生感应电信号，其特征取决于线圈相对于外部生成的电磁场的定位和定向。在一个实施方式中，EM传感器系统可被配置和定位以测量六个自由度，例如，三个定位坐标X、Y、Z和三个定向角——表示基点的俯仰、偏转、和滚转。EM传感器系统的进一步描述被提供于1999年8月11日提交的美国专利号6,380,732，其公开了"Six-Degree of Freedom Tracking System Having a PassiveTransponder on the Object Being Tracked"，其全部内容被引入本文作为参考。
形状传感器系统222包括与挠性体216对齐的光纤(例如，在内部管道(未显示)中提供或外部安装)。跟踪系统206可偶联于光纤近端。在一个实施方式中，光纤直径为约200μm。在其他实施方式中，该尺寸可更大或更小。
形状传感器系统222的光纤构成光纤弯折传感器，用于确定导管系统202的形状。在一种可选方式中，利用包括光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings，FBGs)的光纤提供一个或多个维度的结构中的应变测量。多种监测光纤形状和在三个维度的相对定位的系统和方法被描述于2005年7月13日提交的美国专利申请号11/180,389，其公开了"Fiberoptic position and shape sensing device and method relating thereto"；2004年7月16日提交的美国临时专利申请号60/588,336，其公开了"Fiber-optic shape andrelative position sensing"；和1998年6月17日提交的美国专利号6,389,187，其开了"Optical Fibre Bend Sensor"，其全部内容被引入本文作为参考。在其他可选方式中，利用其他应变感应技术如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、和荧光散射的传感器可以是适当的。在其他可选的实施方式中，可利用其他技术确定导管的形状。例如，如果导管远端姿态历史存储的时间间隔小于更新穿行显示或交替动作(例如，吸入和呼出)的时间，则可利用姿态历史重构经过该时间间隔的装置形状。作为另一实例，可存储随同交替动作循环如呼吸的器械已知点的历史姿态、定位、或定向数据。这种存储数据可用于建立关于导管的形状信息。可选地，沿导管定位的一系列定位传感器，如EM传感器，可用于形状感应。可选地，程序期间来自器械上的定位传感器如EM传感器的数据历史可用于表示器械的形状，特别是在解剖学通道总体上静止的情况下。可选地，定位或定向受外部磁场控制的无线装置可用于形状感应。其定位历史可用于确定穿过通道的形状。
在此实施方式中，光纤可在单个包层内包括多个核。每个核可以是单模，具有使核分隔的充足距离和包层，使得各核的光不与其他核携载的光发生显著相互作用。在其他实施方式中，核数量可改变，或每个核可被包含在独立的光纤中。
在一些实施方式中，FBG阵列被提供在每个核内。每个FBG包括核折射指数的一系列调制，从而生成折射指数的空间周期性。可选择间距，使得源自各指数变化的部分反射对于窄带波长相干叠加，因此在经过较宽的带时仅反射这种窄带波长。在制造FBG的过程中，调制间隔已知距离，从而引起已知波长带的反射。然而，当在纤维核上引起应变时，调制间距将根据核应变量而改变。可选地，随光纤弯折而改变的反向散射或其他光学现象可用于确定各核中的应变。
因此，为测量应变，沿纤维发送光，并且测量返回光的特征。例如，FBG产生的反射波长是纤维应变和其温度的函数。这种FBG技术可购自多个来源，如Smart Fibres Ltd.ofBracknell，英国。FBG技术在用于远程操作手术的定位传感器中的应用被描述于2006年7月20日提交的美国专利号7,930,065，其公开了"Robotic Surgery System IncludingPosition Sensors Using Fiber Bragg Gratings"，其全部内容被引入本文作为参考。
在应用于多核纤维时，光纤的弯折引起核上的应变，该应变可通过监测各核的波长转变来测量。通过纤维中具有偏轴布置的两个或更多个核，纤维弯折在各核上引起不同的应变。这些应变是局部纤维弯折度的函数。例如，包含FBG的核区域，如果位于纤维弯曲的点，则可从而用于确定那些点的弯折量。这些数据与FBG区域的已知间距组合，可用于重构纤维的形状。这种系统以已被Luna Innovations.Inc.of Blacksburg，Va描述。
如述，光纤可用于监测至少部分导管系统202的形状。更具体地，通过跟踪系统206处理经过光纤的光，以检测导管系统202的形状和利用该信息协助外科程序。跟踪系统206可包括检测系统，其用于生成和检测用于确定导管系统202的形状的光。此信息进而可用于确定其他相关变量，如介入器械的部分的速度和加速度。感应可仅限于被远程操作系统致动的自由度，或可应用于被动(例如，接头之间刚性元件的非致动型弯折)和主动(例如，器械的致动运动)自由度。
挠性体216可任选地容纳一个或多个图像拍摄探头226，其发送拍摄的图像数据至成像系统(一个或多个)212。例如，图像拍摄探头226可以是内窥镜探头，包括具有立体或单像摄像机的末端部分，该立体或单像摄像机布置在挠性体216的远端218附近，用于拍摄发送至成像系统212的图像(包括视频图像)。图像拍摄探头226可包括偶联于摄像机、用于发送拍摄的图像数据的线缆。可选地，图像拍摄器械可以是偶联于成像系统的光纤束，如纤维镜。图像拍摄器械可以是单光谱或多光谱的，例如获取可见光谱的图像数据、或获取可见和红外或紫外光谱的图像数据。
另外地或可选地，图像拍摄探头226可以是传感器探头，与反射成像技术如超声波或光学相干断层扫描(OCT)一起应用。例如，该探头可包括发送器和接收器布置，如超声换能器。超声换能器可被安装在细长轴的一端。这样的来源可用于获得将要进行介入程序的解剖学区域的术前或术中二维或三维图像或模型。作为二维来源，超声换能器可用于获得单一超声波图像。作为三维来源，其可用于获得多个空间超声图像或剪辑(cuts)，从而提供足以构建三维模型的信息。因此，其可被安排在解剖学位点内运动(包括旋转)，以拍摄这种图像或剪辑。这一般可例如根据如下实现：通过远程操作控制移动超声波换能器的预编程顺序，手动移动超声换能器，或类似方式。
主体216还可容纳线缆、连杆、或在接口204和远端末梢218之间延伸以例如如远端虚线版本所示可控地弯折或转动远端218的其他转向结构控制(未显示)。导管系统可以是可转向的，或可选地，可以是不可转向的，不具有用于操作人员控制器械弯折的整合机构。挠性体216可进一步容纳控制机构(未显示)，用于操作外科末端执行器或另一可操纵用于医疗功能(例如进行目标组织的预定治疗)的远侧工作部分。例如，一些末端执行器具有单个工作元件，如手术刀、刀片、光纤、或电极。其他末端执行器可包括成对或多个工作元件，如例如钳子、抓取器、剪刀、或施夹器。电激活末端执行器的实例包括电外科电极、换能器、传感器、及类似物。
如图3更详细显示，用于诸如手术、活组织检查、烧蚀、照明、灌洗或抽吸的程序的介入工具(一个或多个)228可通过管道219布置，并且在解剖结构之内的目标位置处应用。椎间工具228也可以是图像拍摄探头。该工具228可从管道219的开口被推动，以执行程序，然后在程序完成时撤回管道。介入工具228可从导管挠性体的近端217或另一沿挠性体任选的器械端口(未显示)移除。
虚拟可视化系统208给导管系统202提供穿行协助。利用虚拟可视化系统的虚拟穿行基于对已获得的与解剖学通道的三维结构相关的数据组的参考。更具体地，虚拟可视化系统208处理利用成像技术如计算机断层(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、温度记录法、超声波、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像、或类似技术记录和/或模拟的外科位点的图像。利用软件将记录的图像转换成部分或全部解剖器官或解剖区域的二维或三维模型。模型描述通道的不同位置和形状及其连通性。用于生成模型的图像在临床程序中可被术前或术中记录。在可选的实施方式中，虚拟可视化系统可利用标准模型(即，非患者特异性)或标准模型和患者特异性数据的混合。模型和通过模型生成的任何虚拟图像可代表可变形解剖区域在一个或多个动作阶段期间(例如，在肺吸气/呼气循环期间)的静止姿态。
在虚拟穿行程序期间，传感器系统可用于计算器械相对于患者解剖结构的大概位置。该位置可用于生成患者解剖结构的宏观水平跟踪图像和患者解剖结构的虚拟内部图像。已知多种利用光纤传感器定位和显示介入实施以及术前记录外科图像(如来自虚拟可视化系统的那些)的系统。例如2011年5月13日提交的美国专利申请号13/107,562——其公开了，"Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of anAnatomical Structure for Image-Guided Surgery"，其全部内容被引入本文作为参考——公开了一种这样的系统。
穿行系统210，作为控制系统116的一部分，处理来自虚拟可视化系统208、一个或多个成像系统212、和/或跟踪系统206的信息，以确定介入器械经过解剖学系统到达目标解剖学结构的穿行路径。穿行系统210还可在介入器械经过解剖学系统向目标结构移动时监测介入器械的穿行路径。穿行系统210包括设计模块211，其使临床医生在通过虚拟可视化系统208制备的解剖学模型中定位目标解剖学结构(例如，肿瘤)和鉴定通过解剖学通道到达目标结构从而用介入器械进行介入程序(例如，活组织检查)的穿行路径。目标定位和穿行路径确定可以自动化，使得穿行系统鉴定一种或多种穿行路径。可选地，临床医生可通过解剖学模型确定穿行路径，并且任选地将选定的路径通信至穿行系统。在再一可选方式中，设计模块采用混合自动化/临床医生选择型穿行路径确定，其中临床医生可修改系统设计的路径或其中临床医生可输入参数如要回避的解剖学区域或对设计模块212所建议的设计穿行路径进行限制的器械限制。
穿行设计模块生成或允许临床医生选择在解剖学通道内的设计布置位置，以停放介入器械的远端，从而实施介入程序。现参考图4，显示目标结构302如肿瘤的和附近解剖学通道304的虚拟图像300。该通道包括通道壁306和隆突308。在此实施方式中，解剖学通道是肺支气管，但本公开的系统和方法可适用于解剖学系统如结肠、肠、肾、心脏、或循环系统中其他自然或外科产生的通道。显示具有挠性体309(基本上类似于挠性体216)和伸长介入工具310的介入器械。在一个实施方式中，穿行设计模块将设计布置位置鉴定为沿解剖学通道壁、最接近或临近目标结构的位置312。然而，完全基于目标结构的接近度来选择布置位置可导致介入器械不可到达或不容易到达所选择的布置位置。例如，介入器械可能不能在通道内充分弯折，以到达基于接近度的布置位置。另外，选择的布置位置或通向布置位置的穿行路径可能没有考虑要回避的解剖结构限制，如疤痕或患病组织。
在其他实施方式中，穿行设计模块基于多种因素选择布置位置，在一些情况下该因素可以是程序特征，如至目标结构的距离，和/或目标结构相对于其他解剖学特征的定位。在其他实施方式中，另外地或可选地，穿行设计模块可接收和利用关于介入器械操作能力的信息来确定布置位置。例如，可考虑关于器械弯折能力的信息，如导管材料的挠性和弹性、经过导管管道的导管或工具的任何预成形的形状特征、导管或工具远端的转向性(例如，导管远端相对于导管主轴可弯曲的程度)、和沿导管长度的曲度。介入器械的其他特征可也用于确定布置位置，包括导管直径、工具直径、从导管伸出时的工具轨迹(例如，弯曲、笔直)、工具运动(例如，横扫、旋转、线性)、工具轴与导管轴的最大成角、工具可从导管伸出的最大长度、和导管远端提供与通道壁摩擦接触的任何锚定结构。关于弯折能力的信息和/或关于介入器械特征的信息是可用于确定介入器械在解剖学通道中的操作能力的示例性因素。
穿行设计模块还可或可选地可接收和利用关于患者解剖结构的信息来确定布置位置。这种信息可包括，例如，与目标结构最接近的解剖学通道隆突的位置和与目标结构最接近的通道尺寸。其他解剖学信息可包括解剖学通道的弹性，包括任何疾病过程可能对通道弹产生的影响。穿行设计模型还可考虑周围解剖学组织，以例如选择减少对周围组织的风险的布置位置。作为一个实例，可选择远离肺周边的布置位置，以避免肺被布置工具穿刺的风险。穿行设计模型还可考虑通向目标结构优选位置的目标结构的解剖学。例如，可选择布置位置，使得活组织检查工具避开肿瘤的钙化部分。
穿行设计模块还可考虑介入器械和患者解剖结构之间的关系的相关信息，如目标结构与导管末端的距离。参考图5，穿行设计模块还可考虑介入工具和通道壁之间的啮入角320。例如，90°的啮入角由于通道尺寸和导管远端弯折性小而可能是不可实践的。1°的啮入角由于介入工具可擦过而非穿透通道壁表面的风险也可能是不适当的。基于这些理由，穿行设计模块可选择布置位置，使得啮入角在约30°和90°之间。
再参考图4，在穿行设计模块评价介入器械和患者解剖结构相关因素后，鉴定解剖学通道壁上的布置位置314。任选地，穿行设计模块可提供通向布置位置的建议穿行路径。然后临床医生可将介入器械远端引导至布置位置。临床医生可基于虚拟或实际图像指导手动控制介入器械的穿行。可选地，临床医生可远程操作地控制介入器械的穿行，或允许介入器械沿建议的穿行路径被计算机控制穿行。在介入器械的远端定位在布置位置后，介入工具从导管伸出，穿过通道壁并接触目标结构。在一些情况下，例如，在目标结构位于解剖学通道内时，布置位置可定位在通道腔内，而非通道壁上。例如在目标结构处于通道内时，布置位置可处于目标结构的表面上。
图7是描述穿行设计模块鉴定介入器械的设计布置位置所用的方法400的流程图。在402，接收解剖学结构的模型。该解剖学结构包括通过该模型示例的多个解剖学通道。模型由术前或术间利用成像技术如CT、MRI、荧光透视、温度记录法、超声波、OCT、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像、或类似技术记录和/或模拟的外科位点的二维或三维图像形成。模型的接收可包括接收由模型、描述患者解剖结构的使用者输入、或其他参考来源获得的关于患者解剖结构的信息。关于患者解剖结构的这种信息可包括，例如，解剖学通道(一个或多个)内与目标结构最接近的位置(一个或多个)、与目标结构最接近的解剖学通道隆突的位置、和与目标结构最接近的通道的尺寸。其他解剖学信息可包括解剖学通道的弹性、通向目标结构优选位置的目标结构的解剖结构、和周围组织类型和任何与接触周围组织相关的风险。
在404，在模型中鉴定目标结构(例如，肿瘤)的位置。鉴定目标结构可包括从模型、描述目标结构的使用者输入、或其他参考来源确定或接收关于目标结构的信息。这种关于目标结构的信息可包括，例如，目标结构的形状、形成目标结构的一种或多种物质、和目标结构表面相对于附近解剖学通道的位置。
在406，接收关于介入器械操作能力的信息。接收以确定介入器械操作能力的信息可包括，例如，关于器械弯折能力如导管材料挠性和弹性的信息、经过导管管道的导管或工具的任何预成形的形状特征、导管或工具远端的转向性、和沿导管长度的曲度。介入器械的操作能力还可由介入器械的特征确定，如导管直径、工具直径、工具轴与导管轴的最大成角、工具可从导管伸出的最大长度、和导管远端提供与通道壁摩擦接触的任何锚定结构。
在408，定位介入器械的设计布置位置。设计布置位置可被标记在多个通道的模型上。设计布置位置可基于器械操作能力信息、目标结构信息、患者解剖学信息、或各类信息的组合来选择。选择的布置位置可以处于解剖学通道中与目标结构最接近的点。然而，在很多患者中，最接近点的布置位置可能不可能被介入器械远端到达，因为该器械在所选择的解剖学通道的尺寸和弹性限制内具有不足的弯折能力。较适当的布置位置可处于解剖学通道壁上介入器械相对于通道壁的啮入角在器械弯折能力范围内的点。例如，如果介入器械具有几乎不允许或不允许弯折的僵硬远端，则适当的布置位置可处于目标结构附近的隆突。在隆突处，介入器械可在器械远端最小弯折的情况下以与通道壁约90°的啮入角布置。作为另一实例，穿行设计模块可选择布置位置，使得啮入角在约30°和90°之间。在选择布置位置时，设计系统还确认介入工具能够从导管延伸足够的距离，以到达目标结构，进行介入程序。
如述，可基于器械操作能力、目标结构、和患者解剖结构的分析来定位设计布置位置。代替或结合系统评估，设计布置位置可由临床医生鉴定，并通信至穿行设计模块，以在模型中定位或标记临床医生鉴定的设计布置位置。当穿行设计模块接收临床医生鉴定的设计布置位置时，则模块可将其与系统鉴定的布置位置比较。如果临床医生鉴定的布置位置被反对(例如，“选择的活组织检查针长度不够从此布置位置到达目标。”)，可发出视觉或听觉反馈提示。
任选地，穿行设计模块鉴定多个可选布置位置。可选的布置位置可被编码(例如，在显示上用颜色编码)，以提供关于对于布置介入器械以执行程序可选的布置位置的相对性能的信息。临床医生可选择可选布置位置中的一个作为设计布置位置。可选地，可从可选布置位置选择多于一个设计布置位置，以使介入程序从不同途径进行。如果临床医生确定最初选择的布置位置并不适合，可选布置位置的选择还可在介入程序期间进行。
为进一步精细化鉴定目标结构的步骤，可利用成像系统212中的一个或多个来收集在介入器械被布置于鉴定的布置位置或其一般附近后关于目标结构的位置的额外信息。现参考图6，再次显示目标结构302和附近解剖学通道304的虚拟图像300。挠性体309的远端先被定位在目标确认位置，如位置312。图像拍摄探头226被操作以确定目标结构302是否相对于目标确认位置处于预期定位。如果目标结构302没有被找到或没有处于预期定位，则可使挠性体和图像拍摄探头左右移动，直到定位到目标结构。当定位到目标结构时，将挠性体309或图像拍摄探头的远端位置记录在新位置322处。然后穿行设计模块211更新目标结构302'的位置。随着目标结构的新位置被鉴定，利用介入器械的操作能力信息鉴定修正的设计布置位置324。例如，穿行设计模块可利用位置312和322之间的差异来将位置314更新至位置322，和目标结构302的位置更新至302'。在一个实施方式中，图像拍摄探头利用一个或多个反射成像技术如超声波或OCT的传感器来精细化目标结构的位置。可选地，其他非成像传感器可用于鉴定目标结构的位置。
图8是描述穿行设计模块用于修正介入器械的设计布置位置的方法450的流程图。在452，在探头已在最初的设计布置位置或在目标确认位置操作后，从图像拍摄探头接收信息。在454，利用从图像拍摄探头接收的信息鉴定目标结构的修正位置。在456，在多个通道的模型中鉴定修正后的设计布置位置。
可选的利用成像系统212鉴定目标结构的方法500在图9描述，并且在图10和11示例。方法500可进行以鉴定最初的介入布置位置，或可用于鉴定修正的布置位置，如下所述。
在502，使导管在穿行系统的指导下穿行至通道位置如位置312或314，该穿行系统的指导包括例如视觉、EM或形状传感器信息。当导管已到达位置时可提供来自临床医生或介入器械的确认。在504，将成像探头(例如，超声探头)插入通过导管，并且跟踪成像探头相对于部分导管(例如，导管末端)的运动。在一些实施方式中，在502的穿行过程中也可使用相同成像探头(例如，相同超声探头)。可跟踪成像探头的运动，例如利用定位传感器如5或6自由度EM传感器。可选地，可利用位于患者解剖结构外的插入式传感器如编码器跟踪该运动。可选地，可通过连接步进马达以控制成像探头的插入动作来跟踪该运动。
在506，相对于导管确定成像探头的成像坐标系统的滚转角。例如，可利用轴向成像探头和导管(例如，关键系统)的滚转对齐要件来确定滚转角。可选地，可使用位于患者解剖结构外的滚转传感器。在再一可选方式中，可通过在成像探头记录的图像中观察具有已知的相对于导管的角度的一个或多个标记或其他要件来确定滚转角。例如，要件或标记可位于导管外周，并且具有与导管的反差(例如，超声反差)。
在508，使导管和/或成像探头在解剖学通道周围移动，以在探头生成的图像中检测目标结构。在510，在通过成像探头检测到目标结构后，临床医生可利用处于指示器位置的指示装置在图像中鉴定目标结构。可通过呼吸和/或心脏循环选通的扫描，来生成图像(例如，超声图像)。可由二维扫描构建三维图像。
在512，将指示器位置转换到导管坐标系统或患者坐标系统(此前已被定位至导管坐标系统)。在514，可利用指示器位置施加相对于在术前解剖学模型中鉴定的目标结构的位置的偏移。基于该偏移计算修正的目标结构位置。然后可移除成像探头，并可将活组织检查工具或其他介入工具通过导管插入，以在修正位置处进行程序(例如，活组织检查)。
虽然已描述本公开的系统和方法用于连通的肺支气管，但其也适用于通过自然或外科产生的连通通道穿行和处理多种解剖学系统——包括结肠、肠、肾、脑、心脏、循环系统、或类似系统——中的任一种中的其他组织。本公开的方法和实施方式也适于非介入型应用。
本发明的实施方式中的一个或多个要素可以软件实施以在计算机系统如控制系统116的处理器中执行。当以软件实施时，本发明实施方式的要素实质上是执行所需任务的代码节段。程序或代码节段可通过传送介质或通信连接作为在载波中体现的计算机数据信号已被下载，并且可存储在处理器可读存储介质或装置中。处理器可读存储装置可包括任何可存储信息的介质，包括光介质、半导体介质、和磁介质。处理器可读存储装置实例包括电路；半导体装置、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、或其他存储装置，代码节段可通过计算机网络如Internet、Intranet等下载。
注意，展示的过程和显示可不固有地关联于任何具体计算机或其他设备。多种这些系统所需的结构将在权利要求中作为要素呈现。另外，本发明的实施方式未参考任何具体编程语言描述。会理解多种编程语言可如本文描述用于实施本发明的教导。
虽然在附图中描述和显示了本发明的某些示例性实施方式，但要理解，这些实施方式只是示例性和而非限制宽泛的发明，并且本发明的实施方式不限于显示和描述的具体构造和安排，因为本领域技术人员可想到各种其他修改。

Claims (25)

1.一种设计布置介入器械的程序的方法，所述介入器械包括挠性导管主体和介入工具，所述方法通过处理系统进行，所述方法包括：
接收解剖学结构的模型，所述解剖学结构包括多个通道；
在所述模型中鉴定目标结构；
接收关于所述介入器械在所述多个通道内的操作能力的信息；
接收代表所述介入器械、所述多个通道、所述目标结构、以及临床医生鉴定的布置位置中的一个或多个的一个或多个特征的数据；
基于下列项鉴定用于定位所述介入器械的远端以从所述挠性导管主体布置所述介入工具来对所述目标结构执行所述程序的设计布置位置：
接收到的关于所述介入器械的所述操作能力的信息；和
接收到的代表所述介入器械、所述多个通道、所述目标结构、以及所述临床医生鉴定的布置位置中的一个或多个的一个或多个特征的数据，其中所述一个或多个特征包括所述介入工具相对于所述挠性导管主体的运动特征和所述多个通道的弹性中的一个或多个；以及
在显示系统上显示所述模型中的所述设计布置位置，
其中鉴定设计布置位置包括鉴定在所述多个通道中的一个中的初步布置位置，以及基于当所述挠性导管主体设置在所述多个通道内时接收到指示所述目标结构的修正位置的传感器数据，将所述初步布置位置修正为所述设计布置位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中鉴定所述设计布置位置包括接收代表所述介入器械的一个或多个特征的数据，所述一个或多个特征包括工具布置长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中鉴定所述设计布置位置包括接收代表所述介入器械的一个或多个特征的数据，所述一个或多个特征包括所述介入器械的弯折能力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个通道的一个或多个特征包括与所述目标结构最接近的多个通道的尺寸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个通道的一个或多个特征包括所述多个通道中的两个之间的隆突的位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标结构的一个或多个特征包括钙化位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器数据包括代表所述目标结构相对于所述介入器械的远端的位置的超声波传感器数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器数据包括代表所述目标结构相对于所述介入器械的远端的位置的OCT传感器数据。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括鉴定在所述多个通道的壁上的多个任选布置位置，所述多个任选布置位置被编码以提供关于所述多个任选布置位置对于布置所述介入器械以执行所述程序的相对性能的信息，其中所述多个任选布置位置包括所述设计布置位置。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括提供警报，指示所述临床医生鉴定的布置位置被反对。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述设计布置位置处所述介入器械的所述远端和通道壁之间的啮入角在30和90度之间。
12.一种设计布置介入器械的程序的系统，所述介入器械包括挠性导管主体和介入工具，所述系统包括：
非临时性计算机可读介质，包含用于设计布置介入器械的程序的计算机可执行指令，所述计算机可执行指令包括
接收解剖学结构的模型的指令，所述解剖学结构包括多个通道；
在所述模型中鉴定目标结构的指令；
接收关于所述介入器械在所述多个通道中的操作能力的信息的指令；
接收代表所述介入器械、所述多个通道、所述目标结构、以及临床医生鉴定的布置位置中的一个或多个的一个或多个特征的数据的指令；
基于下列项鉴定用于定位所述介入器械的远端以从所述挠性导管主体布置所述介入工具来对所述目标结构执行所述程序的设计布置位置的指令：
接收到的关于所述介入器械的所述操作能力的信息；和
接收到的代表所述介入器械、所述多个通道、所述目标结构、以及所述临床医生鉴定的布置位置中的一个或多个的一个或多个特征的数据，其中所述一个或多个特征包括所述介入工具相对于所述挠性导管主体的运动特征和所述多个通道的弹性中的一个或多个；以及
在显示系统上显示所述模型中的所述设计布置位置的指令，其中鉴定设计布置位置包括鉴定在所述多个通道中的一个中的初步布置位置，以及基于当所述挠性导管主体设置在所述多个通道内时接收到指示所述目标结构的修正位置的传感器数据，将所述初步布置位置修正为所述设计布置位置。
13.根据权利要求12所述的系统，进一步包括所述介入器械。
14.根据权利要求12所述的系统，其中鉴定所述设计布置位置包括接收代表所述介入器械的一个或多个特征的数据，所述一个或多个特征包括工具布置长度。
15.根据权利要求12所述的系统，其中鉴定所述设计布置位置包括接收代表所述介入器械的一个或多个特征的数据，所述一个或多个特征包括所述介入器械的弯折能力。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述多个通道的一个或多个特征包括与所述目标结构最接近的多个通道的尺寸。
17.根据权利要求12所述的系统，其中所述多个通道的一个或多个特征包括所述多个通道中的两个之间的隆突的位置。
18.根据权利要求12所述的系统，其中所述目标结构的一个或多个特征包括钙化位置。
19.根据权利要求12所述的系统，所述传感器数据包括代表所述目标结构相对于所述介入器械的远端的位置的超声波传感器数据。
20.根据权利要求12所述的系统，其中所述传感器数据包括代表所述目标结构相对于所述介入器械的远端的位置的OCT传感器数据。
21.根据权利要求12所述的系统，进一步包括鉴定在所述多个通道的壁上的多个任选布置位置的指令，所述多个任选布置位置被编码以提供关于所述多个任选布置位置对于布置所述介入器械以执行所述程序的相对性能的信息，其中所述多个任选布置位置包括所述设计布置位置。
22.根据权利要求12所述的系统，其中所述程序是活组织检查程序。
23.根据权利要求12所述的系统，进一步包括提供警报的指令，所述警报指示所述临床医生鉴定的布置位置被反对。
24.根据权利要求12所述的系统，其中在所述设计布置位置处所述介入器械的所述远端和通道壁之间的啮入角在30和90度之间。
25.一种设计利用从挠性导管布置的介入工具的介入程序的方法，所述方法通过处理系统进行，所述方法包括：
接收解剖学结构的模型，所述解剖学结构包括多个通道；
在所述模型中鉴定目标结构；
接收关于所述介入工具相对于所述挠性导管的远端的延伸长度的信息；
接收代表所述介入工具、所述多个通道、所述目标结构、以及临床医生鉴定的布置位置中的一个或多个的一个或多个特征的数据；
基于下列项鉴定用于定位所述介入工具的远端以相对于所述挠性导管的所述远端延伸所述介入工具来对所述目标结构执行所述程序的设计布置位置：
接收到的关于所述介入工具的延伸长度的信息；和
接收到的代表所述介入工具、所述多个通道、所述目标结构、以及所述临床医生鉴定的布置位置中的一个或多个的一个或多个特征的数据，其中所述一个或多个特征包括所述介入工具相对于所述挠性导管的主体的运动特征和所述多个通道的弹性中的一个或多个；以及
在显示系统上显示所述模型中的所述设计布置位置；
其中鉴定设计布置位置包括鉴定在所述多个通道中的一个中的初步布置位置，以及基于当所述挠性导管主体设置在所述多个通道内时接收到指示所述目标结构的修正位置的传感器数据，将所述初步布置位置修正为所述设计布置位置。
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