CN109937021A - 引导系统和相关联的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了引导系统和相关联的方法。一种方法包括：在操作之前接收宏扫描数据；从宏扫描数据定义身体信息模型；在操作期间将导航组件定位在身体中；利用导航组件来生成微扫描数据；在身体信息模型中使宏扫描数据中的位置与微扫描数据中的位置相关；和/或通过将微扫描数据中的图像与宏扫描数据中的图像组合来修改身体信息模型。

Description

引导系统和相关联的方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2016年11月11日提交的美国临时专利申请号62/420,891的35U.S.C.§119下的优先权的权益，其通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开的方面总体上涉及医疗设备和操作。特定方面涉及引导系统和相关联的方法。
背景技术
细长设备通常用于进入身体的偏远区域和腔室以用于诊断的、手术的和/或治疗的目的。例如，内窥镜可以使用自然形成的腔或孔和/或手术切口来进入结肠、食道、胃、尿道、膀胱、输尿管、肾脏、肺、支气管、子宫和其他器官；并且导管可以使用循环系统作为路径以进入心脏附近的治疗部位，或使用尿管以进入泌尿区域。这些细长设备可以通过自然的身体路径(诸如大动脉，包括在腹股沟或颈部中发现的那些)被引入到身体中。相同的设备也可以通过在身体中形成的人工路径(诸如由隧道工具形成的隧道)被引入。
通过一些身体路径的导航需要细长设备穿过一直变窄的直径，直到设备的远端到达身体内的手术部位为止。将远端定位在手术部位可能是有挑战的。在一些情况下，可以采用荧光镜以在一个运动平面中引导远端通过身体。由于X射线是在外部施加的，因此在单个成像平面中，它们通常无法解释身体路径(尤其是延伸深入到身体中的路径)的局部方面。需要附加的传感技术来引导医疗设备通过更大范围的身体路径，并降低与这种导航相关联的风险。提供本文描述的设备、方法和系统的方面以解决这些问题。
发明内容
本公开的方面涉及引导设备、系统和方法。现在描述本公开的许多方面。
本公开的一个方面是一种方法，包括：接收宏扫描(macroscan)数据，其包括身体的第一图像以及与每个第一图像相关联的第一位置数据；根据第一位置数据来组合第一图像以生成身体信息模型；将导航组件定位在身体中；利用导航组件生成微扫描(microscan)数据，微扫描数据包括身体的第二图像和与每个第二图像相关联的第二位置数据；在身体信息模型中的目标位置处使第一位置数据与第二位置数据相关；和/或在目标位置处通过将第一图像与第二图像进行组合来修改身体信息模型。
根据该方面，导航组件可以包括细长轴和位于细长轴的远侧部分上的内部扫描器，并且该方法可以包括将内部扫描器定位在身体中，并利用内部扫描器生成微扫描数据。内部扫描器可以包括被配置为生成身体的波能图像的探针，并且第二图像可以包括波能图像，该方法还包括利用探针生成波能图像。探针可以包括一个或多个超声换能器，其被配置为生成身体的超声图像，并且生成波能图像可以包括利用一个或多个超声换能器来生成超声图像。探针可以包括一个或多个激光源，其被配置为生成身体的激光图像，并且生成波能图像可以包括利用一个或多个激光源来生成激光图像。
在一些方面中，内部扫描器可以包括被配置为生成图形图像的多个成像元件，并且第二图像可以包括图形图像，该方法还包括利用多个成像元件在电磁波谱的一个或多个频率下生成图形图像。生成图形图像可以包括在可见光范围内生成图形图像。内部扫描器包括多个光源，并且该方法还可以包括独立于多个成像元件或与多个成像元件一起操作多个光源。生成微扫描数据可以包括根据预定序列生成第二图像和位置数据。例如，可以以预定序列在60Hz或更高的频率下生成第二图像。
在其他方面中，导航组件可以包括细长轴，并且将导航组件定位在身体中可以包括使细长轴的远侧部分移动通过身体。例如，细长轴的远侧部分可以包括响应于磁场的跟踪传感器，并且生成第二位置数据可以包括在现场移动传感器。
本公开的另一方面是一种方法，包括：在操作之前接收宏扫描数据；从宏扫描数据生成身体信息模型；在操作期间将导航组件定位在身体中；利用导航组件生成微扫描数据；在身体信息模型中使宏扫描数据中的位置与微扫描数据中的位置相关；和/或通过将微扫描数据中的图像与宏扫描数据中的图像进行组合来修改身体信息模型。
根据该方面，该方法可以包括将身体信息模型的一部分输出作为导航图像。例如，该方法可以包括：识别导航图像中通过身体的路径；识别导航组件在导航图像中的位置；以及沿着导航图像中的路径引导导航组件。该方法还可以包括：相对于路径定位身体中的对象；并将导航组件引导到所定位的对象。在一些方面中，该方法包括确定所定位的对象的特性。该方法还可以包括：基于所定位的对象的特性而选择所定位的对象之一；对所选择的对象执行治疗；以及修改身体信息模型以指示所选择的对象已经被治疗。
本公开的又另一方面是一种方法，包括：在操作之前接收宏扫描数据，宏扫描数据包括身体的第一图像以及与每个第一图像相关联的第一位置数据；根据第一位置数据来组合第一图像以生成身体信息模型；在操作期间将导航组件定位在身体中；利用导航组件生成微扫描数据，微扫描数据包括身体的第二图像和与每个第二图像相关联的第二位置数据；在身体信息模型中的目标位置处使第一位置数据与第二位置数据相关；在目标位置处通过将第一图像与第二图像进行组合来修改身体信息模型；输出身体信息模型的一部分作为导航图像；识别导航图像中通过身体的路径；识别导航组件在导航图像中的位置；和/或沿着导航图像中的路径引导导航组件。
可以理解的是，前述概要和以下详细描述两者都仅是示例性和解释性的，并不限制下面所要求保护的发明。
附图说明
附图被结合到本说明书中并构成本说明书的一部分。这些附图示出了本公开的方面，其与本文的书面描述一起用于解释本公开。每个附图都描绘了本公开的一个或多个方面，如下：
图1描绘了系统的示例性映射组件。
图2A描绘了宏扫描数据的示例性方面。
图2B描绘了微扫描数据的另外的示例性方面。
图3描绘了示例性身体信息模型的方面。
图4A描绘了身体中的第一位置处的示例性导航组件的方面。
图4B描绘了在身体中的第二位置处的图2A的导航组件。
图5描绘了图4A-B中描绘的导航组件的示例性配置。
图6A描绘了微扫描数据的示例性方面。
图6B描绘了微扫描数据的另外的示例性方面。
图7描绘了示例性控制器。
图8A描绘了示例性导航设备。
图8B描绘了另一示例性导航设备。
图9A描绘了示例性方法。
图9B描绘了另一示例性方法。
具体实施方式
现在参考示例性引导系统和相关联的方法来描述本公开的方面。参考操作来描述一些方面，其中细长设备被引导通过身体路径，直到细长主体的远端位于身体腔室(或身体中的其他目标部位)中。例如，内窥镜可以包括细长主体，其被引导通过包括尿道、膀胱和/或输尿管的自然身体路径，直到内窥镜的远端位于肾脏的内部腔室中为止。为了方便起见，提供了对以下的参考：特定类型的操作或程序，诸如医疗；身体路径，诸如自然的或人工的；或身体腔室，诸如肾脏的内部腔室，并且除非要求保护，否则不旨在限制本公开。因此，本文描述的概念可以用于任何类似的设备或方法—医学的或其他的、肾脏特定的或非肾脏特定的。
描述了许多轴。每个轴可以与下一个轴横向或甚至垂直，以便建立具有原点O(或O')的笛卡尔坐标系。一个轴可以沿着纵轴延伸，该纵轴延伸通过在元件或身体路径内限定的原点。方向术语“近侧”和“远侧”以及它们各自的首字母“P”和“D”可以用于描述与这些轴相关的相对分量和特征。近侧是指更靠近身体或用户的外部的位置，而远侧是指更靠近身体的内部或更远离用户的位置。将首字母“P”或“D”附加到元件编号表示近侧位置或远侧位置，并且将P或D附加到图中的箭头表示沿着一个或多个轴的近侧方向或远侧方向。术语“细长”可以用于描述沿着任何轴的近侧或向远侧延伸的任何方面。除非要求保护，否则这些术语是为了方便而提供的，并不旨在将本公开限制于特定的位置、方向或取向。
如本文所使用的，术语“包括”、“包含”或类似变化旨在涵盖非排他性包含，使得包括元件列表的设备或方法不仅包括那些元件，而且还可以包括未明确列出或其固有的其他元件。除非另有说明，否则术语“示例性”用于“示例”而不是“理想”的意义。相反，术语“由......组成”和“由...构成”旨在涵盖排他性包含，使得由元件列表组成的设备或方法仅包括那些元件。如本文所使用的，诸如“约”、“基本上”、“近似”或类似变化的术语可以指示在所述值的+/-5％内的值范围。
本公开的方面涉及示例性引导系统10，其示例在图1-8B中参考示例性身体1被描绘。身体1可以是患者的身体(例如，人体)或其一部分。在图1中，例如，身体1被描绘为人体躯干的内侧—外侧横截面，包括：外表面2；表面2上的入口点3；身体腔室4；以及在入口点3和腔室4之间延伸的身体路径5。身体轴B-B延伸通过身体1中的原点O(例如，图1)，并且身体路径P-P延伸通过身体路径5中的原点O'(例如，图4A-B)。
系统10可以包括：映射组件20，其被配置为执行对身体1的微扫描(例如，图1)并输出宏扫描数据23(例如，图2A-B)；导航组件40，其被配置为执行对身体1的宏扫描(例如，图4A-5)并输出微扫描数据43(例如，图6A-B)；以及控制器60(例如，图7)，其被配置为从宏扫描数据23生成术前身体信息模型25(例如，图3)、利用微扫描数据43可操作地更新信息模型25、和/或输出模型25的部分作为导航图像27(例如，图7)。本文使用术语“宏扫描”和“微扫描”来描述系统10的方面。在该应用中，宏扫描可以从外部施加的扫描介质(例如，来自CT扫描器的X射线)获得，而微扫描可以从内部施加的扫描介质(例如，来自换能器的声波)获得。
映射组件20被配置为执行对身体1的宏扫描，并输出宏扫描数据23。示例性映射组件20在图1中被描绘为包括被配置为采取对身体1的一个或多个宏扫描的外部扫描器22，以及被配置为输出宏扫描数据23的发射器26。如图2A-B所示，宏扫描数据23可以包括：从宏扫描生成的成像数据23ID(例如，波能图像)；和当执行宏扫描时生成的位置数据23LD(例如，波能图像沿着身体轴B-B的位置)。
成像数据23ID可以包括由外部扫描器22以任何格式在任何分辨率下使用任何扫描介质而生成的任何数量的二维或三维图像。例如，扫描器22可以被配置为：将波能(例如，光、声音、X射线等)引向身体1的外表面2、接收波能的反射部分、并生成包括身体1的波能图像的成像数据23ID。在一些方面中，扫描器22可以是CT扫描器，其被配置为沿着成像轴I-I引导和接收X射线，并且生成成像数据23ID，其包括在相对于身体1的一个或多个角度和/或位置处拍摄的多个二维横截面X射线图像。代表性横截面X射线图像在图2A中被描绘为由CT扫描器生成的成像数据23ID。可以用其他波能来创建类似的图像。在其他方面中，外部扫描器22可以包括磁共振成像设备，其被配置为使用磁场、无线电波和场梯度来生成包括多个三维图像的成像数据23ID。
位置数据23LD可以用于关于自然标记和/或人工标记而定位身体1中的成像数据23ID。在图1中，成像平面I-I延伸通过原点O和延伸通过原点O的身体轴B-B。原点O可以被限定在身体1的椎骨的质心(例如，图2A)，允许身体轴B-B与延伸通过身体1的脊柱的纵向轴一致，并且在每个宏扫描中提供共同的参考点。可替换地，人工标记可以放置在身体1中或身体1上，以限定原点O和/或身体轴B-B的位置。例如，人工标记可以放置在外表面2上、身体腔室4的内部和/或床8上；并且包括不透射线的元件，其被成形为定义点O和/或轴B-B在身体1的横截面X射线图像中的位置。
收发器26可以包括被配置为输出宏扫描数据23的任何有线或无线技术。例如，收发器26可以被配置为使用任何已知的数据通信技术(包括光纤电缆、Wi-Fi等)输出数据23和/或以其他方式与控制器60的收发器66通信。如果映射组件20、导航组件40和控制器60都是同一设备的一部分，则收发器26可以简单地是这种设备的相应组件之间的直接或有线连接。
参考图4A，导航组件40被配置为执行对身体1的微扫描，并输出微扫描数据43。描述了导航组件40的许多方面。根据例如在图4A-5中描绘的一个方面，导航组件40可以包括：可通过身体路径5转向的细长轴41；内部扫描器或传感器42，其被配置为当轴41沿着路径5移动时执行一个或多个微扫描；磁场发生器44，其被配置为生成路径5周围的磁场；跟踪传感器50，其被配置为在磁场中定位扫描器42；以及收发器46，其被配置为输出微扫描数据43。如图6A-B所示，微扫描数据43可以包括从微扫描生成的成像数据43ID(例如，波能图像)，以及当执行微扫描时生成的位置数据43LD(例如，沿着轴P-P的波能图像的位置)。
图4A-B的细长轴41可以包括延伸通过细长轴的至少一个通道45，以及可与通道45一起操作的任何数量的铰接部分和/或转向机构。示例性转向机构可以包括附接到轴41的近端的手柄，和延伸通过轴41的多个拉线，其中线被配置为响应于施加到手柄上的致动器的物理力而铰接轴41，如在2016年7月5日发布的美国专利No.9,380,930中的，其全部通过引用并入于此。在其他方面中，轴41可以包括多个电响应铰接区部，其被配置为响应于来自控制器60的控制信号而铰接轴41，如在2013年8月27日发布的美国专利No.8,517,924中的，其全部通过引用并入于此。例如，可以响应于用户输入(诸如操纵杆或类似输入设备(包括在2016年1月27日提交的美国临时专利申请No.62/287,667中描述的那些，其整体通过引用并入于此)的移动)而生成控制信号。
成像数据43ID可以包括由内部扫描器42以任何格式在任何分辨率下使用任何扫描介质而生成的任何数量的二维或三维图像。例如，扫描器42可以被配置为生成包括利用计算机断层摄影(CT)、超声波、正电子发射断层摄影(PET)和/或类似技术而生成的三维图像的成像数据43ID。成像数据43ID的深度、质量和/或分辨率可以与成像数据23ID的深度、质量和/或分辨率不同和/或比其更大，如图2B和6B中各自描绘的示例性网格模式所指示的。图5中描绘了示例性扫描器42。如所示出的，扫描器42可以设置在轴41的远侧部分41D上，并且包括多个成像元件47；多个光源49；以及探针52。现在描述示例性扫描器42的每个元件。
多个成像元件47可以被配置为生成成像数据43ID的一部分。例如，数据43ID可以连续地生成和/或当轴41沿着身体路径轴P-P移动时生成。成像元件47可以是可操作的以在电磁波谱的一个或多个频率(包括在可见光范围内和超出可见光范围的频率)处生成身体1的图像。如图5所示，图像元件47可以包括数字相机电路，其被配置为生成身体1的内部的二维图形图像(例如，摄像的、地形的等)。例如，多个成像元件47可以围绕轴41的外表面环状地间隔开，使得所得到的图像可以组合以形成身体路径5和/或身体腔室4的内部的连续全景图形图像。
多个光源49可以包括发光二极管，其被配置为生成处于一个或多个波长下的光。光源49可以是与成像元件47一起可操作的(例如，被一起激活)以为成像数据43ID提供照明。光源49可以限于成像目的。例如，因为跟踪传感器50可以响应于磁场，如下所述，因此导航组件40可以被配置用于在黑暗中(即，没有任何导航光)使用，或者在存在可能挑战可见性的光(诸如由快速脉冲激光能量生成的光)中使用。在一些方面中，多个光源49可以被配置为从身体1的内表面生成光敏响应。例如，光敏材料可以被递送通过内腔45、身体路径5和/或身体腔室4，并然后由被配置为与路径4和/或腔室5内的目标组织产生光敏反应的波长下的光源49照亮。在一些方面中，该反应的特性(例如，密度、强度、大小等)可以由成像元件47捕获、在微扫描数据43中输出作为成像数据43ID、和/或由控制器60处理。
探针52可以是独立于成像元件47或与成像元件47一起可操作的(例如，被一起激活)以生成成像数据43ID的另一部分。例如，探针52可以被配置为：将波能(例如，光、声音、X射线等)引向身体1的内表面、接收波能的反射部分、并生成包括身体1的二维或三维波能图像的成像数据43ID。例如，图4的探针52可以是血管内超声(或“IVUS”)探针，其包括多个前向和/或侧向换能器，其被配置为沿着路径轴P-P和/或在与其横向的其他方向上引导和接收声波(例如，图4A)，并且生成包括多个二维横截面超声图像的成像数据43ID(例如，图6A)。身体路径5的代表性IVUS超声图像在图6A中描绘，例如，作为从IVUS探针生成的轴向超声图像。在其他方面中，探针52可以包括激光扫描器，其被配置为：将激光能量(例如，脉冲或连续激光束)释放到身体1中、接收激光能量的反射部分、并生成包括路径5和/或腔室4的三维图像的成像数据43ID。
跟踪传感器50可以是与磁场发生器44一起可操作的以例如每当多个成像元件47和/或探针52中的至少一个被激活时生成位置数据43LD。在图5中，示例性传感器50包括安装在轴41的远侧部分41D上的壳体，以及安装在壳体中的传感器线圈(未示出)。磁场发生器44在图1和4A-B中被示为具有多个场生成元件(未示出)的平面元件，其可以放置在例如支撑身体1的床8下面(例如，如在图1中)，或者直接放置在身体1下面(例如，如在图4A-B中)，并且被配置为生成在身体路径5周围延伸的磁场(未示出)。跟踪传感器50中的线圈可以响应于由发生器44产生的磁场而实时输出包括连续定位器信号(例如，模拟信号)的位置数据43LD。
收发器46可以包括被配置为输出微扫描数据43的任何有线或无线技术。例如，收发器26可以被配置为使用任何已知的数据通信技术(包括光纤电缆、Wi-Fi等)输出数据43和/或以其他方式与控制器60的收发器66通信。图2的收发器46例如被耦合到轴41的近侧部分并位于身体1的外部。如所示出的，收发器46被配置为经由有线连接从内部扫描器42接收微扫描数据43，并经由与控制器60的无线连接将微扫描数据43传送到收发器66。
图7的控制器60被配置为：从宏扫描数据23生成术前身体信息模型25(例如，图3)、利用微扫描数据43可操作地更新模型25、和/或在术前或更新状态下将信息模型25的部分实时输出作为导航图像27(例如，图7)。因此，控制器60可以包括：一个或多个处理器62；存储器65，其包括可由一个或多个处理器62执行的计算机可读指令64；收发器66；传感器接口单元68；定位单元70；以及信号站72。
控制器60的这些元件可以组织在单个设备中，如图7所示，或者分布贯穿系统10，无论如何布置，每个元件都能够与下一个元件和/或组件20和40相互通信。一个或多个处理器62例如可以是控制器60的一部分、分布贯穿系统10、和/或远离系统10定位并置于与其通信。处理器62被配置为响应于计算机可读指令64而执行本文描述的任何计算功能。存储器65可以包括被配置为存储指令64以及本文描述的任何其他数据和/或信息的任何技术。与处理器62类似，存储器65也可以位于相对于系统10的任何位置。
收发器66可以包括被配置为接收宏扫描数据23和微扫描数据43的任何有线或无线技术。例如，收发器46可以被配置为使用任何已知的数据通信技术(包括光纤电缆、Wi-Fi等)接收数据23和43和/或以其他方式与导航组件20的收发器26和导航组件40的收发器46通信。收发器66可以位于相对于系统10的任何位置。
处理器60可以被配置为在任何时间(诸如每当生成成像数据43ID时)生成位置数据43LD。例如，传感器接口单元68(例如，图7)可以被配置为从跟踪传感器50接收定位器信号，并且将定位器信号转换(例如，调节、放大和/或数字化)为数字位置信号，包括原始磁数据。定位单元70(例如，图7)可以被配置为接收数字位置信号并且基于原始磁数据而生成瞬时位置数据43LD(每次至少当多个成像元件47和/或探针52中的一个被激活时)。信号站72被配置为输出位置数据43LD，例如，以用于在导航图像27内显示。
可以通过根据位置数据23LD组合宏扫描数据23内的二维或三维图像来利用控制器60生成身体信息模型25，以定义三维数据集或数据网格。例如，如图3所示，宏扫描数据23可以包括沿着身体轴B-B以预定间隔隔开的第一横截面数据集23'、第二横截面数据集23”、以及第三横截面数据集23”'。可以通过将外部扫描器22沿着轴B-B定位在第一位置、生成成像数据(例如，23ID')并将位置数据(例如，23LD')与其相关联来生成第一数据集23'。然后可以将外部扫描器22移动到轴B-B上的第二位置和第三位置，以生成第二数据集23”和第三数据集23”'。在该示例中，控制器60被配置为通过沿着身体轴B-B组合(例如，缝合)数据集23'、23”和23”'内的图像来生成三维数据集。类似的方法可以用于组合三维数据集。
在其他方面中，在没有外部扫描器22的情况下，身体信息模型25可以由另一个设备生成并且被递送到控制器60。例如，信息模型25可以包括在患者的电子病历中并且经由收发器66递送到处理器60。还可以使用类似方法利用微扫描数据43来创建身体信息模型25。
控制器60可以在该三维数据集中至少定义了对身体腔室4、身体路径5和路径轴P-P的一般表示。例如，控制器60可以自动地定义身体腔室4和身体路径5的边界条件，和/或绘制通过其的身体路径轴P-P。为了增强身体1的这种一般表示，控制器60被配置为通过以下来可操作地(例如，在操作期间实时地)更新身体信息模型25的术前版本：在身体1中的目标位置处将位置数据43LD与位置数据23LD相关，并且在目标位置处将成像数据23ID与成像数据43ID的相关部分进行组合。例如，因为身体路径轴P-P被定义在模型25中，所以位置数据43LD可以通过以下与位置23LD相关：沿着路径轴P-P在第一位置处定位成像数据43ID的一部分、将第一位置处的成像数据23ID定义的边界条件与由该位置处的成像数据43ID定义的边界条件几何对齐(例如，调整大小、移位、旋转等)、并然后沿着路径轴P-P在多个第二位置处重复这些步骤。身体路径5的直径可以例如用作边界条件。
可以使用各种技术来组合成像数据23ID和43ID。在一个方面中，成像数据43ID的部分在沿着轴P-P的多个位置处与成像数据23ID的部分重叠或缝合在一起。例如，控制器60可以被配置为：在术前身体信息模型25中选择目标位置、识别与目标位置相关联的成像数据23ID和43ID、并且在该位置处将数据43ID的方面覆盖到数据23ID上。在目标位置处的成像数据43ID中包括的横截面图像可以例如覆盖在相同位置处的成像数据23ID中包括的横截面图像上。类似地，在目标位置处，在数据43ID中包括的三维图像可以与数据23ID中包括的三维图像缝合在一起。
可以通过将成像数据23ID与成像数据43ID组合来增强身体信息模型25。例如，因为成像数据43ID可以在比成像数据23ID更高的分辨率下生成(由于扫描器42的不同能力及其在身体1内的位置)，因此当成像数据23ID和成像数据43ID组合时，身体信息模型25的分辨率可以增加。为了提供更多细节，控制器60还可以被配置为将由多个成像元件47捕获到的图形图像覆盖到身体信息模型25中的身体腔室4和/或身体路径5的表示上，从而产生对内表面腔室4和/或身体路径5的增强的或甚至照片般逼真的描绘。这些图形图像可以根据位置数据23LD和/或43LD在身体信息模型25内对齐和取向(例如，调整大小、移位、旋转等)。如果光敏材料例如已经被递送到身体路径5中并由多个光源49激活，那么因此可以在身体信息模型25中表示任何所得的光敏响应，从而允许识别和/或诊断那些响应。在具有或不具有光敏材料的情况下可以使用类似方法识别和诊断其他条件。
身体信息模型25当根据这些方面由控制器60生成时可以是数据丰富的环境，其比将仅利用外部扫描器22或内部扫描器42可能更加详细。为了进一步利用该环境的能力，控制器60可以被配置为将模型25的方面输出作为二维或三维导航图像27。本文描述的身体信息模型25的任何方面可以在图像27中表示。例如，在图7中，导航图像27是已经在视觉上增强(例如，通过调整对比度和颜色、添加边界线、创建线框模型并截断无关解剖结构)的三维表示。可以使用任何图形技术。例如，如图7所示，控制器60可以使用位置数据23LD和43LD来将导航图像27输出作为身体1的三维表示，其描绘了与内部扫描器42相关的外表面2、入口点3、内部腔室4、身体路径5和身体路径轴P-P。例如，图7的腔室4可以是肾脏的内部，并且导航图像27可以提供三维表示，其描绘了扫描器42移动穿过通过尿道、膀胱和/或输尿管延伸到肾脏中的自然身体路径。
无论是二维还是三维，导航图像27的许多方面可以在系统10中实现。例如，控制器60可以被配置为将微扫描数据43覆盖到宏扫描数据23上，并且迭代地限定身体路径5和/或身体腔室4的边界。然后可以在导航图像27上显示这些边界，以提供例如身体1的高度详细的二维或三维标测图(map)。参考这些边界，图7的控制器60可以被配置为绘制通过身体路径5的路线，和/或在导航图像27上显示该路线，例如，作为二维或三维路径。图像27可以被配置为沿着该路径将轴41引导通过身体路径5。例如，因为可以从位置数据43ID确定身体1中的扫描器42的位置，所以导航图像27可以包括图形指示器(例如，方向箭头)，其被配置为沿着轴P-P将扫描器42引导通过身体路径5。
响应于导航图像27，用户可以通过例如操纵内窥镜的手柄上的致动器以引导扫描器42进入身体腔室4的特定部分(例如，肾脏的肾盏(calyx))，以便使轴41的远端41D铰接和/或前进通过身体路径5的弯曲部分，和/或围绕腔室4内的紧密角落，如图4A和图4B之间的运动所示。身体路径5的直接可视化可以由成像元件47提供，但不是必需的。例如，即使结石位于狭窄的肾盏中并被浑浊的液体包围；无论生物阻抗变化、呼吸模式或液体状态如何；并且在不依赖于位置电极或视觉图像的情况下，图像27可以用于将远端41D引向位于身体腔室4中的肾结石。控制器60可以被配置为提供附加导航和提示特征以进一步引导远端41D，诸如生成音频或触觉反馈信号。
控制器60可以被配置为识别身体1中的一个或多个目标对象或目标位置，和/或确定所述对象或位置的特性。导航图像27可以允许旋转和缩放，许可目标对象或目标位置的最佳视图；和/或对特定对象或特定位置的选择。因此，控制器60可以允许用户利用导航图像27来计划操作，并且在操作期间对图像27进行注释，例如，通过标记已经治疗的身体腔室4的部分。作为又一个示例，由探针52生成的波能可以用于识别身体腔室4内的肾结石、确定每个肾结石在身体信息模型25中的位置，并查明每个结石的特性(例如，成分、密度、脆弱性和/或大小)。
控制器60还可以被配置为：识别具有目标特性的结石、将目标结石与导航图像27中的一个或多个标签或图标相关联、确定用户是否已经移除了目标结石(或遗漏结石)、和/或验证腔室4已被清除了所有结石。例如，每个目标结石可以与不同的标签或图标相关联以便于快速识别。这些标签或图标可以指示结石的大小，诸如结石的最大宽度。控制器60可以被配置为：将每个结石的最大宽度与取回设备的预定最大尺寸(例如，取回篮或通道的最大直径)进行比较，并指示每个结石是否可以用所述设备移除，从而允许用户确定是否要求附加治疗。例如，结石可以被捕获在取回篮中，其尺寸被确定为最大宽度，并且与指示在没有进一步处理的情况下是否可以在所述取回篮中移除捕获到的结石的标签或图标相关联。例如，这些标签或图标可以指示捕获到的结石是否可以被移除(如果捕获到的结石被释放和被重新捕获到较低轮廓取向的话)和/或用激光能量治疗以减小捕获结石的大小。
类似技术可以用于确定身体腔室4和/或身体路径5的特性(例如，大小、表面积或体积)，并将腔室4和/或路径5与所述特性相关联。例如，身体腔室4和/或身体路径5内的各种自然标记可以与导航图像27中的标签和图标相关联，以通信腔室4和路径5的相应体积。
现在参考图8A-B描述导航组件40和控制器60的附加或替代方面。系统10可以包括这些方面与本文描述的任何其他方面的任何组合，每个可能的组合是本公开的一部分。
根据一些另外的方面，控制器60被配置为执行微扫描序列。例如，可以以预定序列激活多个成像元件47、多个光源49和探针52，并且每当以预定序列激活这些元件时，定位单元70可以生成位置数据43LD。因此，系统10可以例如在以下之间是可切换的：具有与图像27的期望刷新频率(例如，60hz或120Hz)对应的连续激活率的第一模式；具有与期望成像或治疗方法(例如，光敏反应)对应的脉冲和/或交错激活率的第二模式；和/或第三模式，其中每当内部扫描器42沿着身体路径轴P-P移动预定距离(例如，<1mm)时自动生成微扫描数据43。
磁场发生器44被描绘为图1和4A-B中的平面元件，但是可以假设任何形状，并且包括任何数量的场发生元件。例如，替代磁场发生器144可以在图8A中被描绘为柔性元件，其直接附接(例如，黏附)到部分身体1(例如，背部)，以便为跟踪传感器50提供固定的参考系，即使身体1在每个宏扫描和/或每个微扫描之间的时间段期间移动。发生器44也可以与床8(图1)一体形成，其也可以为身体1提供参考位置。
在一些方面中，跟踪传感器50是可与附加和/或替代跟踪设备一起操作的。例如，传感器50可以是与传感器带244一起操作的，在图8B中被描绘为被缠绕在身体1周围。如所示出的，带244包括三个外部传感器246，但是可以提供任何数量的传感器。图8B的带244被缠绕在身体1的内侧—外侧轴周围，使得传感器246围绕身体1的身体轴B-B以大致三角形的形式而布置。在该配置中，当传感器250移动通过带244的内径时，传感器246可以生成用于跟踪传感器250的位置数据43LD。例如，在图5B中，跟踪传感器250包括位于细长元件的远侧部分上的RFID传感器或天线，并且传感器246是可与RFID传感器一起操作的，以当细长元件移动通过带244时生成位置数据43LD。带244可以具有窄的宽度(例如，1-3英寸)；可替换地，带244可以是细长的以限定套管。在一些方面中，带244包括张紧元件(例如，松紧带、带扣等)，其被配置为将带244保持在相对于身体1的固定位置。
在仍其他方面中，内部扫描器42可以包括形状感测机构，其被配置为从轴41的形状确定位置数据43LD。例如，形状感测机构可以被配置为测量细长轴41在沿着其长度的各个位置处的应力和偏转，并且从其确定位置数据43LD，而与施加到轴41的任何温度或负载无关。在一些方面中，形状感测机构可以包括在轴41内延伸的光纤内，诸如光纤布拉格光栅(FBG)光纤内。其他示例性形状感测光纤可以包括由Luna出售的那些(参见，例如，可在https://www.youtube.com/watch？v＝Yc8Q-CxvDKU获得(2008年1月14日上载)的光纤形状和位置感测)；和/或2014年3月11日提交的美国专利公开No.2014/0257095中描述的那些，其全部通过引用并入于此。
虽然不要求，但是控制器60可以被配置为响应于身体信息模型25而将轴41转向至少部分地通过身体路径5和/或进入身体腔室4，具有或不具有导航图像27。例如，轴41可以包括多个电响应铰接区部，并且控制器60可以包括转向模块74(在图4中以虚线示出)，其被配置为响应于用户输入(诸如操纵杆在近侧方向或远侧方向上的移动和/或关于身体腔室4的位置的确认)而生成转向信号。转向模块74可以使用转向信号来选择性地致动轴41的多个电响应铰接区部。用户输入不需要是准确的或精确的。例如，因为身体信息模型25包括详细的三维数据集，所以转向模块74可以被配置为响应于通用用户输入(例如，向前的操纵杆移动)而自动绘制通过身体路径5的一部分的精确路线，和/或将轴41在该路线上转向通过身体路径5而无需来自用户的精确校正。
在图9A-B中参考本文所述的系统10的各种元件来描绘示例性方法。现在描述这些方法的许多方面。根据图9A中所示的一个方面，示例性方法300可以包括：接收宏扫描数据23(310)；用宏扫描数据23生成术前身体信息模型25(320)；接收在操作期间的微扫描数据43(330)；以及通过将微扫描数据43的一部分与宏扫描数据23的相关部分组合来更新身体信息模型(340)。
在方法300中，宏扫描数据23可以包括在操作之前拍摄的预诊断和/或术前图像。每个图像可以由外部扫描器22生成。例如，310处的方法300还可以包括：将波能(例如，光、声音、X射线等)引向身体1的外表面2、接收波能的反射部分、并生成包括身体1的波能图像的成像数据23ID。波能可以沿着成像轴I-I引导，使得每个波能图像包括身体1的横截面图像(例如，图2A)。方法步骤310可以在沿着身体1的身体轴B-B的多个位置处重复。例如，步骤310可以包括将外部扫描器22定位在沿着身体1的身体轴B-B的多个位置处，从而生成包括多个位置中的每个位置处的成像数据23ID和位置数据23LD的宏扫描数据23，并将宏扫描数据23输出到控制器60。
步骤320处的方法300包括利用宏扫描数据生成术前身体信息模型25。可以在完成宏扫描之后移动身体1，使得方法步骤320可以在方法310之后的任何时间发生。与先前的示例一致，方法步骤320可以包括根据位置数据23LD组合宏扫描数据23以定义三维数据集。步骤320还可以包括在该三维数据集中至少提供对身体腔室4、身体路径5和路径轴P-P的一般表示。
如上所注意的，在没有外部扫描器22的情况下，身体信息模型25可以由另一个设备生成并且递送到控制器60，在这种情况下，步骤310和300处的方法300可以包括用收发器66接收模型25。例如，方法300可以包括：从患者的电子病历接收身体信息模型25、如本文所述修改模型25的方面、和/或因此更新电子病历。
微扫描数据43可以包括在操作期间拍摄的二维或三维图像。这些图像中的每一个都可以由内部扫描器42生成。例如，由于探针52，步骤330处的方法300可以包括：将波能(例如，光、声音、X射线等)引向身体1的内表面、接收波能的反射部分、并生成包括身体1的波能图像的成像数据43ID。每个波能图像可以例如包括身体路径5的横截面图像(例如，图6A)。来自成像元件47的图形图像可以同样地可以包括在成像数据43ID中。因此，方法步骤330可以包括：将内部扫描器42定位在沿着路径轴P-P的多个位置处、生成包括在多个位置中的每个位置处的成像数据43ID和位置数据43LD的微扫描数据43、并输出数据43。
图9A的方法步骤340包括通过将微扫描数据43的一部分与宏扫描数据23的相关部分组合来更新术前身体信息模型25。在一些方面中，当内部扫描器22移动通过身体1时，信息模型25被实时更新。例如，步骤340可以包括：在身体1中的目标位置处使位置数据23LD与位置数据43LD相关，并在目标位置处将成像数据23ID与成像数据43ID进行组合。位置数据23LD和43LD可以在身体信息模型25中使用任何技术被相关。在步骤330中同样可以采用将宏扫描数据23与微扫描数据43组合的任何手段。例如，在成像数据43ID中包括的二维横截面超声图像可以覆盖在成像数据23ID中包括的二维横截面X射线图像上，以更新身体腔室4和/或身体路径5的边界条件。同样，数据23ID中的三维图像的部分可以与数据43ID中的二维图像重叠，或者与数据23ID中的三维图像的部分缝合在一起。
方法300的附加步骤在图9B中被描绘为包括：将身体信息模型25的一部分输出作为导航图像27(350)，并且响应于或根据图像27而将轴41引导通过身体1(360)。导航图像27可以是利用任何技术生成的二维或三维图像。例如，方法步骤350可以包括图形渲染在身体信息模型25中包括的三维数据集。导航图像27可以在步骤350中被增强。例如，步骤350可以包括将身体腔室4和/或身体路径5的边界条件与特定颜色或线宽关联。作为另一示例，步骤350还可以包括将来自成像元件47的图形图像叠加到这些边界条件上。
步骤360处的方法300可以包括引导步骤。例如，可以通过身体1定义多个身体路径5，使得方法步骤360包括获得关于最佳路径5的用户输入。步骤360还可以包括生成一个或多个图形指示符(例如，方向箭头)，其被配置为将细长轴41引导通过路径5。在步骤360处可以提供附加的导航和提示特征，诸如生成音频或触觉反馈信号。可以在方法300中识别身体1中的附加目标。例如，步骤360还可以包括：识别身体腔室4中的一个或多个目标对象或目标位置、确定所述一个或多个目标或位置的特性、以及基于其特性将细长轴41的远端41D引向特定对象或特定位置。虽然未在图9A-B中示出，但是可以关于本文描述的系统10的任何方面提供附加的方法步骤。
虽然本文参考用于特定应用的说明性方面描述了本公开的原理，但是本公开不限于此。本领域普通技术人员和访问本文提供的教导的人员将认识到其他修改、应用、方面和等同物的替换都落入到本文描述的方面的范围内。因此，本公开不应被视为受前面描述的限制。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
接收宏扫描数据，所述宏扫描数据包括身体的第一图像以及与每个第一图像相关联的第一位置数据；
根据所述第一位置数据来组合所述第一图像以生成身体信息模型；
将导航组件定位在所述身体中；
利用所述导航组件生成微扫描数据，所述微扫描数据包括所述身体的第二图像和与每个第二图像相关联的第二位置数据；
在所述身体信息模型中的目标位置处，使所述第一位置数据与所述第二位置数据相关；以及
在所述目标位置处通过将所述第一图像与所述第二图像进行组合来修改所述身体信息模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航组件包括细长轴和位于所述细长轴的远侧部分上的内部扫描器，并且所述方法还包括将所述内部扫描器定位在所述身体中并利用所述内部扫描器来生成所述微扫描数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述内部扫描器包括探针，所述探针被配置为生成所述身体的波能图像，并且所述第二图像包括所述波能图像，所述方法还包括利用所述探针来生成所述波能图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述探针包括一个或多个超声换能器，所述一个或多个超声换能器被配置为生成所述身体的超声图像，并且生成所述波能图像包括利用所述一个或多个超声换能器来生成超声图像。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，其中，所述探针包括一个或多个激光源，所述一个或多个激光源被配置为生成所述身体的激光图像，并且生成所述波能图像包括利用所述一个或多个激光源来生成激光图像。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述内部扫描器包括多个成像元件，所述多个成像元件被配置为生成图形图像，所述第二图像包括所述图形图像，并且所述方法还包括利用所述多个成像元件在电磁波谱的一个或多个频率下生成所述图形图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，生成所述图形图像包括在可见光范围内生成所述图形图像。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其中，所述内部扫描器包括多个光源，并且所述方法还包括独立于所述多个成像元件或与所述多个成像元件一起操作所述多个光源。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，生成所述微扫描数据包括根据预定序列来生成第二图像和位置数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，以所述预定序列在60Hz或更高的频率下生成所述第二图像。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述导航组件包括细长轴，并且将导航组件定位在所述身体中包括使所述细长轴的远侧部分移动通过所述身体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述细长轴的远侧部分包括跟踪传感器，并且所述方法包括利用所述跟踪传感器来生成所述位置数据。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述跟踪传感器响应于磁场，并且移动所述细长轴的远侧部分包括在所述磁场中移动所述跟踪传感器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：将所述身体信息模型的一部分输出作为导航图像。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
识别所述导航图像中通过所述身体的路径；
识别所述导航组件在所述导航图像中的位置；以及
沿着所述导航图像中的路径引导所述导航组件。
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