CN110213988A - 使用光学相干断层扫描感测的用于医疗程序的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行微创程序的系统包括柔性导管，该柔性导管具有从其中延伸穿过的内腔。该系统还包括尺寸适于通过内腔的细长器械以及耦接到细长器械的光学相干断层扫描传感器。该系统还包括控制系统，该控制系统包括一个或多个处理器。该控制系统被配置为：从光学相干断层扫描传感器接收传感器数据；基于所接收的传感器数据对组织进行剖析；基于所剖析的组织生成输出信号；以及基于接收到输出信号而生成命令以指示或影响细长器械的移动。

Description

使用光学相干断层扫描感测的用于医疗程序的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月13日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FORTELEOPERATIONAL PROCEDURES USING OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY SENSING”的美国临时专利申请号62/470,540的申请日的优先权和权益，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于执行机器人医疗程序的系统和方法，并且更具体地涉及用于使用光学相干断层扫描(OCT)感测来补充机器人医疗程序的系统和方法。
背景技术
微创医疗技术意图减少医疗程序期间损伤的组织量，从而减少患者恢复时间、不适和有害副作用。可以通过患者解剖结构的自然孔口或通过一个或多个手术切口进行这种微创技术。通过这些自然孔口或切口，临床医生可以插入微创医疗器械(包括手术、诊断、治疗或活检器械)到达目标组织方位。一种这样的微创技术是使用柔性和/或可转向细长装置，诸如能够被插入到解剖通路内并且朝向患者解剖结构内的感兴趣区域被导航的导管。可以通过导管插入柔性器械以在目标位置处执行程序。为了防止受伤，在部署柔性器械时应避免刺破某些类型的组织(诸如，血管、肺胸膜和心脏组织)。补充感测系统可以用于进行更准确的程序。
发明内容
随附于说明书的权利要求最佳地概括了本发明的实施例。
与一些实施例一致，一种用于执行微创程序的系统可以包括具有从其中延伸穿过的内腔的柔性导管、尺寸适于通过内腔的细长器械，以及耦接到细长器械的光学相干断层扫描传感器。该系统还可以包括控制系统，该控制系统包括一个或多个处理器。该控制系统可以被配置为：从光学相干断层扫描传感器接收传感器数据；基于所接收的传感器数据对组织进行剖析；基于所剖析的组织生成输出信号；以及基于输出信号的接收，确定细长器械与所剖析的组织之间的距离。
在一些方面，该细长器械是活检针或可移除管心针。在一些方面，该系统可以包括活检针，并且该细长器械可以是定位在活检针内的管心针。该系统的一些方面包括警报系统，该警报系统基于细长器械与所剖析的组织之间的距离向用户提供指示符。该指示符可以包括改变细长器械的移动的通知，该通知包括降低细长器械的速度、暂停细长器械的推进和缩回细长器械中的至少一个。在一些方面，该控制系统进一步被配置为将所确定的距离与预定距离极限进行比较。在一些方面，该系统可以包括可操作以控制细长器械的运动的驱动系统，其中该控制系统基于所确定的距离与预定距离极限的比较向驱动系统提供命令。该命令可以包括降低细长器械的速度、暂停细长器械的推进或者缩回细长器械。在一些方面，该控制系统进一步被配置为提供细长器械已经接触所剖析的组织的确认。在一些方面，该系统可以包括显示装置，并且输出信号用于生成所剖析的组织的图像以及细长器械与所剖析的组织之间的距离的指示符以在显示装置上显示。在一些方面，该系统可以包括导航系统，该导航系统可操作以提供沿着预定路线导航柔性导管或细长器械的引导，并且输出信号的接收导致柔性导管和细长器械沿预定路线的推进的暂停。在一些方面，所剖析的组织是肺胸膜组织、肺裂隙组织和血管组织中的至少一种。在一些方面，该系统可以包括基于输出信号，更新解剖模型与细长器械之间的配准。
与一些实施例一致，一种方法可以包括从光学相干断层扫描(OCT)传感器接收传感器数据，该OCT传感器耦接到细长器械。该方法还可以包括基于所接收的传感器数据对组织进行剖析，基于所剖析的组织生成输出信号，以及基于输出信号的接收，确定细长器械与所剖析的组织之间的距离。
应当理解，以上大致描述和以下详细描述二者本质上是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而非限制本公开的范围。就此而言，根据下面的详细描述，本公开的附加方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是根据一些实施例的远程操作医疗系统的简化示意图。
图2A是根据一些实施例的医疗器械系统的简化示意图。
图2B是根据一些实施例的具有延伸的医疗工具的医疗器械的简化示意图。
图3A和图3B是根据一些实施例的包括被安装在插入组装件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化示意图。
图4示出部署在解剖通道内的医疗器械系统。
图5示出使用OCT成像数据来剖析组织并且发信号通知远程操作系统的部件的方法。
图6A和图6B示出OCT器械的可替代远端。
通过参考随后的详细描述，将最好地理解本公开的示例及其优点。应认识到，同样的附图标记被用来识别在一个或多个附图中图示的同样的元件，其中的标识是用于图示本公开的实施例的目的，并不是用于限制本公开。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了描述符合本公开的一些实施例的特定细节。阐述了很多特定细节，以便提供对实施例的充分理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文中公开的特定实施例旨在是图示性的而不是限制性的。本领域技术人员可以实现尽管此处未具体描述但是在本公开的范围和精神内的其他元件。此外，为了避免不必要的重复，结合一个实施例示出并描述的一个或多个特征可以被并入到其他实施例内，除非另外具体描述或如果一个或多个特征将会使实施例不能工作。
在一些实例中，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实施例的多个方面难以理解。
本公开就不同器械和器械部分在三维空间中的状态而言对其进行描述。如本文所用，术语“位置”指代对象或对象的一些部分在三维空间中的方位(例如，沿笛卡尔X、Y和Z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“取向”指代对象或对象的一些部分的旋转布置(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”指代对象或对象的一些部分在至少一个平移自由度上的位置和对象或对象的一些部分在至少一个旋转自由度上的取向(多达六个自由度)。如本文所用，术语“形状”指代沿着对象测量的一组姿态、位置或取向。
图1是根据一些实施例的远程操作医疗系统100的简化示意图。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可以适合于在例如医疗程序、手术程序、诊断程序、治疗程序或活检程序中使用。在一些示例中，远程操作医疗系统可以在非远程操作者控制下以非远程操作方式操作。如图1所示，医疗系统100一般包括用于操作医疗器械104以对患者P执行各种程序的操纵器组装件102。操纵器组装件102安装于操作台T或安装在操作台T附近。主控组装件106允许操作者O(例如，如图1所示的医生、临床医生或医师)观看介入部位并控制操纵器组装件102。
主控组装件106可以位于操作者控制台处，所述医师控制台通常与手术台T位于相同的房间中，诸如在患者P位于其上的外科手术台的一侧。然而，应当理解，操作者O可以与患者P位于不同的房间或完全不同的建筑中。主控组装件106一般包括用于控制操纵器组装件102的一个或多个控制装置。所述控制装置可以包括任意数量的各种输入装置，如操纵杆、跟踪球、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和/或类似装置。为了为操作者O提供直接控制器械104的强烈感觉，可以为控制装置提供与关联的医疗器械104相同的自由度。以此方式，控制装置为操作者O提供控制装置与医疗器械104为一体的远程呈现或感知。
在一些实施例中，控制装置可以比相关医疗器械104具有更多或更少的自由度，并且仍向操作者O提供远程呈现。在一些实施例中，控制装置可以可选地是手动输入装置，其以六个自由度运动并且还可以包括用于致动器械的可致动手柄(例如，闭合夹爪、施加电势至电极、递送药物治疗和/或类似作用)。
操纵器组装件102支撑医疗器械104并且可以包括一个或多个非伺服控制的连杆的运动结构(例如，可手动定位并锁定在适当位置的一个或多个连杆，通常被称为组建(set-up)结构)、远程操作运动学结构和/或远程操作操纵器。操纵器组装件102任选地可包括响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而驱动医疗器械104上的输入的多个致动器或马达。致动器任选地可包括驱动系统，当该驱动系统耦接到医疗器械104时，该驱动系统可将医疗器械104推进到自然的或外科手术创建的解剖孔口。其他驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械104的远端，所述多个自由度可以包括三个线性运动自由度(例如，沿X、Y、Z笛卡尔坐标轴的线性运动)和三个旋转运动自由度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔坐标轴的旋转)。此外，致动器可被用于致动医疗器械104的可铰接末端执行器，以便将组织抓取在活检设备和/或类似设备的钳口(jaw)中。致动器位置传感器(诸如解算器、编码器、电位计和其他机构)可以为医疗系统100提供描述马达轴的旋转和取向的传感器数据。这种位置传感器数据可以被用来确定由致动器操纵的对象的运动。
远程操作医疗系统100可以包括传感器系统108，该传感器系统108具有用于接收关于操纵器组装件102的器械的信息的一个或多个子系统。这些子系统可以包括：位置/方位传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；用于确定沿着可组成医疗器械104的柔性主体的远端和/或一个或多个节段的位置、取向、速度、速率、姿态和/或形状的形状传感器系统；和/或用于从医疗器械104的远端采集图像的可视化系统。
远程操作医疗系统100还包括显示系统110，用于显示由传感器系统108的子系统生成的外科手术部位和医疗器械104的图像或表象。显示系统110和主控组装件106可以被取向，使得操作者O能够在远程呈现的感知的情况下控制医疗器械104和主控组装件106。
在一些实施例中，医疗器械104可以具有可视化系统(在下面更详细地进行讨论)，所述可视化系统可以包括观察视镜组装件，所述观察视镜组装件记录外科手术部位的并发或实时图像并且通过医疗系统100的一个或多个显示器(诸如显示系统110的一个或多个显示器)为操作者O提供图像。并发图像可以是例如通过定位在外科手术部位内的内窥镜采集的二维或三维图像。在一些实施例中，可视化系统包括可以被一体地或可移除地耦接到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在一些实施例中，被附接到单独操纵器组装件的单独内窥镜可以与医疗器械104一起被用来对外科手术部位进行成像。可视化系统可以被实施为与一个或多个计算机处理器相互作用或由一个或多个计算机处理器(可包括控制系统112的处理器)执行的硬件、固件、软件或其组合。
显示系统110也可以显示通过可视化系统采集的外科手术部位和医疗器械的图像。在一些示例中，远程操作医疗系统100可以配置医疗器械104和主控组装件106的控制件，使得医疗器械的相对位置类似于操作者O的眼睛和手的相对位置。以此方式，操作者O能够仿佛以基本真实的存在感观察工作空间来操作医疗器械104和手动控制。通过真实呈现，意味着图像的呈现是模拟物理地操纵医疗器械104的操作者的视角的真实透视图像。
在一些示例中，显示系统110可以使用来自成像技术(诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热影像技术、超声、光学相干断层成像术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等)的图像数据呈现术前或术中记录的外科手术部位的图像。术前或术中图像数据可以被呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速度的信息)图像，和/或被呈现为来自从术前或术中图像数据集产生的模型的图像。
在一些实施例中，通常为了成像引导的外科手术程序的目的，显示系统110可以显示虚拟的导航图像，在该虚拟的导航图像中医疗器械104的实际位置与术前或并发图像/模型配准(即动态参考)。这可以被完成，以从医疗器械104的视角向操作者O呈现内部外科手术部位的虚拟图像。在一些示例中，视角可以是从医疗器械104的尖端观看。医疗器械104的尖端的图像和/或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上以帮助操作者O控制医疗器械104。在一些示例中，医疗器械104可以在虚拟图像中不可见。
在一些实施例中，显示系统110可以显示虚拟的导航图像，在该虚拟的导航图像中医疗器械104的实际方位与术前图像或并发图像配准，以从外部视角向操作者O呈现在外科手术部位内的医疗器械104的虚拟图像。医疗器械104的一部分的图像或其他图形或字母数字指示符可以叠加在虚拟图像上以帮助操作者O控制医疗器械104。如本文所描述，数据点的视觉表象可以被渲染到显示系统110。例如，可以以视觉表象将测量的数据点、移动的数据点、配准的数据点以及本文描述的其他数据点显示在显示系统110上。可以通过显示系统110上的多个点(point)或圆斑(dot)或作为渲染模型(诸如基于一组数据点所创建的网格或金属线模型)在用户界面上可视地表示数据点。在一些示例中，数据点可以根据它们表示的数据进行颜色编码。在一些实施例中，在每个处理操作已经被实现以改变数据点之后，视觉表象可以在显示系统110中被刷新。
远程操作医疗系统100还可以包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现医疗器械104、主控组装件106、传感器系统108和显示系统110之间的控制。控制系统112还包括程序化指令(例如，存储这些指令的非临时性机器可读介质)以实施根据本文公开的各方面描述的方法的一些或全部，包括可操作以向显示系统110提供信息的指令。虽然控制系统112在图1的简化示意图中被示出为单个方框，但该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中一部分处理可选地在操纵器组装件102上或邻近操纵器组装件102执行，另一部分处理在主控组装件106处执行和/或类似情况。控制系统112的处理器可以执行一些指令，包括对应于在本文中公开并且在下面更详细地描述的处理的指令。可以利用任何各种各样的集中式或分布式数据处理体系结构。类似地，程序化指令可以被实施为若干独立的程序或子程序，或者它们可以集成到本文所描述的远程操作系统的若干其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE802.11、DECT和无线遥测。
在一些实施例中，控制系统112可以从医疗器械104接收力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制系统112可以向主控组装件106传输信号。在一些示例中，控制系统112可以传输命令操纵器组装件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的命令。医疗器械104可以经由患者P的身体中的开口延伸到患者P的身体内的内部外科手术部位。可以使用任何合适的常规的和/或专门的致动器。在一些示例中，一个或多个致动器可以与操纵器组装件102分开，或者与操纵器组装件102集成在一起。在一些实施例中，一个或多个致动器和操纵器组装件102被提供作为邻近患者P和操作台T定位的远程操作推车的一部分。
控制系统112可以可选地进一步包括虚拟可视化系统，以便当在图像引导的外科手术程序期间控制医疗器械104时为操作者O提供导航帮助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航可以基于对采集的解剖通路的术前或术中数据集的引用。虚拟可视化系统处理使用成像技术(诸如计算机化断层显像(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜检查、热影像技术、超声、光学相干断层成像术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等)成像的外科手术部位的图像。可以与手动输入结合使用的软件被用来将记录的图像转换为局部或整体解剖器官或解剖区域的分段二维或三维复合表象。图像数据集与复合表象相关联。复合表象和图像数据集描述通路的各种方位和形状以及它们的连接性。被用来生成复合表象的图像可以在临床程序期间在术前或术中被记录。在一些实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表象(即，不是患者特异性的)或者标准表象与患者特异性数据的混合体。复合表象和由该复合表象生成的任何虚拟图像可以表示可变形解剖区域在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)的静态姿态。
在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以被用来计算医疗器械104相对于患者P的解剖结构的近似方位。该方位能够被用来产生患者P的解剖结构的宏观水平(外部)跟踪图像和患者P的解剖结构的虚拟内部图像。该系统可以实施一个或多个电磁(EM)传感器、光纤传感器和/或其他传感器，以配准并显示医疗实施和术前记录的外科手术图像。美国专利申请号13/107,562(2011年5月13日提交)(公开“Medical System Providing DynamicRegistration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”)和国际申请号PCT/US2016/033596(2016年5月20日提交)(公开了“Systems And Methods OfRegistration For Image Guided Surgery”)可能教导了将医疗实施与术前记录的手术图像(诸如来自虚拟可视化系统的图像)一起配准和显示的系统，以上申请通过引用整体并入本文。远程操作医疗系统100可以进一步包括可选的操作和支持系统(未示出)，诸如照明系统、转向(steering)控制系统、冲洗系统和/或抽吸(suction)系统。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可以包括与一个以上的主控组装件相关联的一个以上的远程操作操纵器组装件和/或一个以上的非远程操作操纵器组装件。远程操作操纵器组装件和/或非远程操作操纵器组装件的准确数目将取决于外科手术程序和手术室内的空间约束。主控组装件106可以被并置(collocated)，或它们可以被定位在独立的方位中。多个主控组装件允许一个以上的操作者以各种组合形式控制一个或多个远程操作操纵器组装件。
图2A是根据一些实施例的医疗器械系统200的简化示意图。在一些实施例中，医疗器械系统200可以在利用远程操作医疗系统100执行的图像引导的医疗程序中被用作医疗器械104。在一些示例中，医疗器械系统200可以被用于非远程操作探索性程序或用在涉及传统手动操作的医疗器械(诸如内窥镜)的程序中。可选地，医疗器械系统200可以被用来收集(即测量)对应于患者(诸如患者P)的解剖通路内的方位的一组数据点。
医疗器械系统200包括被耦接到驱动单元204的细长装置202(诸如柔性导管)。细长装置202包括柔性主体216，该柔性主体216具有近端217和远端或尖端部分218。在一些实施例中，柔性主体216具有大约3mm的外直径。其他柔性主体外直径可以更大或更小。
医疗器械系统200进一步包括跟踪系统230，如下面进一步详细描述的，该跟踪系统用于使用一个或多个传感器和/或成像装置来确定远端218和/或沿着柔性主体216的一个或多个节段224的位置、取向、速度、速率、姿态和/或形状。远端218和近端217之间的柔性主体216的整个长度可以被有效地划分为多个节段224。如果医疗器械系统200与远程操作医疗系统100的医疗器械104一致，跟踪系统230。跟踪系统230可以被可选地实现为与一个或多个计算机处理器相互作用或由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，所述一个或多个计算机处理器可以包括图1中的控制系统112的处理器。
跟踪系统230可以可选地使用形状传感器222来跟踪远端218和/或一个或多个节段224。形状传感器222可以可选地包括与柔性主体216对齐的光纤(例如，在内部通道(未示出)内提供或外部安装)。在一个实施例中，光纤具有大约200μm的直径。在其他实施例中，该尺寸可以更大或更小。形状传感器222的光纤形成用于确定柔性主体216的形状的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤被用于在一个或多个维度上在结构中提供应变测量。在美国专利申请号11/180,389(2005年7月13日提交)(公开“Fiberoptic position and shape sensing device and method relating thereto”)；美国专利申请号12/047,056(2004年7月16日提交)(公开“Fiber-optic shape and relativeposition sensing”)；以及美国专利号6,389,187(1998年6月17日提交)(公开“OpticalFibre Bend Sensor”)中描述了用于监测三维中的光纤的形状和相对位置的各种系统和方法，这些申请通过引用整体并入本文。在一些实施例中，传感器可以采用其他合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在一些实施例中，细长装置的形状可以使用其他技术来确定。例如，柔性主体216的远端姿态的历史能够被用来重建柔性主体216在该时段内的形状。在一些实施例中，跟踪系统230可以可选地和/或额外地使用位置传感器系统220来跟踪远端218。位置传感器系统220可以是EM传感器系统的部件，其中位置传感器系统220包括可以经受外部生成的电磁场的一个或多个传导线圈。然后EM传感器系统220的每个线圈产生感应电信号，所述感应电信号具有取决于线圈相对于外部生成的电磁场的位置和取向的特性。在一些实施例中，位置传感器系统220可以被配置并且被定位为测量六个自由度(例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航和横滚的三个取向角)或五个自由度(例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰和偏航的两个取向角)。在美国专利号6,380,732(1999年8月11日提交)(公开“Six-Degree of Freedom Tracking SystemHaving a Passive Transponder on the Object Being Tracked”)中提供了位置传感器系统的进一步描述，该专利通过引用整体并入本文。
在一些实施例中，跟踪系统230可以替代地和/或额外地依赖于针对器械系统的已知点沿着交替运动(诸如呼吸)的周期所存储的历史姿态、位置或取向数据。该存储的数据可以被用来发展关于柔性主体216的形状信息。在一些示例中，一系列位置传感器(未示出)(诸如与位置传感器系统220中的传感器类似的电磁(EM)传感器)可以沿着柔性主体216进行定位，并且然后被用于形状感测。在一些示例中，在某一程序期间获取的来自这些传感器中的一个或多个传感器的数据的历史可以被用来表示细长装置202的形状，特别是如果解剖通路是大致静态的。
柔性主体216包括被定尺寸且成形为接收医疗器械226的通道(channel)221。图2B是根据一些实施例的在医疗器械226被延伸的情况下的柔性主体216的简化示意图。在一些实施例中，医疗器械226可以被用于诸如外科手术、活检、消融、辐照、灌注或抽吸的程序。医疗器械226能够通过柔性主体216的通道221来部署，并且在解剖结构内的目标方位处被使用。医疗器械226可以包括例如图像采集探头(probe)、活检器械、激光烧蚀纤维和/或其他手术、诊断或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件的末端执行器，诸如解剖刀、钝刀片、光纤、电极等。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器等。其他末端执行器可以进一步包括电激活的末端执行器，诸如电外科电极、换能器、传感器等。在各种实施例中，医疗器械226是活检器械，其可以被用来从目标结构方位移除样本组织或细胞的采样。医疗器械226可以与也在柔性主体216内的图像采集探头一起使用。在各种实施例中，医疗器械226可以是图像采集探头，其包括在柔性主体216的远端218处或附近具有用于采集图像(包括视频图像)的立体摄像机或单视场摄像机的远端部分，该图像被可视化系统231处理以便显示和/或提供给跟踪系统230以支持远端218和/或节段224中的一个或多个的跟踪。图像采集探头可以包括耦接到照相机用于传输所采集的图像数据的电缆。在一些示例中，图像采集器械可以是耦接到可视化系统231的光纤束，诸如纤维镜。图像采集器械可以是单光谱的或多光谱的，例如采集在可见光、红外和/或紫外光谱中一个或多个光谱中的图像数据。可替代地，医疗器械226本身可以是图像采集探头。医疗器械226可以从通道221的开口被推进以执行程序，并且然后当该程序完成时被缩回到通道内。医疗器械226可以从柔性主体216的近端217或从沿着柔性主体216的另一可选器械端口(未示出)被移除。
在该示例中，医疗器械226还包括向可视化系统231提供OCT数据的OCT成像部件242。OCT成像部件242可以是用于在医疗器械的远端的组织的前向成像的感测部件。具有OCT成像部件的可视化深度可以取决于部件的质量和在医疗器械226的远端的组织的类型。例如，在肺组织中，OCT成像部件可以提供在部件之前大约2-4mm处的组织的可视化。
医疗器械226可以额外地容纳在其近端和远端之间延伸以可控地弯曲医疗器械226的远端的电缆、联动装置或其他致动控制装置(未示出)。在美国专利号7,316,681(2005年10月4日提交)(公开“Articulated Surgical Instrument for Performing MinimallyInvasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”)和美国专利申请号12/286,644(2008年9月30日提交)(公开“Passive Preload and Capstan Drive forSurgical Instruments”)中详细描述了可转向器械，该专利和专利申请通过引用整体并入本文。
柔性主体216也可以容纳在驱动单元204与远端218之间延伸以便如例如通过远端218的虚线描绘219示出的那样可控地弯曲远端218的电缆、联动装置或其他转向控制装置240。在一些示例中，至少四个电缆被用来提供控制远端218的俯仰的独立的“上下”转向和控制远端281的偏航的“左右”转向。在美国专利申请号13/274,208(2011年10月14日提交)(公开“Catheter with Removable Vision Probe”)中详细地描述了可转向的细长装置，该专利申请通过引用整体并入本文。在医疗器械系统200由远程操作组装件致动的实施例中，驱动单元204可以包括可移除地耦接到远程操作组装件的驱动元件(诸如致动器)并且从该驱动元件接收动力的驱动输入装置。在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括夹紧特征件、手动致动器或用于手动控制医疗器械系统200的运动的其他部件。细长装置202可以是可转向的，或可替代地，该系统在没有用于操作者控制远端218的弯曲的集成机构的情况下可以是不可转向的。在一些示例中，一个或多个腔被限定在柔性主体216的壁中，医疗器械能够通过所述一个或多个腔在目标外科手术方位处被部署(deployed)并且被使用。
在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括柔性支气管器械，诸如用于在肺的检查、诊断、活检或治疗中使用的支气管镜或支气管导管。医疗器械系统200也适用于在各种解剖系统(包括结肠、肠、肾和肾盏、大脑、心脏、包括脉管系统的循环系统等)中的任一解剖系统中，经由自然的或外科手术建立的连接通道对其他组织进行导航和治疗。
来自跟踪系统230的信息可以被发送给导航系统232，其中它与来自可视化系统231的信息和/或术前获得的模型进行组合以便为操作者提供实时位置信息。在一些示例中，实时位置信息可以被显示在图1的显示系统110上以用于医疗器械系统200的控制。在一些示例中，图1的控制系统116可以将位置信息用作反馈以便定位医疗器械系统200。2011年5月13日提交的公开“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model ofan Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”的美国专利申请号13/107,562中提供了用于利用光纤传感器来配准和显示具有外科手术图像的外科手术器械的各种系统，该专利申请通过引用整体并入本文。
在一些示例中，医疗器械系统200可以在图1的医疗系统100内被远程操作。在一些实施例中，图1的操纵器组装件102可以由直接操作者控制件来代替。在一些示例中，直接操作者控制件可以包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作者界面。
图3A和图3B是根据一些实施例的包括被安装在插入组装件上的医疗器械的患者坐标空间的侧视图的简化示意图。如图3A和图3B所示，外科手术环境300包括患者P被定位在平台302上。从通过镇静、约束和/或其他手段来限制大幅度患者移动的意义上讲，患者P在外科手术环境内可以是静止的。周期性解剖运动(包括患者P的呼吸和心脏运动)可以继续，除非告诉患者屏住他或她的呼吸以暂时中止呼吸运动。因此，在一些实施例中，数据可以在呼吸中的特定相位处进行收集，并且利用该相位来进行标记和识别。在一些实施例中，在其间收集数据的相位可以根据从患者P收集的生理信息来推测。在外科手术环境300内，点收集器械304被耦接到器械托架306。在一些实施例中，点收集器械304可以使用EM传感器、形状传感器和/或其他传感器模态。器械托架306被安装到固定于外科手术环境300内的插入台308。可替代地，插入台308可以是可移动的，但是在外科手术环境300内具有已知的方位(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪装置来获知)。器械托架306可以是操纵器组装件(例如，操纵器组装件102)的部件，该部件耦接到点收集器械304以控制插入运动(即沿着A轴线的运动)并且可选地控制细长装置310的远端318沿多个方向的运动(包括偏航、俯仰和滚动)。器械托架306或插入台308可以包括控制器械托架306沿着插入台308的运动的致动器(未示出)，诸如伺服马达。
细长装置310被耦接到器械主体312。器械主体312相对于器械托架306被耦接并且被固定。在一些实施例中，光纤形状传感器314被固定在器械主体312上的近侧点316处。在一些实施例中，光纤形状传感器314的近侧点316可以是连同器械主体312一起可移动的，但是近侧点316的方位可以是已知的(例如，经由跟踪传感器或其他跟踪装置来获知)。形状传感器314测量从近侧点316到另一点(诸如细长装置310的远端318)的形状。点收集器械304可以基本上类似于医疗器械系统200。
当器械主体312在插入台308上沿着插入轴线A移动时，位置测量装置320提供关于器械主体312的位置的信息。位置测量装置320可以包括解算器、编码器、电位计和/或确定控制器械托架306的运动并因此控制器械主体312的运动的致动器的旋转和/或取向的其他传感器。在一些实施例中，插入台308是线性的。在一些实施例中，插入台308可以是弧形的，或者具有弧形和线性区段的组合。
图3A示出了处于沿着插入台308的缩回位置的器械主体312和器械托架306。在该缩回位置中，近侧点316在轴线A上的位置L0处。在沿着插入台308的该位置中，近侧点316的方位的A分量可以被设置为零和/或另一参考值，以提供描述器械托架306并且因此近侧点316在插入台308上的位置的基本参考。通过器械主体312和器械托架306的该缩回位置，细长装置310的远端318可以被刚好定位在患者P的进入孔口内部。同样在该位置中，位置测量装置320可以被设置为零和/或另一参考值(例如，I＝0)。在图3B中，器械主体312和器械托架306已经沿着插入台308的线性轨道推进，并且细长装置310的远端318已经被推进到患者P内。在该推进位置中，近侧点316在轴线A上的位置L1处。在一些示例中，来自控制器械托架306沿着插入台308的移动的一个或多个致动器和/或与器械托架306和/或插入台308相关联的一个或多个位置传感器的编码器和/或其他位置数据被用来确定近侧点316相对于位置L0的位置Lx。在一些示例中，位置Lx可以进一步被用作细长装置310的远端318被插入到患者P的解剖结构的通路内的距离或插入深度的指示符。
医疗器械系统(例如，系统200)可以用于显示解剖通道和目标组织以用于虚拟导航。目标组织可以位于敏感组织结构附近，如果敏感组织结构无意中被刺穿，则可能导致程序失败、患者受伤或患者死亡。例如，对于肺组织中的医疗程序，可以使用虚拟导航来接近肺组织边界附近的远程气道中的目标组织。这些通道可以靠近诸如内脏和壁层胸膜的敏感组织、裂隙组织、诸如主动脉的心脏组织、包括大血管或其他血管的脉管系统，以及诸如隔膜的肌肉组织。这些类型的组织可能在导航显示器上不可见，导航显示器的术前获得的图像中的组织结构的实时图像或位置可能是不准确的。这造成部署的医疗器械可能刺穿敏感组织的风险。例如，如果活检针刺穿肺胸膜，则可能导致气胸。尽管该示例一般性地描述了医疗器械在肺组织的气道通道中的使用，但是应当理解，相同的系统和技术可以应用于其他类型的解剖组织。
使用超声、CT和/或荧光透视技术的实时成像在辅助机器人或非机器人医疗程序中的用途有限。例如，由于肺组织通道中存在空气，超声穿过薄壁组织可能提供低质量图像。CT设备可能在介入性肺病学环境中不可用，并且可能在提供实时图像方面受到限制。荧光透视设备可能在能够被成像或者在图像中可见的组织类型中受到限制。CT和荧光透视均发出长时间段内不可接受的辐射水平。
OCT成像使用反射光能来创建局部组织结构的三维图像。嵌入在医疗器械中的OCT成像部件可以用于生成实时图像，该实时图像独立于其他导航图像或者作为对其他导航图像的补充可以提供更准确的组织位置信息并且允许医疗器械避开敏感组织结构。OCT成像部件或传感器可以包括一个或多个光纤或其他跟踪传感器和诸如透镜、耦接器和镜子的光学部件，以用于收集实时OCT图像并且将这些实时OCT图像提供给机器人控制系统以进行分析和显示。
图4示出部署在解剖通道402内的医疗器械系统400(例如，系统200)。系统400包括柔性导管404和延伸穿过该导管的柔性器械406。导管404和器械406中的一个或两个可以机械地或手动地转向。系统400可以用于进行医疗程序，诸如目标组织408上的活检。在该实施例中，目标组织408位于解剖通道402的壁外并且位于敏感组织410附近，敏感组织410可以是例如肺胸膜组织。在该实施例中，器械406是具有可移除管心针411的套管式活检针，该可移除管心针411可滑动地延伸穿过活检针并且可向着活检针的远端向远侧延伸。活检针406可以用于从目标组织408对组织进行采样。随着活检针穿过导管404被插入并通过通道402被输送到目标组织408附近的区域，管心针411可以在活检针内延伸。在该实施例中，可移除管心针装配在具有OCT成像部件412的远端尖端附近。在该示例中，OCT成像部件可以是用于对器械远端的患者解剖结构和组织成像的前向成像部件。来自OCT成像部件的图像可以用于使活检针朝向目标组织转向、避开敏感组织410，或以其他方式辅助医生提高活检程序的准确性和结果。在如通过可视化系统和跟踪系统单独测量或结合OCT传感器信息进行测量达到期望的导管深度或活检针深度之后，可以移除管心针。在移除管心针之后，打开活检针内腔以执行活检，例如通过施加抽吸以将组织样本抽真空到活检针内腔中。可以取出活检针并移除和分析组织样品。可替代地，在移除了管心针的情况下，活检针可以用于输送治疗物质或消融装置。
可选地，控制系统可以用于防止活检针向远侧推进超过预定义的最大插入深度。例如，活检针可以由机器人系统自动地驱动到预定义的最大插入深度，或者当达到预定义的最大插入深度时，可以向手动驱动活检针的控制者提供警报。在混合远程操作/手动或机器人/手动系统中，当达到预定义的最大插入深度时，可以警告操作者停止活检针的手动或远程操作推进。
具有集成的OCT成像部件的可移除管心针可以适用于小活检针结构，因为从活检针上移除管心针和附接的OCT成像部件可以允许活检针的最小外径和活检针内腔的最大内径。可移除管心针可以用于在单个程序期间定位多个活检器械，允许OCT使能的(OCTenabled)管心针(其还可以包括形状传感器或EM传感器部件)的成本可以分摊在多个活检器械上。
在替代实施例中，OCT成像部件可以被固定在器械406内。例如，如图6A所示，侧面成像OCT器械600(例如，器械406或管心针411)可以包括容纳光学组装件604的外壁602，光学组装件604可以包括一个或多个光纤、透镜、滤光器、镜子或用于引导光束608穿过外壁中的侧孔610的其他光学部件。从侧孔610射出的光束612可以用于执行OCT成像。在图6B所示的示例中，面向前的OCT器械650(例如，器械406或管心针411)可以包括容纳光学组装件654的外壁652，光学组装件654可以包括一个或多个光纤、透镜、滤光器、镜子或用于引导光束658穿过远端孔660的其他光学部件。从远端孔660射出的光束658可以用于执行OCT成像。
在各种实施例中，来自器械或管心针的OCT成像数据可以用于生成OCT图像以显示给医生，用于将导管404引导到目标组织408附近的停放位置或用于引导器械406从停放的导管404朝向目标组织。图5示出用于使用OCT成像数据来剖析组织并且将信息信号传输到导航系统的部件以用于显示或导航控制的方法500。方法500被示出为一组操作或一组过程502-510。并非所有示出的过程502-510都在方法500的所有实施例中执行。另外，图10中未明确示出的一个或多个过程可以被包括在过程502-506之前、过程502-506之后、过程502-506之间或者作为过程502-506的一部分。在一些实施例中，过程502-510中的一个或多个是可选的并且可以被省略。本文所描述的过程502-510的全部或仅一些部分可以利用包括远程操作控制和自动控制两者的机器人控制来执行，或者可以利用手动控制来执行。
在过程502中，朝向目标组织408推进器械406。该推进可以是完全自动的、远程操作控制的或手动控制的。例如，器械406可以沿着由导航系统建立的路线推进。在过程504中，从OCT传感器(例如，在器械或者管心针上的OCT成像部件412)接收OCT成像数据。在一个示例中，在导管404和器械406已经被导航到目标组织408附近的解剖通道402内的停放位置之后，接收OCT图像数据。OCT成像数据可以用于可视化超出在停放位置的周围区域地区中的解剖通道402的壁的组织。可选地，OCT图像数据可以用于生成实时图像，以便在显示屏(例如，显示器110)上显示给医生。
在过程506中，由远程操作系统的控制系统(例如，控制系统112)处理OCT成像数据，以剖析OCT图像数据中的组织类型。控制系统112可以分析OCT图像数据中的组织的特征，并且将该特征与不同类型的组织(诸如胸膜组织、心脏组织、血管组织、肌肉组织、骨组织和肿瘤组织)的所存储的剖析相匹配。一些类型的剖析组织可以被表征为医疗器械要避开的敏感组织。
在过程508中，导航系统使用成像组织的剖析来辅助医生使用器械406进行医疗程序中的后续步骤。控制系统112可以基于成像组织的剖析生成一个或多个输出信息信号。输出信息信号可以例如提供关于剖析组织的信息、剖析组织的位置的信息和/或剖析组织相对于其他组织的定位的信息。输出信号可以被发送到导航系统、显示系统、驱动系统和/或远程操作或机器人系统的其他部件。
在过程510中，如果成像组织包括被剖析为敏感组织410的组织，则可以计算成像部件412和敏感组织410之间的距离D。成像部件412相对于器械406的位置可以在运动学上是已知的。距离D可以显示给医生以帮助医生避免移动器械406与组织410接触。控制系统112可以将距离D与预定义的安全距离进行比较，并且在距离D变得小于预定义的安全距离时，发出听觉或视觉警报，表明器械406已经推进得太靠近敏感组织。在各种实施例中，机器人系统的导航系统可以发出命令以暂停机器人组装件和器械驱动系统的推进，以防止器械406被推进得比预定义的安全距离更靠近敏感组织。可替代地，暂停推进可以包括发送警报，以警告手动驱动或远程操作驱动器械的操作者暂停器械的进一步推进。在各种实施例中，机器人系统的导航系统可以向机器人组装件和器械驱动系统发出命令，以使器械406在满足或超过预定义的安全距离时缩回，或者向用户发出警报或通知以手动或远程操作地将组装件缩回预定义的或推荐的安全距离。
在各种实施例中，机器人系统的导航系统可以向机器人组装件和器械驱动系统发出命令，以随着器械406接近预定义的安全距离而减慢推进器械406的速度。例如，导航系统可以提供指示该针正在接近敏感组织(诸如胸膜)的信息，并且该信息的接收可以触发OCT成像系统开始成像或者开始分析图像以识别OCT图像数据中的敏感组织。关于敏感组织的位置的该附加OCT数据可以用于更新与解剖模型的配准。类似地，如果OCT图像数据的分析指示敏感组织不在导航系统预测的位置处，则可以使用该更新的信息来更新配准。
可替代地，可以使用成像组织的剖析来确认医疗程序的准确性。例如，如果器械是活检器械，则OCT成像组织的剖析可以提供确认目标组织已被采样或警告医生目标组织被遗漏的反馈。基于该反馈，导航系统可以向医生提供引导，以通过另一种途径或轨迹移动导管或器械接近目标组织。通过使用组织剖析信息，导航系统可以建议目标组织中的多个活检位置。在另一替代方案中，可以通过分析显示出该组织显示消融指标的OCT图像数据来确认消融程序的准确性。
虽然OCT图像数据如所描述的那样在导管停放时可能是有用的，但在替代示例中，当导管404和器械406在通道402内正朝向停放位置推进时，可以使用OCT图像数据来提高导航。例如，OCT图像数据可以提供解剖通道内的病变的实时图像，以用于避开或用于执行医疗程序。
本发明的实施例中的一个或多个元件(例如，从输入控制和/或柔性导管的控制接收的信号的处理)可以以软件实施，以在计算机系统(诸如控制系统112)的处理器上运行。例如当以软件实施时，本发明的实施例的元件基本上是执行必要任务的代码段。程序或代码段可以存储在非暂时性机器可读存储介质中，该非暂时性可读存储介质包括可以存储包括光学介质、半导体介质和磁介质的信息的任何介质。机器可读存储介质示例包括电子电路、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。代码段可以经由诸如因特网、内联网等计算机网络下载。如本文所描述的，访问、检测、启动、配准、显示、接收、生成、确定、移动数据点、分段、匹配等操作可以至少部分地由控制系统112或其处理器执行。
注意，所呈现的过程和显示可以不固有地与任何特定计算机或其他仪器相关。各种这些系统所需的结构将作为权利要求中的元件出现。另外，不参考任何特定编程语言描述本发明的实施例。应当理解，可以使用各种编程语言来实现如本文所述的本发明的教导。
虽然已经在附图中描述和示出了本发明的某些示例性实施例，但应当理解，这些实施例仅仅是对本发明的说明而非限制，并且因为本领域普通技术人员可以想到各种其他修改，本发明的实施例不受所示出和所描述的具体结构和布置的限制。

Claims (26)

1.一种用于执行微创程序的系统，所述系统包括：
柔性导管，其具有从其中延伸穿过的内腔；
细长器械，其尺寸适于通过所述内腔；
光学相干断层扫描传感器，其耦接到所述细长器械；和
控制系统，其包括一个或多个处理器，其中所述控制系统被配置为：
从所述光学相干断层扫描传感器接收传感器数据；
基于所接收的传感器数据对组织进行剖析；
基于所剖析的组织生成输出信号；和
基于所述输出信号的接收，确定所述细长器械与所剖析的组织之间的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述细长器械是活检针或可移除管心针。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括活检针，并且其中所述细长器械是定位在所述活检针内的管心针。
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括警报系统，所述警报系统可操作以基于所述细长器械与所剖析的组织之间的距离向用户提供指示符。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述指示符包括改变所述细长器械的移动的通知，所述通知包括降低所述细长器械的速度、暂停所述细长器械的推进和缩回所述细长器械中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统进一步被配置为将所确定的距离与预定距离极限进行比较。
7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括可操作以控制所述细长器械的运动的驱动系统，其中所述控制系统基于所确定的距离与所述预定距离极限的所述比较向所述驱动系统提供命令。
8.根据权利要求7所述的系统，所述命令包括降低所述细长器械的速度、暂停所述细长器械的推进，或者缩回所述细长器械。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中所述控制系统进一步被配置为提供所述细长器械已经接触所剖析的组织的确认。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其进一步包括显示装置，并且其中所述输出信号用于生成所剖析的组织的图像以及所述细长器械与所剖析的组织之间的距离的指示符以显示在所述显示装置上。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其进一步包括导航系统，所述导航系统可操作以提供沿着预定义的路线导航所述柔性导管或所述细长器械的引导，其中所述输出信号的接收导致暂停所述柔性导管和细长器械沿所述预定路线的推进。
12.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中所剖析的组织是肺胸膜组织、肺裂隙组织和血管组织中的至少一种。
13.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其进一步包括基于所述输出信号，更新解剖模型与所述细长器械之间的配准。
14.一种方法，其包括：
从光学相干断层扫描传感器即OCT传感器接收传感器数据，所述OCT传感器耦接到细长器械；
基于所接收的传感器数据对组织进行剖析；
基于所剖析的组织生成输出信号；和
基于所述输出信号的接收，确定所述细长器械与所剖析的组织之间的距离。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括在显示装置上显示所述细长器械与所剖析的组织之间的距离的指示。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括将所确定的距离与预定距离极限进行比较。
17.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括基于所确定的距离改变所述细长器械的移动。
18.根据权利要求17所述的方法，其中改变所述细长器械的移动包括暂停所述细长器械的推进、改变所述细长器械的推进速度和缩回所述细长器械中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的方法，其中改变所述细长器械的所述移动是机器人控制的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中改变所述细长器械的移动是自动的。
21.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括基于所述细长器械与所剖析的组织之间的所述距离向用户提供警报。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述警报指示暂停所述细长器械的推进、改变所述细长器械的推进速度和缩回所述细长器械中的至少一个。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的方法，其进一步包括使用所述输出信号在显示装置上生成所剖析的组织的图像。
24.根据权利要求14-22中任一项所述的方法，其进一步包括提供所述细长器械已经接触所剖析的组织的确认。
25.根据权利要求14-22中任一项所述的方法，其中所剖析的组织是肺胸膜组织、肺裂隙组织和血管组织中的至少一种。
26.根据权利要求14-22中任一项所述的方法，其中所述细长器械是活检针或可移除管心针。
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