CN110811835B - 计算机断层扫描增强的荧光透视系统、装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

用于在外科手术期间使用的增强导航的系统和方法，包括：使用先前获取的第一计算机断层扫描图像数据集规划通向目标的导航路径；使用导航路径将标记物安置装置导航至目标；将多个标记物安置在目标附近的组织中；获取包括多个标记物的第二计算机断层扫描图像数据集；使用第二计算机断层扫描图像数据集规划通向第二目标的第二导航路径；将医疗器械导航至第二目标；捕获目标附近的组织的荧光透视数据；以及基于标记物在实时荧光透视数据和第二计算机断层扫描图像数据集中的位置和取向将荧光透视数据针对第二计算机断层扫描图像数据集进行配准。

Description

计算机断层扫描增强的荧光透视系统、装置及其使用方法
本申请是发明名称为“计算机断层扫描增强的荧光透视系统、装置及其使用方法”、国际申请日为2015年10月20日、国际申请号为PCT/US2015/056376、国家申请号为201580060018.3的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求在2015年10月12日提交的申请号为14/880,338的美国专利申请、在2015年10月12日提交的申请号为14/880,361的美国专利申请、在2014年10月31日提交的申请号为62/073,287的美国临时申请、以及在2014年10月31日提交的申请号为62/073,306的美国临时申请的权益和优先权，上述文献中的每一篇的全部内容都通过引用而并入本文。
技术领域
本公开涉及用于外科手术的导航和位置确认的系统、装置和方法。更特别地，本公开涉及这样的系统和方法，所述系统和方法用于延伸工作通道或导管以及能够定位成穿过延伸工作通道或导管的一个或多个医疗器械在患者的一个或多个分支管腔网络中的增强导航以及在开始治疗或活检之前确认这些医疗器械的安置情况。
背景技术
微波消融是治疗各种受疾病影响的器官(包括肝、脑、心脏、肺和肾脏)的常用方法。通常，由医生采用一种或多种成像方法(磁共振成像、超声成像、计算机断层扫描(CT)、以及其它成像方法)来识别患者体内的关注区域和进行治疗的最终目标。一旦被识别到，关注区域通常需要使用活检工具进行活检，以确认是否需要在特定时间进行治疗和/或观察。该活检通常在多种图像引导模式中的一种图像引导模式下和/或与导航系统相结合来执行。如果活检显示该关注区域有病变，则可以证明有效的是使用微波消融治疗该区域。
微波消融可以通过将微波能量通过经皮插入到患者体内的针传输以消融关注区域来执行。替代地，在实践可行的情况下，能够采用内窥镜方法，其中，一旦被导航至所识别到的目标，挠性微波消融导管就能够安置在目标中以消融关注区域。内窥镜方法在治疗身体的管腔网络例如肺时尤为有效。
为了实施内窥镜方法，例如为了在肺中实施内窥镜方法，已经研发出支气管内导航系统，所述支气管内导航系统使用CT图像数据以建立导航规划，从而便于将导航导管(或者其它适当的装置)通过支气管镜和患者的支气管分支推进到关注区域。在诊断(即活检)阶段和治疗阶段都可以使用支气管内导航。电磁跟踪可以结合CT数据使用以便于引导导航导管通过支气管分支到达关注区域。在某些情况下，导航导管可以定位在分支管腔网络的气道中的毗邻关注区域或者处于关注区域内的一条气道内，以向一种或多种医疗器械提供通路。
一旦导航导管就位，就可以在医疗器械经过导航导管并且进入肺和抵达关注区域的过程中使用荧光镜来可视化医疗器械，所述医疗器械例如包括活检工具(譬如刷、针和钳)以及譬如消融导管这样的治疗工具。常规荧光镜在医疗手术期间广泛地用作可视化成像工具，以用于在人体内部引导医疗器械。尽管在荧光透视照片上清晰可见例如导管、活检工具等这样的医疗器械，但是例如软组织、血管、可疑肿瘤病变等这样的器官特征则在一定程度上透明或者完全透明并且因此难以用常规荧光镜进行识别。
在手术期间，例如在活检或消融期间，医生可以使用荧光透视图像以辅助医疗器械在患者体内的可视化安置。然而，尽管医疗器械在荧光透视图像中可见，但是关注区域或者目标组织通常在一定程度上透明并且在图像内不一定清晰可见。而且，荧光透视图像体现为平面2D图像，在所述平面2D图像上可能有些难以评估医疗器械的三维位置。因此，没有向医生提供将医疗器械在患者体内相对于关注区域的安置情况可视化而可能需要的所有信息。
发明内容
正如能够理解的那样，能够定位成穿过患者的一个或多个分支管腔网络以治疗组织的微波消融导管可以证实在外科领域中有效。
参照附图详细描述了本公开的各个方面，在附图中，相同的附图标记表示类似或者相同的元件。当在此使用时，术语“远侧”指的是所描述的远离用户的部分，而术语“近侧”指的是所描述的靠近用户的部分。
根据本公开的一方面，提供了一种增强导航的方法，所述方法包括：使用先前获取的第一计算机断层扫描图像数据集规划通向目标的导航路径；使用导航路径将标记物安置装置导航至目标；将多个标记物安置在目标附近的组织中；获取包括多个标记物的第二计算机断层扫描图像数据集；使用第二计算机断层扫描图像数据集规划通向第二目标的第二导航路径；将医疗器械导航至第二目标；捕获标记物附近的组织的荧光透视数据；以及基于标记物在荧光透视数据内的位置和/或取向和标记物在第二计算机断层扫描图像数据集中的位置和/或取向将荧光透视数据针对第二计算机断层扫描图像数据集进行配准。
可以取回目标组织(例如目标附近的组织)的样本以用于活检或者其它用途。另外，该方法还可以包括在图形用户界面上显示第二计算机断层扫描图像数据集和荧光透视数据的表达。第一目标和第二目标可以表示相同的关注区域。此外，第二计算机断层扫描图像数据集的至少一部分可以与荧光透视数据组合，以产生用于在图形用户界面上显示的组合图像。可以经由用荧光透视数据叠加、融合或覆盖第二计算机断层扫描图像数据集而产生该组合图像。荧光透视数据可以是单张荧光透视图像、多张荧光透视图像、或者荧光透视视频。
另外，该方法还可以包括将微波消融装置导航至目标并且致动微波消融装置以消融目标附近的组织。另外，该方法还可以包括：分析荧光透视数据并且确定医疗器械是否相对于目标正确定位，以及调节医疗器械相对于目标的位置。还可以从相对于患者的第二视角获取目标附近的组织的第二荧光透视数据集，以使得能够从相对于患者的不同角度观察医疗器械的三维位置。还可以分析第二荧光透视数据集，以确定医疗器械相对于目标的三维位置是否正确，并且如果不正确，则可以调节医疗器械相对于目标的三维位置。
在本公开的另一方面，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质包括指令，当由计算装置执行所述指令时，所述指令促使计算装置：使用先前获取的第一计算机断层扫描图像数据集规划通向目标的导航路径，使用该导航路径将标记物安置装置导航至目标，获取包括先前安置在目标附近的组织中的多个标记物的第二计算机断层扫描图像数据集，使用第二计算机断层扫描图像数据集规划通向第二目标的第二导航路径，使用第二导航路径将医疗器械导航至第二目标，使用荧光镜捕获多个标记物附近的组织的荧光透视数据，并且基于标记物在荧光透视数据内的位置和/或取向以及标记物在第二计算机断层扫描图像数据集内的位置和/或取向将荧光透视数据针对第二计算机断层扫描图像数据集进行配准。
第一目标和第二目标可以表示基本相同的关注区域。可以取回目标组织(例如目标附近的组织)的样本以用于活检或者其它用途。另外，计算装置还可以在图形用户界面上显示第二计算机断层扫描图像数据集和荧光透视数据的表达。此外，第二计算机断层扫描图像数据集的至少一部分可以与荧光透视数据组合以产生用于在图形用户界面上显示的组合图像。可以用荧光透视数据叠加、融合或者覆盖第二计算机断层扫描图像数据集以产生该组合图像。该荧光透视数据可以是单张荧光透视图像、多张荧光透视图像、或者荧光透视视频。
另外，计算装置还可以实现将微波消融装置导航至目标并且致动微波消融装置以消融目标附近的组织。另外，计算装置还可以分析荧光透视数据并且确定医疗器械是否相对于目标正确定位。还可以从相对患者的第二视角获取第一目标或第二目标的第二荧光透视数据集，以使得能够从不同的角度观察医疗器械的三维位置。还可以分析第二荧光透视数据集，以确定医疗器械相对于目标组织的三维位置是否正确，如果不正确，则可以调节医疗器械相对于目标的三维位置。
在本公开的又一个方面中，提供了一种用于增强外科导航的系统。该系统包括计算装置和成像装置。该计算装置配置成使用先前获取的第一计算机断层扫描图像数据集输入通向目标的导航路径，在图形用户界面上显示导航路径以用于向目标导航并且在目标附近的组织中安置多个标记物，以及获取包括多个标记物的第二计算机断层扫描图像数据集。该成像装置配置成捕获多个标记物附近的组织的荧光透视数据。该计算装置还配置成基于标记物在荧光透视数据内的位置和取向以及标记物在第二计算机断层扫描图像数据集内的位置和取向将荧光透视数据针对第二计算机断层扫描图像数据集进行配准。
该计算装置还可以配置成在图形用户界面上显示第二计算机断层扫描图像数据集的表达并且在图形用户界面上显示荧光透视数据。另外，该计算装置还可以配置成接收对第二计算机断层扫描图像数据集的至少一部分或者荧光透视数据的选择，将该选择与第二计算机断层扫描图像数据集或荧光透视数据中的至少一个组合成组合图像，并且在图形用户界面上显示该组合图像。附加地或替代地，该计算装置可以配置成将第二计算机断层扫描图像数据集的至少一部分与荧光透视数据组合成组合图像，并且在图形用户界面上显示该组合图像。该组合图像可以包括用荧光透视数据融合、叠加或者覆盖第二计算机断层扫描图像数据集的至少一部分所得到的融合图像、叠加图像或覆盖图像中的至少一种。
该荧光透视数据可以是多个标记物附近的组织的实时荧光透视视频、单张图像或者多张图像，并且可以包括相对于目标附近的组织定位的医疗器械，而且计算装置还可以配置成分析荧光透视数据并确定医疗装置是否相对于目标正确定位。另外，该计算装置还可以配置成由成像装置从第二视角获取多个标记物附近的组织的第二荧光透视数据集，以使得能够从不同的角度观察医疗器械的三维位置。该计算装置还可以配置成分析第二荧光透视数据，以确定医疗器械相对于目标的三维位置是否正确。
该系统还可以包括第二成像装置，所述第二成像装置配置成从不同于第一荧光透视数据的视角捕获多个标记物附近的组织的第二荧光透视数据。另外，该系统还可以包括导管引导组件，所述导管引导组件能够使用导航路径向目标导航，所述导管引导组件包括延伸工作通道，所述延伸工作通道能够插入支气管镜的工作通道中以便进入管腔网络。附加地或替代地，该系统还可以包括活检装置，所述活检装置能够定位成穿过延伸工作通道，所述活检装置配置成获取目标附近的组织的样本。附加地或替代地，该系统还可以包括微波消融装置，所述微波消融装置能够定位成穿过延伸工作通道，所述微波消融装置配置成消融目标附近的组织。
附图说明
参照附图在下文描述了本公开的各个方面和实施例，在附图中：
图1示出了用户界面的一部分，其中，在实时荧光透视图像上覆盖有来自导航规划的导航数据；
图2是根据本公开的电磁导航(EMN)系统的一个图解实施例的透视图；
图3是包含在图2的EMN系统中的荧光透视成像的C型臂的端视图；
图4是根据本公开使用图3的系统在增强导航的条件下执行手术的方法的流程图；
图5是根据本公开使用图3的系统执行增强导航的方法的流程图；
图6是根据本公开由C型臂捕获的示例性荧光透视图像/视频的图示，其示出了定位在患者的目标区域内的标记物和导管组件的延伸工作通道；以及
图7是根据本公开用于调节医疗器械相对于目标的位置的方法的流程图。
具体实施方式
本公开整体涉及解决先前已知的导航和荧光透视成像确认方法和装置的在导航和位置确认方面的缺点。根据本公开的一个实施例，在将导管导航至关注区域之后，捕获一张荧光透视图像(或者一系列荧光透视图像)。通过将先前安置在患者体内并且在荧光透视图像中捕获的标记物的位置针对在根据先前获取的CT图像数据集生成的3D模型数据中呈现的标记物位置进行配准，能够用来自于3D模型数据(其中包括目标位置数据、导航路径数据、管腔网络数据及更多数据)的数据来覆盖荧光透视图像。
在此公开了本公开的详细实施例。然而，所公开的实施例仅为本公开的示例，它们能够以各种形式并且在各个方面中实施。因此，在此详细公开的具体结构和功能细节不应解读为限制性的，而仅作为用于权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员几乎在任何适当的详细结构中以各种方式使用本公开的代表性基础。
图1示出了本公开的一个实施例的图像输出。在图1中，显示了复合荧光透视图像10。复合荧光透视图像10可以在显示装置上呈现为用于导航的电磁导航(EMN)系统100(图2)的附加视图。替代地，可以在与EMN系统100分离的荧光透视图像浏览器上呈现该图像。荧光透视图像10的视野包括延伸工作通道(EWC)12的远侧部分，其已经依照路径规划进行操纵，正如将在下文更加详细描述的那样。荧光透视图像10还覆盖有最初由导航软件推算和导出的各种数据。覆盖在荧光透视图像10上的这些附加数据包括目标14、路径规划16、被成像的区域的管腔路径18、以及标记物20。利用这种增强的荧光透视图像10，允许医生实时地可视化EWC 12相对于路径规划16、目标14和标记物20的最终安置情况，以确保准确的最终安置，以及辨别是否因针对EWC 12换入和换出工具而存在任何的EWC 12的非预期移动。
图2示出了EMN系统100的一方面，ENM系统100配置成用于研读CT图像数据以识别出一个或多个目标14、规划通向所识别出的目标14的路径(规划阶段)、经由用户界面将EWC12导航至目标14(导航阶段)、以及确认EWC 12相对于目标14的安置情况。一种这样的EMN系统是当前由Covidien LP销售的ELECTROMAGNETIC NAVIGATION
Figure BDA0002292438580000081
系统。目标14是在规划阶段期间建立的、通过研读CT图像数据识别出的关注组织的由计算机生成的表达。如上所述，在导航之后，例如活检工具这样的医疗器械可以插入到EWC 12中，以从位于目标14处或目标14附近的组织获取组织样本。
如图2所示，EWC 12是导管引导组件40的一部分。在实践中，EWC 12被插入支气管镜30以用于进入患者“P”的管腔网络中。具体地，导管引导组件40的EWC 12可以插入支气管镜30的工作通道中，以用于导航通过患者的管腔网络。包括传感器44的可定位引导件(LG)32被插入EWC 12并且被锁定就位，以使得传感器44延伸超出EWC 12的远侧末端达到期望距离。能够导出传感器44相对于参考坐标系的位置和取向(6DOF)并且由此导出EWC 12的远端在电磁场中的位置和取向(6DOF)。导管引导组件40是当前由Covidien LP以商标名
Figure BDA0002292438580000082
手术套件或者EDGETM手术套件进行营销和销售的产品，并且被认为能够与本公开一起使用。关于导管引导组件40的更加详细的描述，可以参考共同拥有的由Ladtkow等人于2013年3月15日提交的申请号为13/836,203的美国专利申请和美国专利US7,233,820，因此将这二者的全部内容通过引用并入本文。
EMN系统100通常包括：操作台20，其配置成支撑患者“P”；支气管镜30，其配置成用于插入穿过患者“P”的嘴而进入患者“P”的气道；联接到支气管镜30的监视设备120(例如视频显示装置，其用于显示接收自支气管镜30的视频成像系统的视频图像)；跟踪系统50，其包括跟踪模块52、多个参考传感器54以及发射器垫56；计算装置125，其包括软件和/或硬件，所述软件和/或硬件用于帮助识别目标14、规划通向目标14的路径、将医疗器械导航至目标14、以及确认EWC 12或者从中穿过的适当装置相对于目标14的安置情况。
图3示出了EMN系统100的另一视图，所述EMS系统100包括荧光透视成像装置110，所述荧光透视成像装置100能够获取患者“P”的荧光透视或X射线图像或视频。所捕获的图像、系列图像或者视频可以存储在成像装置110中或者传输到计算装置125以用于存储、处理和显示。另外，成像装置110可以围绕患者“P”旋转，以使得能够相对于患者“P”从不同的角度或视角获取图像。成像装置110可以包括单个成像装置或者多于一个的成像装置。在包括多个成像装置的实施例中，每个成像装置都可以是不同类型的成像装置或者相同类型的成像装置。在美国专利US8,565,858中描述了关于成像装置110的更多细节，通过全文引用将其并入本文。
计算装置125可以是任何适当的包括处理器和存储介质的计算装置，其中，处理器能够执行存储在存储介质上的指令。计算装置125还可以包括数据库，所述数据库配置成存储患者数据、包括CT图像的CT数据集、包括荧光透视图像和视频的荧光透视数据集、导航规划、以及任何其它这样的数据。尽管没有明确示出，但是计算装置125可以包括输入装置，或者能够以其他方式配置成接收CT数据集和在本文描述的其它数据。另外，计算装置125包括显示装置，所述显示装置配置成显示如下所述的图形用户界面。计算装置125可以连接到一个或多个网络，通过网络可以访问一个或多个数据库。
关于规划阶段，计算装置125利用计算机断层扫描(CT)图像数据生成并且观察患者“P”的气道的三维模型，从而能够(自动、半自动或者手动地)识别三维模型上的目标14，并且允许确定通过患者“P”的气道到达位于目标14处的组织的路径。更具体地，CT扫描结果被处理并且整合到三维CT体积中，然后利用所述三维CT体积生成患者“P”的气道的三维模型。三维模型可以显示在与计算装置125相联的显示装置上、或者以任何其它适当的方式显示。通过使用计算装置125，呈现三维模型或者由三维模型产生的二维图像的各种视图。可以操纵三维模型以便于识别三维模型或二维图像上的目标14，并且能够选择通过患者“P”的气道接近位于目标14处的组织的适当路径。一旦选定，就能够保存路径规划、3D模型以及由3D模型导出的图像并且将其输出到导航系统以用于在一个或多个导航阶段期间使用。一种这样的规划软件是当前由Covidien LP销售的
Figure BDA0002292438580000101
规划套件。
关于导航阶段，使用六自由度电磁跟踪系统50(例如与在美国专利US8,467,589、US6,188,355以及公布的PCT申请WO 00/10456和WO 01/67035中所公开的内容类似，上述专利文献中的每一篇的全部内容都通过引用并入本文)或其它适当的定位测量系统来执行图像和路径的配准以及导航，不过也可以设想其它的构造。跟踪系统50包括跟踪模块52、多个参照传感器54和发射器垫56。跟踪系统50配置成用于与可定位引导件32和特定的传感器44一起使用。如上所述，可定位引导件32和传感器44配置成用于通过EWC 12插入患者“P”的气道(带有支气管镜30或者不带有支气管镜30)并且能够经由锁定机构而相对于彼此选择性地锁定。
如图2和图3所示，发射器垫56定位在患者“P”下方。发射器垫56生成围绕患者“P”的至少一部分的电磁场，能够利用跟踪模块52确定多个参照传感器54和传感器元件44在所述电磁场内的位置。参照传感器54中的一个或多个附接到患者“P”的胸部。将参照传感器54的六自由度坐标发送到计算装置125(其包括适当的软件)，在此将所述六自由度坐标用于计算患者的参照坐标系。如下文所述，配准通常被执行用以将来自规划阶段的三维模型和二维图像的位置与通过支气管镜30所观察到的患者“P”的气道进行适配，并且允许在精确了解传感器44的位置的前提下进行导航阶段，甚至在气道中的支气管镜30无法抵达的部分中也能进行导航阶段。能够在美国专利申请公报US2011/0085720中找到这样的配准技术及其在管腔导航中的实施方式的更多细节，其全部内容通过引用而并入本文，不过也可以设想其它适当的技术。
通过使LG 32移动通过患者“P”的气道来配准患者“P”在发射器垫56上的位置。更具体地，使用发射器垫56、参照传感器器54和跟踪模块52记录在可定位引导件32移动通过气道时关于传感器元件44所处位置的数据。将由该位置数据得到的形状与在规划阶段生成的三维模型的通道内部几何形状进行比较，并且例如利用计算装置125上的软件基于该比较确定所述几何形状和三维模型之间的位置相关性。另外，软件识别三维模型中的非组织空间(例如，空气填充的腔)。软件将表示传感器44的位置的图像与三维模型以及由三维模型产生的二维图像对准或配准，这是基于所记录的位置数据以及可定位引导件32保持位于患者“P”的气道中的非组织空间中的假设。替代地，可以采用手动配准技术，通过利用传感器44将支气管镜30导航至患者“P”的肺中的预定位置，并且手动地将来自支气管镜的图像关联到3D模型的模型数据。
在将患者“P”针对图像数据和路径规划进行配准之后，在导航软件中显示用户界面，所述导航软件设置用于提供路径，医生要遵循所述路径以到达目标14。一种这样的导航软件是当前由Covidien LP销售的
Figure BDA0002292438580000111
导航套件。
一旦EWC 12已经如用户界面上所示被成功地导航到目标14附近，就可以从EWC 12解锁并移除可定位引导件32，从而将EWC 12留置就位以作为用于引导医疗器械的引导通道，所述医疗器械包括但不限于针对目标14的光学系统、超声探针、活检工具、消融工具(即，微波消融装置)、激光探针、低温探针、传感器探针和抽吸针。
在已经描述了图2和图3所示的系统100的部件之后，图4至图7的以下描述提供了结合CT成像使用系统100的部件以实现图1所示结果的示例性工作流程。图4至图7实现了利用计算机断层扫描(“CT”)图像识别目标14和通向目标14的路径的方法，并且在识别之后还能够使用导航或引导系统相对于目标14定位导管引导组件40的EWC 12以及定位成穿过其中的医疗器械。另外，以下内容使得能够在治疗之前、期间和之后准确地实时图像确认EWC12的位置。
CT图像数据有助于识别目标14、规划通向被识别出的目标14的路径、以及提供经由用户界面导航通过身体到达目标14的能力。这包括将在下文更加详细描述的术前部分和术中部分(即，路径规划和路径导航)。能够实现EWC 12和/或定位成穿过其中的医疗器械相对于目标14的安置情况的实时荧光透视可视化，从而使得医生能够使用实时荧光透视数据和CT图像数据(或者其选定部分)而真正实时地看到装置相对于目标14的适当安置。一旦确认已将医疗器械/EWC 12安置在目标14内，即可执行手术治疗或者诊断取样。例如，微波能量能够传递到定位成穿过EWC 12的消融装置以治疗位于目标14处的组织。
在治疗位于目标14处的组织之后，可以利用实时荧光透视成像来确认例如已经在组织周围形成了适当的消融区域并且确认是否需要额外地施加能量。可以反复地重复这些治疗和成像步骤，直到确定位于目标14处的组织已经被成功治疗为止。而且，使用成像方法以确认治疗程度并且确定是否额外地施加能量的上述方法能够与辐射测量和温度感测技术相结合，以便确认由成像方法显示的内容并且帮助确定治疗停止点。
现转至图4至图7，将特别详细地描述使用系统100执行增强导航的方法。尽管在此图解并描述的方法被示出和描述为遵循特定的顺序且需要特定的步骤，但是任何一种方法都可以包括部分或全部的步骤并且能够以没有具体描述的任何顺序来实施。
特别地参照图4，图解了用于执行增强导航的方法并且所述方法将描述为方法400。方法400开始于路径规划步骤401。在实施例中，路径规划步骤401包括获取第一组CT图像，以用于生成第一CT数据集。然而，可以在路径规划步骤401之前完成CT图像的获取和/或CT数据集的生成，在所述路径规划步骤401中将先前获取的CT数据集上传到系统100中。在实施例中，路径规划步骤401包括三个一般步骤。第一步骤涉及使用软件生成并且观察支气管树(“BT”)的三维模型以及观察CT数据，以识别目标(即，目标14)。第二步骤涉及使用软件以根据需要自动、半自动或者手动地选择在BT上通向被识别出的目标14的路径。可选地，可以将路径沿着能够在显示装置上可视化的路径自动地分成一组路径点。在实施例中，第三步骤可以包括使用飞越视图(fly-through view)来确认规划，然后输出用于在导航系统中使用的路径规划。应当理解的是，在本文中将气道用作分支管腔网络的示例。因此，术语“BT”在一般意义上用于表示任何这样的管腔网络(例如，循环系统或者胃肠道等)。在2013年3月15日提交的申请号为13/838,805的美国专利申请中描述了关于规划步骤的更多细节，其全部内容通过引用而并入本文。
然后方法400进行到第一导航步骤403。在步骤403中，使用在步骤401中形成的规划将EWC 12导航到目标14。具体地，返回参照图1至图3，在步骤401中形成的规划被输入到计算装置125中或者由计算装置125生成，并且该规划与患者“P”的位置配准，从而使医生能够利用EWC 12和LG 32遵循患者“P”的BT内的规划。医生通过推进支气管镜30而遵循该规划，并且一旦支气管镜30楔入，就使导管引导组件40的EWC 12行进通过支气管镜30的工作通道前往目标14。随着EWC 12行进通过BT，由跟踪系统50监视EWC 12的定位有LG 32的远端的位置。在美国专利US7,233,820中描述了关于导航的更多细节，其全部内容通过全文引用而并入本文。
在(经由用户界面)将EWC 12导航至目标14附近侧之后，在步骤404中，结合标记物安置工具和活检工具使用EWC 12以将标记物20安置在位于目标14周围的组织中并且可选地用于取回目标14附近的组织的活检样本。正如本领域技术人员理解的那样并且如上所述，目标14是在规划阶段期间建立的、通过研读CT图像数据识别出的关注组织的由计算机生成的表达。因此，标记物在导航系统识别为与路径规划中的目标14的位置相对应的位置处被安置在患者“P”的组织中并且可以从组织获取活检样本。
在安置好标记物20之后，将用于安置标记物20的医疗器械连同EWC 12一起从患者“P”的BT移除并且方法进行到步骤405，在所述步骤405中，获取第二组CT图像，以用于生成第二CT数据集。在步骤405中获取的第二CT数据集包括患者“P”的CT图像，其中包括在步骤404中安置的标记物20。该步骤可以立即执行或者在细胞病理学检查活检样本之后执行。
在获取第二CT图像集、分析获取的任何活检样本并且确认是否需要进行另外的活检或者治疗之后，由医生建立新的路径规划并且执行第二导航步骤407，所述第二导航步骤407包括使用利用第二CT数据生成的路径规划导航至目标14。该第二路径规划可以选择性地包括来自于在步骤401中使用第一CT数据集生成的导航规划的数据。在步骤407中，EWC12以与第一导航步骤403类似的方式被导航至目标14并且因此将不再详细描述。
在步骤407中将EWC 12导航至目标14之后，方法400进行到步骤409，以执行增强的医疗成像和装置安置。具体地，在步骤407中将EWC 12导航至目标14之后，可以再次从EWC12移除LG 32并且医疗器械可以经由EWC 12定位在目标14附近。进行荧光透视成像并且向医生显示包括来自路径规划数据的数据在内的复合荧光透视图像10(图1)。步骤409使医生能够验证医疗器械相对于目标14的位置并且在执行外科手术(即，取回样本组织、消融组织、安置另外的标记物)之前调节外科装置相对于目标14的位置。以下将参照图5中的方法500更加详细地描述关于步骤409中的增强医疗装置安置的细节。在步骤409中执行增强的医疗成像装置安置之后，方法400进行到步骤411，在步骤411中，相对于目标14适当定位的医疗器械被用于其预期用途(即，微波消融装置被激活以治疗组织，活检工具取回组织样本，标记物安置工具安置一个或多个标记物)。
现在转至图5并且参照图1至图3，将特别详细地描述用于执行增强导航的方法并且该方法将称作方法500。方法500在接着方法400的第二导航步骤407将EWC 12导航到目标14之后开始于步骤501。方法500可以用于确认EWC 12或者通过EWC 12定位的任何医疗器械相对于目标14的安置情况，以在执行外科手术(即，取回目标组织的样本、消融目标组织)之前验证并调节其相对于目标14的位置。
在步骤501中，捕获患者“P”的实时荧光透视图像。图6图解了在步骤501中捕获的实时荧光透视图像601的示例。使用成像装置110捕获实时荧光透视图像601(图3)。如图6所示，在捕获的荧光透视图像601中可以看到安置在目标14附近的标记物20(方法400的步骤404)以及在路径规划中预先导航至目标14的EWC 12(方法400的步骤407)。在实施例中，步骤501包括捕获一系列目标区域的荧光透视图像和/或实时荧光透视视频流。
在步骤503中，将在步骤501中捕获的荧光透视图像601与在方法400的步骤405中获取的第二CT数据集配准。在实施例中，基于标记物20在荧光透视图像601中的位置和取向以及标记物20在第二CT数据集(未示出)中的位置和取向的比较来配准荧光透视图像601和第二CT数据集。具体地，计算装置125使用例如强度阈值或者经由医生手动识别的方法来检测第二CT数据集的CT图像中的标记物20。可以检测并且忽略掉可能的假指示物例如来自于在CT图像中可见的钙化部或者其它金属物。在实施例中，可以向医生显示第二CT数据集，以识别图形用户界面上的标记物20。另外，在步骤503中，计算装置125检测在步骤501中获取的荧光透视图像601中示出的标记物20。对于在荧光透视图像601中的标记物20的检测而言，计算装置125可以采用诸如对比度检测、强度检测、形状检测、最小轴线检测和/或其任意组合这样的技术。另外，计算装置125还可以针对每个检测到的标记物20检测标记物中心和标记物端点。当在步骤501中获取的荧光透视图像601以及存储在计算装置125中的CT数据集中检测到标记物20之后，计算装置125随后就通过比较每一个标记物20之间或所有的标记物20之间的位置、长度、角度、取向和距离中的一个或多个与CT数据集而将荧光透视图像601与CT数据集配准。
在步骤507中，在计算装置125的显示装置上显示在步骤501中捕获的荧光透视图像601和/或视频。
在步骤509中，计算装置125分析在荧光透视图像601中示出的标记物20的位置和/或取向并且执行数学计算，以识别由第二CT数据集生成的3D模型的2D切片，使得所识别的2D切片中的每一个标记物20之间或所有的标记物20之间的位置、长度、角度、取向和距离中的一个或多个对应于荧光透视图像中的相同要素。该步骤可以结合从成像装置110接收的位置和/或取向数据来执行。一旦确定来自CT数据集的2D图像对应于荧光透视图像，医生就可以选择性地识别出应将2D图像上所包括的数据的哪些部分并入所显示的荧光透视图像601中。替代地，来自荧光透视图像601的数据可以并入来自CT数据集的2D图像。作为示例，在规划阶段期间在CT数据集中识别出的目标14可供用于选择。另外，路径16和管腔网络18以及来自CT数据集的其它数据也可供用于选择。结果，医生可以选择在CT数据集的CT图像中可见但在荧光透视图像601中不可见的目标(即，软组织的一部分)，以使得选择可以与荧光透视图像601相组合以产生组合图像10(图1)。
除了允许选择之外，计算装置125还可以从CT数据集中的荧光透视图像输出标记物20的分辨率指示。例如，在图1中，每个标记物20均被这样的线包围，所述线指示标记物已经被明确识别。如果在CT数据集中没有断定标记物20，则这种情况可以表明2D图像和荧光透视图像610实际上并未相互配准，并且向医生提供可能需要在再继续进行之前执行另一次荧光透视成像的指示。
在步骤511中，参照图1，在计算装置125的显示装置上和/或另一装置上显示组合或复合图像10。在步骤511中显示的组合图像10包括在步骤509中选定的部分(例如，目标14)以及在步骤507中显示的荧光透视图像601(图6)或视频。组合图像10可以是本领域中已知的融合图像、图像的覆盖或者多张图像的任意其它显示和/或视频。例如，如图1所示，在用户在步骤509中在CT数据的图像中选择目标14的情况下(或者在步骤509中自动选择目标14时)，在步骤511中，组合图像10包括荧光透视图像601(图6)(包括标记物20和EWC 12以及安置在其中的任何医疗器械的可视性)和CT数据集的图像的选择(目标14)。通过使用步骤503中的荧光透视图像(多张荧光透视图像)601和/或视频和CT数据集之间的配准，系统100确定被选择的部分(例如，目标14)应该被定位(即，重叠、融合等)在荧光透视图像601和/或视频中何处，以产生组合图像10。
在步骤513中，使用在步骤511中产生的组合图像10将EWC 12或者定位在EWC 12内的医疗器械的位置相对于目标14进行调节并且予以显示。将参照图7在下文更加详细地描述关于步骤511中的调节的更多细节。
现在参照图7，现将描述调节EWC 12或者定位在EWC 12内的医疗器械的位置/安置的方法并且将所述方法称作方法700。在将EWC 12导航至目标14之后，为了确保定位在导管引导组件40的EWC 12内的医疗器械相对于目标14适当定位，使用方法700，使医生能够确保医疗器械相对于目标14适当定位或者以其他方式调节医疗器械相对于目标14的位置，直到其适当定位为止。方法700开始于步骤701，其中，医疗器械经由EWC 12相对于目标14定位。
在步骤703中，通过使用成像装置110，从第一角度捕获荧光透视图像/视频。在步骤703中捕获的荧光透视图像/视频被传输到计算装置125，用于在图形用户界面上显示并且用于产生组合图像10(图1)。通过观察显示了目标14和医疗器械实时相对于目标14的情况的组合图像10，医生可以确定医疗器械相对于目标14的位置是否正确(步骤705)。如果医疗器械相对于目标14的位置正确(步骤705的结论为是)，则方法700进行到步骤706。替代地，如果医疗器械的位置不正确(步骤705的结论为否)，则方法700进行到步骤706。
在步骤706中，医生通过操纵导管引导组件40且随之操纵EWC 12和位于EWC 12中的任何医疗器械来调节医疗器械的位置。如果成像装置110捕获实时视频，则在计算装置125的显示装置上或者任何其它适当的装置上实时观察在步骤706中对医疗器械/EWC 12的调节。然而，如果成像装置110仅捕获图像，则方法700返回到步骤703，在步骤703，捕获新的荧光透视图像以显示医疗器械/EWC 12的新的/经过调节的位置。重复该处理，直到医疗器械/EWC 12的位置正确为止(步骤705的结论为是)。一旦EWC 12的位置正确(步骤705的结论为是)，则方法700进行到步骤707。
在步骤707中，从相对于患者的第二角度捕获第二荧光透视图像/视频。即，成像装置110移动到新的位置，使得可以从不同的观察角度捕获第二荧光透视图像/视频。在步骤707中捕获的荧光透视图像/视频被传输到计算装置125，以用于在图形用户界面上显示并且用于产生组合图像10(图1)。通过观察显示了目标14和医疗器械实时相对于目标14的情况的组合图像10，医生可以确定医疗器械相对于目标14的三维位置是否正确(步骤709)。如果医疗器械相对于目标14的三维位置正确(步骤709的结论为是)，则方法700进行到步骤711。替代地，如果医疗器械的三维位置不正确(步骤709的结论为否)，则方法700进行到步骤710。
在步骤710中，医生通过相对于目标14推动/拉动导管引导组件40并且随之推动/拉动EWC 12和任何位于EWC 12中的医疗器械来调节医疗器械相对于目标14的三维位置。由于医疗器械/EWC 12的三维位置的调节，因此医生可能希望返回到步骤703以再次从第一角度观察医疗器械/EWC 12相对于目标14的位置。
一旦医疗器械/EWC 12相对于目标14的三维位置正确(步骤709的结论为是)，则方法700进行到步骤711，在所述步骤711处执行治疗。如上所述，取决于预期要执行的治疗，所述治疗可以包括：取回组织样本以用于活检或测试、消融位于目标14处的组织、安置标记物20、或者任何其它适当的外科手术。
根据前述内容并且参照各个附图，本领域技术人员应该理解，在不背离本公开的范围的前提下还能够对本公开实施某些修改。例如，可以在装置输送和安置、装置冷却和天线缓冲、以及传感器反馈等方面实施一个或多个修改方案。
正如能够理解的那样，例如活检工具或者能量装置(譬如微波消融导管)这样的能够定位成穿过患者的一个或多个分支管腔网络以治疗组织的医疗器械可以证实在外科领域中有效并且本公开涉及这样的装置、系统和方法。可以经皮或者通过固有孔口接入管腔网络。在固有孔口的情况下，在治疗肺部疾病的过程中，支气管内方法可以尤为有效。可以使用成像和/或规划软件的组合而在手术之前对目标、导航、接入和治疗进行规划。根据本公开的这些方面，规划软件可以使用术前图像提供定制引导。可以使用图像引导来完成管腔网络的导航。这些图像引导系统可以是单独的或者与能量装置或单独的接入工具相集成，并且可以包括MRI、CT、荧光镜、超声、电阻抗断层成像、光学和/或装置跟踪系统。用于定位接入工具的方法包括EM、IR、回声测定、光学等方法。跟踪系统可以集成到成像装置，其中，跟踪在虚拟空间中完成或者与术前图像或实时图像相融合。在一些情况下，可以从管腔内直接操作治疗目标，例如用于治疗COPD的支气管壁、哮喘、肺癌等。在其它情况下，可以需要能量装置和/或其它的接入工具来刺穿肺并且延伸到其它组织中以触及目标，例如用于治疗软组织内的疾病。可以通过使用下述方法的成像和/或导航引导来执行能量装置安置的最终定位和确认。能量装置具有用以输送能量场(包括但不局限于电磁场)以用于治疗的能力。
尽管已经在附图中示出了本公开的若干实施例，但是本公开不应局限于此，原因在于本公开的范围应当是所属技术领域所允许的那样宽泛，并且说明书应当予以同样的解读。因此，上述说明内容不应解读为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的举例说明。本领域技术人员能够在所附权利要求的范围和精神内设想其它的修改方案。

Claims (19)

1.一种用于增强外科导航的系统，所述系统包括：
计算装置和成像装置，所述计算装置包括显示装置；
其中所述计算装置配置成：
基于分支管腔网络的第一图像数据集规划导航路径，所述导航路径限定了通过分支管腔网络到达目标的路线；
由所述显示装置显示用于导航至目标的所述导航路径的所述路线；
接收分支管腔网络的第二图像数据集，所述第二图像数据集包括在目标附近的标记；
基于所述第二图像数据集生成分支管腔网络的三维模型；
基于生成的三维模型规划通向目标的第二导航路径，所述第二导航路径限定了通过分支管腔网络到达目标的第二路线；
由所述显示装置显示通向目标的所述第二路线；
其中所述成像装置配置成捕获所述标记附近的组织的荧光透视数据；
其中所述计算装置还配置成：
将捕获的标记附近的组织的荧光透视数据针对所述第二图像数据集进行配准；
建立复合荧光透视图像，所述复合荧光透视图像包括：
所述荧光透视数据；以及
从所述第二图像数据集导出的分支管腔网络的表达，并且
显示所述复合荧光透视图像以便使用所述复合荧光透视图像实现医疗器械到目标附近的组织的导航。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，显示所述导航路径的所述路线以用于通过遵循所述路线到达目标的第一次导航包括显示所述导航路径的所述路线以用于通过遵循所述路线到达目标的第一次导航并且用于在目标附近的组织中安置多个标记。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述复合荧光透视图像还包括来自于所述第二图像数据集的通过分支管腔网络的第二路线的表达。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算装置还配置成：
显示所述第二图像数据集的表达；以及
显示所述荧光透视数据。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算装置还配置成：
接收对所述第二图像数据集的至少一部分或者所述荧光透视数据的选择；以及
将选择的内容与所述第二图像数据集或所述荧光透视数据中的至少一个组合成所述复合荧光透视图像。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述复合荧光透视图像包括所述第二图像数据集的至少一部分与所述荧光透视数据的融合图像、叠加图像或覆盖图像中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述荧光透视数据包括相对于目标附近的组织定位的医疗器械的图像数据，并且所述计算装置还配置成:
基于对所述复合荧光透视图像的分析，确定所述医疗器械是否相对于目标正确定位。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述计算装置还配置成：
从成像装置获取标记附近的组织的第二荧光透视数据集；并且
基于对所述第二荧光透视数据集的分析，确定所定位的医疗器械相对于目标的三维位置是否正确。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述荧光透视数据是标记附近的组织的实时荧光透视视频。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述荧光透视数据是标记附近的组织的至少一个荧光透视图像。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，将捕获的标记附近的组织的荧光透视数据针对所述第二图像数据集进行配准包括基于标记的位置和取向将所述荧光透视数据针对所述第二图像数据集进行配准。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算装置还配置成：
识别所述第二图像数据集的切片，所述切片的标记位置和标记取向与所述荧光透视数据内的标记位置和标记取向相对应；并且
基于所识别的切片将所述荧光透视数据针对所述第二图像数据集进行配准。
13.一种用于增强外科导航的系统，所述系统包括：
计算装置和成像装置，所述计算装置包括显示装置；
其中所述计算装置配置成：
接收分支管腔网络的图像数据集，所述图像数据集包括目标附近的标记；
基于所述图像数据集生成分支管腔网络的三维模型；
基于生成的三维模型规划通过分支管腔网络的导航路径，所述导航路径限定了通过分支管腔网络到达目标的路线；
由所述显示装置显示用于导航至目标的所述路线；
其中所述成像装置配置成捕获所述标记附近的组织的荧光透视数据；
其中所述计算装置还配置成：
将捕获的标记附近的组织的荧光透视数据针对所述图像数据集进行配准；
建立复合荧光透视图像，所述复合荧光透视图像包括：
所述荧光透视数据；以及
从所述图像数据集导出的分支管腔网络的表达，并且
显示所述复合荧光透视图像以便使用所述复合荧光透视图像实现医疗工具到目标附近的组织的导航。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，将捕获的标记附近的组织的荧光透视数据针对所述图像数据集进行配准包括基于标记的位置和取向将所述荧光透视数据针对所述图像数据集进行配准。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述标记包括多个标记。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述标记包括定位在目标附近的医疗工具的一部分。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，将捕获的标记附近的组织的荧光透视数据针对所述图像数据集进行配准包括将一系列荧光透视图像针对所述图像数据集进行配准。
18.一种用于增强外科导航的系统，所述系统包括：
计算装置和成像装置，所述计算装置包括显示装置；
其中所述计算装置配置成：
接收分支管腔网络的图像数据集，所述图像数据集包括目标附近的标记；
从所述图像数据集生成分支管腔网络的三维模型；
基于生成的三维模型规划通过分支管腔网络的导航路径，所述导航路径限定了通过分支管腔网络到达目标的路线；
由所述显示装置显示用于将医疗工具导航至目标的所述路线；
其中所述成像装置配置成捕获所述标记附近的组织的荧光透视数据；
其中所述计算装置还配置成：
将捕获的目标附近的组织的荧光透视数据基于所述医疗工具在荧光透视数据内的位置和取向针对所述图像数据集进行配准；以及
建立复合荧光透视图像，所述复合荧光透视图像包括：
所述荧光透视数据；
从所述图像数据集导出的分支管腔网络的表达；
所述医疗工具；以及
由所述导航路径限定的所述路线，并且
显示所述复合荧光透视图像以便使用所述复合荧光透视图像实现医疗工具到目标附近的组织的导航。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，将捕获的目标附近的组织的荧光透视数据针对所述图像数据集进行配准包括将一系列荧光透视图像针对所述图像数据集进行配准。
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