CN111386076A - 估计呼吸期间胸腔移动的系统、方法和计算机可读介质 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种用于可视化患者胸部内的结构的移动的系统。所述系统包含电磁跟踪系统、计算装置和显示器。所述计算装置包含处理器，所述处理器被配置为：生成所述患者内部的3D模型；获得用于所述3D模型的EM传感器的位置；在呼吸周期期间的间隔处确定所述EM传感器的位置；确定在最大潮气量和最小潮气量处的所述EM传感器的位置；确定在最大潮气量处和用于所述3D模型的所述EM传感器的所述位置之间的差异；基于在最大潮气量处与用于所述3D模型的所述EM传感器的所述位置之间的所述差异，生成在最大潮气量处的3D模型；并且将在最大潮气量处的所述3D模型存储在存储器中。

Description

估计呼吸期间胸腔移动的系统、方法和计算机可读介质
技术领域
本公开涉及用于在呼吸期间基于检测到的传感器移动来估计胸腔内、上和整个胸腔内的组织移动的装置、系统、方法和计算机可读介质。特别地，本公开涉及用于生成和更新胸腔以及胸腔内的结构(其整体在呼吸周期期间移动)的三维(3D)模型的装置、系统、方法和计算机可读介质。
背景技术
已经开发了使得能够在典型地从一系列计算机断层摄影(CT)图像生成患者身体中的气道和其他管腔网络的3D模型的系统。一种此类系统已经被开发为目前由MedtronicPLC公司出售的
Figure BDA0002508390160000011
ELECTROMAGNETIC
Figure BDA0002508390160000012
(ENBTM)的一部分。在由Brown等人于2015年6月29日提交的标题为“用于在肺部内导航的系统和方法”的共同转让的美国专利申请公开第2016/0000302号中，以及由贝克等人于2013年3月15日提交的标题为“路径规划系统和方法”的美国专利第9,459,770号中描述了此类系统的细节，所述专利中的每个的全部内容都通过引用并入本文。尽管美国专利申请公开第2016/0000302号和第9,459,770号中描述的系统都是很有能力的，但总是需要对此类系统进行改善和添加。
发明内容
根据本公开的实施例，提供用于可视化患者胸部内的结构的移动的系统。
在本公开的一个方面，示例性系统包含电磁(EM)跟踪系统，所述电磁(EM)跟踪系统包含：EM场发生器，其被配置为生成EM场；多个EM传感器，其附着到患者并且可在EM场内移动；以及跟踪模块，其被配置为检测多个EM传感器在EM场内的位置。所述系统还包含显示装置和计算装置，所述计算装置包含处理器和存储指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时，使得所述计算装置执行以下操作：接收患者胸部的多个图像；基于患者胸部的多个图像生成患者胸部内部的第一3D模型；确定在全屏气处的所述多个EM传感器的位置；确定在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置；确定在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置与在全屏气处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；基于在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置与在全屏气处的所述多个EM传感器的位置之间的差异，生成在最大潮气量处的第二3D模型；并且使得所述显示装置显示所述第二3D模型。
在本公开的另一个方面，所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：确定在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置；确定在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；并且基于在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异生成在最小潮气量处的第三3D模型。
在本公开的又一个方面，所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：从多个EM传感器中选择所述EM传感器的子集，所述EM传感器的子集对应于患者胸部的区域；确定所述EM传感器的子集的当前位置；确定所述EM传感器的子集的当前位置与最大潮气量期间的EM传感器的子集的位置、最小潮气量期间的EM传感器的子集的位置、以及多个EM传感器的选定的第一位置之间的差异；并且基于所述EM传感器的子集的当前位置与最大潮气量期间的EM传感器的子集的位置、最小潮气量期间的EM传感器的子集的位置、以及多个EM传感器的选定的第一位置之间的所确定的差异，使得显示装置显示第二3D模型、第三3D模型或第四3D模型中的一者。
在本公开的另一个方面，所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：确定多个EM传感器的当前位置；确定多个EM传感器的当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；确定在多个EM传感器的当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异小于在全屏气处的所述多个EM传感器的位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异，或者所述多个EM传感器的当前位置与在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异大于在全屏气处的所述多个EM传感器的位置与在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；并且基于所述多个EM传感器的当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异来生成第五3D模型。
在本公开的又一个方面，所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：在外科手术期间以预定间隔确定多个EM传感器的手术中位置，并且确定多个EM传感器的手术中位置是否超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置或者在最大潮气量处的所述EM传感器的位置。
在本公开的又一个方面，所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：在确定多个EM传感器的手术中位置没有超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置和在最大潮气量处的所述EM传感器的位置时，选择对应于多个EM传感器的手术中位置的3D模型。
在本公开的另一个方面，当由所述处理器执行指令时，还使得所述计算装置执行以下操作：在确定多个EM传感器的手术中位置超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置时，生成在最大潮气量处的新的3D模型或在最小潮气量处的新的3D模型。
在本公开的又一个方面，当由所述处理器执行指令时，还使得计算装置在确定多个EM传感器的手术中位置超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置或者在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置时提供警报。
在本公开的再另一个方面，在全屏气CT扫描期间获得患者胸部的多个图像。
根据本公开的实施例，提供用于可视化患者胸部内的结构的移动的方法。
在本公开的一个方面，一种示例性方法包含：接收患者胸部的多个图像；跟踪附着到患者并且可在由EM场发生器生成的EM场内移动的多个电磁(EM)传感器的位置；基于患者胸部的多个图像生成患者胸部内部的第一3D模型；确定在全屏气处的所述多个EM传感器的位置；确定在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置，确定在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置和在全屏气处的所述多个EM传感器位置之间的差异；基于在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置和在全屏气处的所述多个EM传感器位置之间的差异，生成在最大潮气量处的第二3D模型，并且显示所述第二3D模型。
在本公开的另一个方面，所述方法还包含：确定在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置；确定在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；并且基于在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异生成在最小潮气量处的第三3D模型。
在本公开的又一个方面，所述方法还包含：从多个EM传感器中选择所述EM传感器的子集，所述EM传感器的子集对应于患者胸部的区域；确定所述EM传感器的子集的当前位置；确定所述EM传感器的子集的当前位置与最大潮气量期间的EM传感器的子集的位置、最小潮气量期间的EM传感器的子集的位置、以及多个EM传感器的选定的第一位置之间的差异；并且基于所述EM传感器的子集的当前位置与最大潮气量期间的EM传感器的子集的位置、最小潮气量期间的EM传感器的子集的位置、以及多个EM传感器的选定的第一位置之间的所确定的差异，显示第二3D模型、第三3D模型或第四3D模型中的一者。
在本公开的又一个方面，所述方法还包含：确定多个EM传感器的当前位置；确定多个EM传感器的当前位置与在最大处潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；确定所述多个EM传感器的当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异小于在全屏气处的所述多个EM传感器的位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异，或者所述多个EM传感器的当前位置与在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异大于在全屏气处的所述多个EM传感器的位置与在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；并且基于所述多个EM传感器的当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异来生成第五3D模型。
在本公开的另一个方面，所述方法还包含在外科手术期间以预定间隔确定多个EM传感器的手术中位置，以及确定多个EM传感器的手术中位置是否超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最大处潮气量处的所述EM传感器的位置。
在本公开的又一个方面，所述方法还包含当确定所述多个EM传感器的手术中位置没有超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置和在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置时，选择对应于所述多个EM传感器的手术中位置的3D模型。
在本公开的又一个方面，所述方法还包含当确定多个EM传感器的手术中位置超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置或在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置时，生成在最大潮气量的新的3D模型或最小潮气量的新的3D模型。
在本公开的另一个方面，所述方法还包含当确定所述多个EM传感器的手术中位置超过最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置或最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置时，提供警报。
在本公开的又一个方面，在全屏气CT扫描期间获得患者胸部的多个图像。
附图说明
当参考附图阅读本公开的系统和方法的各种实施例的描述时，本公开的系统和方法的目标和特征对于本领域的普通技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1是根据本公开的电磁导航系统的透视图；
图2是根据本公开的用于确定患者的呼吸周期期间患者胸部移动的系统270的示意图；
图3是根据本公开的用于基于多个参考传感器的位置的手术前3D模型生成的示例方法的流程图；
图4A是示出根据本公开的在CT扫描期间且在呼吸期间胸腔容量的变化的曲线图；
图4B是根据本公开的基于预定时间间隔的多个参考传感器的位置的手术前3D模型生成的示例方法的流程图；和
图5是根据本公开的用于基于多个参考传感器的位置的手术中3D模型生成的示例方法的流程图；
图6是根据本公开的被配置用于图1的系统的计算装置的示意性示意图。
具体实施方式
由于患者肺部的扩张和收缩，患者的胸腔和包含在其中、与其相邻和/或以其他方式与之相关联的各种结构在患者的整个呼吸周期中移动。例如，在患者的呼吸周期期间，肺部，并且特别是细支气管和肺部泡，扩张和收缩。尽管单个地是小的，但此类扩张和收缩的复合效应导致整个肺部和气道以及患者胸部内的其他结构的显著移动。患者肺部扩张和收缩的量可以指示患者的呼吸健康。可以对患者执行各种测试，诸如肺功能测试(PFT)、心肺运动测试(CPET)和/或乙酰甲胆碱激发测试等，以评估患者的呼吸健康(此类测试在下文中称为“呼吸测试”)。尽管在各种这些测试中，测量患者完全吸气和完全呼气时肺部和胸部空气的容量或流率的差异有助于确定患者的肺部能力和功能，但这独自并不能提供患者呼吸健康的完整信息情况。例如，肺部流率或容量随时间的差异和/或治疗前后的差异可以指示患者呼吸健康的改善或恶化，但是肺部容量或流量并不给出呼吸期间胸部或患者胸部内的结构的任何移动指示。
下文描述了用于评估患者的呼吸健康的系统和方法的各种实施例。在实施例中，在开始呼吸评估或呼吸测试之前，传感器(例如位移传感器)被附着到患者胸部和/或背部。然后可以指导患者正常吸气、完全吸气、完全呼气、咳嗽、叹气、执行各种身体活动和/或给予药物或其他治疗(取决于测试的要求)。此外，在呼吸评估或呼吸测试期间，患者可以以各种方式或取向定位，例如，除了平躺在患者背部上的传统位置之外，患者还可以以仰卧、就座和/或站立的位置定位。然后在患者的呼吸周期期间跟踪传感器的位置，以确定当患者胸部移动时传感器的位移。这些传感器的位置可以被共同(例如，所有传感器一起)评估、作为子集评估(例如，限定区域的特定传感器组可以被单独地评估)和/或单个地评估。因此，可以收集关于患者胸部作为整体的移动的数据，以及可以单独移动和/或与其他位置或部分不相关的患者胸部的各种位置或部分的数据。在开始呼吸评估、呼吸测试或治疗之前收集的数据可以用作基线测量，并且可以稍后与在呼吸评估、呼吸测试或治疗期间和/或之后收集的数据进行比较，以确定患者的呼吸周期和/或呼吸能力的变化，如下文进一步描述的。
如本文所提到的，传感器的位置是在患者身体上附着传感器的位置。在整个呼吸测试中，传感器的位置保持不变。传感器的位置是传感器在三维空间内相对于被测量的传感器的位移的点的位置。例如，可以相对于放置在患者下方的基板和/或附着到患者身体的另一个传感器来跟踪传感器的位置。因此，传感器的位置预期会在患者的呼吸周期期间改变。
在一些实施例中，还在呼吸测试之前和/或期间拍摄患者的图像。例如，可在患者的呼吸周期期间捕获患者胸部的照片或视频图像，以在视觉上检测患者胸部在呼吸期间的移动。另外，图像可由计算装置处理以生成患者胸部的模型和/或识别患者胸部和/或背部上的传感器的位置。当传感器在患者的呼吸周期期间移位时，它们的移动然后与患者胸部和/或背部上传感器被附着的位置相关联，并且然后可以做出关于在传感器被附着的位置下面的患者胸部内的结构的移动的推断。在其他实施例中，传感器附着到患者胸部和/或背部上的预定位置。例如，一个或多个传感器可以近似地在患者的胸骨的下边界处附着到患者的皮肤，并且一个或多个传感器可以近似地在患者脊柱的T5椎骨处附着到患者的皮肤上。另外地或替代地，一个或多个传感器可在双侧锁骨上区域附着到患者的皮肤，和/或一个或多个传感器可在患者第12根肋骨的水平处围绕腋窝中线附着到患者的皮肤。在此类实施例中，传感器相对于患者身体的位置是已知的，并且因此不需要经由图像处理来识别。
在再一实施例中，可在呼吸测试之前和/或期间获得患者身体的一个或多个部分的射线照相图像。可以使用计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)、锥束计算机断层摄影(CBCT)、X射线、荧光透视和/或本领域技术人员已知的任何其他相关成像模态来获得射线照相图像。如下文进一步描述的，射线照相图像可由计算装置处理以识别患者体内的各种结构，包含肺部系统(例如肺部、气道和胸膜)、心血管系统(例如心脏和血管)、淋巴系统(例如淋巴结和导管)、肋骨以及其他器官和结构，并且进一步检测各种结构如何相对于彼此移动。然后可以基于射线照相图像和其中识别的结构来生成一个或多个模型，诸如患者胸部中的结构的三维(3D)模型。另外，可以基于在患者的呼吸周期的不同点和/或不同阶段获得的射线照相图像生成一个或多个3D模型。可以确定在获得射线照相图像时的传感器的位置，然后可以将患者胸部内的结构的位置与传感器的那些位置以及患者的呼吸周期中的对应点相关联。因此，通过获得射线照相图像并且跟踪传感器在患者的呼吸周期的不同点和不同阶段的位置，患者胸部内的结构的相对位置(以及因此的移动)可以类似地在整个患者的呼吸周期期间被确定和跟踪。此外，在患者的呼吸周期期间在足够的点确定了结构的位置之后，可以通过在患者的呼吸周期期间在不同点处内插各种结构的位置并且模拟这些结构(以及作为整体的胸腔)在各种位置之间的平滑移动来生成动态模型或模拟。然后，可以针对患者的呼吸周期的所有点和阶段确定患者胸部中各种结构的实际或模拟(如果测量的位置对于特定点不可用)位置，以比仅测量肺部容量或流量所达到的更好地洞察患者的呼吸健康。
此外，从典型的呼吸周期的若干公认的变化，诸如打哈欠、咳嗽、打喷嚏、叹气和/或血管和心脏脉动，都可能导致肺部、肺部的一个或多个部分和/或肺部内的一个或多个结构在胸腔内的移动，并且可以通过使用上述动态3D建模技术来检测、分析和模拟。假定射线照相成像在呼吸周期中的特定点(通常在全屏气处)生成相当静态的一组图像，则患者胸部内各种结构的位置的这些变化可能使得可能无法在从单个射线照相图像数据组生成的3D模型中表示的肺部内的变化。
除了上述特定于患者的模型之外，还基于从多种患者(并且特别是具有类似医疗特征的患者)收集的数据生成的患者胸部内的结构的预期移动的通用模型。例如，可以基于从各种患者的射线照相图像收集的数据点(诸如结构的位置)确定的模式来生成一个或多个通用模型，所述一个或多个通用模型模拟在患者的呼吸周期的各种阶段期间患者胸部各个部分中的结构的移动。随着时间的推移，随着更多的数据点被收集，通用模型还可以聚焦于特定患者状况，诸如年龄、性别、体型、身体状况、医疗状况、疾病进展和既往治疗史。然后，即使还没有获得所述患者的射线照相图像，也可以使用通用模型中的一个或多个来模拟特定患者胸部内的结构的预期移动。
了解患者胸部内各种结构在患者的呼吸周期的不同点和不同阶段期间的位置和相对移动可以有助于诊断各种呼吸状况和/或影响肺部的疾病。例如，除了病症和/或疾病的初始诊断之外，在治疗和/或医疗或外科干预之后观察到的患者胸部内的结构的移动可以与在治疗或干预之前观察到的数据进行比较，以确定病症和/或疾病的进展和/或改善。另外，了解在患者的呼吸周期的不同点处的患者胸部内各种结构的位置和相对移动可以辅助临床医生准确地执行各种诊断和/或治疗手术(例如活检、组织消融、切除等)并且减少接近治疗部位的关键结构受伤的风险。上述3D建模技术的其他益处包含检测肺部是否与胸壁相对和/或在肺部和胸壁之间是否存在胸膜液，以及确定这些和其他状况如何影响在患者的呼吸周期期间患者胸部中的结构的移动。
如上所述，并且在下文中更详细地描述，可以将传感器放置在患者胸部上，并且可在患者呼吸时检测此类传感器的移动(诸如位移)。可以执行基线测量来确定在患者呼吸周期的各个阶段期间的位移量，即，最大吸气量、最大呼气量、最大潮气量、最小潮气量和/或其他动作等。基于此类测量，可以执行多种不同的评估，诸如以确定患者的肺部的最大吸气能力和残余容量，以及评估对胸部或肺部中的任何干预的响应，无论其是医疗的，诸如利用吸气的或口服药物，或手术的，诸如支气管镜检查、外科手术、图像引导手术等。此外，本文所描述的系统和方法还可以用于产生相对于具有或不具有潜在肺部疾病的患者吸气模式的基线组的测量，使得如果潜在疾病恶化，则可以评估与基线的任何偏差以及相对于所述的基线跟踪对潜在治疗的任何响应。此类测量和观察将允许评估患者的健康，并且特别地是患者的呼吸能力。
尽管上述评估和观察可在不需要其他的医疗或手术干预的情况下执行，但是这些评估和观察也可以形成诊断和/或治疗手术的一部分，诸如微创电磁导航(EMN)手术。EMN通常至少涉及两个阶段：(1)规划通向位于患者气道内或邻近患者气道的目标的路径；以及(2)将一个或多个工具沿着规划路径导航到关注区域。这些阶段通常被称为(1)“规划”和(2)“导航”。在规划阶段之前，通过例如CT扫描对患者的肺部进行成像，尽管本领域的技术人员将会了解另外的适用的成像方法。在CT扫描期间获得的图像数据然后可以存储在例如医学数字成像和通信(DICOM)格式中，尽管另外的适用格式对于本领域技术人员来说也将是已知的。CT图像数据稍后可以被加载到规划软件应用程序(“应用程序”)中，以在EMN手术的规划阶段期间使用。可在患者的呼吸周期的一个或多个阶段期间获得在CT扫描期间获得的图像。例如，可在患者已经深深吸气并且屏住他或她的吸气时执行全屏气CT扫描。可在患者的呼吸周期期间的最大呼气量处、正常潮气量呼吸处和/或各种其他点处执行另外的CT扫描。然后可以基于CT图像数据生成一个或多个3D模型。此类3D模型是在患者处于全屏气状态时或者在患者的呼吸周期期间执行CT扫描的任何其他时间点胸腔及其内容物(例如，肺部、血管等)的表示。典型地，在全屏气时执行CT扫描，并且与从全屏气到潮气量呼吸的变化相关联的患者胸部内的结构的移动可以是显著的。本公开的一个方面是，当患者经历常规或潮气量呼吸时，补偿在全屏气时生成的3D模型和临床医生经历的生理之间的这些变化的系统和方法。具体地说，本公开利用在EMN手术之前和期间获得的检测到的传感器位置，基于实际和/或内插(模拟)数据点生成静态和动态3D模型，以表示患者的呼吸周期的整个范围，并且在EMN手术期间显示3D模型，使得临床医生不需要寻求补偿在全屏气时生成的静态3D模型与在潮气量呼吸期间气道和目标的位置之间的差异。
参考图1，描绘了根据本公开的EMN系统110。一个此类EMN系统就是Medtronic PLC公司目前出售的
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ENBTM系统。尽管下面的描述使用EMN系统110作为说明性实施例，但是本领域技术人员将认识到，下面描述的方法可以使用各种其他外科干预系统来执行，或者甚至可以部分地在不使用此类系统的情况下执行。特别地，如上所述，本公开的各个方面仅需要用于跟踪附着到患者胸部和/或背部的传感器并且基于此类传感器的所跟踪的位置生成一个或多个模型的系统。另外，尽管下文描述的EMN系统110包含电磁跟踪系统和相关联的电磁传感器，用于检测患者的呼吸周期期间患者胸部的位移，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用各种其他类型的传感器和跟踪系统来监测患者胸部的移动。此外，如图1中示出的，EMN系统110描绘了在EMN手术期间躺在他或她的背部上的患者。然而，本领域的技术人员将会理解，下文所描述的方法的各个方面可在定位在各种其他位置和/或取向(包含仰卧、就座和/或站立)的患者上执行。因此，下面描述的实施例仅是为了说明的目的而提供的，并不意图限制本公开的范围。此外，尽管下面描述的EMN系统110使用CT作为说明性的射线照相成像模态，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用各种其他成像模态(例如上面描述的模态)，来代替CT和/或与CT组合使用。
EMN系统110通常包含：手术台140，其被配置为支撑患者；支气管镜150，其被配置为通过患者的嘴和/或鼻子插入到患者气道中；监测装备160，其联接到支气管镜150，用于显示从支气管镜150接收的视频图像；跟踪系统170，其包含跟踪模块172、多个参考传感器174、电磁场发生器176；以及计算装置180，其包含软件和/或硬件，所述软件和/或硬件用于方便路径规划、识别所述关注区域、导航到所述关注区域、以及在所述关注区域执行一个或多个诊断和/或治疗手术。
图1还描绘了两种类型的导管引导组件100、190。两个导管引导组件100、190都可以与EMN系统110一起使用，并且共享多个公共部件。每个导管引导组件100、190都包含手柄191，所述手柄191连接到延伸的工作通道(EWC)196。EWC 196的尺寸适于放置在支气管镜150的工作通道中。在操作中，包含电磁(EM)传感器194的可定位引导件192被插入到EWC196中，并且被锁定就位，使得EM传感器194延伸超过EWC 196的远侧末端193期望的距离。在由EM场发生器176生成的EM场内，EM传感器194的位置以及因此EWC196的远侧末端193的位置可由跟踪模块172和计算装置180导出。
参考传感器174可以附着到患者胸部和/或背部的各种位置，诸如上述预定位置。在本公开的实施例中，参考传感器174可以用于至少两个目的：(1)结合EM场发生器176限定参考框架，用于在由EM场发生器176生成的EM场内跟踪EM传感器194；以及(2)在基于参考传感器174相对于EM场发生器176的位移确定的患者的呼吸周期期间监测患者胸部的移动。因此，参考传感器174结合在EMN手术之前和/或期间获得的患者胸部的CT图像数据，可以用于确定患者的呼吸周期的当前点和/或阶段，并且由此确定患者胸部内的结构的相对位置。
如图中示出的1患者被示出为躺在手术台140上，其中支气管镜150插入通过患者的嘴并且进入到患者气道中。支气管镜150包含照明源和视频成像系统(未示出)，并且联接到监测装备160，例如视频显示器，用于显示从支气管镜150的视频成像系统接收的视频图像。
如图1中进一步中示出的，电磁场发生器176定位在患者下方。电磁场发生器176和多个参考传感器174与跟踪模块172互连，跟踪模块172导出每个参考传感器174在六个自由度上的位置。参考传感器174中的一个或多个被示出为附着到患者胸部。参考传感器174的六个自由度坐标被发送到计算装置180，所述计算装置180包含应用程序281，所述应用程序281使用来自参考传感器174的数据来计算患者坐标参考系。
除了使用参考传感器174之外，EM传感器194与跟踪系统170结合，还使得能够在手术期间当患者呼吸时跟踪支气管内工具102。跟踪系统170被配置为基于包含在支气管内工具102中的参考传感器174和/或EM传感器194的移动来确定患者的呼吸周期期间气道的移动。在呼吸期间，气道和关注区域的移动可以是异步的。气道在特定位置的实际移动的检测可以与气道的所述部分的预期位置进行比较，所述气道的所述部分的预期位置是由对应于患者的呼吸周期的所述点或阶段的3D模型确定的，所述3D模型是基于参考传感器174的位置确定的，并且如果超出某个容限，则可以经由用户接口通知临床医生。此外，所述数据可用于更新3D模型和/或生成另外的3D模型，并且可以被存储以在未来的3D模型中进一步采用和/或生成通用3D模型。例如，经验确定的气道的特定分支(例如，第3或第4分支)的移动可以提供有用的数据，用于生成患者胸部的3D模型，以及一旦已经收集了足够的数据并且标准化以说明患者与患者之间的生理差异，则用于通用3D模型。
根据本公开的一个实施例，参考传感器174可在进行CT扫描之前，在预定的且可重复的位置处附着到患者胸部和/或背部。一旦放置了参考传感器174，临床医生就可以请求患者深吸气，以实现与在CT扫描期间大致相同的肺部容量(即，全屏气)。随后，患者返回到潮气量呼吸。通过利用在全屏气和潮气量呼吸之间的参考传感器174在电磁场内的位置变化，计算装置180可以建立关于患者的呼吸周期期间患者胸部移动的基线数据。基线数据稍后可用于确定哪个随后生成的3D模型对应于潮气量呼吸期间患者胸部内的结构的位置，以及通过标准潮气量呼吸和诸如打哈欠、咳嗽、叹气呼吸等方面两者来跟踪患者的呼吸周期。尽管上述手术在本文中被描述为在CT成像之前执行，但是也可在CT成像之后执行，例如作为手术前校准手术的一部分。在此类情况下，可以将相同或类似的参考传感器174附着到患者胸部和/或背部与在CT扫描期间相同的位置。此外，为了在CT扫描之后辅助3D模型分析和参考传感器174的附着两者，可在成像期间在参考传感器174将被附着的位置处将与CT兼容的替代物放置在患者上。这些替代物出现在CT图像数据中，并且可以出现在3D模型中，因此为临床医生提供另外的参考框架，作为可在数据处理中使用的对象，以达得到计算装置180生成的3D模型。
在再一实施例中，通过请求患者执行完全呼气，可从参考传感器174获取其他组的基线数据。这可以伴随有在完全呼气时的第二CT扫描。所述第二CT扫描数据提供第二组CT数据，从所述第二组CT数据可以生成肺部的第二3D模型。利用完全呼气和完全吸气数据组，确定参考传感器174的最小位移位置和最大位移位置，这提供有界组的参考传感器174位置，所述有界组的参考传感器174位置可用于根据在其间任何点的检测到的参考传感器174的位置来生成模拟和/或动态3D模型，如在图3的详细描述中进一步描述的。另外，参考传感器174的位移的一个或多个中间测量和对应的CT扫描可在手术前和/或在手术中获得，以提供关于参考传感器174和患者胸部内的结构在整个患者的呼吸周期中的移动的中间变化的另外的数据点。通过将潮气量呼吸期间参考传感器174的位置(如在手术期间所经历的)与CT扫描和/或基线确定期间参考传感器174的位置进行比较，可以确定差异，并且将其用于确定呼吸周期期间患者胸部内的结构的预期移动，如将在下面更详细地描述的。
通常，在CT扫描期间，生成单组图像切片(CT图像数据)。计算装置180利用CT图像数据或DICOM格式的其他图像数据来生成和显示患者气道的3D模型。3D模型和从3D模型导出的图像数据使得能够识别关注区域(自动地、半自动地或手动地)，并且允许选择通过患者气道到达关注区域的路径。更具体地说，对CT图像数据进行处理并且将其组装成3D容量，然后利用所述3D容量生成患者气道的3D模型。3D模型可以呈现在与计算装置180相关联的显示监测器181上，或者以任何其他合适的方式呈现。使用计算装置180，3D容量的各种切片和3D模型的视图可以被呈现和/或可以被临床医生操纵，以便于关注区域的识别和通过患者气道进入关注区域的合适路径的选择。3D模型还可以示出执行先前手术的位置的标记。这些标记也可以被选择作为可以规划路径的关注区域。一旦被选择，路径就被保存以供在EMN手术的导航阶段期间使用。如上所述，所述CT扫描通常是在全屏气时执行的(即肺部和胸腔的最大吸气和扩张)。然而，例如可以在最大呼气处和/或在最大吸气和最大呼气之间的各种点处执行另外的CT扫描，并且在此类另外的CT扫描期间获得的数据可以用于确定患者的肺部和其中的结构的移动，以基于患者的呼吸周期的各种点或阶段生成另外的3D模型。
此外，如上所述，尽管EMN系统110的上述描述涉及准备和/或执行ENB诊断和/或治疗手术，但是也可以预见，患者的肺部的3D模型的生成可以与ENB诊断或治疗手术分开并且与任何成像分开出现。在此类实施例中，参考传感器174可在休息和锻炼时在多种不同的位置和多种不同的状况下附着到患者胸部和/或背部。一个具体的示例是当患者躺在桌子140上时，可以动态地收集并跟踪在最大吸气、最大呼气和/或规则潮气量呼吸期间参考传感器174的位移测量值，以确定患者胸部的扩张和收缩和/或其中结构的移动。然后，可以基于参考传感器174的位移的此类测量以及相对于患者的任何给定状态的动态评估(无论是在基线时还是在锻炼时等)，对患者的健康和呼吸能力进行评估。例如，可以随时间跟踪患者的呼吸能力，并且可以基于患者呼吸能力和/或呼吸功能等的变化来确定对患者执行的药物和/或治疗的效果。
参考图2，示出了根据本公开的实施例的用于确定患者的呼吸周期期间患者胸部移动的系统270的示意图。系统270包含附着到患者胸部和/或背部的预定位置的多个位移传感器274。位移传感器274联接到跟踪系统272，所述跟踪系统272被配置为确定位移传感器274的位移。在实施例中，至少一个参考传感器(未示出)和/或传感器板(未示出)也附着到患者身体。跟踪系统272可以确定位移传感器274相对于参考传感器和/或传感器板的位移。位移传感器274可以是类似于EM传感器174的EM传感器和/或可用于确定患者胸部的移动的任何其他类型的传感器。如上所描述的，系统270可用于在各种活动期间且在各种位置中跟踪患者胸部移动。另外，在执行上述EMN手术期间，系统270可以与EM系统110结合使用。
现在参考图3，示出了根据本公开的实施例的用于生成手术前3D模型的说明性方法300的流程图。方法300开始于步骤305，其中计算装置180接收在患者处于呼吸周期的特定阶段(例如，全屏气)时在患者胸部的手术前CT扫描期间获得的CT图像数据214。CT图像数据214可从存储器202接收，或者经由网络接口208从外部接收。接下来，在步骤310处，计算装置180(诸如经由处理器204)，基于CT图像数据214生成患者胸部内的结构的3D模型。接下来，在步骤315处，在将患者定位在具有EM场发生器176的手术台140上并且参考传感器174附着到患者胸部和/或背部之后，要求患者重新创建CT扫描的呼吸状况(例如，全屏气)，并且参考传感器174在EM场中的位置在如手术前的CT扫描被确定的患者的呼吸周期的相同点或阶段。
接下来，在步骤320处，在患者附着参考传感器174的情况下，要求患者正常呼吸(例如，潮气量呼吸)。在患者的呼吸周期期间，处理器204可以以预定间隔(例如，与处理器204相关联的时钟的函数)确定参考传感器174的位置。例如，每隔0.1、0.25、0.5或1秒，处理器204可以确定参考传感器174的位置，并且将所述位置存储在存储器202和/或数据库215中。接下来，在步骤325处，处理器204基于以预定间隔确定的参考传感器174的检测到的位置来确定参考传感器174的最大潮气量位置和最小潮气量位置。这可能需要多个呼吸周期，以确保记录实际的最小值和最大值。另外，患者可能会被要求咳嗽、叹气、打哈欠或进行其他呼吸动作，这些操作可以被记录、评估并且记入到系统中。参考传感器174的位置可以被共同地、单个地和/或在对应于患者胸部的特定区域的各种子集或组中评估。
在步骤330处，可以确定在手术前CT扫描期间(例如，全屏气)参考传感器174的位置和在潮气量呼吸期间参考传感器174的位置之间的差异。在一个示例中，可以确定在全屏气期间且在最大处潮气量处的获得的参考传感器174的x、y和z坐标之间的差异，诸如对于x、y和z坐标相应地等于1毫米(mm)、2mm和4mm的特定参考传感器174的变化。参考传感器174的位置之间的差异可以被共同地、单个地和/或在对应于患者胸部的特定区域的各种子集或组中评估，从而提供关于患者胸部作为整体的移动的数据，以及关于患者胸部的特定区域的局部化数据。接下来，在步骤335处，可以确定在全屏气期间参考传感器174的位置和最小潮气量处参考传感器174的位置之间的差异。这提供在全屏气(即，对应于在CT扫描期间患者的呼吸周期的各阶段)和潮气量呼吸期间的参考传感器174的位置之间的一系列差异。另外，可在整个呼吸周期中的各种其他点或阶段处获取其他数据点，如在图4A和图4B的详细描述中所描述的。
本领域的技术人员将会理解，此时不需要在3D模型和患者之间的配准，因为所获取的最相关的数据是全屏气和潮气量呼吸之间的参考传感器174的位置差异。因此，如上所述，可在获取CT图像数据之前或之后确定数据。此外，可以记录肺部与胸壁并置的任何变化，并且共同存储此类数据，以确定静态或动态功能随时间的任何变化，并且能够使用这些数据来创建预测模型，以评估和预测可能不存在肺部与胸壁并置的区域。
接下来，方法300进行到步骤340，其中处理器204使用从步骤330和335处确定的差异来确定患者胸部内的结构相对于在步骤310处针对最大潮气量和最小潮气量两者生成的3D模型的可能移动，并且生成一个或多个模拟或动态3D模型。例如，如果所确定的差异类似于上面描述的对于x、y和z坐标相应地等于1mm、2mm和4mm的特定参考传感器174的变化的示例，则包含在对应于特定参考传感器174的位置处或附近的位置的3D模型中的患者胸部内的结构的位置可以被调整，以相应地基于1mm、2mm和4mm的x、y和z移动来考虑最大潮气量的变化。可以针对每个参考传感器174计算此类调整然后一起平均，可以单个地评估每个参考传感器174，可以单独地评估参考传感器174的各种子集或组，和/或可以对每个参考传感器174的位置变化进行加权，使得例如基于以下方面而将每个参考传感器174的检测到的移动应用于患者胸部内的各种结构：距参考传感器174的距离；参考传感器174的位置下面的组织的类型；和/或这些因素中的一些或全部的组合；和/或在呼吸期间影响患者胸部内的结构或此类结构的特定部分或患者胸部本身的移动的其他因素。
接下来，在步骤345和350处，相应地生成在最大潮气量和最小潮气量的中间3D模型。如上所述，与基于CT图像数据生成的3D模型相反，这些中间3D模型可以是模拟的和/或基于上述对患者胸部内的结构的可能移动的计算而生成的动态3D模型。任选地，在步骤350之后，方法300可以进行到图4B的步骤405，如下所描述的。此后，在步骤355处，所有3D模型被存储在数据库215中。除了在最大潮气量呼吸和最小潮气量呼吸时生成的3D模型(步骤345和350)，可以针对最大潮气量呼吸和最小潮气量呼吸之间的其他位置生成一个或多个3D模型，如参考图4A和图4B进一步描述的。
现在参考图4A，示出了图示胸腔容量的变化的曲线图。在图4A中示出了两个曲线图G1和G2并且图示了近正弦曲线。x轴线对应于时间t，并且y轴线对应于胸腔容量V。曲线图G1对应于全屏气CT扫描期间的最大容量，并且曲线图G2对应于在手术前、手术中或手术后观察到的正常潮气量呼吸。容量V的变化也对应于参考传感器174的移动。如本文所详述的，在CT扫描期间，通常要求患者深呼吸，并且在执行CT扫描时保持全屏气。当肺部的容量从容量Vt0变化到容量VMAXCT时，在曲线图G1中从时间t0到时间tMAXCT示出了CT扫描部分。如曲线图G1中示出的，患者缓慢吸气，并且曲线图G1向上倾斜，直到达到容量VMAXCT。如在图3的详细描述中所描述的，确定容量VMAXCT处的参考传感器174的位置，并且在容量VMAXCT处生成3D模型。
现在参考曲线图G2，在手术前或手术中观察到的正常潮气量呼吸期间，患者胸腔容量在容量VMAXTD、呼吸期间的最大潮气量与容量VMINTD、呼吸期间的最小潮气量之间变化，其间有一个或多个中间容量Vtn。如本文所详述的，在手术前、手术中或手术后潮气量呼吸期间，患者的胸腔容量小于容量VMAXCT，使得存在差值ΔVMAXTCT-VMAXTD，所述差值ΔVMAXTCT-VMAXTD是全屏气时的容量VMAXCT和潮气量呼吸时的容量VMAXTD之间的差值。所述差还与参考传感器174的位置变化相关联。
如在图3的详细描述中所描述的，基于参考传感器174从全屏气CT到最大潮气量呼吸的位置变化，差值ΔVMAXTCT-VMAXTD被用于生成容量VMAXTD处的3D模型。类似地，使用容量VMAXTD和容量VMINTD处的参考传感器174的位置，并且基于差值ΔVMAXTD-VMINTD，可以生成容量VMINTD处的3D模型。因此，如图3中详述的，生成两个3D模型，容量VMAXTD处的3D模型和VMINTD处的3D模型。
利用每个以时间间隔Δt确定的一个或多个中间容量Vtn，可以通过与上述类似的方法来生成在每个容量Vtn处的模拟或动态3D模型。每个中间容量Vtn可在从VMAXTD到VMINTD的Δt时间间隔获得。在其他实施例中，中间容量Vtn可在从VMAXTD到VMINTD并且返回到VMAXTD的Δt时间间隔获得。通过使用不同时间的容量与在每次参考传感器174的位置之间的差异，可以生成另外的3D模型。
例如，如图4A中示出的，时间t1是在时间tMAX之后的第一时间t，在所述时间t1处VMAXTD被确定并且VMAXTD处的3D模型被生成。在时间t1，容量是Vt1。通过使用在容量VMAXTD和容量Vt1处的参考传感器174的位置之间的差异，并且基于所述差值ΔVMAXTD-Vt1，可以基于容量VMAXTD处的3D模型生成容量Vt1处的模拟3D模型。因此，在第一次迭代期间，针对容量VMAXTD、Vt1和VMINTD生成3D模型。接下来，在容量为Vt2的时间t2处，生成模拟3D模型。对于时间t2，通过使用容量Vt1和容量Vt2处的参考传感器174的位置之间的差异，并且基于差值ΔVt1-Vt2，可以基于容量Vt1处的3D模型来生成容量Vt2处的模拟3D模型。使用先前生成的3D模型来生成新的3D模型的所述手术可以被使用n次，从而使用容量Vtn-1和容量Vtn处的参考传感器174的位置之间的差异来生成n个3D模型。可以基于差值ΔVtn-1-Vtn生成容量Vtn处的3D模型。在其他实施例中，也可以基于第二先前3D模型或第三先前3D模型或者容量VMAXTD处的3D模型与每个中间容量Vtn之间的差异来计算差值。
现在参考图4B，示出了根据本公开的实施例的用于确定3D模型的说明性方法400的流程图。如图4A中所描述的，方法400示出了用于基于胸腔容量变化来生成多个3D模型的步骤。从步骤405处开始，参考传感器174的位置在患者的呼吸周期期间以预定间隔确定，所述参考传感器174的位置在图3的步骤320处存储在存储器202中在队列或列表中从最大潮气量处的参考传感器174的位置到最小潮气量处的参考传感器174的位置(排除在VMAXTD和VMINTD处的参考传感器174的位置)排序(从图4A的Vt1到Vtn的传感器位置)。可以设想，步骤405的有序列表排除参考在最大潮气量处的传感器174的位置和在最小潮气量处的参考传感器174的位置(这是在图3的步骤325中确定的)，因为已经生成了这些位置的3D模型，并且因为这些3D模型是用于生成模拟3D模型生成步骤的基线。
接下来，在步骤410处，确定在有序列表中的当前最大潮气量处的参考传感器174的位置，并且在步骤415处，确定在有序列表中当前最大潮气量处的参考传感器174的位置与先前最大潮气量处的参考传感器174的位置之间的差异。例如，在通过步骤415的第一次迭代期间，确定在最大潮气量(图4A的Vt1)处的参考传感器174的位置与在先前最大潮气量(图4A的VMAXTD)处的参考传感器174的位置之间的差异。
在步骤420处，基于在当前最大潮气量处的参考传感器174的位置和在先前最大潮气量处的参考传感器174的位置之间的所确定的差异，确定患者胸部中的结构从与参考传感器174的先前存储位置处相关联的3D模型中示出的位置到与当前最大潮气量相关联的位置的可能移动。接下来，在步骤425处，生成当前最大潮气量处的更新的模拟3D模型，并且在步骤430处，将当前最大潮气量处的模拟3D模型存储在数据库215中。在步骤435处，确定是否已经针对包含在步骤405处生成的有序列表中的参考传感器174的所有位置生成并且存储了3D模型。如果已经针对有序列表内的参考传感器174的所有位置生成了3D模型，则方法400结束。替代地，如果在步骤435处确定尚未针对有序列表内的参考传感器174的所有位置生成3D模型，则方法400进行到步骤440，在步骤440处移除有序列表中的当前最大潮气量。接下来，方法400返回到步骤410，在所述步骤410处，选择有序列表中的新的当前最大潮气量。另外，如果检测到患者的过度移动或偏移，则可以提供警报，并且临床医生可以选择将此类“异常”识别为咳嗽、打哈欠、叹息或其他形式的预期呼吸事件。在此类事件被作为咳嗽或其他预期移动记入的情况下，此类移动可以被进一步记录为标记事件的一部分，使得可以与未来事件进行比较，并且使得计算装置180可以识别所述事件。
如方法400中所示且参考图4A所描述的，可以为参考传感器174的中的位置的每一个迭代地生成模拟3D模型，无论是共同地、单个地还是在某个其他子集或组中进行评估，如在呼吸周期期间以预定间隔确定的，其在列表中被排序。每个3D模型部分地或全部地基于一个或多个先前生成的3D模型以及对应于要生成的当前3D模型的参考传感器174的位置和对应于先前生成的先前3D模型的参考传感器174的位置之间的差异来生成。因此，可在所述预定间隔的每个期间增量地生成模拟3D模型。另外，由于3D模型是基于至少两个已知位置之间的所确定的增量差异而动态生成的，因此可以针对任何潜在的时间间隔生成3D模型。此外，可以基于上述3D模型生成动态移动的3D模型模拟，以创建随患者的呼吸周期变化的3D模型的“移动”图像。
现在参考图5，示出了根据本公开的实施例的用于手术中3D模型选择和生成的说明性方法500的流程图。从步骤505开始，包含从方法300和400生成的患者内部的3D模型的导航规划被加载到计算装置180中。
接下来，在步骤510处，当患者正常呼吸时，临床医生开始导航和/或外科手术。在步骤515处，确定在手术开始之前附着到患者的参考传感器174的位置，并且在整个手术中对所述参考传感器174进行跟踪。
另外，尽管在方法500中未示出，但是在导航之前，临床医生可以执行自动配准。配准的示例包含临床医生将支气管镜150、可定位引导件192和EWC196推进到患者气道的每个区域中，直到已经获得表示可定位引导件192的EM传感器194在患者气道内的位置的足够的数据点，以将3D模型与患者气道配准。布朗等人于2015年7月2日提交的标题为“实时自动配准反馈”(REAL-TIME AUTOMATIC REGISTRATION FEEDBACK)的美国专利公开第2016/0000356号中阐述了此类配准技术的细节，其全部内容通过引用并入本文。
接下来，在步骤520处，处理器204确定参考传感器174的所确定的位置是否在图3的步骤325处确定的最大潮气量与最小潮气量之间。例如，处理器204可以确定在步骤515处确定的参考传感器174的位置与在最大处潮气量处的参考传感器174的位置(在步骤325处确定)之间的差异是否小于在最大处潮气量处的参考传感器174的位置和在全屏气时参考传感器174的位置(在步骤S335处确定)之间的差异，以确定在步骤515处确定的参考传感器174的位置不在最大潮气量与最小潮气量之间。同样，处理器204可以确定在步骤515处确定的参考传感器174的位置与在最小处潮气量处的参考传感器174的位置(在步骤325处确定)之间的差异是否大于在最小处潮气量处的参考传感器174的位置和在全屏气时参考传感器174的位置(在步骤S335处确定)之间的差异，以确定在步骤515处确定的参考传感器174的位置不在最大潮气量与最小潮气量之间。如果在步骤520处确定所确定的参考传感器174的位置在最大潮气量与最小潮气量之间，则方法500进行到步骤540，在步骤540处，显示最接近地对应于参考传感器174的位置的3D模型。另外地或替代地，可以选择一个或多个单独的参考传感器174或参考传感器组174，并且可以仅评估关于此类参考传感器174的位置的数据，以确定要显示哪个3D模型。例如，可以基于3D模型的显示部分和/或关注区域来选择参考传感器174的个体或组。接下来，方法500进行到步骤545，在步骤545处，确定导航和/或外科手术是否已经完成。如果导航和/或外科手术已经完成，则方法500结束。如果在步骤545处确定导航和/或外科手术尚未完成，则方法500返回到步骤515，在步骤515处确定参考传感器174的新位置。因此，方法500的步骤515-520-540-545-515允许临床医生可视化患者胸部的多个3D模型，其中每个3D模型对应于患者的呼吸周期的特定阶段或点期间参考传感器174的位置。结果是3D模型在患者呼吸期间从最大潮气量呼吸变为最小潮气量呼吸时的类似视频的显示。
如果在步骤520处，确定参考传感器174的检测到的位置(无论是共同地、单个地还是在各种子集或组中)，都不在最大潮气量与最小潮气量之间，则方法500进行到步骤525，在步骤525处向临床医生提供警报。所述警报可以是听觉的、触觉的和/或视觉的，并且向临床医生提供参考传感器174的移动在最大潮气量和最小潮气量之外的通知，并且因此可以显示的3D模型可能不太准确。在一些实施例中，在向临床医生提供警报之前，处理器204可以确定检测到不在最大潮气量与最小潮气量之间的位置的参考传感器174是否在关注区域的预定距离内。然后，处理器204可以排除超过关注区域的预定距离的参考传感器174，使得其不发出警报。例如，仅当关注区域的预定距离内的个体或一组参考传感器174已经检测到不在最大潮气量与最小潮气量之间的位置时，处理器204才可以提供警报。处理器204还可以对不同的参考传感器174应用不同的权重。例如，更靠近关注区域的参考传感器174可以比更远离关注区域的参考传感器174权重更重。因此，当参考传感器174已经检测到对应于患者的呼吸周期中不同阶段或点的位置时，处理器204可以基于更靠近关注区域的参考传感器174的检测到的位置而不是更远离关注区域的参考传感器174的检测到的位置来选择更新的3D模型。类似地，当远离关注区域的参考传感器174已经检测到不在最大潮气量与最小潮气量之间的位置时，处理器204可以忽略和/或停用此类参考传感器174。
接下来，在步骤530处，可以利用延迟来确定在最大潮气量和最小潮气量之外的参考传感器174的位置是否是由于传感器的零星移动，诸如患者的咳嗽或非呼吸移动。延迟可以基于单个完整呼吸周期或多个呼吸周期。在延迟之后，再次确定参考传感器174的位置，并且在步骤535处，确定参考传感器174的位置是否在最大潮气量与最小潮气量之间。如果在步骤535处确定参考传感器174的位置在最大潮气量与最小潮气量之间，则方法500进行到步骤540，在步骤540处，显示最接近地对应于参考传感器174的位置的3D模型。
如果在步骤535处确定参考传感器174的位置不在最大潮气量与最小潮气量之间，则方法500进行到步骤550，所述在步骤550处确定是否应生成新的3D模型。可以向临床医生提供警报，指示手术中呼吸超过在步骤505处导入的3D模型。然后，临床医生可以向计算装置180提供指示是否应生成在最大潮气量和/或最小潮气量处的新的3D模型的输入。如果在步骤550，计算装置180接收到更新3D模型的输入，则方法500返回到图3的步骤325，其中确定新的最大潮气量和/或最小潮气量，并且生成并且存储新的3D模型。如果在步骤550处，临床医生选择不生成新的3D模型，并且因此计算装置180未接收到更新3D模型的输入，则方法500进行到步骤545。
现在转到图6，示出了计算装置180的示意图。计算装置180可以包含：存储器202，其还包含CT图像数据214；数据库215；以及应用程序281，其包含用户接口模块216。计算装置180还包含至少一个处理器204、显示接口206、网络接口208、输入装置210和/或输出模块212。在一些实施例中，数据库215被存储在不同的计算装置中，并且经由网络接口208接口连接到计算装置180。
本文已经描述了装置、并入此类装置的系统以及使用它们的方法的详细实施例。然而，这些详细的实施例仅是本公开的示例，其可以以各种形式实施。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅是作为权利要求的基础和允许本领域技术人员在实际上任何适当的详细结构中采用本公开的代表性基础。尽管前述的实施例是根据患者气道的支气管镜检查来描述的，但是本领域的技术人员将认识到，相同或类似的装置、系统和方法也可以用于其他管腔网络，诸如，例如，血管、淋巴管和/或胃肠网络。

Claims (10)

1.一种用于可视化患者胸部内的结构的移动的系统，所述系统包括：
电磁(EM)跟踪系统，其包含：
EM场发生器，其被配置为生成EM场；
多个EM传感器，其附着到患者并且能在所述EM场内移动；和
跟踪模块，其被配置为检测所述多个EM传感器在所述EM场内的位置；
显示装置；和
计算装置，其包含：
处理器；和
存储指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时使得所述计算装置执行以下操作：
接收所述患者胸部的多个图像；
基于所述患者胸部的所述多个图像来生成所述患者胸部内部的第一(3D)三维模型；
确定在全屏气处的所述多个EM传感器的位置；
确定在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置；
确定在所述最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置和在所述全屏气处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异；
基于在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置和在全屏气处的所述多个EM传感器的所述位置之间的所述差异，生成在最大潮气量处的第二3D模型；以及
使得所述显示装置显示所述第二3D模型。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
确定在最小潮气量处的所述多个EM传感器的位置；
确定在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异；和
基于在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的所述差异，生成在最小潮气量处的第三3D模型。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
以预定间隔生成所述多个EM传感器的多组位置的有序列表，其中所述有序列表排除在最大潮气量处和最小潮气量处的EM传感器的所述位置；
从所述有序列表中选择所述多个EM传感器的第一组位置；
确定所述多个EM传感器的选定的第一组位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的位置之间的差异；和
基于所述多个EM传感器的选定的第一组位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的所述差异，生成第四3D模型。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
从所述多个EM传感器中选择EM传感器的子集，所述EM传感器的子集对应于所述患者胸部的区域；
确定所述EM传感器的子集的当前位置；
确定所述EM传感器的子集的所述当前位置与最大潮气量期间的所述EM传感器的子集的位置、最小潮气量期间的所述EM传感器的子集的位置、以及所述多个EM传感器的选定的第一位置之间差异；和
基于所述EM传感器的子集的所述当前位置与最大潮气量期间的所述EM传感器的子集的位置、最小潮气量期间的所述EM传感器的子集的位置、以及所述多个EM传感器的选定的第一位置之间的所确定的差异，使得所述显示装置显示所述第二3D模型、所述第三3D模型或所述第四3D模型中的一个。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
确定所述多个EM传感器的当前位置；
确定所述多个EM传感器的所述当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置或在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异；
确定在所述多个EM传感器的所述当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异小于在全屏气处的所述多个EM传感器的所述位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的所述差异，或者所述多个EM传感器的所述当前位置与在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异大于在全屏气处的所述多个EM传感器的所述位置与在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异；和
基于所述多个EM传感器的所述当前位置与在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置或在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置之间的差异，生成第五3D模型。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
在外科手术期间以预定间隔确定所述多个EM传感器的手术中位置；和
确定所述多个EM传感器的所述手术中位置是否超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置或者在最大潮气量处的EM传感器的所述位置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
当确定所述多个EM传感器的所述手术中位置没有超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置和在最大潮气量处的EM传感器的所述位置时，选择对应于所述多个EM传感器的所述手术中位置的3D模型。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
当确定所述多个EM传感器的所述手术中位置超过在最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置或在最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置时，生成在最大潮气量处的新的3D模型或在最小潮气量处的新的3D模型。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时，还使得所述计算装置执行以下操作：
在确定所述多个EM传感器的所述手术中位置超过最小潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置或最大潮气量处的所述多个EM传感器的所述位置时提供警报。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述患者胸部的所述多个图像是在全屏气CT扫描期间获得的。
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