CN115998429A - 用于规划和导航管腔网络的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于导航管腔网络的系统和方法，该系统和方法包括：接收计算机断层扫描(CT)图像数据集；生成三维(3D)模型；在操作地连接到计算装置的显示器上的用户界面中显示该3D模型；以及接收该CT图像数据集中肿瘤的位置的指示。该系统和方法还包括：在该3D模型中显示该肿瘤的该位置；接收该肿瘤周围的边缘的指示以实现期望的治疗；生成通往该肿瘤的路径规划以用于导管的导航；接收与导航导管相关联的传感器的位置，并且将该CT图像数据集与患者的管腔网络配准；在该3D模型内显示该传感器的该位置，该位置基本上对应于该传感器在该患者的该管腔网络内的位置。

Description

用于规划和导航管腔网络的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年10月21日提交的美国临时申请号63/270,424的权 益和优先权，该美国临时申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

所公开的技术大体上涉及腔内导航和治疗系统及方法。

背景技术

当前技术包括导管系统，该导管系统能够使导管尖端通过身体的曲折 管腔导航到目标。本技术涉及使用身体目标区域的医学图像(例如，计算 机断层扫描(CT)图像)实时移动导管。导航可以基于医学图像中所示的 解剖结构(例如，气道支气管结构)的结构呈现为推荐路径。然而，在导 航期间，导管系统可能无法使导管的远侧部分到达与目标具有可接受的对 准的所有位置。

另外，虽然术前成像可以提供高质量的图像以用于规划通往例如患者 气道内目标的路径，但在成像期间患者体内结构的相对位置与后续手术中 轴线结构的位置之间的偏差(例如，CT与身体的偏差)可能会导致错误， 从而使活检和消融导管准确放置在目标(例如，肿瘤或病变)内并在该目 标内居中非常困难。因此，对现有导航系统的改进。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种用于规划和导航管腔网络的系统，该系统 包括：计算装置，该计算装置包括存储器和处理器，该存储器存储一个或 多个应用程序，该一个或多个应用程序当由该处理器执行时执行以下步 骤：接收计算机断层扫描(CT)图像数据集；生成三维(3D)模型；在操 作地连接到该计算装置的显示器上的用户界面中显示该3D模型；接收该 CT图像数据集中肿瘤的位置的指示；在该3D模型中显示该肿瘤的该位 置；接收该肿瘤周围的边缘的指示以实现期望的治疗；生成通往该肿瘤的 路径规划以用于导管的导航；接收与导航导管相关联的传感器的位置，并 且将该CT图像数据集与患者的管腔网络配准；在该3D模型内显示该传感 器的该位置，该位置基本上对应于该传感器在该患者的该管腔网络内的位 置；按照路径规划，显示导航导管到肿瘤的导航；接收术中图像数据集； 基于该术中图像数据集更新该3D模型中该肿瘤与该导航导管的相对位置； 在该3D模型中显示推进到该肿瘤中的该导航导管；接收描绘该导航导管相 对于该肿瘤的第二术中图像数据集；接收消融导管已被推进通过该导航导 管的指示；以及开始肿瘤的消融。此方面的其他实施方案包括对应的计算 机系统、装置和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序，每个 计算机存储装置被配置为执行本文描述的方法和系统的动作。

本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。 在该系统，其中自动生成边缘。该肿瘤位于气道壁之外。该系统还包括在 用户界面上在3D模型中的位置处显示进入点。该系统还包括接收消融导管 正确放置在肿瘤中的指示。该术中图像数据集描绘了消融的进展。第一术 中图像数据集、第二术中图像数据集和第三术中图像数据集是荧光透视图 像或锥形束CT图像。路径规划被配准到第二术中图像数据集或第三术中图像数据集。该系统还包括在第二术中图像数据集或第三术中图像数据集上 显示路径规划、进入点、肿瘤或边缘的至少一部分。该系统还包括在第三 术中图像数据集上显示消融区域。该系统还包括在开始消融之前接收调整 该消融区域的指令。这些重要结构覆盖在第一术中图像数据集或第二术中 图像数据集上。以减小的辐射剂量采集第一术中图像数据集或第二术中图 像数据集。在第一术中图像数据集或第二术中图像数据集采集期间，跳过图像数据集的某些帧以减小成像的辐射剂量。该系统还包括接收重要结构 或关键结构的指示以及与该重要结构或该关键结构保持的最小距离。所描 述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上 的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合， 所述软件、固件、硬件或它们的组合在运行时使得系统执行动作。一个或 多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当 数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备执行所述动作。

本公开的第二方面涉及一种用于规划和导航管腔网络的系统。该系统 还包括导航导管，该导航导管被配置用于插入患者的管腔网络中。该系统 还包括传感器，该传感器与该导管相关联以用于检测该导航导管在该患者 的该管腔网络内的位置；计算装置，该计算装置包括存储器和处理器，该 存储器存储一个或多个应用程序，该一个或多个应用程序当由处理器执行 时：显示该患者的该管腔网络的3D模型，该3D模型包括该管腔网络的气道和血管、通过该管腔网络的路径、包括边缘的肿瘤，并且其中该肿瘤位 于气道壁之外、进入点以及基于所检测的该传感器的位置的该导管在该患 者的该管腔网络内的位置；接收术中图像；将该3D模型的至少一部分覆盖 到该术中图像上。该系统还包括消融导管，该消融导管被配置用于接纳到 该导航导管中以用于该肿瘤的治疗。此方面的其他实施方案包括对应的计 算机系统、装置和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序，每 个计算机存储装置被配置为执行本文描述的方法和系统的动作。

本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。 在消融导管插入肿瘤中时在用户界面上显示术中图像。在插入消融导管之 前，在该术中图像上显示在治疗手术之前确定的消融区域，并且能够在消 融开始之前调整该消融区域。所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方 法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软 件、固件、硬件、或它们的组合，所述软件、固件、硬件或它们的组合在 运行时使得系统执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括 指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所 述设备执行所述动作。

本公开的另一方面涉及：该方法还包括：接收计算机断层扫描(CT) 图像数据集；生成三维(3D)模型；在操作地连接到计算装置的显示器上 的用户界面中显示该3D模型；接收该CT图像数据集中肿瘤的位置的指 示；在该3D模型中显示该肿瘤的该位置；接收该肿瘤周围的边缘的指示以 实现期望的治疗；生成通往该肿瘤的路径规划以用于导管的导航；接收与 导航导管相关联的传感器的位置，并且将该CT图像数据集与患者的管腔网 络配准；在该3D模型内显示该传感器的该位置，该位置基本上对应于该传 感器在该患者的该管腔网络内的位置；按照路径规划，显示导航导管到肿 瘤的导航；接收术中图像数据集；基于该术中图像数据集更新该3D模型中 该肿瘤与该导航导管的相对位置；在该3D模型中显示推进到该肿瘤中的该 导航导管；接收描绘该导航导管相对于该肿瘤的第二术中图像数据集；接 收消融导管已被推进通过该导航导管的指示；以及开始肿瘤的消融。此方 面的其他实施方案包括对应的计算机系统、装置和记录在一个或多个计算 机存储装置上的计算机程序，每个计算机存储装置被配置为执行本文描述 的方法和系统的动作。

本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。 该方法还包括确定管腔网络的壁上用于进入肿瘤的进入点的位置，其中该 肿瘤位于气道壁之外。所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过 程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固 件、硬件、或它们的组合，所述软件、固件、硬件或它们的组合在运行时 使得系统执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备 执行所述动作。

附图说明

图1是根据本公开的电磁导航和成像系统的透视图；

图2A是根据本公开的示例性导航和治疗规划用户界面；

图2B是根据本公开的第二示例性导航和治疗规划用户界面；

图3是根据本公开的腔内导航用户界面；

图4A是根据本公开的进入工具的透视图；

图4B是图3中的进入工具插入和操纵导管时的透视图；

图5是根据本公开的活检工具的透视图；

图6是根据本公开的微波消融系统；

图7A和图7B描绘了根据本公开的方法；并且

图8是根据本公开的计算装置的示意图。

具体实施方式

图1是用于促进通过肺部的气道将医疗装置(例如，导管)导航到软 组织目标的示例性系统的透视图。系统100可被进一步配置为由2D荧光透 视图像构造目标区域的基于荧光透视的3D体积数据，以确认到期望位置的 导航。附加地或另选地，系统100的成像装置可以被配置用于锥束计算机 断层扫描(CBCT)成像，如下文更详细地描述。系统100可以被进一步配 置成促进通过使用电磁导航(EMN)使医疗装置接近目标区域并且用于确 定医疗装置相对于目标的位置。一种此EMN系统是当前由美敦力公司销售 的ILLUMISITE系统，但是用于腔内导航的其他系统也被视为处于如上所 述的本公开的范围内。

系统100的一个方面是用于查看已从系统100单独获取的计算断层摄 影(CT)图像扫描数据的软件组件。对CT图像数据的查看允许用户标识 一个或多个目标、规划到达所标识的目标的路径(规划阶段)、使用计算 装置122上的用户界面将导管102导航到目标(导航阶段)以及确认传感 器104相对于目标的放置。该目标可以是通过在规划阶段期间检查CT图像 数据而识别的感兴趣的组织。按照导航，可以将医疗装置(诸如活检工 具、进入工具或治疗工具(例如，柔性微波消融导管))插入导管102中 以获得组织，从而使得能够进入目标部位，或者对目标部位进行治疗。

如图1所示，导管102是导管引导组合件106的一部分。在实践中， 导管102插入到支气管镜108中以进入患者P的腔网络。具体地，导管引 导组合件106的导管102可以插入到支气管镜108的工作通道中以导航通 过患者的腔网络。包含传感器104的可定位引导件(LG)110(第二导管) 被插入到导管102中并且被锁定到定位处，使得传感器104延伸超过导管 102的远侧尖端的期望距离。可以得到电磁场内传感器104相对于参考坐标 系的定位和朝向，以及因此导管102的远侧部分的定位和朝向。导管引导 组合件106目前由美敦力公司以商品名

程序套件或 EDGE^TM程序套件市售和销售，并且被设想为可与本公开一起使用。

系统100一般包括被配置为支撑患者P的操作台112；被配置为通过 患者P的口插入患者P的气道的支气管镜108；联接到支气管镜108的监视 设备114(例如，视频显示器，用于显示从支气管镜108的视频成像系统接 收的视频图像)；包括定位模块116、多个基准传感器18和发射器垫120 的定位或跟踪系统114。发射器垫120可以包括多个并入的标记物。系统 100还包括计算装置122，该计算装置上的软件和/或硬件用于促进目标的识 别、规划通往目标的路径、将医疗装置导航到目标，以及/或者确认和/或确 定导管102或合适的设备相对于目标的放置。

如上所述，能够采集患者P的荧光透视图像或视频或CBCT图像的成 像装置124也包括在系统100的此特定方面中。由成像装置124捕获的图 像、图像系列或视频可以存储在成像装置124内，或传输到计算装置122 以用于存储、处理和显示。另外，成像装置124可以相对于患者P移动， 使得可以相对于患者P从不同角度或视角获取图像以创建图像序列诸如荧 光透视视频。成像装置124相对于患者P的方位以及在捕获图像时的方位 可以经由结合到发射器垫120的标记物、在手术台112中的标记物、或者 放置在患者与手术台112之间的衬垫(未示出)来估计。这些标记物位于 患者P下方、患者P与手术台112之间以及患者P与放射源或成像装置124 的传感单元之间。这些标记物可以具有对称的间距，或者可以具有不对称 的间距、重复图案或没有图案。成像装置124可以包括单个成像装置或多 于一个成像装置。当采用CBCT装置时，捕获的图像可以用于确认工具在 患者体内的位置、更新基于CT的3D建模，或者用患者气道的术中建模和 导管102在患者体内的位置代替术前3D建模。

计算装置122可以是包括处理器和存储介质的任何合适的计算装置， 其中处理器能够执行存储在存储介质上的指令。计算装置122还可以包括 数据库，该数据库被配置为存储患者数据、包括CT图像的CT数据集、 CBCT图像和数据集、包括荧光透视图像和视频的荧光透视数据集、荧光 透视3D重构、导航规划、以及任何其他这种数据。尽管未明确展示，但是 计算装置122可以包括输入，或者可以另外被配置为接收CT数据集、荧光 透视图像/视频和本文描述的其他数据。另外，计算装置122包括被配置为 显示图形用户界面的显示器。计算装置122可以连接到一个或多个网络， 通过该一个或多个网络可以访问一个或多个数据库。

关于导航阶段，利用六自由度电磁定位或跟踪系统114，或用于确定 导管102的远侧部分的位置和取向的其他合适的系统(例如，光纤布拉格 柔性传感器)来执行当患者位于手术台112上时与术前图像(例如，CT图 像数据集和从中得到的3D模型)和导航路径的配准。

在EMN型系统中，跟踪系统114可以包括跟踪模块116、多个参考传 感器118和发射器垫120(包括标记物)。跟踪系统114被配置用于与可定 位引导件110特别是传感器104一起使用。如以上所描述的，可定位引导 件110和传感器104被配置用于穿过导管102插入到患者P的气道中(利 用或不利用支气管镜108)，并且可通过锁定机构相对于彼此选择性地锁 定。发射器垫120定位在患者P下方。发射器垫120在患者P的至少一部 分周围生成电磁场，可以使用跟踪模块116确定所述电磁场内多个参考传 感器118和传感器104的定位。第二电磁传感器126也可以并入到导管102 的端部中。第二电磁传感器126可以是五自由度传感器或六自由度传感 器。参考传感器118中的一个或多个参考传感器被附接到患者P的胸部。

配准是指将术前图像的坐标系(特别是从中得到的3D模型)与例如 通过支气管镜108观察到的患者P的气道相关联的方法，经过配准，就能 够在准确知道传感器104在患者体内的位置并且准确描绘3D模型中该位置 的情况下进行导航。配准可以通过移动传感器104通过患者P的气道来执 行。更具体地，涉及当可定位引导件110移动通过气道时传感器104的位 置的数据使用发射器垫120、参考传感器118和跟踪系统114记录。将由此 位置数据产生的形状与在规划阶段期间生成的3D模型的通道的内部几何形 状进行比较，并例如利用计算装置122上的软件确定基于比较的形状和3D 模型之间的位置相关性。软件将表示传感器104的位置的图像与3D模型和 /或由三维模型生成的二维图像对准或配准，这基于记录的位置数据和可定 位引导件110仍定位在患者P的气道中的非组织空间中的假设。另选地， 手动配准技术可以通过以下来采用：将具有传感器104的支气管镜108导 航到患者P的肺部中的预先指定的位置处，并将来自支气管镜的图像与3D 模型的模型数据手动关联。

尽管在本文中关于使用EM传感器的EMN系统进行了描述，但是本公 开不限于此，并且可以与柔性传感器、形状传感器(诸如光纤布拉格光栅 传感器)、超声传感器结合使用或在没有传感器的情况下使用。另外，本 文描述的方法可以与机器人系统结合使用，以使得机器人致动器驱动导管 102或支气管镜108接近目标。

如下文更详细地描述，在导航过程期间的任何点处，并且如下文更详 细地描述，工具诸如活检工具、进入工具或包括例如微波消融工具的治疗 工具等可以插入导管102中以使工具接近期望的目标。

关于规划阶段，计算装置122(或未示出的单独的计算装置)利用预 先采集的CT图像数据来生成并查看患者P的气道的3D模型或渲染，实现 对目标(自动地、半自动地或手动地)的标识，并允许确定通过患者P的 气道到达位于目标处和目标周围的组织的路径。更具体地，将从CT扫描中 获取的CT图像处理并组装成3D CT体积，随后利用该3D CT体积来生成患者P的气道的3D模型。3D模型可以在与计算装置122相关联的显示器 上显示，或以任何其他合适的方式显示。使用计算装置122，呈现了3D模 型或由3D模型生成的增强的二维图像的各个视图。增强的二维图像可以具 有某些3D能力，因为其是由3D数据生成的。可以操纵3D模型以促进对 3D模型或二维图像上的目标的识别，并且可以进行对通过患者P的气道进入位于目标处的组织的合适的路径的选择。一旦选择，保存路径规划、3D 模型以及从中得到的图像就可以被保存并导出到导航系统以在导航阶段期 间使用。当前由美敦力公司销售的ILLUMISITE软件套件包含一种此规划 软件。

规划阶段的初始方面涉及肿瘤监测，即所谓的观察等待。作为其中的 一部分，可以在一时间段内(例如，数月或数年)采集患者的一系列CT图 像数据集。在每个CT图像数据集中识别肿瘤。尽管被描述为CT图像数据 集，但任何医学数字成像与通信(DICOM)格式的图像数据集都可以用于 此目的。通过识别肿瘤的轮廓，使用下文概述的过程，并仅聚焦于肿瘤附 近的CT图像数据集部分，可以观察到疾病的进展。这可以视频形式完成， 其中肿瘤的大小和形状随时间在视频中发生变化。另选地，可以使用例如 不同的颜色或不同的透明度水平来彼此覆盖每个CT图像数据集中的肿瘤边 界，该不同的颜色或不同的透明度水平指示每次成像时肿瘤的进展程度。 此类边界可以在2D图像和3D体积中描绘。利用这些特征可以确定应该治 疗哪些肿瘤，以及哪些肿瘤可以被允许继续生长以在稍后的日期进行治疗。一些问题诸如治疗后的疼痛、与关键结构的接近程度和全身治疗(诸 如代替消融的化疗)的效果，都可能在确定在任何给定时间治疗哪些肿瘤 方面发挥作用。

图2A描绘了根据本公开的3D建模和路径规划系统的用户界面200。 3D建模和路径系统包括存储在计算装置122上的存储器中的软件应用程 序，当由处理器执行时，该软件应用程序执行如下所述的多个步骤以生成 在用户界面200中显示的输出。如用户界面200的中心所描绘的，软件的 第一步骤中的一者是生成3D模型202。3D模型202是气道和气道周围的脉 管系统的模型，并且例如根据患者肺部的术前CT图像数据集生成。使用分 割技术，根据CT图像数据集定义3D模型202，并用一种颜色描绘气道 204、第二种颜色描绘静脉206、第三种颜色描绘动脉208，以辅助外科医 生基于颜色区分解剖结构的部分。

生成3D模型202的应用程序可以包括CT图像查看器(未示出)，该 CT图像查看器使得用户能够在生成3D模型202之前查看单个CT图像 (例如，来自CT图像数据的2D切片图像)。通过查看CT图像，临床医 生或其他用户可以利用他们对人类解剖结构的知识来识别患者体内的一个 或多个肿瘤。临床医生可以在CT图像中标记肿瘤或疑似肿瘤的位置。如果在例如轴向切片CT图像中识别到肿瘤，则该位置也可以在例如矢状和冠状 视图中显示。然后，用户可以在所有三个视图中调整对肿瘤边缘的识别， 以确保识别整个肿瘤。如将理解的，在不脱离本公开的范围的情况下，可 以查看其他视图以辅助此过程。应用程序利用临床医生提供的这种位置的 指示来生成并显示肿瘤210在3D模型202中的位置的指示符。除了手动标 记肿瘤的位置之外，还有多种已知的自动肿瘤识别工具，这些工具被配置 为自动处理CT图像扫描并识别疑似肿瘤。

一旦识别到肿瘤210，路径规划软件就允许用户在例如CT图像数据集 的3D体积的2D切片中标识接近肿瘤210的气道。当识别到气道时，路径 规划软件可以自动生成从肿瘤到气管的路径，特别是接近肿瘤的已识别气 道。这可以使用算法来实现，该算法确保在从肿瘤210到气管的路径的每 次前进时，气道的直径相对于气道的先前部分增加。如将理解的，规划软 件还可以自动识别离肿瘤210最近的气道，并生成从肿瘤210到气管的路 径，供临床医生接受。

此外，结合下文所述的方法，当肿瘤210位于气道之外时，进入点 211可以自动生成，也可以手动识别并显示在3D模型202中。进入点211 是气道204表面上的点，在该处可使用进入工具400(图4A)刺穿气道并 穿过气道之外的肺实质和其他组织以到达肿瘤。对进入点211的识别考虑 了多个因素，包括导管102的灵活性、进入工具400的灵活性、活检工具500的灵活性(图5)、消融导管600的灵活性和弯曲约束(图6)、接近 肿瘤210的气道形状。如将理解的，然而，由于气道直径的约束以及任何 工具的弯曲限制，为了手术目的，可以将进入点211更好地放置在离导管 102能够实现的最接近肿瘤的点一定距离处，因此期望在插入任何上述工具 之前将导管102直接导航到肿瘤。在实践中，期望进入点211位于进入工具400、活检工具500或消融导管600能够从肺部气道延伸通过进入点 211、通过实质并以基本上直线进入肿瘤的点处，使得这些工具的远侧部分 的附加弯曲可以被限制。

在确定进入点211的放置时考虑的另一个因素是接近肿瘤210的气道 的形状。如将理解的，如果气道中存在急弯并且进入工具400被部署，则 存在进入工具可能在刺穿气道之前滑动并且滑下气道而不是在气道中创建 开口的风险。与术前生成的其他数据一样，进入点211可以显示在成像装 置124捕获的术中图像(例如，荧光透视或CBCT图像)上。此外，一旦 如此覆盖在术中图像上，用户就能够调整进入点211的放置，以考虑气道 和肺的形状在术前图像与通过术中图像找到的它们的实际位置之间的任何 差异。通过将进入点211移动到术中图像中的期望位置而进行的更新可以 通过进入点在3D模型202中的位置变化来反映，从而更新导航导管102通 往肿瘤的路径。

用户界面200包括各种特征，使临床医生能够更好地了解患者的生理 状况，并增强或减少呈现的信息量，以便临床医生能够更好地了解情况。 第一工具是肿瘤工具212，其提供了关于如上所述识别到的肿瘤或病变的信 息。肿瘤工具212提供了关于肿瘤的信息，诸如肿瘤的尺寸，并且根据CT 图像的保真度，可以提供关于肿瘤组织相对于周围组织的韧性或硬度以及 进入和退出肿瘤210的脉管系统的指示符，如下所述。此外，肿瘤工具212 允许在肿瘤210周围距肿瘤210的边缘期望距离处创建边缘214。边缘214 指示应被去除以确保去除所有癌变或其他病变组织以防止未来肿瘤生长的 健康组织的一部分。

如上所述，通过提供边缘214的指示符，用户可以操纵3D模型202以 了解与肿瘤210相交的脉管系统和肿瘤210周围解剖结构的其他方面。由 于肿瘤是富含血液的组织，因此通常存在多个通向肿瘤的血管。这些血管 中的每个血管都需要在手术期间被识别和处理，以确保服务于肿瘤的血管 完全闭合，或者需要在消融手术期间被考虑作为散热器，因此需要更大的 功率来实现完全消融。另外，可以调整或改变边缘以限制手术对邻近组织的影响，这些组织可能由共同血管供应，或者是单独的肺叶或肺段的一部 分。如将理解的，将消融造成的损害限制在肿瘤或病变明显的肺部的那些 部分中始终是期望的。例如，减少了边缘以确保只切断和密封血管的一个 分支，而主血管保持完整，以便它可以继续供养其他非肿瘤组织。对这些 血管的识别是本公开的一个重要特征。

消融规划特征215允许基于肿瘤210的位置、大小和形状(包括边缘 214)、血管的接近程度和大小、重要结构的接近程度(如下所述)、消融 方式(例如，微波、低温、射频、乙醇等)自动生成治疗规划。消融规划 特征215评估这些和其他特征以输出各种数据，这些数据包括消融定时、 发生器的功率设置、治疗的暂停持续时间、消融导管放置在肿瘤中的位置、当需要多次放置以消融整个肿瘤210或肿瘤210的奇怪形状时消融导 管在肿瘤210中的放置顺序，以及预期的消融区域。

应当理解，消融规划特征可以是完全自动的，或者可以基于用户偏好 依赖于手动输入中的一些或全部。此外，消融规划特征无论是自动的还是 依赖于手动输入的，都可以输出可能在方法上不同的若干选项，包括消融 的方式，并且用户可以从选项中进行选择以提供对肿瘤210的治疗。

消融规划特征的又一方面涉及存在需要治疗的多个肿瘤的示例。众所 周知，肿瘤的消融引起肿瘤所在组织的形状发生变化。例如，在肺的情况 下，当肿瘤被消融时，无论采用何种方式，肺都会收缩。收缩量取决于多 个因素，包括消融中气道组织的数量以及与较大气道的接近程度。与胸膜 边界的接近程度。其他疾病状态诸如COPD和肺气肿也可能对收缩产生影 响。根据本公开，一旦识别到所有肿瘤并确定了治疗方法(例如，方式、 功率、消融区域大小等)，消融规划特征就可以计算每次消融将在患者体 内引起的收缩量，并估计每次消融会在体内引起其他肿瘤的移动量。最 后，通过计算出估计的移动，可以确定治疗的顺序。在一个示例中，治疗 顺序是确定的，这样每次消融都引起剩余肿瘤的最小量的预期移动。结果 是消融规划特征向用户提供了建议的治疗顺序。一般来说，这通常会引起 位于下叶的肿瘤首先治疗，而位于上叶的肿瘤则其次治疗，然而，如上所 述，有些因素可能会导致建议的顺序不同。

图2A中描绘的下一个工具是气道生成工具216。气道生成工具216允 许用户确定3D模型202中描绘了多少代气道。如将理解的，图像处理技术 已经发展到能够识别整个肺组织中的气道。从气管到肺泡囊，人的肺部至 多约有23代气道。然而，虽然可以生成非常详细的3D模型，但这种细节 只会增加3D模型的混乱程度，并使模型对用户的用处降低，因为这些多代 的结构会模糊结构。因此，气道生成工具216允许用户将所描绘代的气道 限制到期望的水平，该期望的水平提供了用于规划给定手术的足够细节。 在图2A中，气道生成工具216被设置为第三代，并且滑块218允许用户根 据需要改变选择。

图2中描绘了静脉血管生成工具220和动脉血管生成工具222两者。 与气道生成工具216一样，静脉血管生成工具220和动脉血管生成工具222 允许用户选择要描绘在3D模型202中的静脉和动脉代水平。同样，通过选 择合适的生成水平，3D模型202可以被适当地整理，以向用户提供可用信 息。

虽然这些血管生成工具220和222以及气道生成工具216在此被描述 为3D模型202中显示的血管和气道的总代数，但是它们也可用于描绘在 3D模型202的给定位置的远侧或所识别片段中的代数。以这种方式，临床 医生可以识别气道或血管的特定分支，并且使3D模型202更新以示出超出 该气道或血管中的识别点的特定数量的代。

用户界面200的附加特征包括CT切片查看器226。当被选择时，如图 2所示，在用户界面200的侧边栏中描绘了三个CT切片图像228、230和232。这些CT切片图像中的每一者包括其自身的滑块，使用户能够移动改 变沿患者三个轴(例如轴向、冠状和矢状)中的一者显示的图像，以查看 患者的解剖结构的部分。在3D模型202中标识的特征，包括气道、静脉血管和动脉血管，也在CT切片图像中进行了描绘，以便在查看图像时提供更 大的上下文。CT切片图像也可以与3D模型202同步，从而允许用户点击 3D模型202中的任何点，查看该点在CT视图上的位置。该点实际上位于 CT切片图像228、230和232中的每一者的中心。此外，此同步允许用户 点击3D模型202中的任何分支，并查看该分支在CT切片图像228、230、 232中的位置。每个CT切片图像228、230、232左下角的扩张图标233允 许CT切片图像替换用户界面200的主显示区中的3D模型202。

隐藏组织特征234允许在3D模型202的当前视图中对观察者隐藏的组 织以幻影或描边形式显示。此外，切换236和238允许3D模型202翻转或 旋转。

用户可采用重要结构特征217来识别3D模型中出现的某些重要结构。 通过选择重要结构特征217，用户可以操纵用户界面并标记多个重要结构。 一经接受，这些重要结构以及它们的相对位置和取向将被保存，以供稍后 作为术中图像上的覆盖物应用。这些重要结构可以包括接近肿瘤的某些血 管或进入点211、神经、需要避免的其他组织。例如，血管可能是在使用进 入工具400刺穿气道期间或活检期间必须避免以防止患者体内不期望的出血的血管。另选地，因为血管在消融手术期间还充当散热器，所以除了避 免刺穿血管之外，还需要增加施加到肿瘤以实现成功消融的能量，或者可 能需要调整消融导管600的放置，使得消融区域完全捕获肿瘤，肿瘤周围 的边缘是一致的，并且组织诸如血管本身不会被不必要地损伤。这些重要 结构在3D模型202中的位置可以覆盖在由成像装置124捕获的术中荧光透 视或CBCT成像上，如将在下文更详细地描述。如将理解的，来自术前图 像的数据与从中得到的3D模型的覆盖需要如上所述的配准过程，以将来自 术前图像的数据适当地放置成在术中图像中所见的结构的正确位置和取 向。

除了重要结构特征217之外，还可以在术前图像中识别单独的相关结 构集，并将其描绘在3D模型202上，这些是关键结构。同样，可以选择关 键结构特征219，并且用户可以通过操纵用户界面200来标记关键结构。一 经接受，这些关键结构以及它们的相对位置和取向将被保存，以供稍后应 用于配准、偏差确定以及在术中图像上的覆盖。这些关键结构可以是例如 气道的轮廓、某些分叉的位置、肿瘤的位置、胸膜边界位置的轮廓等。如 下文将更详细地描述，这些关键结构可以用于覆盖在术中图像上以确定术 前图像与结构在患者体内的位置的偏差。

除了前述内容之外，还存在经由UI 200启用的多种工具。这些工具可 以呈出现在UI 200上的单个按钮的形式、与UI 200相关联的横幅的形式， 或者作为当右键或左键单击UI 200或3D模型202时可能会出现在UI 200 中的菜单的一部分。这些工具或与之相关联的按钮中的每一者都能够由使 用指向装置的用户选择，以启动本文所述应用的特征。

用户界面200的附加特征包括取向罗盘240。取向罗盘提供了三个主 轴(轴向、矢状和冠状)相对于3D模型的取向的指示。如图所示，这些轴 被定义为绿色的轴向、红色的矢状和蓝色的冠状。锚定工具241在被用户 选择时将指向工具(例如，触摸屏上的鼠标或手指)绑定到取向罗盘240。 然后，用户可以使用鼠标或其他指向工具将取向罗盘240移动到3D模型中 的新位置，并且将3D模型202锚定在该位置。在释放指向工具后，将建立 新的锚定点，并且所有未来用于操纵3D模型202的命令将以该新的锚定点 为中心。然后，用户可以拖动取向罗盘240的轴中的一者，以根据所选轴 的取向变化改变3D模型202的显示。

相关的轴向工具242也可以用于改变3D模型的所描绘的取向。如图所 示，轴向工具242包括3个轴：轴向(A)、矢状(S)、冠状(C)。尽 管示出了仅延伸到公共中心点的轴，但轴延伸到与带有字母的点246相对 的相关点244。通过选择任何带字母或不带字母的点，3D模型将自动旋转 到从点244或246的取向沿该轴的视图。另选地，可以选择并拖动点244、 246中的任一点，并且3D模型将改变其向所选点的对应视点的取向。以此 方式，轴向工具242可以在自由旋转和固定模式两者中使用。

单轴旋转工具248仅允许选择取向罗盘240中示出的三个轴中的一个 轴，通过在单轴旋转工具248中拖动该轴，实现了3D模型202仅围绕该单 轴旋转。这不同于上述自由旋转，其中一个轴的旋转会影响其他两个轴， 具体取决于指向装置移动。

3D模型取向工具250描绘了患者身体的取向相对于3D模型202的取 向的指示。重置按钮252使用户能够在患者仰卧的情况下，自动将3D模型 202的取向返回到预期的手术位置。

缩放指示符254指示屏幕的焦点。默认情况下，内部白色矩形与外部 灰色矩形的大小相同。当用户放大3D模型202时，白色与灰色矩形的相对 大小表示缩放级别。另外，一经放大，用户就可以选择白色矩形并且向左 或向右拖动，以平移在用户界面200中显示的3D模型视图。也可以操纵内 部白色矩形以调整缩放级别。加和减标签也可用于增加或降低缩放级别。

在识别肿瘤210、确定通往肿瘤的路径、识别进入点211、重要结构和 关键结构并建立包括治疗顺序在内的消融规划(如果正在治疗多个肿瘤) 之后，计算装置122可以使用所有这些数据，以使导管102能够引导导航 到肿瘤210。如上所述，此类导航的第一步骤是当患者P位于手术台112上 时，将3D模型202和上述由此识别的数据与患者P配准。在将患者P配准 到图像数据和路径规划之后，如图3所示的用户界面300显示在计算装置 122上，以允许临床医生将导管102推进患者P的气道中，在3D模型202 中复制导管102的移动。

图2B描绘了用于规划导管102导航到患者的气道中的另选UI 200。 UI 200可能更适合在某些情况下用于确定进入点211的放置，以便导管102 可以导航到肿瘤210。可以看出，并在下文中更详细地描述，将进入点211 放置在可以刺穿气道但血管基本不受任何创伤的位置是本公开的一个重要 方面。用于放置进入点211的属性包括在可以到达进入点211而不会极度 弯曲进入工具400的位置处很好地避开血管、避开其他重要和关键结构，以及通过以基本上直线推进进入工具400而到达肿瘤210的能力。在可能 的情况下，还期望避免在刺穿气道壁时刺穿多个肺段或肺叶。可以通过操 纵3D模型202并调整所显示的参数来评估所有这些因素。

图2B具有图2A中未示出的两个附加特征。血管直径特征260使得用 户能够确定要显示在3D模型202中的血管的最小大小。通过消除最小的血 管或小于某一大小的血管的一些部分，3D模型变得不那么拥挤，肿瘤和气 道变得更清晰。此外，使用选择器262从3D模型中去除肺中的一者的选项 进一步减少了3D模型的混乱。这两个特征都使评估进入点211和确定其最 佳位置变得更容易，并且能够更彻底地审查用户认为对其用途最重要的3D 模型的各个方面。

用户界面300包括肺部导航应用程序常见的多种特征。这些特征包括 支气管镜视图302，其描绘了使用支气管镜的地方的视图。3D标测视图 304提供了当导管102导航通过患者P和3D模型202时其位置的透视图。 多种切换使得能够改变在用户界面300中显示的主视图306。这些切换包括 中央导航切换308、外围导航切换310和目标对准视图312。当导管102的 导航从中央气道变为外围气道时，可以选择适当的切换来改变主视图306。 当检测到导管102的位置时，这也可以是自动的。如图3所示，已选择了 目标对准视图312。一经选择，就显示目标窗口314。目标窗口314描绘了 十字准线316、目标210和显示从检测到的导管102端部的位置到肿瘤210 的距离的距离指示符318。如图3的用户界面300中所示，导管102已被导 航到距离肿瘤210的约5cm内。在主视图306中还描绘了通往目标210的 规划路径320。

如上所述，在肿瘤210位于患者的气道之外的情况下，需要进入工具 400刺穿气道以为导管102和其他工具提供通路，这些工具可以通过导管 102作用于肿瘤210。图3中还示出了进入点211，如上所述，该进入点为 肿瘤提供了基本上直的路径，并且通过该路径应插入进入工具以确保进入 肿瘤210。如图所示，如用户界面300所示，进入点211不在规划路径上。 这可能是有意的，也可能指示本文所述的偏差，需要肿瘤210和导管102 的传感位置的局部配准来校正。另外，按照局部配准，可以在采用进入工 具400到达肿瘤210之前经由例如用户界面300更新进入点211的位置。

在图4A和图4B中描绘了进入工具400的示例，并且其尺寸被设定成 接纳在导管102中。进入工具400包括刺穿构件402，该刺穿构件在一端具 有手柄404，在相对端具有刺穿尖端406。在一个实施方案中，刺穿构件 402和刺穿尖端406由具有足够刚性以刺穿气道壁的线材(例如，不锈钢或 镍钛诺)制成。

刺穿构件402可被接纳在扩张构件408中。扩张构件408在一端具有 手柄410，另一端具有微创端412。微创端412可能呈子弹状、锥形或另一 钝形，其被设计用于扩张由刺穿尖端406形成的气道壁中的开口，但其本 身不会刺穿组织。微创端412可以由金属诸如不锈钢制成。在最大插入 处，刺穿构件的刺穿尖端406延伸超过扩张构件408的微创端412之外约 5CM。在图4A中，刺穿构件402被示出为完全推进通过扩张构件408，使 得线材延伸超过微创端412，并且线材的手柄404邻接扩张构件408的手柄 410。

刺穿构件402和扩张构件408都是柔性的并且被配置用于插入导管102 的管腔中，该管腔可充当支气管镜102的延伸工作通道，刺穿构件插入该 工作通道中，从而能够放置在支气管内病变、外围肺结节或肺块附近。刺 穿构件402延伸穿过扩张构件408的管腔，并且可使用手柄404独立于扩 张构件408操作以刺穿气道壁，从而创建从气道内到气道之外肿瘤210位 置的通道。

一旦利用刺穿构件402在气道壁中形成开口，扩张构件408就在刺穿 构件402上推进以扩张气道壁中的开口并解剖超过气道壁的组织以创建通 往肿瘤210的路径。在到达肿瘤210后，导管102可以在扩张构件408上滑 动，使得导管102紧邻肿瘤210，或者甚至位于肿瘤210内。为了辅助多个 手柄404、410，可以采用轨道系统，从而允许手柄的独立操纵和推进。

在进入点211处刺穿气道壁之前，可以进行局部配准。局部配准在消 除任何偏差方面是有用的，诸如CT与身体的偏差，而且在肿瘤210的位置 中的任何偏差也是有用的，这种偏差是由与其他肿瘤210的治疗、工具插 入气道以及患者P的位置相关的收缩引起的。局部配准采用成像装置124 来获取导管102的端部附近的区域和肿瘤210的手术中图像。初始步骤是 采集导管102的2D荧光透视图像并标记导管102的区域。这有助于确保成 像装置正确聚焦在导管102上。接下来，通过成像装置124捕获一系列荧 光透视图像，例如从AP位置一侧的约25度到AP位置另一侧的约25度， 并且然后可以由计算装置122生成荧光透视3D重构。荧光透视3D重构的 生成基于所述一系列荧光透视图像和与发射器垫120一起并入的标志物的 结构在一系列图像上的投影。在生成荧光透视3D重构之后，需要在3D重 构的两个2D图像中标记导管102。两个图像是从荧光透视3D重构的不同 部分提取的。3D重构的荧光透视图像可以以可滚动方式呈现在用户界面 上，在所述可滚动方式中用户能够在期望时通过连续切片滚动。接下来， 需要在荧光透视3D重构中标记肿瘤。可以设置滚动条以允许用户滚动通过 荧光透视3D重构，直到识别到肿瘤。另外，肿瘤210可能需要以两个不同 的角度标记。一旦完成，用户界面就显示整个荧光透视3D重构，其可以被 逐个切片地查看，以确保目标或病变通过荧光透视3D重构保持在标记物 内。

在确认肿瘤210已经被准确标记之后，局部配准过程结束，并且导管 102在3D模型202中的相对位置和路径规划被更新，以显示导管102的端 部和肿瘤210在患者体内的实际当前相对位置。

随着肿瘤210位置更新，用户可以评估进入点211相对于肿瘤210的 位置，并且如果需要，可以基于上述标准进行更新。为了辅助该评估，可 以在3D模型中描绘重要结构，以确保例如基于肿瘤210的更新的位置，进 入点的新位置不会干扰血管等。

一旦进入点211更新，就可以使用进入工具400刺穿气道，如上所 述，可以推进通过所创建的开口，并且导管102可以在进入工具400上推 进，直到它接近肿瘤210。

回到消融规划特征，当临床医生准备开始手术的治疗部分时，与消融 导管600的放置、消融的定时和功率设置以及任何暂停的持续时间相关的 术前生成的所有数据都可以显示在用户界面上。另外，该数据可以覆盖在 术中图像(例如，荧光透视或CBCT图像)上。这些图像可以是在局部配 准之后采集的附加术中图像。作为示例，导管102插入肿瘤210的位置可 以覆盖在术中图像上，以便在插入消融导管之前的放置准确。在一些情况 下，术中图像可以是实时荧光透视视频，以便当导管102与消融规划特征 的覆盖标记位置相交时，可以观察到导管102进入肿瘤210的进展。

一经正确放置，并且再次在插入消融导管600之前，在消融规划特征 中指定的消融区域可以被覆盖并且与组织进行比较，因为它在术中图像中 呈现其自身。众所周知，预期手术期间组织的位置与其在术前图像中的位 置不同。实际上，这就是局部配准的理由。因此，通过在术中图像上覆盖 预期消融区域，用户可以在将消融导管600插入导管102和肿瘤210之前 编辑消融区域。例如，可以改变边缘或调整导管102的放置，以利用预期 消融区域的视觉表示来改变原位的规划消融。

此外，当消融导管600插入导管102中时，可以从成像装置124采集 另外的术中图像集。此时，消融导管可以从图像中分割出来，以确认在校 正位置的放置和肿瘤210中的正确深度以及预期消融区域，因为更新或改 变可以在开始消融之前覆盖到这些图像上。这提供了在开始治疗之前调整 或改变消融区域、边缘、消融导管的位置、功率、持续时间和其他因素的 更多机会。一旦消融区域(因为它覆盖在术中图像中的肿瘤210的图像 上)被认为是可接受的，就可以开始治疗(例如，应用微波能量、RF能量 等)。

关于上文识别的关键结构，通过观察这些关键结构在由成像装置124 采集的术中图像(例如，荧光透视或CBCT图像)上的覆盖，可以在手术 期间进行对肺部的监测。此监测可以是手动的或自动的，并且使得能够确 定这些关键结构在术前图像和3D模型与术中图像中的位置之间的偏差程 度。偏差可能是患者移动的结果或一些术中方面的结果，诸如插入导管102 中的一个或多个导管，或者工具诸如进入工具400或消融导管600通过导 管102。此外，偏差可能是肺部的一个或多个叶中的肺不张或肿瘤移动的指 示符。作为这种检测到的偏差的结果，指示符可以出现在用户界面上，指 导用户利用成像装置124或与术前成像相同的成像方式进行另一扫描，以 确认偏差并评估患者的解剖结构的变化状况。

如本文所述，在治疗患者期间可以采用多种术中成像。本公开的一个 方面是将术前CT图像和任何术中图像配准的能力。在一些情况下，这允许 将来自规划阶段的数据覆盖在荧光透视图像上。另外，在任何术中CT成像 (包括CBCT成像)的情况下，可以基于配准将所有路径规划和消融规划 从一个这样的CT图像数据集引入到第二CT图像数据集。这消除了需要进 行更多规划的需要。配准可以基于气道的结构，以及在CT图像中可观察到 的其他较硬的、较不易移动的组织，例如肋骨。其中，也可以采用如上所 述的适当的附加局部配准来消除在肿瘤210处或附近的配准中的任何误 差。

关于使用成像装置124的术中成像，结合本公开考虑了多种技术。如 上所述，成像装置124可以是荧光镜或CBCT成像装置。在成像装置124 是CBCT装置的情况下，还可以采用上述局部配准过程，以用于更新导管 102相对于患者体内的肿瘤210的位置。在本申请的一个方面，可以利用低 剂量CBCT扫描，因为局部配准不需要高分辨率扫描。低剂量扫描减少了 在手术期间患者P吸收的辐射量。始终期望减少患者P与医生和护士在手 术期间暴露的辐射量。在一些情况下，在成像装置124和系统100之间存 在集成的情况下，成像装置124可以接收将成像装置124引导到特定位置 以进行成像的输入。

术中成像的其他方面涉及减少患者的辐射量的附加方式。CBCT成像 装置具有捕获图像的帧速率。通过以相对较高的频率和图像之间较小的角 位移捕获图像，CBCT成像装置可以捕获非常高分辨率的图像数据集。然 而，如上所述，并非在所有情况下都需要这样的高分辨率。本公开的一个 方面涉及引导CBCT成像装置124跳过帧。根据设置，这可能是每隔一 帧、每隔两帧、每隔三帧等跳过一次。通过这样做，当考虑构成CBCT图 像的数百甚至数千帧时，可以减少整体暴露的辐射。

另选地，特别是在期望高分辨率图像的情况下，例如，导管102或消 融导管在肿瘤210内的放置将成像装置124聚焦到仅感兴趣的组织上。 CBCT成像装置124的射线可以被准直，以将成像区域缩小到仅感兴趣的组 织或区域，而不是患者的整个肺部。以此方式，总辐射的量和辐射被引导 的面积都被减少。另外，通过聚焦成像产生的图像具有非常高的分辨率， 从而允许详细分析和确定导管102、消融导管、肿瘤210周围组织的适当位 置。在适当的情况下，消融区域(其确定如上所述)可以覆盖该高质量图 像数据集，从而可以评估其边缘、与重要或关键结构的接近度以及其他因 素。

虽然前述方面涉及减少患者P和临床医生的辐射暴露，但在一些情况 下，这是无法避免的，或者增加辐射暴露的好处大于负面方面。例如，一 旦消融导管放置在肿瘤210中，就可以启动成像装置124(手动或自动)， 并且同时进行消融(例如，施加微波或RF能量)。随着消融的进行，组织 干燥，其在CBCT图像中的外观发生变化。在消融期间施加能量并且实时 观察时，可以跟踪外观的这些变化。此外，建模的消融区域可以覆盖在 CBCT图像上并与实际消融的进展进行比较。因此，可以将实际消融与建 模的消融区域进行比较。另外，可以检测和确定给定成像区域中的收缩或 结构移动量，并且用于更新3D模型202以导航到剩余的肿瘤。

通常在患者P处于屏气状态时拍摄为执行手术规划而采集的术前CT 图像。这样可以确保肺部完全充气，从而提供更清晰的图像。然而，在手 术期间，患者P通常保持潮气量呼吸。这样可以最大限度地减小患者P的 压力，确保手术期间有足够的血氧饱和度，并最大限度地减小呼吸引起的 肺部和肿瘤210的移动。结合活检和消融两者，不是在消融期间或者甚至 在将消融导管插入肿瘤210期间以潮气量呼吸继续，而是可以在指定的呼 气末正压(PEEP)处触发成像，即在呼吸周期结束时将保留在气道中的正 压。成像可以在预先确定的PEEP处在吸气或呼气时执行，或者可以在预先 确定的PEEP处在屏气期间进行。结果是，在插入消融导管时，可以通过限 制肿瘤210和消融导管在插入过程中的移动来获得准确的成像。成像装置 124可被配置为当肺压力接近指定的PEEP时自动开始成像，并在达到某个阈值肺压力后终止成像。以此方式，CBCT成像装置124可以在消融手术期 间在肿瘤210预期处于相同位置的指定时间循环打开和关闭。这允许将消 融体积与肿瘤210和规划消融体积进行一致比较。

如将理解的，对成像装置124的控制与肺部导航UI 300的集成可以大 大增强整个系统的功能。例如，一个或多个切换或按钮可以由存储在计算 装置122的存储器中的应用程序生成。这些按钮将信号发射到成像装置 124，以例如开始患者的成像。另外，按钮可以将信号发射到成像装置124 以控制其相对于患者的位置。在一个实施方案中，例如经由传感器104、 126和发射器板120的交互，导管102远侧端部的位置和取向是导航应用程 序已知的。此位置信息可以用于生成信号，该信号被发射到成像装置124， 以使所生成的图像在导管102上居中的方式来定向成像装置124。在导管 102已经被导航接近肿瘤210的情况下，成像在导管102上的居中确保了肿 瘤210在图像中是可见的。

例如，在确定导管102的位置后，导航应用程序在UI上呈现一个或多 个按钮，以将成像装置124驱动到用于对导管124的端部和肿瘤210进行 成像的最佳位置。一旦如此定位，成像装置124就执行扫描，然后将采集 的图像发射到导航应用程序以显示采集的图像或根据图像生成的3D模型并 如本文别处所述更新导航UI 300。

尽管本文描述为通过使用在UI 300上显示的一个或多个按钮来执行， 但是本公开不限于此。相比之下，过程可以是完全自动化的，并且可以在 导航期间达到某些里程碑时生成到成像装置124的信号。例如，在导航导 管102接近肿瘤210后，可以自动启动将成像装置124驱动到期望位置的 信号。

图5显示了与本文所述系统和方法一起使用的活检工具500的示例。 活检工具500包括形成在导管504的一端上的手柄502。导管504的尺寸被 设定成接纳在导航导管102内。在一些情况下，在如上所述使用进入工具 400之后，将活检工具放置在导航导管102中，并且导航导管102的远侧端 部已放置在肿瘤210的附近或之内。手柄502允许柔性的导管504向下压 入导航导管102。在导管504的远侧端部上形成切割尖端506。手动操纵手 柄502转化为操纵切割尖端506，从而肿瘤210的样本可以被切割并收集在 活检工具500内以用于分析。

如本文所述，这些方法和系统在一些方面涉及在患者的病变或肿瘤中 放置工具，特别是消融工具。特别地，消融工具被导航通过气道的管腔网 络并且放置在肿瘤或病变内以消融或杀死病变或肿瘤的细胞以及病变或肿 瘤周围的边缘，从而停止该位置处疾病的生长。美敦力公司提供的 EMPRINT TM消融平台是一种进行消融的系统，它能产生球形消融。其他 消融系统诸如射频(RF)、乙醇、低温等，可与本文所述的系统和方法一 起使用，导航基本上如上文所述。

图6描绘了接近远侧尖端602的微波消融探针600的结构的详细视 图。馈线604将手持件606连接到远侧尖端602附近的辐射区段608。馈线 604和辐射区段608被包围在水件610中。水套610允许水循环通过消融探 针600，以帮助在整个治疗过程中保持场介电常数。水套610连接到泵 610，该泵迫使水(或盐水)通过连接到水套610的入口侧的入口管614，并且经由出口管616从水套的出口侧接收水。微波发生器618经由电缆620 连接到手持件604特别是馈线604，以使得能够将微波能量从发生器618转 移到辐射区段608。如将理解的，本文所述的方法和系统涉及将辐射区段 608放置在病变或肿瘤内的适当位置，使得在施加足够的能量达适当的持续 时间时，构成肿瘤或病变的细胞连同包围肿瘤的健康细胞的期望边缘一起 变性，从而确保肿瘤不能在相同位置返回，因为在消融之后种子细胞已经被留下。

尽管在整个说明书中进行了描述，但图7A和图7B描述了本文所述系 统的示例性使用方法。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围 的情况下，可以省略图7A和图7B中描述的方法的一个或多个步骤。方法 700开始于在步骤702接收CT图像数据集。在步骤704处，根据该CT图 像数据集生成3D模型200。在步骤706处，3D模型200和单个CT图像(例如，冠状、轴向、矢状视图)可以显示在用户界面中，从而允许用户 手动检查它们并确定肿瘤210的位置。另选地，与执行该方法的应用程序 相关联的软件可以自动检测肿瘤210。在步骤708处，系统接收肿瘤210的 位置的指示。这可以是用户在用户界面200中操纵3D模型或CT图像的手 动标记的结果，或者它可以是用户接受应用程序对肿瘤的准确自动识别的 结果。一旦接收到指示，就在步骤710处在用户界面200上显示肿瘤210。 在步骤712处，接收边缘214的指示并且将其显示在用户界面200上。该 边缘可以是通过检查肿瘤210和周围的脉管系统以及其他结构并绘制指示 适当边缘的线以捕获足够的健康组织并避开任何重要结构来手动标记边缘 214的结果。附加地或另选地，边缘214可由应用程序自动生成并由用户接 受或修改。接下来，在步骤714处，可以生成通往肿瘤210的路径。作为 示例，可以识别离肿瘤210最近的气道，并且一旦识别到，就可以自动生 成从该最近气道到气管的路径。一旦识别到肿瘤210的位置和通往该肿瘤 的路径，用户就可准备好进行手术。

在步骤716处，在将患者P放置在手术台112上以及将导管102和相 关联的传感器104、126插入患者P的气道之后，应用程序接收来自传感器 104、126的指示其位置的信号。当导管102移动通过气道的至少一部分 时，许多这样的位置的接收使得能够在患者的实际肺部呈现在手术台112 上时将3D模型212与患者的实际肺部配准。一旦患者的肺被配准到3D模 型212和CT图像数据集，就在步骤718处显示导管102(特别是传感器104、126)在3D中的位置。此显示位置将基本上对应于导管102在患者肺 部内的实际位置。当导管102被推进患者P中时，在步骤720处按照路径 规划显示传感器104、126的位置，以将导管102导航到肿瘤210。一旦接 近肿瘤210，就可以部署成像装置124并且在步骤722处捕获术中图像并将其发射到应用程序。这些术中图像可以用于确定导管102和传感器104、 126与肿瘤210的相对位置。在步骤724处，更新导管102和肿瘤210在 3D模型202中的相对位置。接下来，随着导航继续，直到导管102接近或 甚至位于肿瘤210内，在步骤726处在用户界面200上显示导管的这种导 航。一旦导管被放置在肿瘤210附近或之内，就接收第二术中图像数据 集，其示出了导管102在肿瘤内的实际放置。来自手术规划阶段的数据可 以覆盖在包括边缘214或预期消融区域的肿瘤210上。此时，可以调整在 规划阶段中已经初始确定的消融手术的参数以调整消融区域，从而避免规 划消融与在手术期间呈现的患者生理之间的任何不一致性，因为可以相应 地调整这些消融手术的参数。这可以包括将导管102移动到肿瘤210内的更好位置，以实现期望的消融或避开重要结构。在根据需要调整消融参数 之后，在步骤730处将消融导管600插入通过导管102，并且由应用程序接 收指示消融导管600已经通过导管102插入(即，到达正确位置以实现期 望的消融区域)的信号。一旦如此定位，就可以开始肿瘤210的消融。

本公开的另一方面涉及消融系统600的集成，特别是经由例如用户界 面200、300对发生器618的控制。例如，在导管102导航到肿瘤210附近 并进行术中成像(例如，步骤728)时，对肿瘤210、建议的边缘214和肿 瘤210附近或穿过肿瘤的任何重要结构进行体内评估。以此方式，可以在 用户界面200、300上进行对边缘214的改变。此外，边缘的变化可能会改 变消融参数(例如，增加或减少功率或持续时间)。这些参数可以通过存 储在计算装置122的存储器中的消融应用程序来自动计算。另外，用户界 面200、300可以经由出现在用户界面200、300上并显示在计算装置122 的显示器上的可选按钮来使得消融手术开始和停止。

如上所述，可以手动或自动确定边缘214。边缘214的自动确定的一 个方面是肿瘤210和周围组织的图像分析。基于图像分析，例如经由术中 图像的分割，可以评估肿瘤210的密度和边缘214的组织。另外，分割可 以显示穿过肿瘤210和边缘214的血管的存在和大小。众所周知，血管充 当施加的能量的散热器，因此需要更多的能量才能成功消融。消融应用可 以利用对肿瘤210和边缘214的这种评估来确定发生器618的适当功率和 持续时间设置。另外，在采集术中图像以监测消融的情况下，可以采用图 像分析来改变消融参数，例如当达到期望的边缘214时停止消融，或者基 于消融的进展调整功率、持续时间、开/关循环等的参数。

本公开的又一方面涉及提供与消融导管600的位置变化如何影响消融 区域和边缘214有关的指导。因此，使用术中图像和消融应用可以在用户 界面200、300中描绘消融区域的形状和大小的预测变化，包括在肿瘤210 周围将由消融导管600的推进或缩回产生的边缘214。这些变化能够以不同 的颜色或作为半透明层显示，其允许用户评估位置的改变如何可能改变消 融以及由此改变患者的结果。

现在转向图8，示出了用于启用本文所述的方法和系统的计算装置122 的系统图。计算装置122可以包括存储器802、处理器804、显示器806、 网络接口808、输入装置810和/或输出模块812。

存储器802包括用于存储数据和/或软件的任何非暂时性计算机可读存 储介质，该存储数据和/或软件能够由处理器804执行并且控制工作站80的 操作。在一个实施方案中，存储器802可以包括一个或多个固态存储装 置，诸如闪存存储器芯片。另选地，或除了一个或多个固态存储装置之 外，存储器802还可以包括通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线 (未示出)连接到处理器804的一个或多个大容量存储装置。虽然本文所 述的计算机可读介质是指固态存储器，但本领域的技术人员应当理解，计 算机可读存储介质可以是能够通过处理器804访问的任何可用介质。即， 计算机可读存储介质包括以任何方法或技术实施的用于存储信息(诸如计 算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的非暂时性、易失性和 非易失性、可移动和不可移动介质。例如，计算机可读存储介质包括 RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪速存储器或其他固态存储器技术、 CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装 置或其他磁存储设备、或者可以用于存储所期望的信息并且可以由工作站 80访问的任何其他介质。

存储器802可以存储应用程序81和/或CT数据814。当由处理器804 执行时，应用程序81可使得显示器806提供用户界面816。网络接口208 可被配置为连接到网络，诸如由有线网络和/或无线网络组成的局域网 (LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络以及/或者互联网。 输入装置810可以是用户可借以与工作站80交互的任何装置，例如鼠标、 键盘、脚踏板、触摸屏和/或语音接口。输出模块812可以包括任何连接端 口或总线，例如并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域技 术人员已知的任何其他类似连接端口。

尽管本文公开了详述的实施例，但是所公开的实施例仅仅是可以以各 种形式并且在方面体现的本公开的实例。例如，本文公开了结合目标覆盖 系统和方法的电磁导航系统的实施方案；然而，目标覆盖系统和方法还可 应用于本领域技术人员已知的其他导航或跟踪系统或方法。因此，本文所 公开的特定的结构和功能细节不应理解为限制性的，而仅仅是权力要求书 的基础，并作为具有代表性的基础用于教导本领域的技术人员以几乎任何 合适的具体结构不同地采用本公开。

Claims (20)

1.一种用于规划和导航管腔网络的系统，包括：

计算装置，所述计算装置包括存储器和处理器，所述存储器存储一个或多个应用程序，所述一个或多个应用程序当由所述处理器执行时执行以下步骤：

接收计算机断层扫描(CT)图像数据集；

生成三维(3D)模型：

使得在操作地连接到所述计算装置的显示器上的用户界面中显示所述3D模型；

接收所述CT图像数据集中肿瘤的位置的指示；

使得在所述3D模型中显示所述肿瘤的所述位置；

接收所述肿瘤周围的边缘的指示以实现期望的治疗；

生成通往所述肿瘤的路径规划以用于导管的导航；

接收与导航导管相关联的传感器的位置，并且将所述CT图像数据集与患者的管腔网络配准；

使得在所述3D模型内显示所述传感器的所述位置，所述位置基本上对应于所述传感器在所述患者的所述管腔网络内的所述位置；

按照所述路径规划，使得显示所述导航导管到所述肿瘤的所述导航；

接收术中图像数据集；

基于所述术中图像数据集更新所述3D模型中所述肿瘤与所述导航导管的相对位置；

在所述3D模型中显示推进到所述肿瘤中的所述导航导管；

接收描绘所述导航导管相对于所述肿瘤的第二术中图像数据集；

接收消融导管已被推进通过所述导航导管的指示；以及

开始所述肿瘤的消融。

2.根据权利要求1所述的系统，其中自动地生成所述边缘。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括确定所述管腔网络的壁上用于进入所述肿瘤的进入点的位置，其中所述肿瘤位于气道壁之外。

4.根据权利要求3所述的系统，还包括使得在所述用户界面上在所述3D模型中的位置处显示所述进入点。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括接收所述消融导管正确放置在所述肿瘤中的指示。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括使得在所述肿瘤的所述消融期间显示第三术中图像数据集，其中所述术中图像数据集描绘了所述消融的进展。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一术中图像数据集、所述第二术中图像数据集和所述第三术中图像数据集是荧光透视图像或锥形束CT图像。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述路径规划被配准到所述第二术中图像数据集或所述第三术中图像数据集。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括使得在所述第二术中图像数据集或所述第三术中图像数据集上显示所述路径规划、进入点、所述肿瘤或所述边缘的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括使得在所述第三术中图像数据集上显示消融区域。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括在开始所述消融之前接收调整所述消融区域的指令。

12.根据权利要求1所述的系统，还包括接收所述3D模型中的重要结构的指示，其中所述重要结构覆盖在所述第一术中图像数据集或所述第二术中图像数据集上。

13.根据权利要求1所述的系统，其中以减小的辐射剂量采集所述第一术中图像数据集或所述第二术中图像数据集。

14.根据权利要求1所述的系统，其中在所述第一术中图像数据集或所述第二术中图像数据集采集期间，跳过所述图像数据集的某些帧以减小成像的辐射剂量。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括接收重要结构或关键结构的指示以及与所述重要结构或所述关键结构保持的最小距离。

16.一种用于规划和导航管腔网络的系统，包括：

导航导管，所述导航导管被配置用于插入患者的管腔网络中；

传感器，所述传感器与所述导管相关联以用于检测所述导航导管在所述患者的所述管腔网络内的位置；

计算装置，所述计算装置包括存储器和处理器，所述存储器存储一个或多个应用程序，所述一个或多个应用程序当由所述处理器执行时：

使得显示所述患者的所述管腔网络的3D模型，所述3D模型包括所述管腔网络的气道和血管、通过所述管腔网络的路径、包括边缘的肿瘤，并且其中所述肿瘤位于气道壁之外、进入点以及基于所检测的所述传感器的位置的所述导管在所述患者的所述管腔网络内的位置；

接收术中图像；

将所述3D模型的至少一部分覆盖到所述术中图像上；和

消融导管，所述消融导管被配置用于接纳到所述导航导管中以用于所述肿瘤的治疗。

17.根据权利要求16所述的系统，其中使得在所述消融导管插入所述肿瘤中时在用户界面上显示所述术中图像。

18.根据权利要求17所述的系统，其中在插入所述消融导管之前，在所述术中图像上显示在治疗手术之前确定的消融区域，并且能够在所述消融开始之前调整所述消融区域。

19.一种方法，包括：

接收计算机断层扫描(CT)图像数据集；

生成三维(3D)模型：

使得在操作地连接到计算装置的显示器上的用户界面中显示所述3D模型；

接收所述CT图像数据集中肿瘤的位置的指示；

使得在所述3D模型中显示所述肿瘤的所述位置；

接收所述肿瘤周围的边缘的指示以实现期望的治疗；

生成通往所述肿瘤的路径规划以用于导管的导航；

接收与导航导管相关联的传感器的位置，并且将所述CT图像数据集与患者的管腔网络配准；

使得在所述3D模型内显示所述传感器的所述位置，所述位置基本上对应于所述传感器在所述患者的所述管腔网络内的所述位置；

按照所述路径规划，使得显示所述导航导管到所述肿瘤的所述导航；

接收术中图像数据集；

基于所述术中图像数据集更新所述3D模型中所述肿瘤与所述导航导管的相对位置；

使得在所述3D模型中显示推进到所述肿瘤中的所述导航导管；

接收描绘所述导航导管相对于所述肿瘤的第二术中图像数据集；

接收消融导管已被推进通过所述导航导管的指示；以及

开始所述肿瘤的消融。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括确定所述管腔网络的壁上用于进入所述肿瘤的进入点的位置，其中所述肿瘤位于气道壁之外。

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