CN117580531A - 远侧尖端跟踪和标测 - Google Patents

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Abstract

用于确定和标测细长轴的远端区域的位置的方法和系统。说明性的方法可包括：从加速度计获取数据，该加速度计位于细长轴中与其远端相邻的位置，确定从参考点被插入身体中的细长轴的长度，合并加速度计数据和细长轴的长度以局部定位细长轴的远端区域，重建医疗设备在体内的行进线，并将所重建的行进线叠加在患者的解剖图像上。

Description

远侧尖端跟踪和标测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年7月15日提交的美国临时专利申请号63/221,995的权益和优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及内窥镜手术期间的导航、标测和跟踪。更具体地，本公开涉及在内窥镜手术中使用加速度计进行导航、标测和跟踪。
背景技术
在内窥镜手术期间，需要知道窥镜尖端的定位。目前，使用荧光镜检查来跟踪窥镜和其他工具的定位。然而，当使用荧光镜检查时，患者、医生和手术室工作人员有长期暴露于辐射下的风险。传统的电磁传感器可能是体积大的和/或成本昂贵的。传统的电磁传感器也可能需要特殊的条件，诸如但不限于无铁氧体的环境和/或昂贵的资金。此外，即使当使用荧光透视和/或主动计算机断层扫描(CT)时，接收实时数据(诸如内窥镜和/或其他工具的滚动、俯仰和定位数据)也可能不切实际。可以期望提供用于内窥镜的导航、标测和跟踪的系统和方法，其允许收集实时数据并减少对辐射的暴露。
发明内容
本公开提供了医疗设备的设计、材料、制造方法和使用替代方案。
在第一示例中，一种用于确定和标测细长轴的远端区域的位置的方法可以包括：从加速度计获取数据，该加速度计位于细长轴中与其远端相邻的位置，确定从参考点被插入身体中的细长轴的长度，合并加速度计数据和细长轴的长度以局部定位(localize)细长轴的远端区域，重建医疗设备在身体内的行进线，并将所重建的行进线叠加在患者的解剖图像上。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，该方法还可以包括从定位在细长轴的远端处的相机获取图像。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，该方法还可以包括从图像中检测特征点。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，该方法还可以包括合并特征点和被局部定位的细长轴的远端区域。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，解剖图像可以是邻近于远端区域的解剖结构的三维(3D)重建。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，解剖图像可以是三维CT扫描。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，从加速度计获取数据并确定被插入身体中的细长轴的长度可以在细长轴的远端位于相同位置下执行。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，从加速度计获取数据可以包括从细长轴的远端的多个不同位置获取加速度计数据。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，确定被插入身体中的细长轴的长度可以包括：从细长轴的远端的多个不同位置获取长度。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，获取图像可以包括：从细长轴的远端的多个不同位置获取图像。
在另一个示例中，用于确定医疗设备在身体中的定位的系统可以包括：从近端延伸到远端的细长轴、位于细长轴中与其远端相邻的加速度计、在细长轴的外表面上形成的多个分界物(demarcation)、沿细长轴的长度以预定间隔纵向间隔开的分界物、第一光学传感器和第二光学传感器(第一和第二光学传感器被配置为定位成毗邻身体并纵向间隔开)，以及可操作地耦合到加速度计、第一光学传感器和第二光电传感器的计算设备。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，第一和第二光学传感器可以被配置为在细长轴推进到身体中时对多个分界物进行检测和计数。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，第一和第二光学传感器可以被配置为检测细长轴的行进方向。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，计算设备可以被配置为基于对多个分界物的检测和计数来确定从参考点已推进到身体中的细长轴的长度。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，该系统还可以包括陀螺仪传感器。
在另一个示例中，一种用于跟踪医疗设备的位置的方法可以包括：将医疗设备推进在患者体内，从加速度计接收数据，该加速度计定位成邻近于医疗设备的细长轴的远端，确定细长轴的插入长度，重建医疗设备在体内的行进线，将所重建的行进线叠加在患者的解剖图像上，以及在用户接口上显示具有叠加的行进线的解剖图像。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，解剖图像可以是三维CT扫描。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，该方法还可以包括将虚拟标记定位在具有叠加的行进线的解剖图像上。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，可以通过致动医疗设备的手柄上的按钮来放置虚拟标记。
可替选地或附加于上述任何示例，在另一示例中，该方法还可以包括从陀螺仪传感器接收数据。
以上对一些实施例的概述并不旨在描述本公开的每个公开的实施例或每个实施方式。下面的附图和详细描述更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
考虑到以下结合附图的详细描述，可以更全面地理解本公开，其中：
图1是示例性内窥镜系统的示意图；
图2是图1的内窥镜系统的细长轴的远端区域的一部分的透视图；
图3是图1的内窥镜系统的细长轴的远端区域的侧视图；
图4是可以与图1的内窥镜系统一起使用的说明性计算设备的示意框图；
图5是用于确定细长轴的远端区域的位置并在显示器上渲染该系统的方法的说明性流程图；
图6是细长轴移动穿过身体并获取数据的示意图；
图7是用于跟踪内窥镜系统的位置的另一说明性方法的流程图；
图8示出了细长轴在肾内区域的3D扫描上的行进线；并且
图9是用于跟踪内窥镜系统的位置的另一说明性方法的流程图。
虽然本公开内容适用于各种修改和替代形式，但其细节已经在附图中以示例的方式示出，并且将被详细描述。然而，应当理解的是，意图不是将本公开限于所描述的特定实施例。相反，其意图是涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等价物和替代方案。
具体实施方式
对于以下定义的术语，应应用这些定义，除非权利要求书或本说明书其他地方给出了不同的定义。
本文所有数值都被假设由术语“约”修改，无论是否明确表示。术语“约”通常指本领域技术人员认为等同于所列举的值(例如，具有相同的功能或结果)的数字范围。在许多情况下，术语“约”可以包括四舍五入到最接近的有效数字的数字。
由端点列举的数值范围包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文明确另有规定。如本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非上下文明确另有规定。
需要注意的是，说明书中对“实施例”、“一些实施例”和“其他实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括一个或多个特定特征、结构和/或特性。然而，这样的叙述并不一定意味着所有实施例都包括特定的特征、结构和/或特性。此外，当结合一个实施例描述特定的特征、结构和/或特性时，应该理解的是，除非明确说明是相反的，否则此类特征、结构，和/或特征也可以结合其他实施例使用，无论是否明确描述相反。
以下详细说明应参考图纸进行阅读，其中不同图纸中的类似元素被编号为相同。不一定按比例绘制的附图描绘了说明性实施例，并不旨在限制本公开的范围。
本文描述了用于内窥镜和/或与内窥镜一起使用的各种工具的导航、标测和跟踪的系统和方法。在医疗手术(例如，内窥镜手术、输尿管镜手术等)期间，医生期望能知道内窥镜、输尿管镜或其他设备或工具的远侧尖端的位置，以帮助医生导航复杂的解剖结构。为了帮助医生在解剖结构中导航，可以将加速度计芯片嵌入设备的细长轴的远侧尖端。加速度计可以提供芯片在X、Y和Z方向上的加速度和/或移动的方向，并因此提供远侧尖端在X、Y和Z方向上的加速度和/或移动的方向。与确定设备的轴的插入和/或撤回的长度一起，还能够计算设备在三维(3-D)空间中的移动。虽然本系统和方法是针对内窥镜来描述的，但是应当理解，本公开不限于此类设备。例如，本文所述的系统和方法可以与其中利用导航、标测和/或跟踪的其他医疗设备一起使用，包括但不限于输尿管镜、结肠镜、肾镜、导管、血管内设备等。
图1示出了可以结合本公开的其他方面使用的示例医疗设备20，诸如但不限于内窥镜系统。在一些情况下，内窥镜系统20可以被配置为与流体管理系统(未示出)结合使用，尽管这不是必需的。在一些实施例中，内窥镜系统20可以是输尿管镜，诸如LithoVueTM镜。然而，除了输尿管镜之外或代替输尿管镜，也可以使用其他医疗设备，诸如另一种内窥镜。内窥镜系统20可以包括手柄22和从手柄22向远侧延伸的细长轴30。内窥镜系统20可以被配置为经由细长轴30将流体从流体管理系统输送到治疗部位，细长轴30可以被配置成进入患者体内的治疗部位。在一些实施例中，流体源和/或流入泵可以与内窥镜系统20和/或细长轴30流体连通。细长轴30可以包括一个或多个工作腔，用于接收穿过其中的流体流或其他医疗设备。内窥镜系统20可以经由一个或多个供应管线40而连接到流体管理系统。虽然未明确示出，但细长轴30可以包括用于接收流体和/或其他医疗设备的一个或多个工作腔。
在一些实施例中，内窥镜系统20可以经由有线连接或数据传输电缆50与工作站进行电子通信。在一些实施例中，除其他特征之外，工作站可以包括触摸屏计算机、用于接收有线连接件50的接口盒、推车和电源等特征。在一些实施例中，有线连接件50所连接的电子设备可以具有用于识别其他内窥镜附件和与之交换数据的功能。还可以考虑其他配置。在一些实施例中，接口盒可被配置有与流体管理系统的控制器的有线或无线通信连接。触摸屏计算机可以至少包括显示屏和图像处理器。在一些实施例中，工作站可以是多用途部件(例如，用于不止一个手术)，而内窥镜系统20可以是一次性设备，尽管这不是必需的。在一些实施例中，可以省略工作站，并且内窥镜系统20可以与流体管理系统的控制器直接电子耦合。附加地或可替选地，微处理器可被嵌入内窥镜系统20的手柄22中。在一些情况下，有线连接可以被配置为从内窥镜系统20的一个或多个部件传输数据和/或图像信号。可以设想，细长轴30可以包括一个或多个工作腔，数据传输电缆50(例如，光纤电缆、光缆、连接器、电线等)可以在该工作腔中延伸。
如图1所示，内窥镜系统20可以包括靠近细长轴30的远端区域32的一个或多个传感器。例如，内窥镜系统20可以包括位于细长轴30的远侧尖端的压力传感器34，以测量治疗部位内的腔内压力。内窥镜系统20还可以包括其他传感器，诸如例如温度传感器35、加速度计36(例如，定位传感器)和/或另一传感器。其他传感器37可以包括但不限于：用于检测应力的光纤布拉格光栅光纤、用于检测角速度的陀螺仪传感器、形状感测传感器等。在示例性实施例中，细长轴30的远端区域32和/或内窥镜系统20还可以包括至少一个相机33，以在显示屏上向用户提供视觉馈送。在另一个实施例中，至少一个相机33可以包括具有不同通信要求或协议的两个相机，使得不同的信息可以由每个相机转发给用户。当如此设置时，用户可以通过触摸屏界面和/或触摸屏计算机来回切换相机。当如此设置时，相机33和/或传感器34、35、36、37可以经由传输电缆(诸如电缆50)与工作站或其他计算设备通信耦合。可替选地或附加地，相机33和/或传感器34、35、36、37可以经由无线连接与工作站或其他计算设备通信耦合。
在一些实施例中，细长轴30的远端区域32的位置可以在使用期间被跟踪。例如，如将在本文中更详细地描述的，加速度计36可以提供芯片的加速度和/或移动的方向，其可被用于确定远端区域32的位置。在一些情况下，加速度计36可以与CT扫描或其他成像能力组合使用。工作站和/或控制单元可以通信以确定加速度计36相对于患者的定位。
内窥镜系统20包括耦合到细长轴30的近端的手柄22。手柄22可以具有可选的流体流动开/关开关23，其允许用户控制流体何时流过内窥镜系统20并进入治疗部位。手柄22还可以包括执行其他各种功能的其他按钮24、26。例如，在一些实施例中，手柄22可以包括用于控制流体温度、流体流速、另一医疗设备的激活等的按钮。应当理解，虽然示例性实施例描述了输尿管镜，但上述特征也可被直接集成到另一内窥镜(例如，膀胱镜、肾镜、宫腔镜)中，或者实际上任何具有成像能力的设备。在一些实施例中，内窥镜系统20还可以包括引流端口28，引流端口28可被连接到引流系统(未示出)。在共同转让的美国专利申请公开号2018/0361055中描述了一些说明性的引流系统，其标题为“AUTOMATED FLUID MANAGEMENTSYSTEM”，其公开内容在此并入作为参考。
简而言之，流体管理系统可以包括流入泵，该流入泵被配置为以流体流速将流体从流体供应源(例如，流体袋等)泵送和/或转移到医疗设备20和/或患者体内的治疗部位。在一些情况下，流体可以穿过流体加温系统，用于在进入内窥镜系统20之前加热将经由一个或多个供应管线输送到患者的流体。在一些实施例中，流体管理系统可以是可用于内窥镜手术的系统，诸如柔性输尿管镜(fURS)手术(例如，输尿管镜、经皮肾取石术(PCNL)、良性前列腺增生(BPH)、经尿道前列腺电切术(TURP)等)、妇科和其他内窥镜手术。一些说明性的流体管理系统和流体加温系统在共同转让的美国专利申请公开号2018/0361055中进行了描述，标题为“AUTOMATED FLUID MANAGEMENT SYSTEM”，其全部公开内容在此并入作为参考。
图2示出了内窥镜系统20的细长轴30的远端区域32的一部分的透视图。为了更好地示出细长轴30内部的一些部件的配置，细长轴30的一部分未示出，而细长轴30更远侧部分以透明方式示出。如上所述，内窥镜系统20可以包括定位在细长轴30的远端42处或与之相邻的相机33。相机33可以经由一个或多个数据传输电缆52与工作站或其他处理设备通信耦合。数据传输电缆52可以从相机33穿过细长轴30向近侧延伸到手柄22。在一些情况下，光源44也可以被设置在细长轴30的远端42处或附近。光源44可以经由电缆54耦合到电源。电缆54可以从光源44穿过细长轴30向近侧延伸到手柄22。工作通道46可以从细长轴30的近端(未明确示出)延伸到其远端42。工作通道46可允许另一设备或工具推进穿过细长轴30并从其远端42离开。
细长轴30的远端区域32还可以包括加速度计36。加速度计36可以是多轴线加速度计，诸如但不限于3轴线加速度计或6轴线加速度计。例如，加速度计36可以测量在X、Y和Z平面中的加速度。附加地或可替选地，加速度计36可以测量在偏航、俯仰和滚转轴线上的加速度。加速度计36可以被定位在距细长轴30的远端42有预定或已知距离的位置处，以便确定远侧尖端的位置。加速度计36可以具有尺寸为允许其设置在细长轴30内或嵌入细长轴30中。可以设想的是，加速度计36不需要被定位在特定的取向上。例如，加速度计36不一定被定位成使得其朝向远端42取向。
加速度计36可以经由一个或多个数据传输电缆56与工作站或其他处理设备通信耦合。数据传输电缆56可以从加速度计36穿过细长轴30向近侧延伸到手柄22。在所示的实施例中，加速度计36可以包括八个连接点，并且因此八根电缆56可以从加速度计穿过细长轴30延伸到手柄22。然而，根据需要，可以提供少于八个或多于八个的连接器点和/或电缆56。
可以设想，由加速度计36提供的加速度计36在X、Y、Z方向上的加速度和/或移动的方向能够与细长轴30的插入和/或撤回长度相组合，以计算内窥镜系统20的移动。图3是细长轴30的远端区域32的侧视图。细长轴30可以包括在细长轴30的外表面上围绕其周边延伸的多个纵向间隔的分界物60(例如，间隔的暗线、间隔的表面纹理、间隔的标记等)。纵向间隔的分界物60可以沿着细长轴30的整个长度或其一个或多个部分(诸如远端区域32)延伸。可以设想，分界物60可以包括其他结构或特征。例如，分界物60可以包括激光可读的蚀刻。每个分界物60可以围绕细长轴30的整个周边周向连续地延伸，或者每个分界物60可以围绕细长轴30的周边不连续地延伸。分界物60可以以预定间隔I纵向间隔开并且具有预定宽度W。分界物60可以由没有标记物但仍具有预定宽度的区域62间隔开。没有标记物的区域62的宽度可以与预定间隔I相同。可以设想的是，每个分界物60可以具有相同的预定宽度W和相同的预定间隔I，使得分界物60可被利用于确定细长轴30的已插入身体或从身体撤回的长度。根据需要，预定宽度W和预定间隔I可以具有相同的长度或不同的长度。
分界物60可以与一个或多个传感器结合使用，以确定细长轴30的插入长度，并且因此确定细长轴的远端区域32从某个参考点(例如，进入患者的入口点)已行进的距离。分界物60与一个或多个传感器结合还可以确定细长轴的移动方向，或者向远侧推进到患者的身体中，或者向近侧撤回到患者的身体外。例如，分界物60的远端64可以创建第一输出，并且分界物60的近端66可以创建第二输出。至少一个传感器，或者两个或更多个传感器70、72(在图3中示意性地示出)可以位于身体的入口点处。例如，传感器70、72可以被定位在进入患者身体的入口点处的外壳中。细长轴30可以穿过外壳的开孔并在入口点进入患者的身体，其中传感器70、72面向穿过外壳的开孔的细长轴30。在一些情况下，传感器70、72可以是被配置为检测分界物60的光学传感器。可替选地，或除了传感器70、72之外，相机可被用于沿着细长轴30检测两个或更多个分界物60，诸如间隔开的分界物。这些传感器70、72可以读取第一和第二输出以确定远侧尖端从入口点到身体的位移。例如，两个或更多个传感器70、72可以横向间隔开，使得传感器70、72在不同的时间接收第一输出并且在不同的时间接收第二输出。例如，在每个传感器70、72处接收的输出信号可以彼此异相。这可以允许传感器70、72确定距离(通过计数分界物60)和方向(通过比较输出信号)。例如，当细长轴30向远侧推进时，传感器70、72可以接收相反的输出信号。当细长轴30向近侧撤回时，传感器70、72可以接收相同的输出信号。工作站或控制器能够被编程为读取来自传感器70、72的输出信号，并确定细长轴30的行进距离和行进方向(例如，向远侧推进身体中或向近侧撤回身体外)。
图4是可被用于控制内窥镜系统20和/或处理从中获取的数据的说明性计算设备100的示意框图。可以设想，计算设备100可以是适合于接收输入并向内窥镜系统的各种部件提供输出的任何计算设备。计算设备的示例包括专用计算设备或通用计算设备，诸如“控制单元”、“控制组件”、“工作站”、“服务器”、“手持设备”、“控制器”等。
计算设备100可以包括直接和/或间接耦合以下设备的总线104：处理单元102、存储器106、输入/输出(I/O)端口108、用户接口110和电源112。任何数量的附加部件、不同部件和/或部件的组合也可被包括在计算设备中或连接到计算设备。存储器106可以与处理器102进行通信。存储器106可被用于存储任何期望的信息，诸如但不限于控制算法、配置协议、设置点等。在一些实施例中，存储器106可以包括被配置为确定细长轴30的远端区域32的定位和/或取向，和/或生成内窥镜系统20的图像的特定程序或模块。存储器106可以是任何合适类型的存储设备，包括但不限于RAM、ROM、EPROM、闪存、硬盘驱动器和/或类似设备。在一些情况下，处理器102可以将信息存储在存储器106内，并且随后可以从存储器106检索所存储的信息。在实施例中，存储器106存储用于使处理器102实施本文所讨论的系统部件的实施例的各方面和/或执行本文所讨论方法和程序的实施例的各方面的计算机可执行指令。
计算机可执行指令可以包括例如计算机代码、机器可用指令等，诸如例如能够由与计算设备相关联的一个或多个处理器执行的程序部件。程序部件可以使用任何数量的不同编程环境进行编程，包括各种语言、开发工具包、框架和/或类似物。本文所设想的一些或全部功能也可以或可替选地以硬件和/或固件实施。
输入/输出端口(I/O端口)108可以具有多个接线端子，用于从相机33、传感器34、35、36、37、70、72和/或系统部件接收一个或多个信号和/或用于向系统部件提供一个或多个信号。在一些情况下，I/O端口108可以与内窥镜系统20的一个或多个部件通信，包括但不限于相机33和/或传感器34、35、36、37、70、72。计算设备100可以具有任意数量的接线端子，用于接受来自系统10的一个或多个部件的连接。然而，使用多少个接线端子以及哪些端子被接线取决于内窥镜系统20的特定配置。具有不同部件和/或部件类型的不同系统20可以具有不同的布线配置。在一些情况下，I/O端口108可以被配置为从相机33、传感器34、35、36、37、70、72和/或一个或多个部件或传感器(未明确示出)接收无线信号。可替选地或附加地，I/O端口108可以与另一个控制器通信。
用户接口110可以包括显示器和用于接收用户输入的装置(例如，麦克风、操纵杆、卫星天线、扫描仪、打印机、有线和/或无线设备、键盘、笔、语音输入设备、触摸输入设备、触摸屏设备、交互式显示设备、鼠标和/或类似设备)。在一些情况下，用户接口110可以集成到计算设备100或其一部分。可替选地或附加地，计算设备100可以可操作地耦合到远程定位的用户接口110，其包括显示器和用于接收用户输入的装置。例如，远程定位的用户接口110可以是单独的显示器、便携式设备，诸如但不限于智能手机、平板电脑、膝上型电脑等，或者其他此类设备。附加地或可替选地，用户接口110还可以包括被配置为向用户呈现信息的其他部件，诸如例如显示设备、扬声器、打印设备和/或类似设备。在一些情况下，可以省略用户接口110。
总线104表示可以是一条或多条总线(诸如，例如，地址总线、数据总线或它们的组合)。类似地，在实施例中，计算设备100可以包括多个处理单元102、多个存储器部件106、多个I/O端口108、多个用户接口部件110和/或多个电源112。此外，任何数量的这些部件或其组合可以被分布和/或复制在多个计算设备上。
计算设备可以从相机33、加速度计36和光学传感器70、72接收数据，以确定并标测细长轴30的远端区域32的位置。图5是用于确定细长轴30的远端区域32的位置并在显示器上渲染内窥镜系统20的方法的说明性流程图200。图6示出了细长轴30移动穿过身体并获取数据的示意图。首先，计算设备100可以接收加速度计读数202、细长轴插入长度204和图像206。可以设想，这三个数据点202、204、206可以同时或基本上同一时间收集。在一些情况下，相机33、加速度计36和光学传感器70、72可以被配置为以预定的时间间隔传输数据。可替选地或附加地，相机33、加速度计36和光学传感器70、72可以被配置为响应于来自计算设备100的请求来传输数据。相机33、加速度计36和光学传感器70、72可以被配置为在多个尖端位置302、304、306、308(参见例如图6)处收集数据，并组合这些数据以呈现具有远端区域32叠加其上的解剖结构的3D重建。
加速度计36可以将加速度计读数202作为用于X、Y和Z轴线的原始计数数据进行传输。原始计数可以取决于力的可测量范围(例如，重力(g-force))和分辨率。例如，加速度计36可以具有的范围约为8g，具有14A/D转换器(ADC)分辨率。然而，根据需要，可以使用小于8g或大于8g的范围。此外，根据需要，分辨率可以小于14ADC或大于14ADC。可以将原始计数数据转换为适当单位的加速度值，诸如米/秒平方(m/s2)。光学传感器70、72可以被配置为保持分界物60的计数，该计数可以被转换成细长轴30的插入长度204。例如，光学传感器70、72可以被配置为对细长轴30的向远侧推进和向近侧撤回进行计数，从而能够在任何时间点确定轴30在患者体内的长度。在任何时间场合的加速度计读数202和细长轴30插入长度204可以被组合或合并203，以定位细长轴的远端区域32，如框208所示。这可以提供对尖端位置的估计或近似值。可以设想，可以针对多个尖端位置302、304、306、308来确定加速度计读数202和插入长度204。根据需要，可以使用少于四个或多于四个的尖端位置。例如，可以针对多个不同的尖端位置重复步骤202、204、203、208。
在一些情况下，相机33可以被配置为当内窥镜系统20推进穿过身体时传输实时视频或静止图像。可以设想，可以针对特征点检测210来分析单个图像帧206。例如，相机33可以持续地(即，连续地)或间歇地捕获可以从中提取特征点的图像帧206。特征点P1、P2、P3、P4(参见例如图6)可以是身体内的解剖结构。在一些情况下，特征点P1、P2、P3、P4可以从不同的角度或视点在不止一个图像中被捕获。例如，第一和第二特征点P1、P2都是从第一尖端位置302和第二尖端位置304捕获的。类似地，第三和第四特征点P3、P4都是从第三尖端位置306和第四尖端位置308捕获的。这只是一个示例。可以使用任意数量的特征点。此外，每个图像不限于两个特征点，也不要求特征点存在于两个图像中。可以设想，来自多个不同图像帧(例如，在不同尖端位置302、304、306、308处捕获的图像帧)的特征点可以被组合以生成点云。例如，可以针对多个不同的尖端位置重复步骤206、210。点云进而可被用于生成解剖结构的视图。在一个示例中，可以生成器官(诸如肾脏)的3-D表面或体腔的管腔表面。可以根据需要生成其他解剖结构。
计算设备100然后可以组合209尖端定位数据208和特征点数据210以执行视觉惯性测程212来确定准确的尖端位置。例如，细长轴30的远端42的定位和取向可以通过分析远端区域32的图像和移动(如由插入长度204和加速度计读数所确定的)来确定。在计算出尖端位置之后，可以应用来自运动成像技术的结构214来计算特征点的3D坐标。例如，局部运动信号(例如，来自加速度计)、特征点的3D坐标和/或来自相机33的二维图像可以被组合以生成解剖结构的3D结构或图像。
计算设备100然后利用来自运动分析的结构214来生成具有细长轴30的远端区域32的解剖结构的3D重建216。该计算设备100然后可以在用户接口110或其他显示器上显示渲染，如框218所示。
图7是用于跟踪内窥镜系统20的位置的另一说明性方法400的流程图。首先，计算设备100可以接收或获取加速度计数据402、来自形状感测或陀螺仪传感器404的数据以及细长轴插入和/或撤回长度406。形状感测和/或陀螺仪传感器可以提供可被用在3D重建中的远侧尖端的角度信息。可替选地，或除了形状感测或陀螺仪传感器404之外，安装在内窥镜系统20的远侧尖端上的相机可被用于在确定尖端位置时补充加速度计数据402。如上所述，加速度计36可以将加速度计读数402作为用于X、Y和Z轴的原始计数数据进行传输。原始计数可以取决于力的可测量范围(例如，重力(g-force))和分辨率。例如，加速度计36可以具有的范围约为8g，具有14A/D转换器(ADC)分辨率。然而，根据需要，可以使用小于8g或大于8g的范围。此外，根据需要，分辨率可以小于14ADC或大于14ADC。可以将原始计数数据转换为适当单位的加速度值，诸如米/秒平方(m/s2)。轴插入和/或撤回长度406可以利用定位在身体外部的传感器70、72来确定。光学传感器70、72可以被配置为保持分界物60的计数，该计数可以被转换成细长轴30的插入长度406。例如，光学传感器70、72可以被配置为对细长轴30的向远侧推进和向近侧撤回进行计数，从而能够在任何时间点确定轴30在患者体内的长度。
计算设备100可以被编程为利用加速度计数据402、来自形状感测或陀螺仪传感器404的数据以及轴插入和/或撤回长度406来重建或生成细长轴30在3D空间408中的行进线。然后，计算设备100可以将行进线叠加在要在用户接口110上显示的解剖结构的3D CT扫描或其他成像技术上。图8示出了细长轴30在肾内区域的3D扫描420上的行进线422。可以设想，虚拟标记可被定位在扫描420上，以便于导航到细长轴的先前定位。在其他情况下，可以使用虚拟标记来帮助定位肾结石。根据需要，可以通过内窥镜系统20的手柄22上的按钮的致动或者通过用户接口110将虚拟标记或大头针投放或放置在显示器上。
图9是用于跟踪内窥镜系统20的位置的另一说明性方法500的流程图。首先，计算设备100可以接收或获取加速度计数据502、来自形状感测或陀螺仪传感器504的数据以及细长轴插入和/或撤回长度506。形状感测和/或陀螺仪传感器可以提供可被用在3D重建中的远侧尖端的角度信息。可替选地，或除了形状感测或陀螺仪传感器404之外，安装在内窥镜系统20的远侧尖端上的相机可被用于在确定尖端位置时补充加速度计数据402。如上所述，加速度计36可以将加速度计读数502作为用于X、Y和Z轴的原始计数数据进行传输。原始计数可以取决于力的可测量范围(例如，重力(g-force))和分辨率。例如，加速度计36可以具有的范围约为8g，具有14A/D转换器(ADC)分辨率。然而，根据需要，可以使用小于8g或大于8g的范围。此外，根据需要，分辨率可以小于14ADC或大于14ADC。可以将原始计数数据转换为适当单位的加速度值，诸如米/秒平方(m/s2)。轴插入和/或撤回长度506可以利用定位在身体外部的传感器70、72来确定。光学传感器70、72可以被配置为保持分界物60的计数，该计数可以被转换成细长轴30的插入长度506。例如，光学传感器70、72可以被配置为对细长轴30的向远侧推进和向近侧撤回进行计数，从而能够在任何时间点确定轴30在患者体内的长度。
计算设备100还可以被配置为利用从相机33获取的视频数据或静止图像来识别解剖标志508。例如，计算设备100可以被配置为利用手指打印技术和/或光学导航来获取解剖图像。计算设备100可以被编程为利用加速度计数据402、来自形状感测或陀螺仪传感器404的数据、轴插入和/或撤回长度406以及解剖标志410来重建或生成解剖结构的3D重建。可以设想，虚拟标记可以定位在重建上，以便于导航到细长轴的先前定位。在其他情况下，可以使用虚拟标记来帮助定位肾结石。根据需要，可以通过内窥镜系统20的手柄22上的按钮的致动或者通过用户接口110将虚拟标记或大头针投放或放置在显示器上。
应当理解，本公开在许多方面仅仅是说明性的。在不超出本公开的范围的情况下，可以在细节上进行改变，特别是在形状、尺寸和步骤安排方面。在适当的范围内，这可以包括一个示例实施例的任何特征的使用被用在其他实施例中。当然，本公开的范围是用所附权利要求所表达的语言来定义的。

Claims (15)

1.一种用于确定和标测细长轴的远端区域的位置的方法，包括：
从加速度计获取数据，所述加速度计位于细长轴中与其远端相邻；
确定从参考点被插入身体中的所述细长轴的长度；
合并加速度计数据和所述细长轴的长度以局部定位所述细长轴的远端区域；
重建医疗设备在所述身体内的行进线；以及
将所重建的行进线叠加在患者的解剖图像上。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括从定位在所述细长轴的远端的相机获取图像。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括从所述图像中检测特征点。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括合并所述特征点和被局部定位的所述细长轴的远端区域。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述解剖图像是邻近于所述远端区域的解剖结构的三维(3D)重建。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述解剖图像是三维CT扫描。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，从所述加速度计获取数据以及确定被插入身体中的所述细长轴的长度在所述细长轴的远端位于相同位置下执行。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，从所述加速度计获取数据包括：从所述细长轴的远端的多个不同位置获取加速度计数据。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，确定被插入身体中的所述细长轴的长度包括：从所述细长轴的远端的多个不同位置获取长度。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的方法，其中，获取图像包括：从所述细长轴的远端的多个不同位置获取图像。
11.一种用于确定医疗设备在身体中的定位的系统，所述系统包括：
从近端延伸到远端的细长轴；
加速度计，其位于所述细长轴中与其远端相邻；
在所述细长轴的外表面上形成的多个分界物，所述分界物沿着所述细长轴的长度以预定间隔纵向间隔开；
第一光学传感器和第二光学传感器，所述第一光学传感器和所述第二光学传感器配置为邻近于所述身体定位且纵向间隔开；以及
可操作地耦合到所述加速度计、所述第一光学传感器和所述第二光学传感器的计算设备。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一光学传感器和所述第二光学传感器被配置为在所述细长轴被推进到身体中时对所述多个分界物进行检测和计数。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一光学传感器和所述第二光学传感器被配置为检测所述细长轴的行进方向。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的系统，其中，所述计算设备被配置为基于对所述多个分界物的检测和计数来确定从参考点已被推进到身体中的所述细长轴的长度。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的系统，还包括陀螺仪传感器。
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