JP2018515253A - 画像誘導手術のための位置合わせのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

コンピューティングシステムによって実行される方法は、解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所における器具の遠位部分についての収集された空間情報のセットを受信するステップ及び器具の遠位部分が複数の場所のそれぞれにあるとき器具の基準部分についての位置情報のセットを受信するステップを含む。方法はまた、収集された空間情報のセットと器具の基準部分についての位置情報のセットとに基づいて、器具の遠位部分についての空間情報の基準セットを決定するステップ及び空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップを含む。

Description

（関連出願）
本特許出願は、２０１５年５月２２日に出願された“SYSTEMS AND METHODS OF REGISTRATION FOR IMAGE GUIDED SURGERY”と題する米国仮特許出願第62/165,249号の優先権及び出願日の利益を主張し、これは、その全体が本明細書に参照により援用される。

本開示は、画像誘導処置（image guided procedure）を実行するためのシステム及び方法、より具体的には、画像誘導処置の間に採取される組織についての病理学的データを表示するためのシステム及び方法に関する。

低侵襲医療技術は、医療処置中に損傷を受ける組織の量を減らし、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減することを意図している。このような低侵襲技術は、患者の解剖学的構造における自然開口部或いは１又は複数の外科的切開部を通って実行されることができる。これらの自然開口部又は切開部を通して、臨床医は、標的組織位置に到達するように低侵襲医療器具（手術、診断、治療、又は生検器具を含む）を挿入することができる。標的組織位置に到達するのを支援するために、医療器具の位置及び動きが、患者の解剖学的構造の手術前又は手術中の画像と相関させられることができる。画像に関連付けられた画像誘導器具を用いて、器具は、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環器系等のような解剖学的構造のシステム内の自然又は外科的に形成された通路を通り抜ける（navigate）ことができる。電磁感知追跡システムを含む従来の器具追跡システムは、臨床環境又はワークフローを乱すことがある。最小の臨床外乱で画像誘導手術を実施するためのシステム及び方法が必要とされている。

本発明の実施形態は、以下に続く特許請求の範囲によって要約される。

１つの実施形態では、コンピューティングシステムによって実行される方法が、解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所における器具の遠位部分についての収集された空間情報のセットを受信するステップと、器具の遠位部分が複数の場所のそれぞれにあるとき器具の基準部分についての位置情報のセットを受信するステップと、を含む。方法はまた、収集された空間情報のセットと器具の基準部分についての位置情報のセットとに基づいて、器具の遠位部分についての空間情報の基準セットを決定するステップと、空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップと、を含む。

他の実施形態では、方法は、遠隔操作アセンブリに結合される医療器具の遠位部分が解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所にあるとき前記器具内に延びる光ファイバ形状センサから空間情報のセットを収集するステップを含む。方法はまた、器具の遠位部分が解剖学的構造の通路のセット内の前記複数の場所にあるとき遠隔操作アセンブリの駆動システムのための位置センサから位置情報のセットを受信するステップと、器具の遠位部分が複数の場所にあるとき器具の近位部分についての近位位置データのセットを決定するステップとを含む。近位位置データのセットは、位置センサからの位置情報、及び、位置センサと器具の近位部分がそれに沿って動く固定挿入トラックとの間の較正情報に基づいて決定される。方法はまた、収集された空間情報のセットと近位位置データのセットとに基づいて、器具の遠位部分についての空間情報の基準セットを決定するステップと、空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップと、を含む。

他の実施形態では、システムが、オペレータ制御システムとオペレータ制御システムによる遠隔操作用に構成されたマニピュレータとを含む遠隔操作アセンブリを有する。マニピュレータは、手術環境において医療器具を動かすように構成される。システムはまた、１又は複数のプロセッサを含む処理ユニットを有する。処理ユニットは、解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所における医療器具の遠位部分についての収集された空間情報のセットを受信し、器具の遠位部分が複数の場所のそれぞれにあるとき医療器具の基準部分についての位置情報のセットを受信するように構成される。処理ユニットはまた、収集された空間情報のセットと医療器具の基準部分についての位置情報のセットとに基づいて、医療器具の遠位部分についての空間情報の基準セットを決定し、空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするように構成される。

前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、本質的に例示的且つ説明的なものであり、本開示の範囲を限定することなく本開示の理解を提供することを意図していることが理解されるべきである。これに関して、本開示の追加の態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかであろう。

本開示の態様は、添付の図面と併せて読まれるとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。業界の標準的な慣例に従って、さまざまな特徴は一定の縮尺で描かれていないことが強調される。実際、様々な特徴の寸法は、説明を明瞭にするために任意に増減されることがある。加えて、本開示は、様々な例において参照数字及び／又は文字を繰り返すことがある。この繰返しは、簡潔さ及び明瞭さを目的とするものであり、それ自体が議論された様々な実施形態及び／又は構成間の関係を規定するものではない。

本開示の実施形態による遠隔操作医療システムである。 本開示の態様を利用する医療器具システムを示す。 延ばされた医療ツールとともに図２の医療器具システムの遠位端部を示す。 人間の肺の中に位置する図２の医療器具システムの遠位端部を示す。 本開示の実施形態による画像誘導手術における誘導を提供するために使用される方法を示すフローチャートである。 本開示の実施形態による位置合わせのために患者の解剖学的構造のモデルを生成するセグメンテーションプロセスにおけるステップを示す。 本開示の実施形態による位置合わせのために患者の解剖学的構造のモデルを生成するセグメンテーションプロセスにおけるステップを示す。 本開示の実施形態による位置合わせのために患者の解剖学的構造のモデルを生成するセグメンテーションプロセスにおけるステップを示す。 挿入アセンブリに取付けられた医療器具を含む手術座標空間の側面図である。 挿入アセンブリに取付けられた医療器具を含む手術座標空間の側面図である。 本開示の実施形態による画像誘導手術の一部を示すフローチャートを示す。 本開示の実施形態による位置合わせテクニックを示す。 本開示の実施形態による位置合わせテクニックを示す。 本開示の実施形態による画像誘導手術のシーディングプロセスを示す。 本開示の実施形態による位置合わせテクニック位置合わせ表示段階を示す。

本発明の態様の以下の詳細な説明では、開示された実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が説明される。しかし、本開示の実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが当業者には明らかであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、及び回路が、本発明の実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように詳細に説明されていない。そして、不必要な説明の繰り返しを避けるために、１つの例示的な実施形態にしたがって説明された１又は複数の構成要素又は動作は、他の例示的な実施形態について適用できる場合には使用され得る又は省略され得る。

以下の実施形態は、様々な器具及び器具の部分を、三次元空間におけるそれらの状態の観点から、説明する。本明細書で使用される場合、用語「位置」は、三次元空間（例えば、デカルトＸ，Ｙ，Ｚ座標に沿った並進３自由度）における対象物又は対象物の一部の場所を指す。本明細書で使用される場合、用語「向き」は、対象物又は対象物の一部の回転配置（回転の３自由度−例えば、ロール、ピッチ、及びヨー）を指す。本明細書で使用される場合、用語「姿勢」は、並進自由度の少なくとも１つの自由度における対象物又は対象物の一部の位置、及び回転自由度の少なくとも１つの自由度における対象物又は対象物の一部の向き（合計６つの自由度まで）を指す。本明細書で使用される場合、用語「形状」は、細長い対象物に沿って測定された姿勢、位置、又は向きのセットを指す。

図面の図１を参照すると、例えば、手術、診断、治療、又は生検処置で用いる遠隔操作医療システムが、参照数字１００によって概して示される。図１に示されるように、遠隔操作医療システム１００は、概して、患者Ｐに様々な処置を実行する医療器具１０４を操作するための遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２を含む。アセンブリ１０２は、手術台Ｏに又は手術台Ｏの近くに取り付けられる。マスタアセンブリ１０６は、臨床医又は外科医Ｓが介入部位を見ること及びスレーブマニピュレータアセンブリ１０２を制御することを可能にする。

マスタアセンブリ１０６は、通常、手術台Ｏと同じ部屋に位置する外科医コンソールに配置され得る。しかし、外科医Ｓは、患者Ｐとは異なる部屋又は完全に異なる建物に位置し得ることが理解されるべきである。マスタアセンブリ１０６は、一般的に、マニピュレータアセンブリ１０２を制御するための１又は複数の制御装置を含む。制御装置は、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガーガン、手動操作制御装置、音声認識装置、ボディモーション又は存在センサ等のような、多数の様々な入力装置を含んでもよい。幾つかの実施形態では、制御装置は、テレプレゼンス、又は外科医が器具１０４を直接的に制御する強い感覚を有するよう制御装置が器具１０４と一体である知覚を外科医に提供するために、関連付けられる医療器具１０４と同じ自由度を備える。他の実施形態では、制御装置は、関連付けられる医療器具１０４より多い又は少ない自由度を有し得るとともに、依然としてテレプレゼンスを外科医に提供し得る。幾つかの実施形態では、制御装置は、６自由度で動く手動入力装置であり、この手動入力装置は、（例えば、把持ジョーを閉じる、電位を電極に印加する、薬物療法を送達する等のための）器具を作動させるための作動可能ハンドルも含み得る。

遠隔操作アセンブリ１０２は、医療器具システム１０４を支持し、１又は複数の非サーボ制御リンク（例えば、所定の位置に手動で位置決めされ且つロックされる１又は複数のリンク、一般的にセットアップ構造と呼ばれる）及び遠隔操作マニピュレータの運動学的構造を有し得る。遠隔操作アセンブリ１０２は、制御システム（例えば、制御システム１１２）からのコマンドに応答して、医療器具システム１０４の入力部を駆動する複数のアクチュエータ又はモータを含む。モータは、医療器具システム１０４に結合されるとき、自然に又は手術によって作られた解剖学的オリフィスに医療器具を前進させ得る駆動システムを含み得る。他のモータ駆動システムは、医療器具の遠位端部を多自由度で動かすことができ、この多自由度は、３自由度の直線運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト軸に沿った直線運動）及び３自由度の回転運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト軸回りの回転）を含み得る。加えて、モータは、生検装置等のジョーの中に組織を把持するための器具の関節動作可能（articulable）なエンドエフェクタを駆動するために使用されることができる。レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、及び他の機構のようなモータ位置センサが、モータ軸の回転及び向きを記述するセンサデータを遠隔操作アセンブリに提供し得る。この位置センサデータは、モータによって操作される物体の動きを決定するために使用され得る。

遠隔操作医療システム１００は、遠隔操作アセンブリの器具に関する情報を受信するための１又は複数のサブシステムを持つセンサシステム１０８も含む。このようなサブシステムは、位置センサシステム（例えば、電磁（ＥＭ）センサシステム）；カテーテル先端の及び／又は器具システム１０４の可撓性ボディに沿った１又は複数のセグメントの、位置、向き、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定するための形状センサシステム；並びに／又はカテーテルシステムの遠位端部から画像を取り込むための可視化システムを含み得る。

可視化システム（例えば、図２Ａの可視化システム２３１）は、手術部位の同時発生又はリアルタイム画像を記録するとともに画像を臨床医又は外科医Ｓに提供する目視スコープ（viewing scope）アセンブリを含み得る。同時発生画像は、例えば、手術部位内に位置する内視鏡によって取り込まれる二次元又は三次元画像であり得る。この実施形態では、可視化システムは、医療器具１０４に一体に又は取り外し可能に結合され得る内視鏡構成要素を含む。しかし、代替実施形態では、別個のマニピュレータアセンブリに取り付けられた別個の内視鏡が、手術部位を撮像するために手術器具と共に使用され得る。可視化システムは、１若しくは複数のコンピュータプロセッサと相互作用する又は、１若しくは複数のコンピュータプロセッサによってその他の方法で実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせとして実装されることができ、この１又は複数のコンピュータプロセッサは、（以下に記載される）制御システム１１２のプロセッサを含み得る。制御システム１１２のプロセッサは、本明細書に開示されるプロセスに対応する命令を実行し得る。

遠隔操作医療システム１００は、手術部位及びセンサシステム１０８のサブシステムによって生成された医療器具システム（複数可）１０４の画像又は表現（representation）を表示するためのディスプレイシステム１１０も含む。ディスプレイ１１０及びオペレータ入力システム１０６は、オペレータが、医療器具システム１０４及びオペレータ入力システム１０６をテレプレゼンスの知覚を伴って制御できるように向き合わせされ（oriented）得る。

ディスプレイシステム１１０は、可視化システムによって取り込まれた手術部位及び手術器具の画像も表示し得る。ディスプレイ１１０及び制御装置は、オペレータが、実質的に本当の存在感の中で作業空間を見ているかのように、手術器具１０４及び手動制御部を操作することができるように、スコープアセンブリにおけるイメージング装置及び手術器具の相対位置が、外科医の眼及び手の相対位置と類似するように向き合わせされ得る。実際の存在感によって、画像の表示が、手術器具１０４を物理的に操作しているオペレータの視点をシミュレートする実際の透視画像であることを意味する。

代替的に又は追加的に、ディスプレイ１１０は、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像診断（MRI）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）、サーマルイメージング（thermal imaging）、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、又はナノチューブＸ線イメージングのような撮像技術から画像データを使用して手術前に又は手術中に記録された手術部位の画像を提示し得る。手術前又は手術中画像データは、２次元、３次元、又は４次元画像（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）として、或いは、手術前又は手術中画像データセットから作られるモデルからの画像として提示され得る。

幾つかの実施形態では、しばしば画像誘導手術のために、ディスプレイ１１０は、臨床医又は外科医Ｓに医療器具１０４の先端の位置の視点からの内部手術部位の仮想画像を与えるために、医療器具１０４の実際の位置が手術前又は同時発生の画像／モデルに位置合わせされる（すなわち動的に参照される）、仮想的なナビゲーション画像を表示し得る。器具１０４の先端の画像又は他のグラフィカル若しくは英数字の表示が、医療器具を制御する外科医を補助するために、仮想画像に重ねられ得る。或いは、器具１０４は、仮想的な画像において可視でなくてもよい。

他の実施形態では、ディスプレイ１１０は、医療器具の実際の位置が、外部視点からの手術部位内の医療器具の仮想画像を臨床医又は外科医Ｓに与えるように、手術前又は同時発生の画像に位置合わせされる、仮想ナビゲーション画像を表示し得る。医療器具の一部の画像又は他のグラフィカル若しくは英数字の表示が器具１０４を制御する外科医を補助するために、仮想画像に重ねられ得る。

遠隔操作医療システム１００は、制御システム１１２も含む。制御システム１１２は、医療器具システム１０４、オペレータ入力システム１０６、センサシステム１０８、及びディスプレイシステム１１０の間で制御を行うための、少なくとも１つのメモリ及び少なくとも１つのコンピュータプロセッサ（図示せず）、典型的には複数のプロセッサを含む。制御システム１１２は、ディスプレイシステム１１０に病理学的情報を提供するための命令を含む、本明細書に開示される態様に従って記載される方法の幾つか又は全てを実装するプログラム命令（例えば、命令を格納するコンピュータ可読媒体）も含む。制御システム１１２は、図１の簡略化した概略図に単一のブロックとして示されているが、このシステムは、処理の一部が、遠隔操作アセンブリ１０２で又はこれに隣接して実行され、処理の他の部分が、オペレータ入力システム１０６等で実行される、２以上のデータ処理回路を含み得る。多種多様な集中型又は分散型データ処理アーキテクチャのいずれかが用いられ得る。同様に、プログラム命令は、幾つかの別々のプログラム又はサブルーチンとして実装され得る、又はそれらは、本明細書に記載される遠隔操作システムの幾つかの他の態様に組み込まれ得る。１つの実施形態では、制御システム１１２は、ブルートゥース（登録商標）、ＩｒＤＡ、ホームＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ、及び無線テレメトリのような無線通信プロトコルをサポートする。

幾つかの実施形態では、制御システム１１２は、医療器具システム１０４から力（フォース）及び／又はトルクフィードバックを受ける１又は複数のサーボコントローラを含み得る。フィードバックに応じて、サーボコントローラは、オペレータ入力システム１０６に信号を送信する。サーボコントローラ（複数可）は、患者の身体の開口部を介してこの身体内の内部手術部位内に延びる医療器具システム（複数可）１０４を移動させるように遠隔操作アセンブリ１０２に命令する信号も送信し得る。任意の適切な従来の又は専用のサーボコントローラが使用され得る。サーボコントローラは、遠隔操作アセンブリ１０２から分離され得る、又は遠隔操作アセンブリ１０２と一体にされ得る。幾つかの実施形態では、サーボコントローラ及び遠隔操作アセンブリは、患者の身体に隣接して位置決めされる遠隔操作アームカートの一部として設けられる。

制御システム１１２は、画像誘導手術で使用されるとき、医療器具システム（複数可）１０４にナビゲーション支援を提供する仮想可視化システムをさらに含み得る。仮想可視化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的構造の通路の取得された手術前又は手術中データセットに対する参照に基づく。より具体的には、仮想可視化システムは、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像診断（MRI）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）、サーマルイメージング、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のような撮像テクニックを使用して撮像された手術部位の画像を処理する。単独又は手動入力との組合せのソフトウェアが、記録された画像を、部分的な又は全体的な解剖学的構造の臓器又は解剖学的構造の領域の２次元又は３次元合成表現（composite representation）に変換するために使用される。画像データセットは、合成表現と関連付けられる。合成表現及び画像データセットは、通路及びそれらの接続（connectivity）の様々な位置及び形状を示す。合成表現を生成するために使用される画像は、臨床処置の間に手術前又は手術中に記録され得る。代替実施形態では、仮想可視化システムは、標準的表現（すなわち、患者固有ではない）、又は標準的表現及び患者固有データのハイブリッドを使用し得る。合成表現及びこの合成表現によって生成される任意の仮想画像は、運動の１又は複数の段階の間の（例えば、肺の吸気／呼気サイクルの間の）変形可能な解剖学的構造の領域の静的な姿勢（posture）を表し得る。

仮想ナビゲーション手順の間、センサシステム１０８は、患者の解剖学的構造に対する器具のおおよその位置を計算するために使用され得る。この位置は、患者の解剖学的構造のマクロレベル追跡画像及び患者の解剖学的構造の仮想内部画像の両方を生成するために使用されることができる。仮想可視化システムからのような手術前に記録された手術画像と一緒に医療器具を位置合わせし且つ表示するために光ファイバセンサを使用する様々なシステムが、知られている。例えば、その全体が参照により本明細書に援用される（２０１１年５月１３日に出願された）（“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery”を開示する）米国特許出願第１３／１０７，５６２号は、１つのこのようなシステムを開示する。

遠隔操作医療システム１００は、照明システム、操縦（steering）制御システム、洗浄システム、及び／又は吸引システムのようなオプションのオペレーション及びサポートシステム（図示せず）をさらに含み得る。代替実施形態では、遠隔操作システムは、１より多い遠隔操作アセンブリ及び／又は１より多いオペレータ入力システムを含み得る。マニピュレータアセンブリの正確な数は、他の要因の中でもとりわけ、外科処置及び手術室内の空間的制約に依存する。オペレータ入力システムは併置され得る、又はそれらは別々の場所に配置され得る。複数のオペレータ入力システムは、１より多いオペレータが１又は複数のマニピュレータアセンブリを種々の組合せで制御することを可能にする。

図２は、遠隔操作医療システム１００で実行される画像誘導医療処置において医療器具システム１０４として使用され得る、医療器具システム２００を示す。代替的には、医療器具システム２００は、非遠隔操作診査処置、又は内視鏡検査のような従来の手動操作医療器具を伴う処置で使用され得る。追加的に又は代替的に、医療器具システム２００は、患者の解剖学的構造の通路を伴う場所に対応するデータポイントのセットを集める（すなわち、測定する）ために使用され得る。

器具システム２００は、器具ボディ２０４に結合されるカテーテルシステム２０２を含む。カテーテルシステム２０２は、近位端部２１７及び遠位端部又は先端部分２１８を有する細長い可撓性カテーテルボディ２１６を含む。１つの実施形態では、可撓性ボディ２１６は、約３ミリメートルの外径を有する。他の可撓性ボディの外径は、これよりも大きくても小さくてもよい。カテーテルシステム２０２は、オプションで、遠位端部２１８におけるカテーテル先端の及び／又はボディ２１６に沿った１又は複数のセグメント２２４の、位置、向き、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定するための形状センサ２２２を含み得る。遠位端部２１８と近位端部２１７との間のボディ２１６の全長は、セグメント２２４に効果的に分割され得る。器具システム２００が遠隔操作医療システム１００の医療器具システム１０４である場合、形状センサ２２２は、センサシステム１０８の構成要素であり得る。器具システム２００が手動操作される又は他に非遠隔操作処置のために使用される場合、形状センサ２２２は、形状センサに問い合わせするとともに受信した形状データを処理する追跡システム２３０に結合され得る。

形状センサ２２２は、可撓性カテーテルボディ２１６と位置合わせされる（例えば、内部チャネル（図示せず）内に設けられた又は外付けされた）光ファイバを含み得る。１つの実施形態では、光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態では、寸法は、より大きくても小さくてもよい。形状センサシステム２２２の光ファイバは、カテーテルシステム２０２の形状を決定するための光ファイバ曲げセンサを形成する。１つの代替形態では、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧｓ）を含む光ファイバが、１又は複数の次元における構造のひずみ測定値を提供するために使用される。光ファイバの形状及び相対位置を三次元で監視するための様々なシステム及び方法が、米国特許出願第１１／１８０，３８９号（２００５年７月１３日に出願され）（“Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto”を開示する）；米国仮特許出願第６０／５８８，３３６号（２００４年７月１６日に出願され）（“Fiber optic shape and relative position sensing”を開示する）；及び米国特許第６，３８９，１８７号（１９９８年６月１７日に出願され）、（“Optical Fibre Bend Sensor”を開示する）に記載されており、これらの文献は、それらの全体が参照により本明細書に援用される。代替実施形態のセンサは、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、蛍光散乱のような他の適切なひずみ検知技術を用い得る。他の代替実施形態では、カテーテルの形状は、他の技術を用いて決定され得る。例えば、カテーテルの遠位先端の姿勢の履歴が、時間間隔にわたる装置の形状を再構成するために使用されることができる。他の例として、過去の姿勢、位置、又は向きデータが、呼吸のような交互に行われる動作のサイクルに沿った器具システムの既知のポイントに関して格納され得る。この格納データは、カテーテルに関する形状情報を発展させるために使用され得る。代替的には、カテーテルに沿って配置されたＥＭセンサのような一連の位置センサが、形状検出のために使用されることができる。代替的には、処置中の器具上の、ＥＭセンサのような、位置センサからのデータの履歴が、特に解剖学的構造の通路が概して静止している場合に、器具の形状を表すために使用され得る。代替的には、外部磁場により制御される位置又は向きを持つ無線装置が、形状検出のために使用され得る。無線装置の位置の履歴は、ナビゲートされる通路の形状を決定するために使用され得る。

医療器具システムは、オプションで、位置センサシステム２２０を含み得る。位置センサシステム２２０は、外部発生電磁場に曝され得る１又は複数の導電性コイルを含むセンサ２２０を持つ電磁（ＥＭ）センサシステムの構成要素であり得る。次に、ＥＭセンサシステム２２０の各コイルは、外部発生電磁場に対するコイルの位置及び向きに依存する特性を有する誘導電気信号を生成する。１つの実施形態では、ＥＭセンサシステムは、６自由度、例えば３つの位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ及び基点のピッチ、ヨー、及びロールを示す３つの配向角（orientation angles）、又は５自由度、例えば３つの位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ及び基点のピッチ及びヨーを示す２つの配向角を測定するように構成され且つ配置され得る。ＥＭセンサシステムの更なる説明は、米国特許第６，３８０，７３２号（１９９９年８月１１日に出願され）（“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked”を開示する）に提供され、この文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。幾つかの実施形態では、形状センサは、（患者の固定座標系における）形状センサの基部の位置に関する情報と共にセンサの形状が、遠位先端を含む、形状センサに沿った様々な点の位置が計算されることを可能にするので、位置センサとしても機能し得る。

追跡システム２３０は、遠位端部２１８並びに器具２００に沿った１又は複数のセグメント２２４の位置、向き、速度、姿勢、及び／又は形状を決定する位置センサシステム２２０及び形状センサシステム２２２を含む。追跡システム２３０は、制御システム１１２のプロセッサを含み得る、１又は複数のコンピュータプロセッサと相互作用するか又はさもなければ同１又は複数のコンピュータプロセッサによって実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせとして実装され得る。

可撓性カテーテルボディ２１６は、医療器具２２６を受容するようにサイズ決めされ且つ形成されたチャンネル２２１を含む。医療器具は、例えば、画像取込プローブ、生検器具、レーザアブレーションファイバ、又は他の外科用、診断用、若しくは治療用ツールを含み得る。医療ツールは、メス、ブラントブレード、光ファイバ、又は電極のような単一の作業部材を有するエンドエフェクタを含み得る。他のエンドエフェクタは、例えば、鉗子、把持器、はさみ、又はクリップアプライヤを含み得る。電気的に作動されるエンドエフェクタの例は、電気手術電極、トランスデューサ、センサ等を含む。様々な実施形態では、医療ツール２２６は、表示のために可視化システム２３１によって処理される画像（ビデオ画像を含む）を取り込むために、可撓性カテーテルボディ２１６の遠位端部２１８の又は同遠位端部２１８の近くの立体又は単眼カメラを持つ遠位部分を含む画像取込プローブであり得る。画像取込プローブは、取り込まれた画像データを送信するために、カメラに結合されたケーブルを含み得る。代替的には、画像取込器具は、可視化システムに結合する、ファイバスコープのような光ファイバ束であり得る。画像取込器具は、例えば、画像データを、可視、赤外、又は紫外スペクトルのうちの１又は複数で取り込む、単一又はマルチスペクトルであり得る。

医療器具２２６は、器具の遠位端部を制御可能に曲げるために器具の近位端部と遠位端部との間に延びるケーブル、リンク装置（linkages）、又は他の作動制御部（図示せず）を収容し得る。操縦可能（steerable）な器具は、（２００５年１０月４日に出願され）（“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”を開示する）米国特許第7,316,681号及び（２００８年９月３０日に出願され）（“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments”を開示する）米国特許出願第１２／２８６，６４４号に詳細に記載され、これらはその全体が本出願に参照により援用される。

可撓性カテーテルボディ２１６もまた、例えば、遠位端部の破線描写２１９によって示されるように、遠位端部２１８を制御可能に曲げるためにハウジング２０４と遠位端部２１８との間に延びる、ケーブル、リンク装置、又は他の操縦制御部（図示せず）を収容し得る。操縦可能なカテーテルは、（２０１１年１０月１４日に出願され）（“Catheter with Removable Vision Probe”を開示する）米国特許出願第１３／２７４，２０８号に詳細に記載され、これはその全体が本出願に参照により援用される。器具システム２００が遠隔操作アセンブリによって作動させられる実施態様では、ハウジング２０４は、遠隔操作アセンブリの電動式駆動要素に取り外し可能に結合し且つ電動式駆動要素から電力を受け取る、駆動入力を含み得る。器具システム２００が手動操作される実施態様において、ハウジング２０４は、把持機構、手動アクチュエータ、又は器具システムの動きを手動で制御するための他の構成部品を含み得る。カテーテルシステムは操縦可能であり得る、又は、代替的に、カテーテルシステムは、器具の曲げのオペレータ制御のための統合された機構を備えずに操縦不能であり得る。更に又は代替的に、１又は複数の管腔が可撓性ボディ２１６内に定められ、この１又は複数の管腔を通って医療器具は標的手術位置に展開され且つ同標的手術位置で使用されることができる。

様々な実施態様では、医療器具システム２００は、肺の検査、診断、生検、又は治療での使用のための、気管支鏡又は気管支カテーテルのような、可撓性の気管支器具を含み得る。システム２００はまた、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環器系等を含む、様々な解剖学的構造のシステムのいずれかにおける、自然の又は外科的に創り出された接続通路を介した、他の組織の治療及びナビゲーションに適する。

追跡システム２３０からの情報は、ナビゲーションシステム２３２に送られることができ、そこで、器具２００の制御で用いるディスプレイシステム１１０上のリアルタイムの位置情報を外科医又は他のオペレータに提供するために、可視化システム１１０からの情報及び／又は手術前に得られたモデルと組み合わされる。制御システム１１２は、器具２００を位置決めするためのフィードバックとしてその位置情報を利用し得る。手術器具を手術画像に位置合わせするとともにそれを表示するために光ファイバセンサを使用する種々のシステムが、“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery”を開示する、２０１１年５月１３日に出願された米国特許出願第１３／１０７，５６２号に提供され、これはその全体が本明細書に参照により援用される。

図２Ａの実施形態では、器具２００は、遠隔操作医療システム１００内で遠隔操作される。代替実施形態では、遠隔操作アセンブリ１０２は、直接のオペレータ制御と交換され得る。直接の操作の代替において、種々のハンドル及びオペレータインターフェースが、器具のハンドヘルドの操作のために含まれ得る。

代替実施形態では、遠隔操作医療システムは、１より多いスレーブマニピュレータアセンブリ及び／又は１より多いマスタアセンブリを含み得る。マニピュレータアセンブリの正確な数は、他の要因の中でもとりわけ、医療処置及び手術室内の空間的制約に依存する。マスタアセンブリは併置され得る、又はそれらは別々の場所に配置され得る。複数のマスタアセンブリは、１より多いオペレータが１又は複数のスレーブマニピュレータアセンブリを種々の組合せで制御することを可能にする。

図２Ｂにより詳細に示されるように、手術、生検、アブレーション、照明、灌注、又は吸引などの処置のための医療ツール（複数可）２２８は、可撓性ボディ２１６のチャンネル２２１を通って展開されるとともに解剖学的構造内の標的位置で使用されることができる。例えば、ツール２２８が生検器具である場合、それは、標的の解剖学的構造の位置から試料組織又は細胞のサンプリングを除去するために使用され得る。医療ツール２２８は、可撓性ボディ２１６内の画像取込プローブとともに使用されてもよい。代替的には、ツール２２８自体が画像取込プローブであってもよい。ツール２２８は、処置を実行するためにチャンネル２２１の開口から前進され、処置が完了すると、その後、チャンネルに引き戻され得る。医療ツール２２８は、カテーテル可撓性ボディの近位端部２１７から、又は可撓性ボディに沿った別のオプションの器具ポート（図示せず）から取り除かれてもよい。

図３は、患者の解剖学的構造の解剖学的構造の通路内に位置するカテーテルシステム２０２を示す。この実施形態では、解剖学的構造の通路は人の肺の気道である。代替の実施形態では、カテーテルシステム２０２は、解剖学的構造の他の通路で使用されてもよい。

図４は、画像誘導手術での使用のための一般的な方法４５０を示すフローチャートである。プロセス４５２において、手術前又は手術中の画像データは、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像診断（MRI）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）、サーマルイメージング、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージングのような撮像技術から得られる。手術前又は手術中の画像データは、２次元、３次元、又は４次元（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）画像に対応し得る。例えば、画像データは、図３の人間の肺２０１を表し得る。プロセス４５４において、単独又はコンピュータ入力と組み合わせたコンピュータソフトウェアが、記録された画像を、部分的又は全体的な解剖学的構造の器官又は解剖学的構造の領域のセグメント化された２次元又は３次元合成表現又はモデルに変換するために、使用される。合成表示及び画像データセットは、通路の様々な位置及び形状並びにそれらの接続性を記述する。より具体的には、セグメンテーションプロセス中、画像は、色、濃度、強度、及びテクスチャのような特定の特性又は計算された特性を共有するセグメント又は要素（例えば、ピクセル又はボクセル）に分割される。このセグメンテーションプロセスは、得られた画像に基づいて標的の解剖学的構造のモデルを形成する２次元又は３次元再構成をもたらす。モデルを表現するために、セグメンテーションプロセスは、標的の解剖学的構造を表すボクセルのセットの輪郭を描き（delineate）、次いで、ボクセルを囲む３Ｄ表面を得るために、マーチングキューブ関数（marching cube function）のような関数を適用し得る。このセグメンテーションプロセスは、取得された画像に基づいて標的の解剖学的構造のモデルを形成する２次元又は３次元再構成をもたらす。モデルを表現するために、セグメンテーションプロセスは、標的の解剖学的構造を表すボクセルのセットの輪郭を描き、次いで、ボクセルを囲む３Ｄ表面を得るために、マーチングキューブ関数のような関数を適用し得る。追加的又は代替的に、モデルは、モデル化された通路の中心を通って延びる相互接続された線分（interconnected line segments）又は点のセットを含む中心線モデル（centerline model）を含み得る。モデルが、相互接続された線分のセットを含む中心線モデルを含む場合、それらの線分は、クラウド又は点の集合に変換され得る。線分を変換することによって、相互接続された線分に対応する所望の点の量は、手動又は自動で選択されることができる。プロセス４５６において、解剖学的構造のモデルデータは、患者への画像誘導手術の前及び／又はその間に、患者の解剖学的構造に対して位置合わせされる。一般に、位置合わせは、剛体変換及び／又は非剛体変換の使用を介して、モデルの点と測定点とを一致させることを含む。測定点は、解剖学的構造内のランドマーク、手術中に走査され且つ追跡される電磁コイル、又は形状センサを使用して生成され得る。測定点は、図６及び本開示の他の箇所に詳細に記載されている、反復最近接点（iterative closest point）（ICP）技術において使用するために生成され得る。他のポイントセット位置合わせ方法もまた、本開示の範囲内で位置合わせプロセスにおいて使用されてもよい。

画像誘導手術で使用するための他の位置合せ方法は、しばしば電磁又はインピーダンス検知に基づく技術の使用を伴う。手術環境で使用される金属物体又は特定の電子デバイスは、検知されたデータの品質を損なう外乱を生成する可能性がある。位置合わせの他の方法は、臨床ワークフローを妨げる可能性がある。以下で説明するシステム及び方法は、ＩＣＰに基づく位置合わせ、又は、別のポイントセット位置合わせアルゴリズム、及び光ファイバ形状センサによるポイント収集器具の較正された動きを実行し、それにより手術環境における混乱（disruptions）を排除又は最小化する。他の位置合せ技術が、手術前モデル又は他のモダリティを使用して得られたモデルに測定点のセットを位置合わせするために使用されてもよい。以下に説明される実施形態では、患者及び器具上のＥＭセンサと、器具のための光学追跡システムは、省略されてもよい。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、図４に示された一般的な方法４５０のステップの幾つかを示す。図５Ａは、手術前又は手術中の撮像データから作成された解剖学的構造の通路のセットのセグメント化モデル５０２を示す。この実施形態では、通路は人の肺の気道である。自然発生の制限又はオペレータによって設定された制限のために、セグメント化モデル５０２は、人間の肺内に存在する通路の全てを含まないことがある。例えば、肺の比較的狭い及び／又は遠位の通路は、セグメント化モデル５０２に完全に含まれないことがある。セグメントモデル５０２は、内部管腔又は肺の通路を規定する壁を含む、メッシュモデルのような３次元モデルであってよい。

セグメント化モデル５０２に基づいて、中心線セグメント化モデル５０４が図５Ｂに示されるように生成され得る。中心線セグメント化モデル５０４は、セグメント化モデル５０２に含まれる通路のおおよその中心に対応する３次元直線のセット又は曲線のセットを含み得る。モデルの分解能が高いほど、直線又は曲線のセットは、より正確に通路の中心に対応する。肺を中心線セグメント化モデル５０４で表すことは、通路の壁を表すセグメント化モデル５０２のデータセットよりも、１若しくは複数のプロセッサ又は処理コアによってより効率的に処理される、より小さいデータセットを提供し得る。このようにして、制御システム１１２の機能は改善され得る。図５Ｂに示されるように、中心線セグメント化モデル５０４は、幾つかの分岐点を含み、そのうちの幾つかは、図５Ｂにおいて可視性のために強調表示されている。分岐点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、分岐点の幾つかのうちのそれぞれに示されている。分岐点Ａは、気管が左及び右の主気管支に分かれるモデル内の点を表し得る。右主気管支は、中心線セグメントモデル５０４において、分岐点ＡとＢとの間に位置するものとして識別され得る。同様に、二次気管支は、分岐点ＢとＣ、並びに分岐点ＢとＥとの間によって識別され得る。他の世代は、分岐点ＣとＤとの間によって定義され得る。これらの世代のそれぞれは、対応する通路の管腔の直径の表示と関連付けられ得る。幾つかの実施形態では、中心線モデル５０４は、各セグメント化世代の平均直径値を含み得る。平均直径値は、患者固有の値又は複数の患者から得られたより一般的な値であり得る。

幾つかの実施形態では、中心線セグメント化モデル５０４は、連続線としてではなく、３次元空間内の点のクラウド、セット、又は集合としてデータ内に表される。図５Ｃは、点５０６のセットとしての中心線セグメント化モデル５０４を示す。データにおいて、モデル点のセットの点の各々は、３次元空間における各点の位置を識別する、Ｘ_Ｍ、Ｙ_Ｍ、及びＺ_Ｍのセット、座標、又は他の座標のような、座標を含み得る。幾つかの実施形態では、点の各々は、点が関連付けられる通路世代及び／又は中心線セグメント化モデル５０４のその部分に関連付けられる直径又は半径値を識別する世代識別子を含み得る。幾つかの実施形態では、与えられた点に関連付けられる半径又は直径を記述する情報が、別個のデータセットの一部として提供され得る。

中心線セグメント化モデル５０４が生成され、図５Ｃに示される点５０６のセットとしてデータに格納された後、中心線セグメント化モデル５０４は、画像誘導手術で使用するためにデータストレージから取り出され得る。画像誘導手術において中心線セグメント化モデル５０４を使用するために、モデル５０４は、モデル５０４内のモデル化された通路を手術環境に存在する患者の実際の解剖学的構造と関連付けるために位置合わせされ得る。点セット位置合わせにおけるモデル５０４の使用は、モデル５０４から点５０６のセットを使用することを含む。

図６Ａ及び図６Ｂは、患者Ｐがプラットフォーム６０２上に配置される手術座標系Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓ、Ｚ_Ｓを有する、幾つかの実施形態による例示的な手術環境６００を示す。患者Ｐは、総体的な患者の動きは、鎮静、拘束又は他の手段によって制限されるという意味で、手術環境内で静止し得る。患者Ｐの呼吸及び心臓の動きを含む周期的な解剖学的構造の運動が継続する。手術環境６００内では、点収集器具６０４が器具キャリッジ６０６に結合される。様々な実施形態において、点収集器具６０４は、ＥＭセンサ、形状センサ、及び／又は他のセンサモダリティを使用し得る。器具キャリッジ６０６は、手術環境６００内に固定された挿入ステージ６０８に取り付けられる。代替的には、挿入ステージ６０８は、移動可能であるが、手術環境内で（例えば、追跡センサ又は他の追跡装置を介して）既知の位置を有し得る。器具キャリッジ６０６は、挿入動作（すなわち、Ｘ_Ｓ方向の運き）を、及びオプションで、ヨー、ピッチ、ロールを含む複数の方向の器具の遠位端部の動きを制御するように器具６０４に結合する遠隔操作マニピュレータアセンブリ（例えば、アセンブリ１０２）の構成要素であり得る。器具キャリッジ６０６又は挿入ステージ６０８は、挿入ステージに沿った器具キャリッジの動きを制御するサーボモータ（図示せず）を含み得る。

点収集器具６０４は、近位剛性器具ボディ（proximal rigid instrument body）６１２に結合された可撓性カテーテル６１０を含み得る。剛性器具ボディ６１２は、器具キャリッジ６０６に対して結合され且つ固定される。図示の実施形態では、光ファイバ形状センサ６１４が、剛性器具ボディ６１２上の近位基準点６１６に固定される。この実施形態では、基準点６１６は患者の解剖学的構造の通路の外側に位置するが、代替実施形態では、基準点は患者内を移動し得る。代替実施形態では、センサ６１４の点６１６は、ボディ６１２に沿って移動可能であり得るが、その点の位置は（例えば、追跡センサ又は他の追跡装置を介して）知られ得る。形状センサ６１４は、基準点６１６から、カテーテル６１０の遠位端部６１８のような別の点までの形状を測定する。点収集器具６０４は、医療器具システム２００と実質的に同様であり得る。

位置測定装置６２０は、剛性器具ボディ６１２が挿入軸Ａに沿って挿入ステージ６０８上を移動するときの剛性器具ボディ６１２の位置に関する情報を提供する。位置測定装置６２０は、レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、及び器具キャリッジ６０６の動き、したがって堅固に取り付けられた器具ボディ６１２の動きを制御するモータシャフトの回転及び向きを決定する他の機構を含み得る。この実施形態では、挿入ステージ６０８は直線状であるが、代替実施形態では、曲線状であり得る又は曲線部分と直線部分の組み合わせを有し得る。オプションで、直線状トラックは、例えば、参照によりその全体が本明細書に援用される米国仮特許出願第62/029,917号（２０１４年７月２８日出願）（“Guide Apparatus For Delivery Of A Flexible Instrument And Methods Of Use”を開示している）に記載されるように、折り畳み可能であり得る。図６は、挿入ステージ６０８に沿った後退位置にある器具ボディ６１２及びキャリッジ６０６を示す。この後退位置では、近位点６１６は軸Ａ上の位置Ｌ_０にある。挿入ステージ６０８に沿ったこの位置では、点６１６の位置のＸ_Ｓ成分はゼロ又は最初の値（original value）に設定され得る。器具ボディ６１２及びキャリッジ６０６のこの後退位置では、カテーテルの遠位端部６１８は、患者Ｐの入口オリフィスのすぐ内側に位置し得る。また、この位置では、位置測定装置は、ゼロ又は最初の値（例えば、Ｉ＝０）に設定され得る。図７では、器具ボディ６１２及びキャリッジ６０６は、挿入ステージ６０８の直線トラックに沿って前進し、カテーテル６１０の遠位端部は患者Ｐの中に前進している。この前進位置では、近位点６１６は軸Ａ上の位置Ｌ_１にある。

点収集装置６０４の実施形態は、ＥＭ検知及び形状検知を含む任意の数のモダリティを使用して測定点を収集し得る。測定点が患者の通路内から収集されると、点はメモリのようなデータストレージデバイスに格納される。測定点のセットは、手術の間又は手術の直前に取得された測定点の少なくとも幾つかを含むが全てを含んでもよいデータベースに格納され得る。メモリに格納されるように、点の各々は、点の座標、タイムスタンプ、及び相対センサ位置又は個々のセンサＩＤ（点収集装置６０４の長さに沿って分布した複数のセンサが、同時に幾つかの点の位置を決定するために使用されるとき）を含むデータによって表され得る。幾つかの実施形態では、各点を表すデータは、その点が収集された患者の呼吸相（respiratory phase）を示す呼吸相マーカも含み得る。

図８は、本開示の実施形態にしたがって、手術環境６００における患者Ｐへの画像誘導手術において臨床医に誘導（guidance）を提供するために使用される方法５００を示すフローチャートである。方法５００は、ブロック、ステップ、操作、又はプロセスのセットとして図８に示される。図示された、列挙された動作の全てが、方法５００の全ての実施形態で実行されるわけではない。加えて、図８に明示的に示されていない幾つかの動作が、列挙されたプロセスの前、後、間、又は列挙されたプロセスの一部として含まれ得る。方法５００の幾つかの実施形態は、メモリに格納された方法５００のプロセスに対応する命令を含む。これらの命令は、制御システム１１２のプロセッサのようなプロセッサによって実行され得る。

したがって、方法５００の幾つかの実施形態は、プロセス５０２で開始することができ、ここでは、較正手順が、点収集器具６０４又は他の適切な装置のような位置測定装置で、挿入経路に沿ったセンサ基準点の相対位置及び／又は向きを較正するように実行される。例えば、図６及び図７の点収集器具６０４は、キャリッジ６０６が、位置Ｌ_０の点６１６を有する後退位置から、位置Ｌ_１の点６１６を有する前進位置まで移動するとき、点６１６の位置及び向きを決定するために使用され得る。較正手順は、位置測定装置６２０の各変化に対する点６１６の移動の方向を決定する。挿入ステージ６０８がキャリッジ６０６の動きを直線経路に制限するこの実施形態では、較正手順は、直線の方向を決定する。１つのそのような較正方法は、カテーテルの直線部分に沿った２つの点の間の位置の差を測定することであり；その差分ベクトルの方向は挿入軸の方向である。代替方法は、カテーテルの既知の点（例えば、先端）を固定位置に拘束し、挿入軸に沿ってバックエンドが横断するときに、その既知の固定点に対する点６１６の相対位置を測定し、次いで、方向ベクトルを測定された点のこの集合に当てはめる（fit）ことである。挿入ステージトラックの勾配から、手術環境６００における点６１６の位置及び向きは、位置測定装置６２０の対応する測定ごとに決定され得る。代替実施形態では、挿入ステージが湾曲又はその他の非直線形状である場合、較正手順は、位置装置のあらゆる測定に対して、手術環境における点６１６の位置及び向きが決定され得るように、非直線形状を決定し得る。例えば、カテーテルの遠位先端は、器具ボディが非直線挿入ステージに沿って経路指定されている間、固定位置に保持され得る。固定点６１６から形状センサによって収集された位置及び向きデータは、器具ボディが挿入ステージに沿って経路指定されるとき位置測定装置データと関連付けられ（correlated with）、挿入ステージ６０８の軸ａに沿った点６１６の動きを較正する。

プロセス５０４において、カテーテルの遠位端部６１８は、患者Ｐの解剖学的構造の通路（例えば、患者の肺の気道）を横断し、形状センサ６１４からのデータを介して、カテーテルの遠位端部及び／又は形状センサの形状に沿った他の点の位置データを記録する。この位置データは、本明細書で説明される測定点のセットを含むか、又は同セットを取得するように処理され得る。より具体的には、カテーテル６１０の遠位先端の動きは、解剖学的構造の通路の一部を調査するために、（例えば、マスタアセンブリ１０６を介して）遠隔操作、手動、又は自動制御によって制御される。例えば、遠隔操作制御信号は、キャリッジ６０６を軸Ａに沿って移動させ、カテーテルの遠位先端６１８を解剖学的構造の通路内で前進又は後退させ得る。さらに又は代替的に、遠隔操作制御信号は、遠位先端６１８をヨー、ピッチ、及びロールを含む動作の範囲で動かすように、手術器具内に延在する制御部材の作動を引き起こし得る。カテーテルが複数の通路内を移動すると、形状センサデータが遠位先端部の複数の位置について集められる。幾つかの実施形態では、カテーテルは、様々な通路内に約３インチまで延び得る。幾つかの実施形態では、カテーテルは、肺の各側でおおよそ３分枝世代（three branched generations）を通って又は同３分枝世代の中に延ばされ得る。カテーテル６１０でアクセス可能な世代数は、可撓性カテーテル６１０の直径が減少する及び／又は可撓性カテーテルの可撓性が増加するにつれて増加し得る。

図９を参照すると、形状センサデータが、測定データ点Ｄのセットについて集められる。測定データ点は、収集された各点に関する、座標、タイムスタンプ、センサＩＤ、呼吸相情報等を有するデータセット又は点プール（point pools）としてメモリに格納され得る。形状センサ又は他の点収集装置からのデータ点Ｄによって提供される空間情報のこの収集されたセットは、カテーテル６１０の遠位端部６１８が手術空間６００（すなわち遠隔操作マニピュレータ空間）内の複数の位置に動かされるときに、集められ得る。手術環境空間６００内の所与の収集されたデータ点Ｄ_Ｘの位置は、カテーテルの遠位端部が点Ｄ_Ｘに位置するときの位置測定装置６２０からの情報を、カテーテルの遠位端部が点Ｄ_Ｘに位置するときの形状センサからの形状データと組み合わせることによって決定され得る。点は、カテーテルの長さに沿って収集されることもできる。両方の場合において、位置測定装置６２０及び固定センサ点６１６の較正された経路からのデータは、カテーテルの遠位端部６１８が点Ｄ_Ｘにあるときの患者手術環境６００におけるセンサ点６１６の位置を提供する。例えば、トラック６０８に沿ったキャリッジ６０６の動きを制御する１又は複数のモータからのエンコーダデータ、及びトラックに沿ったキャリッジの動きからの較正データは、カテーテルの遠位端部が点Ｄ_Ｘにあるとき、手術環境６００におけるセンサ点６１６の位置を提供する。形状センサは、固定センサ点６１６と遠位端部６１８との間の器具の形状を提供する。したがって、手術環境空間６００内の（遠位端部６１８が位置する）点Ｄ_Ｘの位置は、遠位端部が点Ｄ_Ｘにあるときに記録された形状センサデータ及び較正された位置測定データから決定されることができる。収集データ点のセットにおけるデータ点Ｄの全てに関する手術環境６００座標空間における位置（すなわち、点６１６に対する遠位端部６１８の位置に関する形状センサデータと組み合わされた近位点６１６の較正された位置）は、解剖学的構造のモデル情報と位置合わせされることができる器具の空間情報の基準セットである。

再び図８を参照すると、プロセス５０６において、収集データ点Ｄのうちの１又は複数は、患者の解剖学的構造内のランドマーク位置に対応し得る。幾つかの実施形態では、ランドマークに対応する収集データ点Ｄは、ＩＣＰプロセスのような、位置合わせプロセスをシードする（seed）ために使用され得る。１又は複数のランドマークに対応する収集データ点Ｄのこのサブセットは、シード点と呼ばれ得る。ランドマークに対応する収集データ点Ｄのサブセットを表すデータは、メモリに格納されるときランドマークインジケータを含み得る。図１１を参照すると、解剖学的構造の通路７００のセットは、通路７００が分岐する主気管分岐部（main carinas）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を含む。データ点Ｄは、カテーテルの遠位端部をそれぞれの気管分岐部位置に動かすことによって、各気管分岐部の位置について集められることができる。例えば、データ点Ｄ_Ｌ１は、気管分岐部Ｃ_１において集められることができる。データ点Ｄ_Ｌ２は、気管分岐部Ｃ_２において集められることができる。データ点Ｄ_Ｌ３は、気管分岐部Ｃ_３において集められることができる。気管分岐部又は他の適切なランドマークは、ポイントＤ_Ｘについて上述したように、患者の手術環境６００内に位置することができる。プロセス５０６はオプションであり、代替的なシード技術（seeding techniques）が使用される場合は省略されてもよい。

再び図８を参照すると、プロセス５０８において、解剖学的構造のモデル情報が受信される。解剖学的構造のモデル情報は、図５Ｃに記載されているようなセグメント化中心線モデル５０４であり得る。再び図９を参照すると、解剖学的構造のモデル情報は、分岐した解剖学的構造の通路の中心線モデル５５０として表され得る。幾つかの実施形態では、モデルは、シード点Ｄ_Ｌ１、Ｄ_Ｌ２、及びＤ_Ｌ３に一致する１又は複数のランドマーク点を含み得る。シード点Ｄ_Ｌ１、Ｄ_Ｌ２、及びＤ_Ｌ３に一致するモデルに含まれるこれらの点は、幾つかの実施形態では中心線ポイントではなくてもよいが、後続の位置合わせプロセスのシーディングを容易にするために中心線モデル５５０に含まれてもよい。幾つかの実施形態では、中心線モデル５５０は、Ｍ_Ｌ１、Ｍ_Ｌ２、及びＭ_Ｌ３より多くのモデルランドマーク点を含み得る。

再び図８を参照すると、プロセス５１０において、解剖学的構造のモデル情報５５０の、手術環境６００からの収集データ点Ｄのセットとの位置合わせが実行される。位置合わせは、プロセス５１２−５２０に記載されているような反復クラウドポイント（iterative cloud point）（ＩＣＰ）技術のような点セット位置合わせアルゴリズムを使用して、又は別の位置合わせアルゴリズムの実施によって達成され得る。プロセス５１２において、ＩＣＰ位置合わせは、患者の手術環境と解剖学的構造のモデルとの間の変位及び向きの関係に関する既知の情報でシードされる。この実施形態（図１１）では、例えば、気管分岐部ランドマークＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、解剖学的構造のモデル情報において点Ｍ_Ｌ１、Ｍ_Ｌ２、Ｍ_Ｌ３として識別される。代替実施形態では、解剖学的構造のモデル情報は、他の方法で、例えば、３Ｄメッシュモデルの中心線セグメント又は軸として表され得る。あるいは代替的に、モデルは、シリンダのような３Ｄ形状から構築されたボリュームとして、又は３Ｄ画像として表現されてもよい。患者の手術環境からの記録されたランドマークデータ点Ｄ_Ｌ１、Ｄ_Ｌ２、Ｄ_Ｌ３は、それぞれ対応するモデル点Ｍ_Ｌ１、Ｍ_Ｌ２、Ｍ_Ｌ３に一致する（すなわち、Ｄ_Ｌ１はＭ_Ｌ１に一致するなど）。一致した点を用いて、ランドマークデータ点Ｄ_Ｌ１、Ｄ_Ｌ２、Ｄ_Ｌ３とモデル点Ｍ_Ｌ１、Ｍ_Ｌ２、Ｍ_Ｌ３との間の初期変換（例えば、位置及び／又は向きの変化）が決定される。変換は、全てのランドマークデータ点が位置及び向きの同じ変化によって変換される剛体変換（rigid transform）であり得る、又はランドマークデータ点が位置及び向きの異なる変化によって変換される非剛体変換であり得る。ランドマークデータ点Ｄ_Ｌ１、Ｄ_Ｌ２、Ｄ_Ｌ３で決定された変換は、収集データ点Ｄの全てに適用され得る。幾つかのランドマーク点に基づくこのシーディングプロセスは、収集データ点Ｄの解剖学的構造のモデルへの最初の粗い位置合わせを提供する。

最初の粗い位置合わせを得るための代替方法は、遠隔操作マニピュレータアセンブリ及び患者の位置に関するおおよそ既知の情報を使用することである。遠隔操作マニピュレータアセンブリは、挿入トラックの重力に対する相対的な姿勢を測定するエンコーダ又は他のセンサを装備し得る。この情報は、例えば患者が仰向きに横たわっているなどの患者の向きの仮定及び挿入トラックが患者の口に置かれているという仮定とを組み合わされ得る。従って、組み合わされた情報は、患者に対する器具のおおよその相対的な向き及び位置を提供し得るとともに、完全な位置合わせを進めるためのシーディング位置合わせ（seeding registration）として十分であり得る。

最初の粗い位置合わせが実行されたプロセス５１４において、収集データ点Ｄのセットは、解剖学的構造のモデル情報５５０（図９）と一致させられる（matched to）。この実施形態では、解剖学的構造のモデル情報は、解剖学的構造のモデルの中心線に沿った点のセットである。ＩＣＰアルゴリズムは、収集データ点Ｄ及び解剖学的構造のモデル点のセットの中の最も近い点の間の一致を識別する。様々な代替では、一致（matching）は、ブルートフォース（brute force）技術、ＫＤツリー技術、最大距離閾値計算、最大角度閾値計算、モデル中心線点、モデルメッシュ点、及び／又はモデルボリューム点を用いることによって達成され得る。別の実施形態では、一致は全く必要ではなく、むしろ、各収集点は、ある明示的なマッピング関数を使用するか、又はルックアップテーブルを使用して、モデル上又はモデル内の最も近い点にマッピングされる。収集点とモデル点との間の一致又はマッピングは、挿入深さ、呼吸相、モータトルク、速度などの追加基準によってさらに通知されてもよい。

プロセス５１６において、収集データ点Ｄのセットを、一致する解剖学的構造のモデル点の位置及び向きに移動させるために必要な動作が決定される。より具体的には、位置及び向きの全体的なオフセットが、収集データ点Ｄのセットについて、決定される。例えば、図９は、収集データ点Ｄと解剖学的構造のモデル情報５５０との間のおおよそ向きにおける２０°及び変位における４０ｍｍの初期オフセットを示す。

プロセス５１８において、収集データ点Ｄのセットが、収集データ点Ｄのセット内の各点を移動させるために、計算されたオフセットを変位及び向きに適用する剛体変換又は非剛体変換を使用して、変換される。図１０に示されるように、収集データ点Ｄのセットは、モデル点５５０に収束するように変換される。

プロセス５２０において、収集データ点Ｄと一致する解剖学的構造のモデル点５５０との収束が評価される。言い換えれば、向き及び変位の誤差要因（error factors）が、一致した点セットごとに決定され得る。総計の誤差要因が閾値よりも大きい場合、プロセス５１４−５２０の追加の反復が、全体の位置及び向きの誤差要因が閾値を下回るまで繰り返され得る。

位置合わせプロセス５１０は、周期的な解剖学的構造の動き、器具の力、又は患者の環境における他の変化によって引き起こされる通路の変形に応じて、手術中に複数回（例えば、約２回/時間であるが、より多い頻度で又はより少ない頻度であってもよい）再計算され得る。

解剖学的構造のモデル及び患者環境が位置合わせされた後、画像誘導手術がオプションで実行され得る。再び図８を参照すると、プロセス５２２において、手術中に、手術環境における手術器具の現在の位置が決定される。より具体的には、位置測定装置６２０及び固定センサ点６１６の較正された経路からのデータは、カテーテルが現在の位置にあるときの患者の手術環境６００におけるセンサ点６１６の位置を提供する。形状センサは、固定センサ点６１６と遠位端部６１８との間の器具の形状を提供する。したがって、手術環境空間６００におけるカテーテル２１０及び特にカテーテルの遠位端部６１８の現在の位置は、較正された位置測定データ及び形状センサデータから決定されることができる。

プロセス５２４において、以前に決定された位置合わせ変換が、解剖学的構造のモデルに対する現在の器具の位置を特定する（localize）ために、現在の器具の位置及び形状データに適用される。例えば、器具の遠位端部の現在の位置及び向き、データ点Ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}は、プロセス５１０で決定された１又は複数の変換反復を使用して変換される。したがって、手術環境６００におけるデータ点Ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}は、解剖学的構造のモデル空間に変換される。代替実施形態では、解剖学的構造のモデルが、カテーテル位置データが収集される手術環境に代わりに位置合わせされ得る。

プロセス５２６において、オプションで、位置特定された器具が、画像誘導手術において臨床医を支援するために、解剖学的構造のモデルと共に表示され得る。図１２は、解剖学的構造のモデル情報に基づいて人間の肺８０４の解剖学的構造の通路８０２のレンダリングを表示する表示システム８００を示す。手術環境空間が図８で上述したようにモデル空間に位置合わせされた状態で、カテーテル６１０の現在の形状及び遠位端部６１８の位置が、突き止められ得るとともに、通路８０２のレンダリングと同時に表示され得る。

本開示のシステム及び方法が、肺の接続された気管支通路における使用に関して記載されているが、それらは、大腸、腸管、腎臓、脳、心臓、又は循環器系等を含む種々の解剖学的構造のシステムのいずれにおける、自然の又は外科的に作られた接続された通路を経由した他の組織のナビゲーション及び治療にも適している。

本発明の実施形態における１又は複数の要素は、制御システム１１２のようなコンピュータシステムのプロセッサ上で実行するソフトウェアに実装され得る。ソフトウェアに実装されるとき、本発明の実施形態の要素は、本質的に、必要なタスクを実行するコードセグメントである。プログラム又はコードセグメントは、プロセッサ可読記憶媒体又は装置に記憶することができ、伝送媒体又は通信リンクにわたる搬送波で具現化されるコンピュータデータ信号としてダウンロードされ得る。プロセッサ可読記憶装置は、光媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を記憶することができる任意の媒体を含み得る。プロセッサ可読記憶装置の例は、電子回路、半導体デバイス、半導体メモリデバイス、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能プログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フロッピー（登録商標）ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置を含む。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のコンピュータネットワークを介してダウンロードされ得る。

提示されたプロセス及び表示は、いかなる特定のコンピュータ又は他の装置にも本質的には関連しないということに留意されたい。種々のこれらのシステムに対する要求される構成は、請求項における要素として現れるであろう。加えて、本発明の実施形態は、いかなる特定のプログラム言語を参照しても記載されていない。種々のプログラム言語が本明細書に記載された本発明の教示を実装するために使用され得ることが理解されるであろう。

本発明の特定の例証的な実施形態が記載されるとともに添付の図面に示されているが、そのような実施形態は単に広範囲の発明の例示であって、その広範囲の発明を限定するものではなく、本発明の実施形態は、種々の他の修正形態が当業者に思い浮かび得るため、図示され且つ記載された特定の構造及び配置に限定されないことが理解されるべきである。

Claims (20)

1. コンピューティングシステムによって実行される方法であって：
   解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所における器具の遠位部分についての収集された空間情報のセットを受信するステップと；
   前記器具の前記遠位部分が前記複数の場所のそれぞれにあるとき前記器具の基準部分についての位置情報のセットを受信するステップと；
   前記収集された空間情報のセットと前記器具の前記基準部分についての前記位置情報のセットとに基づいて、前記器具の前記遠位部分についての空間情報の基準セットを決定するステップと；
   前記空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップと；
   を含む、方法。
2. 前記収集された空間情報のセットは、前記器具の前記遠位部分と前記器具の前記基準部分との間に延びる光ファイバ形状センサから受信される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記光ファイバ形状センサは、前記器具の前記基準部分に固定される、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記器具を前記解剖学的構造の通路のセット内の前記複数の場所を通って動かすように、制御装置からコマンドを受信するステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記位置情報のセットを受信するステップは、前記器具の前記基準部分に結合される駆動システムからエンコーダ情報を受信するステップ及び、前記エンコーダ情報と、前記器具の前記基準部分が横切る固定挿入経路についての較正情報とに基づいて前記位置情報のセットを決定するステップ、をさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記較正情報は、前記エンコーダ情報に対応する前記器具の前記基準部分についての較正された位置情報を含む、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記空間情報の基準セットは、手術座標空間にある、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記解剖学的構造のモデル情報のセットは、手術前解剖学的構造の画像のセットからのものである、
   請求項１に記載の方法。
9. 前記空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップは、前記空間情報の基準セットからの基準データ点を、前記解剖学的構造のモデル情報からの解剖学的構造の点と一致させるステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップは、変更動作を決定するステップ及び基準データ点を前記空間情報の基準セットから変換するステップをさらに含む、
    請求項１に記載の方法。
11. 遠隔操作アセンブリに結合される医療器具の遠位部分が解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所にあるとき前記器具内に延びる光ファイバ形状センサから空間情報のセットを収集するステップと；
    前記器具の前記遠位部分が前記解剖学的構造の通路のセット内の前記複数の場所にあるとき前記遠隔操作アセンブリの駆動システムのための位置センサから位置情報のセットを受信するステップと；
    前記器具の前記遠位部分が前記複数の場所にあるとき前記器具の近位部分についての近位位置データのセットを決定するステップであって、前記決定するステップは、前記位置センサからの前記位置情報、及び、前記位置センサと前記器具の前記近位部分がそれに沿って動く固定挿入トラックとの間の較正情報に基づく、ステップと；
    収集された前記空間情報のセットと前記近位位置データのセットとに基づいて、前記器具の前記遠位部分についての空間情報の基準セットを決定するステップと；
    前記空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせするステップと；
    を含む、方法。
12. 前記器具の前記近位部分が前記固定挿入トラックに沿って動く間に、前記器具の前記遠位部分を前記解剖学的構造の通路のセットを通って動かすよう、前記遠隔操作アセンブリを操作するコマンドを受信するステップをさらに含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記固定挿入トラックは、ほぼ直線であり、前記位置センサは、前記挿入トラックに沿った前記器具の挿入を測定するエンコーダである、
    請求項１１に記載の方法。
14. 前記較正情報は、挿入軸の方向を含む、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記挿入軸の前記方向は、前記挿入トラックと整列される前記器具のセクションに沿った２つの点の間の位置の差の測定から入手される、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記挿入軸の前記方向は、前記遠位部分が固定され且つ前記器具が少なくとも２つの異なる位置に動かされる間に、前記器具の前記遠位部分に対する前記器具の前記近位部分上の基準ポイントの位置を測定することによって、入手される、
    請求項１４に記載の方法。
17. 手術環境において医療器具を動かすように構成されるマニピュレータと；
    前記マニピュレータに動作可能に結合される処理ユニットと；を有し、
    前記処理ユニットは：
    解剖学的構造の通路のセット内の複数の場所における前記医療器具の遠位部分についての収集された空間情報のセットを受信し；
    前記医療器具の前記遠位部分が前記複数の場所のそれぞれにあるとき前記医療器具の基準部分についての位置情報のセットを受信し；
    前記収集された空間情報のセットと前記医療器具の前記基準部分についての前記位置情報のセットとに基づいて、前記医療器具の前記遠位部分についての空間情報の基準セットを決定し；
    前記空間情報の基準セットを解剖学的構造のモデル情報のセットと位置合わせする；
    ように構成される、
    システム。
18. 前記収集された空間情報のセットは、前記医療器具の前記遠位部分と前記医療器具の前記基準部分との間に延びる光ファイバ形状センサから受信される、
    請求項１７に記載のシステム。
19. 前記処理ユニットはさらに、前記医療器具を前記解剖学的構造の通路のセット内の前記複数の場所を通って動かすよう制御装置からコマンドを受信するように構成される、
    請求項１７に記載のシステム。
20. 前記処理ユニットはさらに、前記医療器具の前記基準部分に結合される駆動システムからエンコーダ情報を受信し、前記エンコーダ情報と、前記医療器具の前記基準部分が横切る固定挿入経路についての較正情報とに基づいて前記位置情報のセットを決定するように構成され、前記較正情報は、前記エンコーダ情報に対応する前記医療器具の前記基準部分についての較正された位置情報を含む、
    請求項１７に記載のシステム。
    
    
    

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