JP7213830B2 - 画像誘導処置のためのレジストレーションシステム及び方法 - Google Patents

画像誘導処置のためのレジストレーションシステム及び方法 Download PDF

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Description

（関連出願の参照）
この特許出願は、２０１７年２月１日に出願された「SYSTEMS AND METHODS OF REGISTRRATION FOR IMAGE-GUIDED PROCEDURES」という名称の米国仮特許出願第６２／４５３，３８０号の出願日の優先権及び利益を主張し、その全文を参照として本明細書に援用する。
本開示は、画像誘導処置を行うためのシステム及び方法に向けられており、より具体的には、画像誘導処置中のレジストレーション(位置合わせ)に関する。
最小侵襲医療技法は、医療処置中に損傷を受ける組織の量を減少させることにより、患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を減少させることを意図している。そのような最小侵襲技法は、患者の解剖学的構造にある自然開口を通じて或いは１以上(１つ又はそれよりも多く)の外科的切開部を通じて行われることがある。これらの自然開口又は切開部を通じて、臨床医は、標的組織場所に到達するために、（外科器具、診断器具、治療器具、又は生検器具を含む）最小侵襲医療器具を挿入することがある。標的組織場所に到達するのを補助するために、医療器具の場所及び動きは、患者の解剖学的構造の術前画像又は術中画像と相関させられることがある。画像誘導器具が画像と相関させられて、器具は、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環系、又は同等の組織のような、解剖学的系にある自然な又は外科的に作られた通路を進むことがある。従来的な器具追跡及び参照システムは、術前撮像及び術中撮像の間に患者パッドの使用を必要とすることがあり、臨床環境又はワークフローを妨害することがある。最小限の臨床的障害で画像誘導手術を行うためのシステム及び方法が必要とされる。
本発明の実施形態は、本記述に続く特許請求の範囲によって最良に要約される。
幾つかの実施形態と一致して、肺の気道のような、患者内の通路についての場所データを取り込むことができる医療デバイスは、その長さに沿う様々なポイントを識別する形状センサを使用する。細長いデバイスの長さに沿って形状センサを取り付けて、細長いデバイスを所望の位置まで通路内に挿入することによって、形状センサを使用して細長いデバイスが挿入される通路に沿うポイントの場所を決定してよい。次に、細長いデバイスを通路内の標的場所まで挿入する際にオペレータを誘導するために、ポイントの場所を、医用撮像（例えば、Ｘ線、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、及び／又は同等のこと）を使用して得られる通路のモデルからの対応するポイントと一致(マッチング)させることができる。
幾つかの実施形態と一致して、医療デバイスが、細長いデバイスであって、操縦可能な遠位端と、細長いデバイスの長さに沿って配置される形状センサとを含む、細長いデバイスと、細長いデバイスに連結される１以上（１つ又はそれよりも多く）のプロセッサとを含む。細長いデバイスが患者の１以上の通路を通じて横断させられる間に、１以上のプロセッサは、データ収集イベントを検出し、データ収集イベントを検出することに応答して、形状センサを使用して細長いデバイスの長さに沿う複数のポイントを取り込む、ように構成される。
幾つかの実施形態と一致して、方法が、細長いデバイスであって、操縦可能な遠位端と、細長いデバイスの長さに沿って配置される形状センサとを含む、細長いデバイスと、細長いデバイスに連結される１以上のプロセッサとを含む。細長いデバイスが患者の１上の通路を横断させられる間に、１以上のプロセッサは、細長いデバイスの挿入動作をモニタリング(監視)し、データ収集イベントを検出し、データ収集イベントの検出に応答して、形状センサを使用して細長いデバイスの長さに沿う複数のポイントを取り込む、ように構成される。データ収集イベントは、少なくとも部分的に細長いデバイスの挿入動作に基づく。
幾つかの実施形態と一致して、非一時的な機械可読媒体が、複数の機械可読命令を含み、複数の機械可読命令は、医療デバイスと関連付けられる１以上のプロセッサによって実行されるときに、１以上のプロセッサに方法を実行させるように構成される。本方法は、細長いデバイスが患者の１以上の通路を通じて横断させられる間に、細長いデバイスの挿入動作をモニタリングすることを含む。細長いデバイスは、操縦可能な遠位端と、細長いデバイスの長さに沿って配置される形状センサとを有する。本方法は、更に、少なくとも部分的に細長いデバイスの挿入動作に基づくデータ収集イベントを検出すること、及びデータ収集イベントの検出に応答して、形状センサを使用して細長いデバイスの長さに沿った複数のポイントを取り込むことを含む。
前述の一般的な記述及び後続の詳細な記述の両方は、本質的に例示的かつ説明的であり、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。その点について、本開示の追加的な態様、構成、及び利点が、以下の詳細な記述から当業者に明らかであろう。
例示的な遠隔操作医療システムである。
例示的な医療機器システムを例示している。
延出された医療ツールを備える例示的な医療器具を例示している。
人間の肺の解剖学的通路内に位置付けられた例示的な医療器具を例示している。
画像誘導外科的処置において誘導を提供する例示的な方法のフローチャートを例示している。
レジストレーションのために人間の肺のモデルを生成するセグメンテーション方法におけるプロセスの例示的な適用を例示している。 レジストレーションのために人間の肺のモデルを生成するセグメンテーション方法におけるプロセスの例示的な適用を例示している。 レジストレーションのために人間の肺のモデルを生成するセグメンテーション方法におけるプロセスの例示的な適用を例示している。
挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む患者座標空間の例示的な側面図である。 挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む患者座標空間の例示的な側面図である。
気管内チューブを含む患者座標空間における患者の例示的な側面図である。
画像誘導外科的処置のための誘導を提供する例示的な方法のフローチャートを例示している。
通路場所データを記録する例示的な方法のフローチャートを例示している。
人間の肺内の気道を横断することによって収集された例示的な場所データを例示している。
例示的なレジストレーション技法の適用に由来する２セットのポイントの例示的なレジストレーション後アライメントを例示している。
本開示の実施形態及びそれらの利点は、後続の詳細な記述を参照することによって最良に理解される。図のうちの１以上に例示される同等の要素を特定するために同等の参照番号が使用され、それらの中に示されているものは、本開示の実施形態を例示する目的のためにあり、それらを限定する目的のためにないことが理解されるべきである。
以下の記述には、本開示と一致する幾つかの実施形態を記載する特定の詳細が示される。それらの実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が示される。しかしながら、幾つかの実施形態は、これらの具体的な詳細の一部又は全部を伴わないで実施されてよいことが、当業者に明らかであろう。本明細書に開示される特定の実施形態は、例示的であることが意図されており、限定的であることは意図されていない。当業者は、本明細書に具体的に記載されていないが、この開示の範囲及び精神内にある、他の要素を認識することがある。加えて、不必要な繰返しを避けるために、１つの実施形態に関連して示され且つ記載される１以上の構成は、他のことが特別に記載されていない限り、或いはその１以上の構成がある実施形態を非機能的にしない限り、他の実施形態に組み込まれてよい。
幾つかの場合において、周知の方法、手順、構成要素、及び回路は、実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないように、詳細に説明されていない。
この開示は、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に関して記載する。本明細書で使用するとき、「位置(position)」という用語は、三次元空間内の物体又は物体の部分の場所(location)（例えば、デカルトｘ、ｙ、及びｚ座標に沿う３つの並進自由度）を指す。本明細書で使用するとき、「向き(orientation)」という用語は、物体又は物体の部分の回転的配置（３つの回転自由度－例えば、ロール、ピッチ、及びヨー）を指す。本明細書で使用するとき、「姿勢(pose)」という用語は、少なくとも１つの並進自由度における物体又は物体の部分の位置及び少なくとも１つの回転自由度における物体又は物体の部分の向き（最大で６つの自由度）を指す。本明細書で使用するとき、「形状(shape)」という用語は、物体に沿って測定される姿勢、位置、又は向きのセットを指す。
この開示は、横断されている通路が肺内の気道である実施形態に主に焦点を当てる。しかしながら、当業者はこれらの開示が１以上の分岐ポイント(branch points)を含む他の種類の通路に等しく適用可能であることを理解するであろう。例えば、他の適切な解剖学的通路は、脈管構造、腎杯、リンパ管、及び／又は同等の通路を含む。他の例において、通路は、下水トンネル、配管パイプ、導管、暖房換気及び空調（ＨＶＡＣ）ダクト、鉱坑、洞穴、及び／又は同等物を含む、非解剖学的通路に対応することがある。
図１は、例示的な遠隔操作医療システム１００である。幾つかの実施形態において、遠隔操作医療システム１００は、例えば、外科的、診断的、治療的、又は生検的処置における使用に適している。図１に示すように、医療システム１００は、一般的に、患者Ｐに対して様々な処置を行う際に医療器具１０４を操作するマニピュレータアセンブリ１０２を含む。マニピュレータアセンブリ１０２は、手術台Ｔに又はその付近に取り付けられる。マスタアセンブリ１０６は、オペレータＯ（例えば、図１に例示するような外科医、臨床医、又は医師）が介入部位を視認すること及び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、患者Ｐが配置される手術台の側面のような、手術台Ｔと同じ部屋内に通常配置される、オペレータコンソールに配置されてよい。しかしながら、患者Ｐとは異なる部屋又は全く異なる建物にオペレータＯを配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１以上の制御デバイスを含む。制御デバイスは、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガガン、手動コントローラ、音声認識デバイス、身体運動又はプレゼンスセンサ、及び／又は同等物のような、任意の数の様々な入力デバイスを含んでよい。器具１０４を直接的に制御しているという強い感覚をオペレータＯに提供するために、制御デバイスは、関連する医療器具１０４と同じ自由度を備えることがある。このようにして、制御デバイスは、オペレータＯに、テレプレゼンス又は制御デバイスが医療器具１０４と一体的であるという知覚を提供する。
幾つかの実施形態において、制御デバイスは、関連する医療器具１０４よりも多い又は少ない自由度を有して、依然としてオペレータＯにテレプレゼンスを提供することがある。幾つかの実施形態において、制御デバイスは、任意的に、６自由度で動く手動入力デバイスであってよく、手動入力デバイスは、器具を作動させるための（例えば、把持ジョーを閉鎖するための、電極に電位を印加するための、医薬治療を送達するための、及び／又は同等のことのための）作動可能なハンドルを含んでもよい。
マニピュレータアセンブリ１０２は、医療器具１０４を支持し、遠隔操作マニピュレータ及び１以上の非サーボ制御リンク（例えば、セットアップ構造と一般的に呼ばれる、手動で位置付けられて、所定の場所にロックされることがある、１以上のリンク）の運動学的構造を含んでよい。マニピュレータアセンブリ１０２は、任意的に、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１０４に対する入力を駆動する複数のアクチュエータ又はモータを含んでよい。アクチュエータは、任意的に、医療器具１０４に連結されるときに、医療器具１０４を自然に又は外科的に作られた解剖学的開口内に前進させることがある、駆動システムを含んでよい。他の駆動システムは、医療器具１０４の遠位端を複数の自由度で移動させてよく、複数の自由度は、３つの程度の線形運動（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト軸に沿う線形運動）及び３つの程度の回転運動（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト軸についての回転）を含んでよい。加えて、アクチュエータを使用して、生検デバイス及び／又は同等物のジョー内に組織を把持するために医療器具１０４の関節作動可能なエンドエフェクタを作動させることができる。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、アクチュエータ位置センサが、モータシャフトの回転及び向きを記述するセンサデータを医療システム１００に提供してよい。この位置センサデータは、アクチュエータによって操作される物体の運動を決定するために使用されてよい。
遠隔操作医療システム１００は、マニピュレータアセンブリ１０２の器具に関する情報を受信する１以上のサブシステムを備えるセンサシステム１０８を含んでよい。そのようなサブシステムは、位置／場所センサシステム（例えば、電磁（ＥＭ）センサシステム）、医療器具１０４を構成することがある可撓体(フレキシブル体)に沿う遠位端及び／又は１以上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形状センサシステム、及び／又は医療器具１０４の遠位端から画像を取り込む視覚化システム(visualization system)を含んでよい。
遠隔操作医療システム１００は、センサシステム１０８のサブシステムによって生成される医療器具１０４及び手術部位の画像又は表現を表示するディスプレイシステム１１０も含む。ディスプレイシステム１１０及びマスタアセンブリ１０６は、オペレータＯがテレプレゼンスの知覚で医療器具１０４及びマスタアセンブリ１０６を制御し得るように方向付けられてよい。
幾つかの実施形態において、医療器具１０４は、（以下により詳細に論じる）視覚化システムを有してよく、視覚化システムは、手術部位の同時又はリアルタイムの画像を記録し、ディスプレイシステム１１０の１以上のディスプレイのような、医療システム１００の１以上のディスプレイを通じて、オペレータ又はオペレータＯに画像を提供する、視認スコープアセンブリ(viewing scope assembly)を含んでよい。同時画像は、例えば、手術部位に位置付けられ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ってよい。幾つかの実施形態において、視覚化システムは、医療器具１０４に一体的に又は取り外し可能に連結されることがある内視鏡コンポーネントを含む。しかしながら、幾つかの実施形態では、別個のマニピュレータアセンブリに取り付けられる別個の内視鏡を医療器具１０４と共に使用して、手術部位を撮像してよい。視覚化システムは、制御システム１１２のプロセッサを含んでよい１以上のコンピュータプロセッサと相互作用するか(interact)或いは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てよい。
ディスプレイシステム１１０は、視覚化システムによって取り込まれる医療器具及び手術部位の画像を表示することもできる。幾つかの例において、遠隔操作医療システム１００は、医療器具の相対的な位置がオペレータＯの両眼及び両手の相対的な位置に類似するように、医療器具１０４及びマスタアセンブリ１０６の制御を構成することがある。このようにして、オペレータＯは、恰も作業空間を実質的に真正の存在(true presence)において見るかのように、医療器具１０４及び手動制御装置を操作することができる。真正の存在とは、画像の提示が、医療器具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真正の透視画像であることを意味する。
幾つかの例において、ディスプレイシステム１１０は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）、蛍光透視、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、熱撮像、インピーダンス撮像、レーザ撮像、ナノチューブＸ線撮像、及び／又は同等の方法のような、撮像技術からの画像データを使用して、術前又は術中に記録される、手術部位の画像を提示してよい。術前又は術中の画像データは、二次元画像、三次元画像、又は（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）四次元画像として、及び／又は術前又は術中の画像データセットから作成されるモデルからの画像として提示されてよい。
幾つかの実施形態では、しばしば画像誘導外科的処置の目的のために、ディスプレイシステム１１０は、医療器具１０４の実際の場所が術前又は同時の画像／モデルと位置合わせされる（即ち、動的に参照される）仮想ナビゲーション画像を表示することがある。これは、医療器具１０４の視点から、オペレータＯに内部手術部位の仮想画像を提示するために行われてよい。幾つかの例において、視点は、医療器具１０４の先端からあってよい。医療器具１０４の先端の画像及び／又は他のグラフィカル又は英数字インジケータを仮想画像の上に重ね合わせて、医療器具１０４を制御するオペレータＯを補助してよい。幾つかの例において、医療器具１０４は、仮想画像内で見えないことがある。
幾つかの実施形態において、ディスプレイシステム１１０は、医療器具１０４の実際の場所を術前画像又は同時画像と位置合わせして、外部視点からの手術部位内の医療器具１０４の仮想画像をオペレータＯに提示する、仮想ナビゲーション画像を表示してよい。医療器具１０４の部分の画像又は他のグラフィカル又は英数字インジケータを仮想画像の上に重ね合わせて、医療器具１０４の制御においてオペレータＯを補助してよい。本明細書に記載するとき、データポイント(data points)の視覚的表現は、ディスプレイシステム１１０にレンダリングされてよい。例えば、測定されたデータポイント、移動させられたデータポイント、位置合わせされたデータポイント、及び本明細書に記載する他のデータポイントは、視覚的表現においてディスプレイシステム１１０上に表示されてよい。データポイントは、ディスプレイシステム１１０上の複数の点又はドットによって、又はデータポイントのセットに基づいて作成されるメッシュ又はワイヤモデルのようなレンダリングされたモデルとして、ユーザインタフェース内に視覚的に表現されてよい。幾つかの例において、データポイントは、それらが表すデータに従ってカラーコード化されてよい。幾つかの実施形態において、視覚的表現は、データポイントを変更するために各処理動作が実行された後に、ディスプレイシステム１１０内でリフレッシュされてよい。
遠隔操作医療システム１００は、制御システム１１２を含んでもよい。制御システム１１２は、少なくとも１つのメモリと、医療器具１０４、マスタアセンブリ１０６、センサシステム１０８、及びディスプレイシステム１１０の間の制御をもたらす少なくとも１つのコンピュータプロセッサ（図示せず）とを含む。制御システム１１２は、ディスプレイシステム１１０に情報を提供するための命令を含む、本明細書に開示する態様に従って記載する方法の一部又は全部を実施するためのプログラムされた命令（例えば、命令を格納する非一時的な機械可読媒体）も含む。制御システム１１２は、図１の簡略図において単一のブロックとして示されているが、システムは、２以上(２つ又はそれよりも多く)のデータ処理回路を含んでもよく、処理の１つの部分はマニピュレータアセンブリ１０２上で又はそれに隣接して任意的に実行され、処理の別の部分はマスタアセンブリ１０６で実行される、及び／又は同等のことである。制御システム１１２のプロセッサは、本明細書に開示し且つ以下により詳細に記載するプロセスに対応する命令を含む命令を実行してよい。多種多様の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利用されてよい。同様に、プログラムされる命令は、多数の別個のプログラム又はサブルーチンとして実装されてよく、或いはそれらは、本明細書に記載する遠隔操作システムの多数の他の態様に統合されてよい。１つの実施形態において、制御システム１１２は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩｒＤＡ、ＨｏｍｅＲＦ、ＩＥＥＥ ８０２．１１、ＤＥＣＴ、及びＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙのような、無線通信プロトコルをサポートする。
幾つかの実施形態において、制御システム１１２は、医療器具１０４からの力及び／又はトルクフィードバックを受信してよい。フィードバックに応答して、制御システム１１２は、マスタアセンブリ１０６に信号を送信してよい。幾つかの例において、制御システム１１２は、マニピュレータアセンブリ１０２の１以上のアクチュエータに医療器具１０４を動かすように指示する信号を送信してよい。医療器具１０４は、患者Ｐの体にある開口を介して、患者Ｐの体内の内部手術部位内に延入してよい。任意の適切な従来的な及び／又は特殊なアクチュエータが使用されてよい。幾つかの例において、１以上のアクチュエータは、マニピュレータアセンブリ１０２と別個であってよく、或いはマニピュレータアセンブリ１０２と一体的であってよい。幾つかの実施形態において、１以上のアクチュエータ及びマニピュレータアセンブリ１０２は、患者Ｐ及び手術台Ｔに隣接して位置付けられる遠隔操作カートの一部として提供される。
制御システム１１２は、画像誘導外科的処置中に医療器具１０４を制御するときに、操作者Ｏにナビゲーション支援を提供するよう、仮想視覚化システムを任意的に更に含んでよい。仮想視覚化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的通路の取得された術前又は術中データセットを参照することに基づいてよい。仮想視覚化システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像撮像（ＭＲＩ）、蛍光透視、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、熱撮像、インピーダンス撮像、レーザ撮像、ナノチューブＸ線撮像、及び／又は同等の方法のような、撮像技術を用いて撮像される手術部位の画像を処理する。手動入力との組み合わせにおいて使用してよいソフトウェアを使用して、記録された画像を部分的な又は全体的な解剖学的器官又は解剖学的領域のセグメント化された二次元又は三次元の複合表現に変換してよい。画像データセットは、複合表現と関連付けられる。複合表現及び画像データセットは、通路の様々な場所及び形状並びにそれらの接続性を記述する。複合表現を生成するために使用される画像は、臨床的処置中に術前又は術中に記録されてよい。幾つかの実施形態では、仮想視覚化システムが、標準的表現（即ち、患者特異的でない表現）又は標準的表現及び患者特異的データのハイブリッドを使用してよい。複合表現及び複合表現によって生成される仮想画像は、（例えば、肺の吸気／呼気サイクル中の）運動の１以上の相(フェーズ)中の変形可能な解剖学的領域の静止姿勢を表すことがある。
仮想ナビゲーション処置中、センサシステム１０８を使用して、患者Ｐの解剖学的構造に対する医療器具１０４の近似場所を計算してよい。その場所を使用して、患者Ｐの解剖学的構造のマクロレベル（外部）トラッキング画像及び患者Ｐの解剖学的構造の仮想内部画像の両方を生成することができる。システムは、１以上の電磁センサ、光ファイバセンサ、及び／又は他のセンサを実装して、仮想視覚化システムからの画像のような、術前に記録された外科画像と共に医療器具を位置合わせすることが知られている。例えば、その全文を参照として本明細書に援用する（「Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomic 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号は、１つのそのようなシステムを開示している。遠隔操作医療システム１００は、照明システム、ステアリング(操縦)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、任意的な動作及び支持システムを更に含んでよい。幾つかの実施形態において、遠隔操作医療システム１００は、１つよりも多くの非遠隔操作マニピュレータアセンブリ、１つよりも多くの遠隔操作マニピュレータアセンブリ、及び／又は１つよりも多くのマスタアセンブリを含んでよい。マニピュレータアセンブリの正確な数は、とりわけ、外科的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１０６は並置されてよく、或いは別個の場所に位置付けられてよい。複数のマスタアセンブリは、１つよりも多くのオペレータが１つよりも多くの遠隔操作マニピュレータアセンブリを様々な組み合わせにおいて制御することを可能にする。
図２Ａは、例示的な医療器具システム２００である。幾つかの実施形態において、医療器具システム２００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１０４として使用されてよい。幾つかの例において、医療器具システム２００は、非遠隔操作診査的処置のために或いは内視鏡のような従来的な手動操作医療器具を含む処置において使用されてよい。任意的に、医療器具システム２００は、患者Ｐのような患者の解剖学的通路内の場所に対応するデータポイントのセットを集める（即ち、測定する）ために使用されてよい。
医療器具システム２００は、駆動ユニット２０４に連結される、可撓カテーテル(フレキシブルカテーテル)のような、細長いデバイス２０２を含む。細長いデバイス２０２は、近位端２１７と遠位端又は先端部分２１８とを有する可撓体２１６を含む。幾つかの実施態様において、可撓体２１６は、約３ｍｍの外径を有する。他の可撓体の外径は、大きくても小さくてもよい。
医療器具システム２００は、以下に更に詳細に記載するように、１以上のセンサ及び／又は撮像デバイスを使用して、可撓体２１６に沿う遠位端２１８及び／又は１以上のセグメント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トラッキングシステム２３０を更に含む。遠位端２１８と近位端２１７との間の可撓体２１６の全長は、効果的にセグメント２２４に分割されてよい。医療器具システム２００が、遠隔操作医療システム１００の医療器具１０４と一致するならば、トラッキングシステム２３０は、任意的に、図１中の制御システム１１２のプロセッサを含んでよい１以上のコンピュータプロセッサと相互作用するか或いはさもなければ１以上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てよい。
トラッキングシステム２３０は、任意的に、形状センサ２２２を使用して、遠位端２１８及び／又はセグメント２２４のうちの１以上のセグメントをトラッキングしてよい。形状センサ２２２は、任意的に、（例えば、内部チャネル（図示せず）内に設けられた或いは外部的に取り付けられた）可撓体２１６と整列させられた(aligned)光ファイバを含んでよい。１つの実施形態において、光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態において、寸法は、より大きくてもより小さくてもよい。形状センサ２２２の光ファイバは、可撓体２１６の形状を決定する光ファイバ曲げセンサを形成する。１つの代替では、１以上の寸法の構造におけるひずみ測定値を提供するために、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を含む光ファイバが使用される。三次元における光ファイバの形状及び相対的位置をモニタリング(監視)する様々なシステム及び方法が、（「Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto」を開示する）（２００５年７月１３日に出願された）米国特許出願第１１／１８０，３８９号、（「Fiber-optic shape and relative position sensing」を開示する）（２００４年７月１６日に出願された）米国特許出願第１２／０４７，０５６号、及び（「Optical Fibre Bend Sensor」を開示する）（１９９８年６月１７日に出願された）米国特許第６，３８９，１８７号に記載されており、それらの全文の全てを参照として本明細書に援用する。幾つかの実施形態におけるセンサは、レイリー散乱、ラマン散乱、ブルリアン散乱、及び蛍光散乱のような、他の適切なひずみ感知技法を使用してよい。幾つかの実施形態において、細長いデバイスの形状は、他の技法を使用して決定されてよい。例えば、可撓体２１６の遠位端の姿勢の履歴を使用して、時間の間隔に亘って可撓体２１６の形状を再構築することができる。幾つかの実施形態において、トラッキングシステム２３０は、位置センサシステム２２０を使用して、遠位端２１８を任意的に及び／又は追加的にトラッキングすることができる。位置センサシステム２２０は、外部で生成される電磁場に曝されることがある１以上の導電性コイルを含む位置センサシステム２２０を備えるＥＭセンサシステムの構成要素であってよい。その場合、ＥＭセンサシステム２２０の各コイルは、外部的に生成される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。幾つかの実施形態において、位置センサシステム２２０は、６自由度、例えば、３つの位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、並びに基点のピッチ、ヨー、及びロールを示す３つの向き角度、又は５自由度、例えば、３つの位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、並びに基点のピッチ及びヨーを示す２つの向き角度を測定するように構成されてよく、位置決めされてよい。位置センサシステムの更なる記述は、その全文を参照として本明細書に援用する、（「Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on an Object Being Tracked」を開示する）（１９９９年８月１１日に出願された）米国特許第６，３８０，７３２号に提供されている。
幾つかの実施形態において、トラッキングシステム２３０は、代替的に及び／又は追加的に、呼吸のような交互の運動のサイクルに沿う器具システムの既知のポイントについて格納される履歴的な姿勢、位置又は向きデータに依存してよい。この格納されるデータは、可撓体２１６に関する形状情報を開発するために使用されてよい。幾つかの例では、位置センサ２２０内のセンサに類似する電磁（ＥＭ）センサのような一連の位置センサ（図示せず）が、可撓体２１６に沿って位置決めされ、次に、形状感知のために使用されてよい。幾つかの例では、特に解剖学的通路が概ね静止的であるならば、処置中に取られるこれらのセンサのうちの１以上のセンサからのデータの履歴を使用して、細長いデバイス２０２の形状を表してよい。
可撓体２１６は、医療器具２２６を受け入れるようなサイズ及び形状にされたチャネル２２１を含む。図２Ｂは、医療器具２２６が延出された例示的な可撓体２１６である。幾つかの実施形態において、医療器具２２６は、手術、生検、切除、照明、洗浄、又は吸引のような処置のために使用されてよい。可撓体２１６のチャネル２２１を通じて医療器具２２６を展開し、解剖学的構造内の標的場所で使用することができる。医療器具２２６は、例えば、画像取込みプローブ、生検器具、レーザアブレーションファイバ、及び／又は他の外科的、診断的、若しくは治療的ツールを含んでよい。医療ツールは、メス、鈍らなブレード、光ファイバ、電極、及び／又は同等物のような、単一の作業部材を有する、エンドエフェクタを含んでよい。他のエンドエフェクタは、例えば、鉗子、グラスパ(graspers)、はさみ、クリップアプライヤ(clip
appliers)、及び／又は同等物を含んでよい。他のエンドエフェクタは、電気手術電極、トランスデューサ、センサ、及び／又は同等物のような、電気的にアクティブ化されるエンドエフェクタを更に含んでよい。様々な実施形態において、医療器具２２６は、標的解剖学的場所からサンプル組織又は細胞のサンプリングを取り除くために使用されることがある、生検器具である。医療器具２２６は、可撓体２１６内の画像取込みプローブとも共に使用されてよい。様々な実施形態において、医療器具２２６は、表示のために視覚化システム２３１によって処理される並びに／或いは遠位端２１８及び／又はセグメント２２４のうちの１以上のセグメントのトラッキングをサポートするためにトラッキングシステム２３０に提供される（ビデオ画像を含む）画像を取り込むための可撓体２１６の遠位端２１８又はその付近にある立体視又は平面視カメラを備える遠位部分を含む、画像取込みプローブであってよい。画像取込みプローブは、取り込んだ画像データを送信するために、カメラに連結されるケーブルを含んでよい。幾つかの例において、画像取込み器具は、視覚化システム２３１に連結するファイバスコープのような光ファイバ束であってよい。画像取込み器具は、例えば、可視スペクトル、赤外スペクトル、及び／又は紫外スペクトルのうちの１以上において画像データを取り込む、単一又は複数スペクトルであってよい。代替的に、医療器具２２６自体が画像取込みプローブであってよい。医療器具２２６をチャネル２２１の開口から前進させて処置を行い、次に、処置が完了すると、医療器具２２６をチャネル内に戻してよい。医療器具２２６は可撓体２１６の近位端２１７から或いは可撓体２１６に沿う別の任意的器具ポート（図示せず）から取り外されてよい。
医療器具２２６は、医療器具２２６の遠位端を制御可能に曲げるためにその近位端と遠位端との間に延びるケーブル、リンケージ、又は他の作動制御装置（図示せず）を更に収容してよい。操縦可能な器具(ステアリング可能な器具)は、（「Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity」を開示する）（２００５年１０月４日に出願された）米国特許第７，３１６，６８１号及び（「Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments」を開示する）（２００８年９月３０日に出願された）米国特許出願第１２／２８６，６４４号に詳細に記載されており、それらの全文を参照として本明細書に援用する。
可撓体２１６は、例えば、遠位端２１８の破線描写２１９によって示すように、遠位端２１８を制御可能に曲げるために駆動ユニット２０４と遠位端２１８との間に延びるケーブル、リンク、又は他のステアリング制御装置（図示せず）を収容してもよい。幾つかの例では、遠位端２１８のピッチを制御するための独立した「上下」ステアリングと、遠位端２８１のヨーを制御するための「左右」ステアリングとを提供するために、少なくとも４つのケーブルが使用される。操縦可能な細長いデバイスは、その全文を参照として本明細書に援用する、（「Catheter with Removable Vision Probe」を開示する）（２０１１年１０月１４日に出願された）米国特許出願第１３／２７４，２０８号に詳細に記載されている。医療器具システム２００が遠隔操作アセンブリによって作動される実施形態において、駆動ユニット２０４は、遠隔操作アセンブリのアクチュエータのような駆動要素に取り外し可能に連結し、そのような駆動要素から電力を受け取る、駆動入力を含んでよい。幾つかの実施形態において、医療器具システム２００は、医療器具システム２００の運動を手動制御するための把持構成、手動アクチュエータ、又は他の構成要素を含んでよい。細長いデバイス２０２は、操縦可能であってよく、或いは、代替的に、システムは、遠位端２１８の曲げのオペレータ制御のための一体化された機構を備えずに、操縦不能であってよい。幾つかの例では、医療器具を展開して標的手術場所で使用することができる１以上の管腔が、可撓体２１６の壁に定められる。
幾つかの実施形態において、医療器具システム２００は、肺の検査、診断、生検、又は治療における使用のために、気管支鏡又は気管支カテーテルのような、可撓な気管支器具を含んでよい。医療器具システム２００は、結腸、腸、腎臓及び腎杯、脳、心臓、脈管構造を含む循環系、及び／又は同等の器官を含む、様々な解剖学的系のいずれかにおいて、自然な又は外科的に作られた接続通路を介した、他の組織のナビゲーション及び治療にも適している。
トラッキングシステム２３０からの情報は、ナビゲーションシステム２３２に送信されてよく、トラッキングシステム２３０からの情報をナビゲーションシステム２３２で視覚化システム２３１からの情報及び／又は術前に得られたモデルと組み合わせて、オペレータにリアルタイム位置情報を提供してよい。幾つかの例において、リアルタイム位置情報は、医療器具システム２００の制御における使用のために、図１のディスプレイシステム１１０に表示されてよい。幾つかの例において、図１の制御システム１１６は、医療器具システム２００を位置決めするためのフィードバックとして位置情報を利用してよい。手術器具を外科画像と位置合わせして表示するために光ファイバセンサを使用するための様々なシステムが、その全文を参照として本明細書に援用する２０１１年５月１３日に出願された「Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery」を開示する米国特許出願第１３／１０７，５６２号に提供されている。
幾つかの例において、医療器具システム２００は、図１の医療システム１００内で遠隔操作されてよい。幾つかの実施形態において、図１のマニピュレータアセンブリ１０２は、直接的なオペレータ制御と置換されてよい。幾つかの例において、直接的なオペレータ制御は、器具の手持ち式操作のための様々なハンドル及びオペレータインタフェースを含んでよい。
図３は、人間の肺２０１の解剖学的通路内に位置付けられた細長いデバイス２０２の形態の例示的な医療器具を例示している。幾つかの実施形態において、細長いデバイス２０２は、解剖学的構造の他の通路内で使用されてよい。
図４は、画像誘導外科的処置における使用のための例示的な方法４５０のフローチャートを例示している。プロセス４５２で、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）、蛍光透視、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、熱撮像、インピーダンス撮像、レーザ撮像、又はナノチューブＸ線撮像のような撮像技術から、患者の解剖学的構造の術前又は術中画像データを取得する。術前又は術中画像データは、二次元、三次元、又は（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）四次元画像に対応してよい。例えば、画像データは、図３の人間の肺２０１を表してよい。
プロセス４５４で、患者の解剖学的構造のセグメント化されたモデル(segmented model)が決定される。コンピュータソフトウェアを単独で又は手動入力との組み合わせにおいて使用することで、記録された画像は、部分的又は全体的な解剖学的器官又は解剖学的領域のセグメント化された二次元又は三次元の複合表現又はモデルに変換される。複合表現及び画像データセットは、通路の様々な場所及び形状ならびにそれらの接続性を記述する。より具体的には、セグメント化プロセス(segmentation process)の間に、画像は、色、密度、強度、及びテクスチャのような、特定の特徴(characteristics)又は計算された特性(properties)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。このセグメント化プロセスは、得られた画像に基づいて標的解剖学的構造のモデルを形成する二次元又は三次元再構築をもたらす。モデルを表すために、セグメント化プロセスは、標的解剖学的構造を表すボクセルのセットを境界付け、次に、マーチングキューブ関数(marching cube function)のような関数を適用して、ボクセルを囲む３Ｄ表面を生成してよい。幾つかの例において、モデルは、メッシュ、ボリューム、又はボクセルマップを生成することによって作成されてよい。追加的に又は代替的に、モデルは、モデル化された通路の中心を通じて延びる相互接続されたラインセグメント(line segments)又はポイント(points)のセットを含む中心線モデルを含んでよい。モデルが相互接続されたラインセグメントのセットを含む中心線モデルを含むとき、それらのラインセグメントはクラウド又はポイントのセットに変換されてよい。ラインセグメントを変換することによって、相互接続されたラインセグメントに対応する所望の量のポイントを手動で又は自動的に選択することができる。
プロセス４５６で、モデルは患者解剖学的構造に位置合わせされる(registered)。幾つかの例において、レジストレーション(位置合わせ)は、患者に対する画像誘導外科的処置の前及び／又は工程中に行われてよい。一般的に、レジストレーションは、剛性(rigid)及び／又は非剛性変換(non-rigid transforms)の使用を通じた、モデルのポイントへの、測定されるポイントのマッチング(matching)を含む。測定されるポイントは、解剖学的構造内のランドマーク、処置中にスキャンされ且つトラッキングされる電磁コイル、及び／又は形状センサシステムを使用して生成されてよい。測定されるポイントは、以下に更に詳細に記載するように、反復的な最近点(closest point)（ＩＣＰ）技術における使用のために生成されてよい。この開示の範囲内のレジストレーションプロセスにおいて、他のポイントセットレジストレーション方法が使用されてもよい。
画像誘導手術と共に使用するための他のレジストレーション方法は、しばしば、電磁又はインピーダンス感知に基づく技術の使用を含む。外科的環境において使用される金属製の物体又は特定の電子デバイスは、感知されるデータの質を損なう外乱(disturbances)を作り出すことがある。他のレジストレーション方法は、臨床ワークフローを妨げることがある。以下に記載するシステム及び方法は、ＩＣＰ、又は別のポイントセットレジストレーションアルゴリズム、及び例えば光ファイバ形状センサを備えるポイント収集器具(point gathering instrument)の較正された移動に基づいて、レジストレーションを実施することがあり、よって、外科的環境における混乱(disruptions)を排除し或いは最小限に抑える。しかしながら、特定の処置及び／又は環境において、電磁感知、インピーダンス感知、光学トラッカ、及び／又は同等のことのような技術の使用は、本明細書に記載するシステム及び方法の補足及び／又は代替として望ましい場合があることが理解されるべきである。他のレジストレーション技法を使用して、測定されるポイントのセットを術前モデル又は他のモダリティを使用して得られるモデルに位置合わせしてよい。
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、レジストレーションのための人間の肺のモデルを生成するセグメント化方法におけるプロセスの例示的な適用を例示している。幾つかの実施形態において、図５Ａ、図５Ｂ、及び／又は図５Ｃのプロセスは、図４のプロセス４５２及び／又は４５４の部分に対応することがある。図５Ａは、術前又は術中撮像データから作成された解剖学的通路のセットのセグメント化されたモデル５０２を例示している。図示のように、通路は人間の肺の気道である。自然に起こる制約の故に又はオペレータによって設定される制約の故に、セグメント化されたモデル５０２は、人間の肺内に存在する全ての通路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、セグメント化されたモデル５０２に完全に含められないことがある。セグメント化されたモデル５０２は、肺の内部管腔又は通路を定める壁を含む、メッシュモデルのような、三次元モデルであってよい。
セグメント化されたモデル５０２に基づいて、中心線セグメント化されたモデル５０４が、図５Ｂに示すように生成されてよい。中心線セグメント化されたモデル５０４は、セグメント化されたモデル５０２に含まれる通路の略中心に対応する三次元直線のセット又は曲線のセットを含んでよい。セグメント化されたモデル５０２の解像度(resolution)が高ければ高いほど、直線又は曲線のセットは通路の中心により正確に対応する。中心線セグメント化されたモデル５０４で肺を表現することは、通路の壁を表すセグメント化されたモデル５０２のデータセットよりも、１以上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、より小さなデータのセットを提供することがある。このようにして、制御システム１１２のようなモデルを使用する制御システムの機能は改良されることがある。図５Ｂに示すように、中心線セグメント化されたモデル５０４は、幾つかの分岐ポイント(branch points)を含み、それらの一部が、図５Ｂにおいて可視性のために強調される。分岐ポイントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥは、分岐ポイントのうちの幾つかの各々で示されている。分岐ポイントＡは、気管が左右の主気管支に分かれるモデルにおけるポイントを表わしてよい。右の主気管支は、分岐ポイントＡ及びＢの間に配置されるものとして中心線セグメントモデル５０４において識別されてよい。同様に、副気管支は、分岐ポイントＢ及びＥの間で、分岐ポイントＢ及びＣによって識別される。通路の別の世代(generation)が、分岐ポイントＣ及びＤの間で定められてよい。これらの世代の通路の各々は、対応する通路の管腔の直径の表現と関連付けられてよい。幾つかの実施形態において、中心線モデル５０４は、各通路の平均直径値を含んでよい。平均直径値は、患者特異な値又は複数の患者に由来するより一般的な値であってよい。
幾つかの実施形態において、セグメント化されたモデル５０２は、中心線セグメント５０４、又は以下のようにポイントのクラウド、セット、もしくは集合を含む別の適切なモデルを生成するために使用されてよい。セグメント化されたモデル５０２が１以上の通路の内面を表すメッシュを含むときには、セグメント化されたモデル５０２を含む格納データファイルに表されるようなメッシュの頂点のサブセットが使用されてよい。代替的に、ボリューム又はセグメント化されたモデル５０２内の通路を表すボクセルの幾何学的中心が使用されてよい。加えて、様々なアプローチの組み合わせを使用して、中心線セグメントモデル５０４のような、ポイントの第１のセットを生成してよい。例えば、メッシュの頂点のサブセットは、モデルからのボクセルの幾何学的中心と共に使用されてよい。
幾つかの実施態様において、中心線セグメント化されたモデル５０４は、連続的なラインとしてというよりもむしろ、三次元空間内のポイントのクラウド、セット又は集合として、データ内に表わされる。図５Ｃは、中心線セグメント化されたモデル５０４をポイント５０６のセットとして例示している。モデルポイントのセットのポイントの各々は、ＸＭ、ＹＭ、及びＺＭ座標のセットのような座標、又は三次元空間内の各ポイントの場所を識別する他の座標を含んでよい。幾つかの実施形態において、ポイントの各々は、どの通路世代にポイントが関連付けられるか及び／又は中心線セグメント化されたモデル５０４のその部分と関連付けられる直径又は半径値を識別する世代識別子含んでよい。幾つかの実施形態において、所与のポイントと関連付けられる半径又は直径を記述する情報は、別個のデータセットの部分として提供されてよい。
中心線セグメント化されたモデル５０４が生成され、図５Ｃに示すポイント５０６のセットとして格納された後、中心線セグメント化されたモデル５０４は、画像誘導外科的処置における使用のデータストレージ(データ記憶装置)から検索されて(retrieved)よい。画像誘導外科的処置において中心線セグメント化されたモデル５０４を使用するために、中心線セグメント化されたモデル５０４は、中心線セグメント化されたモデル５０４内のモデル化された通路を手術環境内に存在するような患者の実際の解剖学的構造と関連付けるよう、位置合わせされてよい。ポイントセットレジストレーション(point set registration)におけるモデル５０４の使用は、中心線セグメント化されたモデル５０４からのポイントのセット５０６を使用することを含む。
図6Ａ及び図6Ｂは、挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む患者座標空間の例示的な側面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、手術環境６００は、プラットフォーム６０２上に位置する患者Ｐを含む。患者Ｐは、肉眼的な患者の動きが、鎮静、拘束、及び／又は他の手段によって制限されるという意味で、手術環境内で静止的であってよい。患者Ｐの呼吸及び心臓の動きを含む周期的な解剖学的な動きは、呼吸の動きを一時的に停止させるために、患者が息を止めることを求められない限り、継続してよい。従って、幾つかの実施形態において、データは、呼吸中の特定の相で収集され、その相でタグ付けされ、特定されることがある。幾つかの実施形態において、データが収集される相は、患者Ｐから収集される生理学的情報から推定されてよい。手術環境６００内で、ポイント収集器具６０４は、器具キャリッジ６０６に連結される。幾つかの実施形態において、ポイント収集器具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てよい。器具キャリッジ６０６は、外科的環境６００内に固定される挿入ステージ６０８に取り付けられる。代替的に、挿入ステージ６０８は、可動であってよいが、手術環境６００内に（例えば、トラッキングセンサ又は他のトラッキングデバイスを介して）既知の場所を有してよい。器具キャリッジ６０６は、挿入運動（即ち、Ａ軸に沿う動き）、そして、任意的に、ヨー、ピッチ、及びロールを含む複数方向における細長いデバイス６１０の遠位端618の動きを制御するために、ポイント収集器具６０４に連結する、マニピュレータアセンブリ（例えば、マニピュレータアセンブリ１０２）の構成要素であってよい。器具キャリッジ６０６又は挿入ステージ６０８は、挿入ステージ６０８に沿う器具キャリッジ６０６の動きを制御するサーボモータ（図示せず）のような、アクチュエータを含んでよい。
細長いデバイス６１０は、器具本体６１２に連結される。器具本体６１２は、器具キャリッジ６０６に対して連結され、固定される。幾つかの実施形態では、光ファイバ形状センサ６１４が、器具本体６１２上の近位ポイント６１６に固定される。幾つかの実施形態において、光ファイバ形状センサ６１４の近位ポイント６１６は、器具本体６１２と共に移動可能であってよいが、近位ポイント６１６の場所は、（例えば、トラッキングセンサ又は他のトラッキングデバイスを介して）知られていてよい。形状センサ６１４は、細長いデバイス６１０の近位ポイント６１６から遠位端６１８のような別のポイントへの形状を測定する。ポイント収集器具６０４は、医療器具システム２００と実質的に類似してよい。
位置測定デバイス６２０が、器具本体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器具本体６１２の位置に関する情報を提供する。位置測定デバイス６２０は、器具キャリッジ６０６の動きを制御し、結果的に、器具本体６１２の動きを制御するアクチュエータの回転及び／又は方向を決定する、レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、及び／又は他のセンサを含んでよい。幾つかの実施態様において、挿入ステージ６０８は、線形である。幾つかの実施形態において、挿入ステージ６０８は、湾曲してよく、或いは湾曲区画及び線形区画の組み合わせを有してよい。
図６Ａは、挿入ステージ６０８に沿う後退位置(retracted position)における器具本体６１２及び器具キャリッジ６０６を示している。この後退位置では、近位ポイント６１６は、軸Ａ上の位置Ｌ０にある。挿入ステージ６０８に沿うこの位置では、近位ポイント６１６の場所のＡ成分をゼロ及び／又は別の基準値に設定して、挿入ステージ６０８上の器具キャリッジ６０６の位置、よって、近位ポイント６１６を記述するベース基準を提供してよい。器具本体６１２及び器具キャリッジ６０６のこの後退位置を用いて、細長いデバイス６１０の遠位端６１８が、患者Ｐの入口オリフィスのすぐ内側に位置付けられてよい。この位置でも、位置測定デバイス６２０をゼロ及び／又は別の基準値（例えば、Ｉ＝０）に設定してよい。図６Ｂにおいて、器具本体６１２及び器具キャリッジ６０６は、挿入ステージ６０８の線形トラックに沿って前進し、細長いデバイス６１０の遠位端６１８は、患者Ｐ内に前進している。この前進位置において、近位ポイント６１６は、軸Ａ上の位置Ｌ１にある。幾つかの例では、器具キャリッジ６０６及び／又は挿入ステージ６０８に関連付けられる１以上の位置センサ及び／又は挿入ステージ６０８に沿う器具キャリッジ６０６の移動を制御する１以上のアクチュエータからのエンコーダ及び／又は他の位置データを使用して、位置Ｌ０に対する近位ポイント６１６の位置ＬＸを決定する。幾つかの例において、位置ＬＸは、細長いデバイス６１０の遠位端６１８が患者Ｐの解剖学的構造の通路内に挿入される距離又は挿入深さの指標(indicator)として更に使用されてよい。
図６Ｃは、気管内（ＥＴ）チューブ６２２を含む患者座標空間における患者Ｐの例示的な側面図である。図６Ｃに示すように、細長いデバイス６１０は、患者Ｐの解剖学的構造の１以上の通路にアクセスするために、ＥＴチューブ６２２を通じて挿入される。幾つかの例では、ＥＴチューブ６２２内の屈曲又は湾曲に関する既知の情報を任意的に使用して、近位ポイント６１６に対する遠位端６１８の位置を場所特定するのを助けてよい。幾つかの例では、ＥＴチューブ６２２の正確な屈曲又は湾曲が不明であるときでさえも、ＥＴチューブ６２２の屈曲又は湾曲に関する一般的な知識は、それが近位ポイント６１６に対する遠位端６１８の位置を決定するのを助けてよく、且つ／或いは細長いデバイス６１０を用いて収集された場所データを患者Ｐの解剖学的構造の通路についてのモデル情報と位置合わせするのを助けてよい。幾つかの例では、ＥＴチューブ６２２の内面６２３が、細長いデバイス６１０の遠位端又はその付近に配置される内視鏡カメラのような撮像デバイスによって検出可能なことがある、特有の(distinctive)色、マーキング、及び／又はパターンを任意的に含んでよい。遠位端６１８がＥＴチューブ６２２に入るとき及び／又は出るとき、通路の内部色及び／又はパターンに対する特有の色、マーキング、及び／又はパターンの変化は、遠位端６１８及び／又は細長いデバイス６１０についての有用な位置データを提供するのを助けることがある。
図７は、手術環境６００のような手術環境における患者に対する画像誘導外科的処置のための案内を提供する例示的な方法７００を例示するフローチャートである。そして、方法７００は、一般的に、肺の気道を含む処置の文脈において記載されるが、方法７００は、他の解剖学的通路（例えば、血管、ダクト、腎杯、及び／又は同等の器官）、非外科的文脈における解剖学的通路（例えば、死体の通路、模擬解剖学的構造、及び／又は同等物）、獣医学的通路、及び／又は非医学的通路（例えば、パイプ、導管、ダクト、回廊、井戸、洞穴、鉱坑、及び／又は同等物）に適用可能であることが理解されよう。方法７００は、一組の操作又はプロセス７０２～７２６として図７に例示される。例示のプロセス７０２～７２６の全てが、方法７００の全ての実施形態において実施されるとは限らない。加えて、図７に明示的に示されない１以上のプロセスが、プロセス７０２～７２６の前に、後に、間に、又はその一部として含められてよい。幾つかの実施形態において、方法７００のプロセス７０２～７２６のうちの１以上は、少なくとも部分的に、１以上のプロセッサ（例えば、制御システム１１２のプロセッサ）によって実行されるときに、１以上のプロセッサにプロセス７０２～７２４のうちの１以上を実行させることがある、非一時的な有形の機械可読媒体に格納される実行可能なコードの形態で実装されてよい。
プロセス７０２で、位置測定デバイスを使用して、挿入経路に沿うセンサ基準ポイントの相対な位置及び／又は向きが較正される。幾つかの例において、近位ポイント６１６は、任意的に、センサ基準ポイントに対応してよく、図６Ａ及び図６Ｂのポイント収集器具６０４は、器具キャリッジ６０６が場所Ｌ０にある近位ポイント６１６を備える後退位置から場所Ｌ１にある近位ポイント６１６を備える挿入位置まで移動するときに、近位ポイント６１６の位置及び／又は向きを決定するために、任意的に使用されてよい。近位ポイント６１６の較正は、軸Ａに沿う位置測定デバイス６２０の各変化についての近位ポイント６１６の移動方向を決定することを含む。挿入ステージ６０８が器具キャリッジ６０６の移動を線形経路に制限する図６Ａ及び図６Ｂの実施形態において、較正は、軸Ａに沿う移動を決定することを含む。挿入ステージ６０８の傾斜及び軸Ａに沿う位置を使用することで、手術環境６００における近位ポイント６１６の位置及び向きは、位置測定デバイス６２０の各々の対応する測定のために決定される。挿入ステージが湾曲した又はその他の非線形の形状を有する幾つかの実施形態において、較正は、器具キャリッジ６０６の動き及び非線形の形状に基づいて、手術環境６００内の近位ポイント６１６の位置及び向きを決定することを含む。幾つかの例において、近位ポイント６１６の較正は、器具キャリッジ６０６が器具ステージ６０８に沿って移動させられ、形状センサ６１４を使用して遠位端６１８と近位ポイント６１６との間の幾何学的関係を決定する間に、細長いデバイス６１０の遠位端６１８を固定位置に保持することによって任意的に決定されてよい。器具キャリッジ６０６が器具ステージ６０８に沿って移動されるときに幾つかの読取り値を取ることによって、近位ポイント６１６のために形状センサ６１４によって収集される位置及び向きデータを位置測定デバイス６２０からのデータと相関させて、近位ポイント６１６の位置及び／又は向きを較正することができる。
プロセス７０４で、患者の通路が横断され、通路に沿う場所データが記録される。細長いデバイスのような器具が挿入され、次に、感心の通路に沿って移動させられ或いは横断される。器具が通路に沿って横断させられると、器具の遠位端のような器具と関連付けられる１以上のポイントの位置がモニタリングされ、記録される。図６Ａ及び図６Ｂの例では、細長いデバイス６１０の遠位端６１８が、患者Ｐの通路に沿って、例えば、患者Ｐの肺の気道に沿って横断されると、細長いデバイス６１０上の形状センサ６１４及び／又はＥＭセンサのような１以上の他のセンサからのデータを使用して、遠位端６１８の位置及び／又は細長いデバイス６１０と関連付けられる他のポイントを決定する。この場所データは、以下に更に詳細に記載するように、測定されるポイントのセットを含んでよく、且つ／或いはそれを得るために処理されてよい。幾つかの例では、細長いデバイス６１０が器具ステージ６０８に沿う器具キャリッジ６０６の移動を使用して通路内に前進させられるときに、横断する通路の選択は、遠位端６１８を操縦することによって任意的に制御されてよい。幾つかの例において、遠位端６１８のステアリングは、通路の部分についての場所データを調査して取得するために、遠隔操作的な、手動の、及び／又はマスタアセンブリ１０６を使用することによるような自動化された制御を介して、任意的に制御されてよい。幾つかの例において、遠位端６１８のステアリングは、図２Ａの遠位端２１８の破線描写２１９に関して記載されるように、遠位端６１８のロール、ピッチ、及び／又はヨーを調整することを任意的に含んでよい。細長いデバイス６１０の遠位端６１８が通路内で移動されると、遠位端６１８の場所及び／又は細長いデバイス６１０と関連付けられる他のポイントは、遠位端６１８及び／又は細長いデバイス６１０の複数の位置で収集される。幾つかの実施形態では、通路が肺の気道に対応するとき、細長いデバイス６１０の遠位端６１８は、通路内に少なくとも７５ｍｍまで或いは更に遠くまで延ばされてよい。幾つかの例において、細長いデバイス６１０の遠位端６１８は、任意的に、肺の各側にある３以上の分岐された世代のような、複数の分岐された世代を通じて、或いはそのような複数の分岐された世代に延ばされてよい。細長いデバイス６１０でアクセス可能な世代の数は、細長いデバイス６１０の直径が減少するに応じて及び／又は細長いデバイス６１０の柔軟性が増加するに応じて、増加することがある。
幾つかの実施形態では、細長いデバイス６１０が通路に沿って横断され、場所データが収集されるときに、場所データは、不正確な場所データが収集される結果となることがある１以上のノイズ源に曝されることがある。幾つかの例では、細長いデバイス６１０とは無関係の動き及び／又は力に起因する通路の場所の移動が生じることがある。幾つかの例において、この動きは、患者による運動、呼吸のような解剖学的運動、及び／又は同等の動きの結果として起こることがある。幾つかの例では、より大きな通路内の細長いデバイス６１０の位置が、中心線セグメント化されたモデル５０４における中心線に対応することがあるような、通路の中心線と対応しないことがある。幾つかの例では、細長いデバイスが、例えば、患者の解剖学的構造の通路において一般的である柔軟な壁と衝突し、それを潜在的に移動させ、歪ませ、且つ／或いは再形成するときに、細長いデバイス６１０自体が、ノイズを導入することがある。幾つかの実施形態では、これらの及び他のノイズ源を減少させ且つ／或いは除去する場所データ収集プロセスを使用することが望ましい。幾つかの例において、細長いデバイス６１０の長さに沿って同時に場所データを収集するは、これらの目標を達成することがある。幾つかの例において、患者の運動及び解剖学的運動の影響は、収集されるポイントの各々がおおよそ同じ運動の影響に曝されると同時に、場所データの複数のポイントを収集することによって、減少させられることがある。幾つかの例では、細長いデバイス６１０に起因する通路の壁の移動の影響が同様に減少させられることがある。
図８は、通路場所データを記録する例示的な方法８００のフローチャートを例示している。そして、方法７００は、一般的に、肺の気道を含む処置の文脈で記載されるが、方法７００は、他の解剖学的通路（例えば、血管、ダクト、腎杯、及び／又は同等の器官）、非外科的文脈における解剖学的通路（例えば、死体の通路、模擬解剖学的構造、及び／又は同等物）、獣医学的通路、及び／又は非医学的通路（例えば、パイプ、導管、ダクト、回廊、井戸、洞穴、鉱坑、及び／又は同等物）に適用可能であることが理解されよう。方法８００は、一組の操作又はプロセス８０２～８１２として図８に例示されている。例示のプロセス８０２～８１２の全てが方法８００の全ての実施形態において実施されるとは限らない。加えて、図８に明示的に例示されない１以上のプロセスが、プロセス８０２～８１２の前に、後に、間に、又はそれらの一部として含められてよい。幾つかの実施形態において、プロセス８０６、８０８、及び／又は８１２のうちの１以上は任意的であり、省略されることがある。幾つかの実施形態において、方法８００のプロセス８０２～８１２のうちの１以上は、少なくとも部分的に、１以上のプロセッサ（例えば、制御システム１１２のプロセッサ）によって実行されるときに、１以上のプロセッサにプロセス８０２～８１２のうちの１以上を実行させることがある、非一時的な有形の機械可読媒体に格納される、実行可能なコードの形態で実装されてよい。
プロセス８０２で、細長いデバイスが通路に沿って横断される。幾つかの例では、細長いデバイス６１０のような細長いデバイスが挿入され、次に、患者の肺の気道のような通路に沿って移動させられ或いは横断される。幾つかの例では、細長いデバイスの遠位端が通路に挿入され、次に、器具キャリッジ６０６のような器具キャリッジに取り付けられる細長いデバイスの近位端を前進及び／又は後退させることによって、通路に沿って前進及び／又は後退させられてよい。幾つかの例において、通路の選択は、細長いデバイスが通路内に前進させられるときに遠位端を操縦することによって、任意的に制御されてよい。幾つかの例において、細長いデバイスの遠位端のステアリングは、手動制御、自動制御、及び／又はマスタアセンブリ１０６を使用することによるような遠隔操作制御を介して、任意的に制御されてよい。幾つかの例において、細長いデバイスの遠位端のステアリングは、図２Ａの遠位端２１８の破線描写２１９に関して記載したような細長いデバイスの遠位端のロール、ピッチ、及び／又はヨーを調整することを任意的に含んでよい。
プロセス８０４で、データ収集イベント(データ収集事象)を検出する。細長いデバイスは、プロセス８０２の間に通路に沿って横断されるので、例えば位置合わせ処置をサポートするのに有用な量の場所データをもたらす横断の間の特定の場合に、通路上の場所データを収集することが有利である。幾つかの実施形態では、１以上の手動、半自動、及び／又は自動基準を使用して、適切なデータ収集イベントが発生するべきときを決定してよい。
幾つかの例では、データ収集イベントが瞬間的に起こって、細長いデバイス上の１以上のセンサからの位置データの即時収集を引き起こして(triggering)よく、データ収集イベントは、イベントの検出で開始して、特定の時間間隔に亘って進む、データの収集を引き起こしてよく、或いはイベントは、データの即時収集を引き起こしてよいが、バッファ内に格納された以前の場所データ又は幾らかの時間間隔に亘って格納されたデータの追加的な使用を引き起こしてよい。幾つかの例において、データは、細長いデバイスが通路を横断するときに連続的に収集されてよいが、データ収集イベントは、データ収集イベントを包含する時間間隔の間に収集されるデータが、位置合わせのためのような、分析のために使用される、指標を提供することがある。幾つかの例において、分析されるデータは、例えば、データ収集イベントの１秒前及び１秒後に、ある間隔の間に取り込まれるデータを含むことができ、次に、分析されるデータは平均化されて、位置合わせのために使用されてよい。幾つかの例において、時間間隔は、呼吸サイクル、心拍サイクル、及び／又は同等のもののような、解剖学的サイクルをカバーするように選択されてよい。
幾つかの例において、データ収集事象は、挿入運動と呼ぶことができる図６Ａ及び図６ＢのＡ軸のような、細長いデバイスの長手軸に沿う細長いデバイスの動きをモニタリングすることによって任意的に検出されてよい。挿入運動は、挿入方向（通路内で細長いデバイスを前進させる運動）又は後退方向（通路から細長いデバイスを後退させる運動）のいずれかにあってよい。幾つかの例において、挿入運動は、細長いデバイスが取り付けられる器具キャリッジ６０６のような器具キャリッジ上のトラッキングセンサ（例えば、光学センサ、位置センサ、エンコーダ、及び／又は同等物）を用いて検出されてよい。幾つかの例において、挿入運動は、細長いデバイスに一体化される、形状センサ２２２及び／又は形状センサ６１４のような、形状センサを用いて検出されてよい。形状センサは、形状センサの形状、従って、細長いデバイスの形状を決定するために問い合わせられて(interrogated)よい。幾つかの例において、細長いデバイスは、気管内チューブ又は患者の外部の固定具(fixture)のような、既知の形状を備える既知の固定具を通じて挿入されてよい。細長いデバイスの遠位部分の形状は、気管内チューブの形状と一致する(match)ように測定される。細長いデバイスが更に挿入されると、細長いデバイスの遠位部分は、通路の形状と一致するように測定されるのに対し、細長いデバイスの近位部分は、気管内チューブの形状と一致するように測定される。このようにして、細長いデバイスの動きが検出されてよい。幾つかの例では、細長いデバイスに連結される内視鏡カメラのような撮像デバイスを使用して、解剖学的構成のような物体がより大きい又はより小さいと見られるように挿入運動を検出してよい。幾つかの例において、挿入運動は、蛍光透視、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、熱撮像、インピーダンス撮像、レーザ撮像、ナノチューブＸ線撮像、及び／又は同等の方法のような、外部撮像を用いて細長いデバイスを視認することによって、検出されてもよい。
幾つかの例において、データ収集イベントは、細長いデバイスの挿入深さをモニタリングして、挿入深さが局所最大(local maximum)に達するときに場所データの収集を引き起こすことによって、任意的に検出されてよい。幾つかの例において、細長いデバイスの挿入深さは、細長いデバイスが取り付けられる器具キャリッジの位置をトラッキングすることによってモニタリングされる。幾つかの例において、局所最大は、器具キャリッジの速度が、器具キャリッジが患者から離れる方向に後退させられるように移行したことを示す場合（例えば、速度が最初に負になるか或いは約－１ｍｍ／ｓぐらいのような公称負閾値よりも負になるとき）に対応する。幾つかの例では、最大の挿入深さが記録され、現在の挿入深さが、最小の閾値距離（例えば、約５ｍｍぐらい）よりも、最大の挿入深さより下にあるときに、局所最大が生じる。幾つかの例において、最大挿入深さの記録は、細長いデバイスが挿入されるまで戻されたときに再開される。幾つかの例において、データ収集イベントは、挿入深さが７５ｍｍ以上のような挿入閾値を上回るときに、任意的に引き起こされてよい。幾つかの例において、データ収集は、細長いデバイスが、以前にデータが収集された以前にナビゲートされた経路からひとたび分岐すると、引き起こされることがある。従って、データ収集イベントは、形状センサによって測定されるような、特定の閾値を上回る細長いデバイスの操縦方向の変化を検出することによって、引き起こされることがある。幾つかの例において、経路からの分岐は、細長いデバイスの操縦方向の変化と共に、細長いデバイスの挿入運動の方向の変化及び操縦方向の変化によって検出されてよい。幾つかの例において、細長いデバイスは、第１の通路から後退し、次に、方向を変更し、第２の通路への挿入を開始してよい。データ収集イベントは、挿入から後退への挿入方向の変化及び第２の通路への細長いデバイスの操縦運動の変化を検出することによって引き起こされてよい。
幾つかの例において、データ収集イベントは、挿入動作中の方向の変化が検出されたときに、即ち、細長いデバイスが挿入から後退に又は後退から挿入に移行するときに、任意に引き起こされてよい。方向の変化は、速度の変化又は細長いデバイスの位置の変化によって検出されてよい。幾つかの例において、データ収集イベントは、細長いデバイスの挿入及び／又は後退移動が約２秒以上のような最小の時間期間よりも多くの時間期間に亘って一時停止されるときに、任意的に引き起こされてよい。
幾つかの例において、データ収集イベントは、マスタアセンブリを使用して１以上の制御及び／又はコマンドを起動(アクティブ化)することによって、オペレータＯのような細長いデバイスのオペレータによって手動で任意的に引き起こされてよい。幾つかの例において、半自動データ収集は、ポイントデータが連続的に又は臨界的な挿入深さで収集されることがある特定の経路を横断することをオペレータに求めることによって、進行してよい。幾つかの例では、内視鏡カメラのような撮像デバイスを使用して、鍵となる解剖学的構成を検出することによって、管腔壁のような解剖学的構成に対する遠位先端の近接性を感知することによって、及び／又は類似のことによって、データ収集を引き起こしてよい。幾つかの例では、プロセス８０４の間に、データ収集イベントを検出するための１つよりも多くの機構が任意的に使用されてよい。幾つかの例では、挿入深さが挿入閾値を上回るときの挿入深さにおける局所最大の検出のような、データ収集イベントのための２以上のトリガ機構(triggering mechanisms)の組み合わせが任意的に組み合わせられてよい。
任意的なプロセス８０６で、解剖学的相が説明される。プロセス８０２の間に横断される通路が患者内の通路に対応するとき、細長いデバイスの場所における有意な変動が、呼吸、心拍、及び／又は同等のことによって引き起こされる動きのような、自動的な身体の動きに起因して生じることがある。これらの身体の動きは、細長いデバイスの場所を変更し得るので、これらの身体の動きは、収集される場所データに有意なノイズを導入することがある。しかしながら、身体の動きは典型的には周期的であるので（例えば、吸気－呼気、心臓の鼓動など）、各サイクル内の相を説明しながら場所データの収集を行うことは、身体の動きによって導入されるノイズを有意に減少させることがある。幾つかの例において、解剖学的相は、呼吸モニタ、人工呼吸器をモニタリングすること、患者の心電図をモニタリングすること、運動パッドを用いて患者の胸郭運動をモニタリングすること、及び／又は同等のことを用いて検出されてよい。幾つかの例において、解剖学的相は、場所データが収集されるときに解剖学的相に注目することによって、並びに後の分析が解剖学的相に基づいて場所データを組織し且つ／或いは分類することができるよう、解剖学的相を場所データと共に記録することによって、任意的に説明されてよい。幾つかの例において、解剖学的相は、解剖学的サイクルが標的解剖学的相及び／又は解剖学的相の標的範囲に達するまで場所データの収集を遅らせ、次に、場所データが収集されるときに場所データを解剖学的相でタグを付けすることによって、任意的に説明されてよい。幾つかの例では、呼吸運動の外因性モデルを利用して、所与の呼吸相で収集されるデータに自動補正を適用してよい。外因性モデルは、複数の術前ＣＴ、蛍光透視のような術中撮像モダリティ、及び／又は同等のことから導き出されてよい。
任意的なプロセス８０８で、細長いデバイスに対する外力が最小限に抑えられる。細長いデバイスがプロセス８０２の間に通路に沿って横断されると、細長いデバイスは、通路の１以上の壁に接触するようになることがある。通路の１以上の壁が、患者の解剖学的構造内の通路で一般的であるように可撓であるとき、細長いデバイスは、１以上の壁の場所を変化させることがあり、それは収集される場所データに望ましくないノイズを導入することがある。幾つかの例において、細長いデバイスが１以上の壁の場所を変更することがある程度は、１以上の壁によって細長いデバイスの外部に加えられる外力をモニタリングして、細長いデバイスの位置を調節してこれらの外力を低減させることによって、任意的に低減させられてよい。幾つかの例において、外力は、細長いデバイスの外部に沿う様々な場所に配置される、ひずみ計のような、力及び／又は圧力センサを用いて、任意的にモニタリングされてよい。幾つかの例において、力及び／又は圧力センサによって検出される外力は、細長いデバイスの対応する領域を外力から離れる方向に屈曲させることによって、任意的に補償されてよい。幾つかの例において、力及び／又は圧力センサによって検出される全体的な外力は、細長いデバイスの挿入深さを調節することによって、遠位端のステアリングを調節することによって、及び／又は同等のことによって、並びに／或いはこれらのアプローチの任意の組合せによって、任意的に補償されてよい。
プロセス８１０で、形状センサに沿うポイントが同時に収集される。幾つかの例において、形状センサ２２２及び／又は形状センサ６１４のような、形状センサは、形状センサの形状を決定するために問い合わせられる。次に、形状センサ上の近位ポイントの知識と共に形状センサの形状を使用して、形状センサの長さに沿うポイントの場所を決定する。これらのポイントの各々は、解剖学的相、細長いデバイスによって通路の壁に加えられる力、及び／又は経時的に変化する他のノイズ源に起因する通路の場所の変動が大幅に低減させられることがあるよう、ほぼ同じ時間の瞬間に取られた通路内の位置を記述する。次に、形状センサの長さに沿うポイントの各々が収集され、収集された場所データとして任意的に格納される。
任意的なプロセス８１２で、細長いデバイスに対する形状センサの場所に基づいて、取り込まれたポイントが調整される。幾つかの例において、細長いデバイスに対する形状センサの場所は、例えば通路の中心線に対応する場所データをあまり代表しないことがある。幾つかの例では、形状センサが、細長いデバイスの外部及び／又は細長いデバイスの中心線に対応しない細長いデバイスの内部領域のように、細長いデバイスの中心線から離れて配置されるとき、プロセス８１０の間に収集されるポイントの各々は、それらが細長いデバイスの中心線、よって、通路の中心線をより正確に反映するように、調整されてよい。幾つかの例において、形状センサは、細長いデバイスの全長に沿うポイントのデータセットを生成するために使用されてよい。幾つかの例では、形状センサと細長いデバイスの残部との間の既知の幾何学的関係を使用して、プロセス８１０の間に収集されたポイントの場所を調整する。ポイントの場所が調整された後、それらは収集された場所データとして格納される。
プロセス８１２中の場所データの収集後、方法８００は、プロセス８０２に戻り、通路に沿って別の場所に細長いデバイスを横断させ、次に、場所データの収集を繰り返すことによって、任意的に繰り返されてよい。
上述し、ここで更に強調するように、図８は、請求項の範囲を過度に制限すべきでない例に過ぎない。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認識するであろう。幾つかの実施形態では、追加の因子を使用して、取り込まれるポイントを調整してよい。幾つかの例では、プロセス８０８の間に検出される外力を使用して、取り込まれるポイントを調整してよい。幾つかの例において、細長いデバイスの一方の側面で外力を検出し、他方の側面で外力を検出しないことは、細長いデバイスが通路の一方の側面にあることを示すことがあるので、通路の中心線は、細長いデバイスの中心線と異なることがある。幾つかの例では、プロセス７０６の間に受信されるモデル情報に含められる通路のサイズに関する情報を、検出される力との組み合わせにおいて使用して、細長いデバイスのサイズと通路のサイズとの間の差に基づいて取り込まれるポイントをオフセットしてよい。
図９は、人間の肺内の気道を横断することによって収集された例示的な場所データを例示している。図９に示すように、プロセス７０４及び／又は方法８００によって収集された場所データは、データポイントＤによって描写されている。幾つかの例において、データポイントＤは、座標、タイムスタンプ、センサＩＤ、解剖学的相情報、挿入深さ、及び／又は同等物を備える、データセット又はポイントプールとして、メモリに格納されてよい。データポイントＤは、遠位端６１８が横断させられる通路内に前進させられ且つ／或いはそのような通路から後退させられるときに、形状センサ６１４及び／又は１以上の他のセンサを使用して収集される、遠位端６１８及び／又は細長いデバイス６１０と関連付けられる他のポイントについての場所データに対応してよい。図６Ａ及び図６Ｂの例において、手術環境６００内の所与の収集データポイントＤＸの場所は、遠位端６１８及び／又は細長いデバイス６１０と関連付けられる何らかの他のポイントがポイントＤＸに配置されるときに、位置測定デバイス６２０からの情報と形状センサ６１４及び／又は１以上の他のセンサからの形状データとを組み合わせることによって決定される。幾つかの例では、プロセス７０２の較正及び形状センサ６１４からのデータによって支援されるような、器具ステージ６０８に沿う近位ポイント６１６の位置ＬＸを任意的に使用して、ポイントＤＸの場所を決定してよい。データポイントＤのための手術環境座標空間内の場所は、以下に更に詳細に記載するように、通路のモデルからの場所データと位置合わせすることができる通路の場所データの基準セットになる。
戻って図７を参照すると、任意的なプロセス７０６で、通路についてのランドマークデータが記録される。幾つかの例において、収集されるデータポイントＤの１以上は、通路内の１以上のランドマーク場所に対応してよい。幾つかの例において、１以上のランドマーク場所に対応する収集されたデータポイント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)ために任意的に使用されてよい。幾つかの例では、１以上のランドマーク場所に対応する収集されたデータポイントＤの各々をシードポイント(seed points)と呼ぶことがある。幾つかの例において、１以上のランドマーク場所に対応する収集されたデータポイントＤは、それらのデータポイントＤがメモリ内に格納されるときに、ランドマークインジケータでタグ付けされてよい。幾つかの例において、１以上のランドマーク場所は、通路内の分岐ポイントに対応してよい。幾つかの例において、通路が肺内の気道であるとき、１以上のランドマーク場所は、肺内の竜骨(carinas)に対応してよい。
幾つかの例において、１以上のランドマーク場所に対応するものとしてのデータポイントＤの指定は、オペレータＯのようなオペレータからの入力の結果として並びに／或いは１以上の他のアプローチ及び／又は自動化アルゴリズムを通じて生じてよい。幾つかの例において、オペレータは、ボタン、ペダル、レバーを押すことによって、音声認識で認識可能なコマンドを発することによって、及び／又は同等のことによって、及び／又はマスタアセンブリ１０６のようなマスタアセンブリ上で適切な入力制御を起動することによって、１以上のランドマーク場所に対応するものとしてデータポイントＤを指定してよい。幾つかの例において、オペレータは、細長いデバイスの遠位端をランドマーク場所のうちの１つに近接するポイントまで進め(navigate)、遠位端と通路の壁との間の物理的接触を開始してよい。幾つかの例では、遠位端を制御するアクチュエータのためのトルクセンサ及び／又はエンコーダが、通路の壁との接触に起因する遠位端に対する抵抗及び／又は力を記録し(register)、ランドマーク場所としての遠位端の現在場所のタグ付けを引き起こしてよい。幾つかの例では、容量センサ及び／又はホール効果センサのようなタッチセンサを細長いデバイスの遠位端の近くに位置付けて、遠位端が通路の壁に近接しているか或いは通路の壁と接触しているときの指標を提供し、ランドマーク場所としての遠位端の現在場所のタグ付けを引き起こしてよい。
幾つかの例において、細長いデバイスの遠位端がＥＴチューブ６２２のようなＥＴチューブを通過するとき、ＥＴチューブの既知の屈曲又は曲率は、ランドマーク場所のうちの１つ以上の識別を助けることがある。幾つかの例では、ＥＴチューブの屈曲又は湾曲が精密に知られていないときでさえも、屈曲又は湾曲は、上気道及び気管のような通路の特定の領域に対応するものとして識別されるのに十分な程に特有である。何故ならば、ＥＴチューブの近位端にある細長いデバイスのより近位の部分は、ＥＴチューブの遠位端にある細長いデバイスのより遠位の部分に対してほぼ９０°の角度を形成するからである。形状センサを用いて容易に識別されることがあるＥＴチューブの湾曲及び細長いデバイスの近位ポイントの姿勢情報に基づいて、患者の気管は、ランドマーク場所のうちの１つとして識別されてよく、使用されてよい。幾つかの例において、ＥＴチューブの特有の色、マーキング、及び／又は内面のパターンの端を検出することによるような、ＥＴチューブの遠位端の検出及び場所は、患者の気管内のランドマーク場所を識別するのを更に支援することがある。
幾つかの実施形態によれば、細長いデバイスの近位ポイントに対する患者の向きが知られているとき、左又は右への細長いデバイスの遠位端のナビゲーションは、左及び／又は右の主要な気管支と関連付けられる１以上のランドマーク場所を識別するのに役立つことがある。幾つかの例では、形状センサ及び／又は他のセンサからのデータを任意的に使用して、ＥＴチューブの曲率によって作られるＥＴチューブの近位端と遠位端との間のほぼ直角を識別してよく、ＥＴチューブの遠位端は、患者の気管内の可能なランドマーク場所を識別することがある。幾つかの例において、ほぼ直角を任意的に使用して、患者の解剖学的構造を右半分及び左半分に二分する第１の平面を識別してよい。遠位端が左又は右の主要な気管支のいずれかに進められると、第１の平面にほぼ直交する第２の平面を定める第２の角度が識別されることがある。次に、第１及び第２の平面の向きを使用して、１以上の追加的なランドマーク場所を決定してよい。
プロセス７０８で、通路についてのモデル情報が受信される。幾つかの例では、プロセス５４２を使用して取得される画像のような、通路の術前及び／又は術中画像を使用して、通路のモデルを構築してよい。幾つかの例において、通路のモデルは、プロセス４５４を使用して術前及び／又は術中画像をセグメント化することによって生成されてよい。幾つかの例において、通路についてのモデル情報は、図５Ｃに記載したように、中心線セグメント化されたモデル５０４に対応してよい。
任意的なプロセス７１０で、ランドマークデータと通路についてのモデル情報との間の初期シード変換が決定される。幾つかの実施形態によれば、ＩＣＰのような、近接ポイントレジストレーションアルゴリズム(close point registration algorithms)のための適切なシード変換の使用は、しばしば、近接ポイントアルゴリズムのためにより良好なレジストレーション及び／又はより速い収束(convergence)をもたらす。幾つかの例において、プロセス７０６の間にランドマークデータにおいて識別されるランドマーク場所とプロセス７０８の間に受信されるモデル情報内の対応する場所との間でマッピングする変換は、しばしば、プロセス７０４及び／又は方法８００の間に収集される場所データとプロセス７０８の間に受信されるモデル情報との間の近接ポイントレジストレーションのための良好なシード変換を提供する。幾つかの例において、初期シード変換は、任意的に、ランドマーク場所についてのデータポイントＤの各々が、プロセス７０４及び／又は方法８００の間に収集される場所データの座標系及びプロセス７０８の間に受信されるモデル情報の座標系から位置及び向きをマッピングする同じ座標変換によって変換される、剛性変換であってよい。幾つかの例において、初期シード変換は、任意的に、非剛性変換であってよく、その場合、ランドマーク場所についてのデータポイントＤの各々は、異なる座標変換によって変換される。幾つかの例において、初期シード変換は、３Ｄポイントを１つの座標系から別の座標系に変換及び／又は回転させることができる均一変換としてモデル化されてよい。幾つかの例において、異なるランドマークデータ及び／又は異なるランドマーク場所を使用して決定される複数の初期シード変換は、任意的に、初期シード変換として選択される、プロセス７０８の間に受信されるモデル情報についての座標系とプロセス７０４及び／又は方法８００の間に収集される場所データの座標系との間でマッピングするときに最小の誤差を有する初期シード変換と比較されてよい。幾つかの例において、プロセス７０６の間に決定される第１の平面及び第２の平面を任意的に使用して、初期シード変換を決定してよい。
任意的なプロセス７１２で、初期的なシード変換が、記録された場所データに適用される。プロセス７１０の間に決定される剛性又は非剛性変換を使用して、プロセス７０４及び／又は方法８００の間に収集及び記録される場所データは、場所データ内のポイントを、プロセス７０８の間に受信されるモデル情報内の対応するポイントとの密接な整合(alignment)に置くように、変換される。幾つかの例において、初期シード変換が均一変換であるとき、場所データの変換は、行列乗算(matrix multiplication)を使用して初期シード変換を場所データ内のポイントの各々に適用することによって達成される。
プロセス７１４で、プロセス７０４及び／又は方法８００の間に記録された場所データが、プロセス７０８の間に受信されるモデル情報と位置合わせされる。プロセス７１４は、場所データとモデル情報との間の収束が得られるまで、プロセス７１６～７２２の繰返し適用を含む反復プロセスとして示される。幾つかの例において、プロセス７１４の反復プロセスは、ＩＣＰレジストレーション技術に対応する。図９は、収集されて図９に示される場所データへのプロセス７１４の適用に由来する２セットのポイントの例示的なレジストレーション後アライメントを例示している。幾つかの実施形態において、レジストレーションの間に使用される場所データは、解剖学的相の変化によって収集されるデータに導入されるノイズの影響を制限するために、特定の解剖学的相（又は解剖学的相の範囲）の間に収集される場所データに任意的に制限されてよい。
プロセス７１６で、場所データ内のポイントは、モデル情報内のポイントと一致させられる。プロセス７１２の間の初期シード変換を使用する及び／又は以下に更に記載するようなプロセス７２０の変換による場所データ内のポイントの変換は、典型的には、場所データ内のポイントをモデル情報内の対応するポイントとのより良好な位置及び／又は回転アライメントに導く。しかしながら、場所データ内のポイントをモデル情報内の対応するポイントと整合させる初期的な反復は、場所データ内のポイントとモデル情報内のポイントとの間の正確な対応(correspondence)を必ずしも識別するとは限らないので、対応を更新する再マッチング(rematching)が実行される。変換されると、場所データ内のポイントの各々は、場所データ内のポイントに最も近いモデル情報内のポイントと一致させられる。幾つかの例において、モデル情報内の最も近いポイントは、モデル情報内のポイントの各々を通じて反復して、一致させられている場所データ内のポイントまでの最短ユークリッド距離を有するポイントを見つけることによって、決定されてよい。幾つかの例では、ＫＤツリー及び／又は同等技術のような他の技術を任意的に使用して、マッチングをより効率的に実行してよい。幾つかの例において、幾つかの一致は、最大距離閾値決定、最大角閾値決定、及び／又は以下に更に記載するようにプロセス７１８の間に決定される変換に含められるのに十分に信頼性がある或いは十分に「近い(close)」と見做されない一致を除去する(filtering out)ために利用される他の測定基準(metrics)に基づいて破棄されてよい。
プロセス７１８で、更なる変換が決定される。プロセス７１６のマッチングに基づいて、更なる変換は、場所データをモデル情報と更に整合させるために、場所データへの追加的な変換を識別する。幾つかの例において、更なる変換は、一致させられたポイントを最良に整合させるであろう、均一変換の形態におけるような、変位及び／又は回転を決定する。幾つかの例において、更なる変換は、プロセス７１６の間に一致させられるポイントの間の位置及び向きにおける全体的及び／又は総計的オフセットを計算することによって決定される。幾つかの例において、更なる変換は、プロセス７１４の任意の反復の間に最大オフセット及び／又は最大回転が適用されるように制限されてよい。幾つかの例において、最大オフセット及び／又は最大回転は、実行されたプロセス７１４の多数の反復に基づいて任意的にスケーリングされて(scaled)よい。
プロセス７２０で、更なる変換は、場所データに適用される。プロセス７１８の間に決定される更なる変換を使用することで、プロセス７１２及び／又はプロセス７２０の先行適用によって変換されるような場所データは、場所データを、プロセス７０８の間に受信されるモデル情報内のポイントとより密接に整合させるよう、更に変換される。幾つかの例では、更なる変換が均一変換であるとき、場所データの更なる変換は、行列乗算を使用して場所データ内のポイントの各々に更なる変換を適用することによって達成される。
プロセス７２２で、レジストレーション技術の収束が評価される。幾つかの例では、変換されたような場所データとモデル情報との間の全体的な差を評価する、場所データ内のポイントの場所とモデル情報内のポイントの場所との間の誤差測定が、計算される。誤差測定値が総計において閾値よりも大きいときには、全体的な誤差測定値が閾値を下回るまで、プロセス７１６～７２２の追加的な反復が繰り返される。このプロセスの結果は、プロセス７１６～７２２の複数の反復が、図９中のポイントＤによって表される場所データを解剖学的モデル情報５５０内のポイントにどのように整合させ得るかを示す、図１０に例示されている。幾つかの例において、図９と図１０との間で収束する多数の反復は、モデル情報と場所データ内の実際のポイント場所との間の差、収束閾値、及び／又は同等のことに基づいて変化することがある。
幾つかの実施形態において、プロセス７１６～７２２の進行は、図８及び図９に類似する画像をユーザインタフェースディスプレイ上に表示することによって、オペレータＯのようなオペレータに任意的に表示されてよい。幾つかの例において、オペレータは、十分な収束が達成されるときを決定するために、レジストレーションを任意的にモニタリングしてよい。幾つかの例において、プロセス７１６～７２２のレジストレーションは、患者が移動させられるときに及び／又は同等のときに、追加的な場所データが得られるように、例えば、規則的な間隔で、外科的処置の間に任意的に繰り返されてよい。
レジストレーションが完了した後に、任意的に、画像誘導外科的処置が実施されてよい。幾つかの例において、モデル情報は、標的化された処置が適用されるべき患者の解剖学的構造中の１以上の介入部位及び／又は標的場所を識別してよい。幾つかの例では、プロセス７１０の間に決定される初期的なシード変換とプロセス７１８の間に決定される更なる変換のそれぞれの変換とを含む複合変換を使用して、細長いデバイスの遠位端についての現在場所データをモデル情報内の対応する場所にマッピングして、オペレータが、細長いデバイスの遠位端をその現在場所から標的場所の１つに移動させる動作計画を計画及び／又は実行するのを支援してよい。図７に示すように、画像誘導外科的処置は、任意的なプロセス７２４及び７２６に対応してよい。
任意的なプロセス７２４で、細長いデバイスの遠位端の現在場所が決定される。幾つかの例では、近位ポイントの場所及び形状センサからのデータを使用して、細長いデバイスを通じて手術器具を挿入することによって手術器具を患者の解剖学的構造に適用することができる細長いデバイスの遠位端の現在場所を決定してよい。幾つかの例では、ＥＭセンサのような他のセンサを任意的に使用して、細長いデバイスの遠位端の現在場所を任意的に決定してよい。
任意的なプロセス７２６で、細長いデバイスの遠位端は、モデル情報内に配置される。プロセス７０２～７２２によって決定される複合変換を使用することで、プロセス７２４の間に決定される細長いデバイスの遠位端の現在場所は、細長いデバイスの遠位端の場所が、よって、手術器具が、モデル情報に対して決定されることがあるように、変換されてよい。細長いデバイスの遠位端の位置が、モデル情報に記載されるような通路内でひとたび知られると、オペレータ及び／又は自動システムが、手術器具を標的場所の１つに送達する動作計画を計画及び／又は実行することが可能である。計画が実行されると、プロセス７２４及び７２６を繰り返して、細長いデバイスの遠位端の現在場所及び動作計画を継続的に更新してよい。
上記で議論し、ここで更に強調するように、図７は、請求項の範囲を過度に制限すべきではない例に過ぎない。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認識するであろう。幾つかの実施形態において、プロセス７１２及び／又は７２０の変換は、異なる方法で適用されてよい。幾つかの例において、初期的なシード変換及び／又は更なる変換は、初期的なシード変換及び／又は更なる変換が、場所データよりもむしろモデル情報を変換するために適用されて、モデル情報内のポイントが場所データ内のポイントとより密接に整合するように、モデル情報内のポイントを変換するために任意的に定義されてよい。幾つかの例において、初期的なシード変換及び／又は更なる変換は、場所データ及びモデル情報の両方を共通の座標系に向かって変換するように設計された別々の変換に任意的に分割されてよい。
本発明の実施形態における１以上の要素（例えば、方法７００及び／又は８００のプロセス）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ためにソフトウェアにおいて実装されてよい。ソフトウェアにおいて実装されるとき、本発明の実施形態の要素は、本質的に、所要のタスクを実行するコードセグメントである。光学媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を格納することができる任意の媒体を含む、非一時的な機械可読ストレージ媒体に、プログラム又はコードセグメントを格納することができる。機械可読記憶媒体の例は、電子回路、半導体デバイス、半導体メモリデバイス、読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能なプログラマブル読出し専用記憶装置（ＥＰＲＯＭ）、フロッピーディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他のストレージデバイスを含む。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ような、コンピュータネットワークを介してダウンロードされてよい。本明細書に記載するように、アクセス、検出、開始、位置合わせ、表示、受信、生成、決定、データポイントの移動、セグメント化、マッチングなどの動作は、少なくとも部分的に、制御システム１１２又はそれらのプロセッサによって実行されてよい。
提示するプロセス及びディスプレイは、特定のコンピュータ又は他の装置に固有に関連しない場合があることに留意のこと。様々なこれらのシステムに必要とされる構造は、請求項中に要素として現れる。加えて、本発明の実施形態は、如何なる特定のプログラミング言語を参照しても記載されない。様々なプログラミング言語を使用して本明細書に記述するような本発明の教示を実施してよいことが理解されよう。
本発明の特定の例示的な実施形態を記載し且つ添付の図面に示したが、そのような実施形態は広範な本発明を例示であるに過ぎず、限定するものでないこと、並びに本発明の実施形態は、図示し且つ記載した特定の構成及び配置に限定されてならないことが理解されるべきである。何故ならば、様々な他の修正が当業者の心に思い浮かぶことがあるからである。

Claims (13)

  1. 細長いデバイスであって、操縦可能な遠位端と、細長いデバイスの長さに沿って配置される形状センサとを含む、細長いデバイスと、
    該細長いデバイスに連結される１つ又はそれよりも多くのプロセッサとを含み、
    前記細長いデバイスが患者の１つ又はそれよりも多くの通路を通じて横断させられる間に、前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、
    前記細長いデバイスの挿入動作をモニタリングするように構成され、
    データ収集イベントを検出するように構成され、前記データ収集イベントは、前記細長いデバイスの前記挿入動作の方向の変化に基づいて検出され、
    前記データ収集イベントを検出することに応答して、前記形状センサを使用して前記細長いデバイスの前記長さに沿う複数のポイントを取り込むように構成され、且つ、
    前記複数のポイントに基づいて、前記細長いデバイスを前記患者の前記通路のモデルに位置合わせするように構成される、
    医療デバイス。
  2. 前記形状センサは、光ファイバ形状センサである、請求項１に記載の医療デバイス。
  3. 前記細長いデバイスは、前記細長いデバイスの挿入、後退、又は操縦のうちの１つ又はそれよりも多くを実行するよう、１つ又はそれよりも多くのアクチュエータを使用して前記患者の前記１つ又はそれよりも多くの通路を通じて横断させられる、請求項１に記載の医療デバイス。
  4. 前記細長いデバイスの前記挿入動作は、前記形状センサを使用して測定される、請求項１に記載の医療デバイス。
  5. 前記細長いデバイスの近位端に連結されるトラッキングセンサを更に含み、前記細長いデバイスの前記挿入動作は、前記トラッキングセンサを使用して測定される、請求項１に記載の医療デバイス。
  6. 前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、前記細長いデバイスの前記挿入動作をモニタリングするように構成され、モニタリングすることは、前記細長いデバイスの現在の挿入深さをモニタリングすることを含み、前記データ収集イベントは、前記細長いデバイスの前記現在の挿入深さが閾値挿入深さを超えるときに又は前記細長いデバイスの前記現在の挿入深さが閾値後退距離を超えるときに検出される、請求項１に記載の医療デバイス。
  7. 前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、前記細長いデバイスの経路の変化又はオペレータによるデータ収集の手動開始のうちの少なくとも１つを検出することに更に基づいて前記データ収集イベントを検出するように構成される、請求項１に記載の医療デバイス。
  8. 前記細長いデバイスに連結される撮像デバイスを更に含む、請求項１に記載の医療デバイス。
  9. 前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、前記撮像デバイスによって取り込まれる画像内の構成を検出することに更に基づいて前記データ収集イベントを検出するように構成される、請求項８に記載の医療デバイス。
  10. 前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、前記データ収集イベントが検出されるときに患者の解剖学的相を決定し、前記複数のポイントの各々を前記決定する解剖学的相でタグ付けする、ように更に構成される、請求項１に記載の医療デバイス。
  11. 前記細長いデバイスの前記長さに沿って配置される１つ又はそれよりも多くの力又は圧力センサを更に含み、該１つ又はそれよりも多くの力又は圧力センサは、前記形状センサ及びひずみセンサのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の医療デバイス。
  12. 前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、
    前記１つ又はそれよりも多くの力又は圧力センサを使用して前記細長いデバイスに対する１つ又はそれよりも多くの外力を決定し、
    前記複数のポイントを取り込む前に前記細長いデバイスに対する前記１つ又はそれよりも多くの外力を減少させるよう前記細長いデバイスの位置を調整する命令を提供する、
    ように更に構成される、
    請求項１１に記載の医療デバイス。
  13. 前記形状センサは、前記細長いデバイスの中心線からある距離に配置され、前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサは、前記細長いデバイスの前記中心線に対する前記形状センサの場所に基づいて前記複数のポイントの場所をオフセットするように構成される、請求項１に記載の医療デバイス。
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