KR102302934B1

KR102302934B1 - 중재 시술 계획을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102302934B1
Application number: KR1020157016951A
Authority: KR
Inventors: 케이틀린 큐 돈하우; 프라산트 초프라; 캐롤 라일리; 타오 자오; 도린 팬에스큐
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2021-09-17
Also published as: EP2938283A4; EP2938284A4; CN104936545A; CN104936545B; CN109009431B; EP2938283A1; EP2938283B1; JP6695946B2; US10588597B2; US20200155116A1; WO2014106249A1; WO2014106253A1; US11871898B2; CN109009431A; US20190142372A1; EP2938284B1; EP2938284A1; KR20210114556A; US20200214664A1; EP3417824B1

Abstract

중재술 기기를 전개하기 위한 시술을 계획하는 방법은 해부학적 구조물의 모델을 수신하는 단계를 포함한다. 해부학적 구조물은 복수의 통로를 포함한다. 방법은 모델 내에서 목표 구조물을 식별하는 단계 및 복수의 통로 내에서의 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 중재술 기기의 작동 능력에 기초하여 목표 구조물 상에서 시술을 수행하기 위해 중재술 기기의 원위 팁을 위치 설정하기 위한 계획 전개 위치를 식별하는 단계를 추가로 포함한다.

Description

중재 시술 계획을 위한 시스템 및 방법 {Systems And Methods For Interventional Procedure Planning}

본 개시내용은 최소 침습적 시술을 수행하기 위해 환자의 해부학적 구조물을 운행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이고, 특히 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최소 침습적 의료 기술은 중재 시술 중에 손상되는 조직을 양을 감소시켜서, 환자의 회복 시간, 불편함, 및 해로운 부작용을 감소시키도록 의도된다. 그러한 최소 침습적 기술은 환자의 해부학적 구조물 내의 자연 개구를 통해 또는 하나 이상의 외과적 절개부를 통해 수행될 수 있다. 이러한 자연 개구 또는 절개부를 통해, 의료인은 목표 조직 위치에 도달하기 위해 (외과, 진단, 치료, 또는 생검 기기를 포함한) 중재술 기기를 삽입할 수 있다. 목표 조직 위치에 도달하기 위해, 최소 침습적 중재술 기기는 폐, 대장, 소장, 신장, 심장, 순환계 등과 같은 해부학적 계통 내의 자연 통로 또는 외과적으로 생성된 통로를 운행할 수 있다. 의료인이 통로를 통해 기기를 운행하는 것을 보조하기 위해, 통로의 모델이 수술전 또는 수술중 촬영을 사용하여 준비된다. 중재술 기기를 전개하기 위한 현재의 시스템은 기기 전개 위치를 목표 조직 위치에 가장 가까운 모델링된 통로 내의 지점으로서 식별한다. 이러한 최인접 전개 위치는 중재술 기기 또는 해부학적 구조물의 제약이 주어지면 접근하기 어려울 수 있다. 목표 조직 위치 상에서 시술을 수행하기 위해 계획 기기 전개 위치를 결정하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.

미국 특허출원공개공보 US2002/0133057호 미국 특허출원공개공보 US2008/0287805호

본 발명의 실시예들이 설명에 이어지는 청구범위에 의해 요약된다.

일 실시예에서, 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하는 방법은 해부학적 구조물의 모델을 수신하는 단계를 포함한다. 해부학적 구조물은 복수의 통로를 포함한다. 방법은 모델 내에서 목표 구조물을 식별하는 단계 및 복수의 통로 내에서의 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 중재술 기기의 작동 능력에 기초하여 목표 구조물 상에서 시술을 수행하기 위해 중재술 기기의 원위 팁을 위치 설정하기 위한 계획 전개 위치를 식별하는 단계를 추가로 포함한다.

다른 실시예에서, 시스템은 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 컴퓨터 실행 가능 지시를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 컴퓨터 실행 가능 지시는 복수의 통로를 포함하는 해부학적 구조물의 모델을 수신하기 위한 지시 및 모델 내에서 목표 구조물을 식별하기 위한 지시를 포함한다. 컴퓨터 실행 가능 지시는 또한 복수의 통로 내에서의 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하기 위한 지시 및 중재술 기기의 작동 능력에 기초하여 목표 구조물 상에서 시술을 수행하기 위해 중재술 기기의 원위 팁을 위치 설정하기 위한 계획 전개 위치를 식별하기 위한 지시를 또한 포함한다.

본 개시내용의 태양들은 첨부된 도면과 함께 읽힐 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계의 표준 관행에 따르면, 다양한 특징부들이 축척에 맞게 도시되지 않음이 강조된다. 사실, 다양한 특징부들의 치수는 설명을 명확하게 하기 위해 임의로 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 본 개시내용은 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간단하고 명확하게 하기 위한 목적이며, 자체가 설명되는 다양한 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계를 지시하지는 않는다.

도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 원격 작동식 중재술 시스템이다.
도 2는 본 개시내용의 태양을 이용하는 중재술 기기 시스템을 도시한다.
도 3은 연장된 중재술 도구를 구비한 도 2의 중재술 기기 시스템의 원위 단부를 도시한다.
도 4는 중재술 기기의 원위 단부가 전개 위치에 있는 해부학적 모델 영상을 도시한다.
도 5는 도 4의 일 부분의 도면이다.
도 6은 중재술 기기의 원위 단부가 센서 피드백에 기초한 수정된 전개 위치에 있는 해부학적 모델 영상을 도시한다.
도 7은 중재술 기기에 대한 계획 전개 위치를 식별하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 센서 피드백에 기초하여 계획 전개 위치를 수정하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 촬영 시스템을 사용하여 목표 구조물을 식별하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 방법의 예시이다.

본 발명의 태양의 다음의 상세한 설명에서, 많은 구체적인 세부가 개시되는 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 개시내용의 실시예는 이러한 구체적인 세부가 없이 실시될 수 있음이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 상황에서, 공지된 방법, 절차, 구성요소, 및 회로가 본 발명의 실시예의 태양을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않았다. 그리고, 필요 없는 설명 반복을 피하기 위해, 하나의 예시적인 실시예에 따라 설명된 하나 이상의 구성요소 또는 작용은 다른 예시적인 실시예로부터 적용되는 바에 따라 사용되거나 생략될 수 있다.

아래의 실시예는 다양한 기기 및 기기의 부분을 3차원 공간 내에서의 그의 상태의 측면에서 설명할 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "위치"라는 용어는 3차원 공간(예컨대, 직교 X, Y, Z 좌표를 따른 3개의 병진 이동 자유도) 내에서의 대상 또는 대상의 일 부분의 위치를 지칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "배향"이라는 용어는 대상 또는 대상의 일 부분의 회전 배치(3개의 회전 자유도 - 예컨대, 롤링, 피칭, 및 요잉)를 지칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "자세"라는 용어는 적어도 하나의 병진 이동 자유도 내에서의 대상 또는 대상의 일 부분의 위치 및 적어도 하나의 회전 자유도 내에서의 대상 또는 대상의 일 부분의 배향을 지칭한다 (6개까지의 총 자유도). 본원에서 설명되는 바와 같이, "형상"이라는 용어는 대상을 따라 측정된 자세, 위치, 또는 배향의 세트를 지칭한다.

도면 중 도 1을 참조하면, 예를 들어, 외과, 진단, 치료, 또는 생검 시술에서 사용하기 위한 원격 작동식 중재술 시스템이 도면 부호 100에 의해 전체적으로 표시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원격 작동식 시스템(100)은 대체로 환자(P)에 대해 다양한 시술을 수행하는 데 있어서 중재술 기기(104)를 작동시키기 위한 중재술 조작기 조립체(102)를 포함한다. 조립체(102)는 수술대(O)에 또는 그 부근에 장착된다. 마스터 조립체(106)가 의사(S)가 수술 부위를 관찰하고 슬레이브 조작기 조립체(102)를 제어하도록 허용한다.

마스터 조립체(106)는 수술대(O)와 동일한 방 안에 보통 위치되는 의사 콘솔(C)에 위치될 수 있다. 그러나, 의사(S)는 환자(P)와 다른 방 또는 완전히 다른 건물 내에 위치될 수 있음을 이해하여야 한다. 마스터 조립체(106)는 대체로 선택적인 지원부(108) 및 조작기 조립체(102)를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 장치(112)(들)을 포함한다. 제어 장치(112)(들)은 조이스틱, 트랙볼, 데이터 글러브, 트리거 건, 수작동 제어기, 음성 인식 장치, 신체 운동 또는 존재 센서 등과 같은, 임의의 개수의 다양한 입력 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 장치(112)(들)은 원격 현장감, 또는 의사가 기기(104)를 직접 제어하는 강한 느낌을 갖도록 제어 장치(112)(들)이 기기(104)와 일체라는 지각을 의사에게 제공하기 위해, 관련된 중재술 기기(104)와 동일한 자유도를 구비할 것이다. 다른 실시예에서, 제어 장치(112)(들)은 관련된 중재술 기기(104)보다 더 많거나 더 적은 자유도를 가지며, 여전히 원격 현장감을 의사에게 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 장치(112)(들)은 6개의 자유도에 의해 이동하며, 기기를 작동(예를 들어, 파지 조오(jaw)를 폐쇄하거나, 전극에 전위를 인가하거나, 약물 치료를 전달하는 등)시키기 위한 작동 가능한 손잡이를 또한 포함할 수 있는 수동 입력 장치이다.

대안적인 실시예에서, 원격 작동식 시스템은 1개를 초과하는 슬레이브 조작기 조립체 및/또는 1개를 초과하는 마스터 조립체를 포함할 수 있다. 조작기 조립체의 정확한 개수는 다른 인자보다도, 외과적 시술 및 수술실 내의 공간 제약에 의존할 것이다. 마스터 조립체들은 함께 위치될 수 있거나, 이들은 분리된 장소 내에 위치될 수 있다. 복수의 마스터 조립체들은 1명을 초과하는 작업자가 하나 이상의 슬레이브 조작기 조립체들을 다양한 조합으로 제어하도록 허용한다.

선택적인 시각화 시스템(110)은 수술 부위의 동시 (실시간) 영상이 의사 콘솔(C)로 제공되도록 내시경 시스템을 포함할 수 있다. 동시 영상은, 예를 들어, 수술 부위 내에 위치된 내시경 프로브에 의해 포착된 2차원 또는 3차원 영상일 수 있다. 이러한 실시예에서, 시각화 시스템(110)은 중재술 기기(104)에 일체로 또는 제거 가능하게 결합될 수 있는 내시경 구성요소를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 분리된 조작기 조립체에 부착된 분리된 내시경이 수술 부위를 촬영하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 분리된 내시경 조립체는 원격 작동 제어가 없이, 사용자에 의해 직접 작동될 수 있다. 내시경 조립체는 (예컨대, 원격 작동식 조향 와이어에 의한) 능동 조향 또는 (예컨대, 안내 와이어 또는 직접 사용자 안내에 의한) 수동 조향을 포함할 수 있다. 시각화 시스템(110)은 제어 시스템(116)의 프로세서(들)을 포함할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호 작용하거나 그에 의해 실행되는, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.

디스플레이 시스템(111)은 시각화 시스템(110)에 의해 포착된 수술 부위 및 중재술 기기의 영상을 디스플레이할 수 있다. 디스플레이(111) 및 마스터 제어 장치(112)(들)은 내시경 조립체 내의 촬영 장치와 중재술 기기의 상대 위치가 의사의 눈과 손(들)의 상대 위치와 유사하여, 작업자가 작업 공간을 실질적으로 실제로 존재하는 것으로 관찰하는 것처럼 중재술 기기(104) 및 마스터 제어 장치(112)(들)을 조작할 수 있도록, 배향될 수 있다. 실제 존재는 작업자가 촬영기 위치에 물리적으로 존재하여 촬영기의 시야로부터 조직을 직접 관찰하는 것처럼 디스플레이되는 조직 영상이 작업자에게 보이는 것을 의미한다.

대안적으로 또는 추가적으로, 디스플레이 시스템(111)은 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), 형광 투시법, 온도 기록법, 초음파, 광 간섭 단층 촬영(OCT), 열 촬영, 임피던스 촬영, 레이저 촬영, 나노튜브 X-선 촬영 등과 같은 촬영 기술을 사용하여 수술전에 기록 및/또는 모델링된 수술 부위의 영상을 제시할 수 있다. 제시되는 수술전 영상은 2차원, 3차원, 또는 (예컨대, 시간 기반 정보 또는 속도 기반 정보를 포함하는) 4차원 영상을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 디스플레이 시스템(111)은 수술 기기의 팁의 위치에서 내부 수술 부위의 가상 영상을 의사(S)에게 제시하기 위해, 중재술 기기의 실제 위치가 모델링된 해부학적 구조물로부터의 수술전 또는 동시 영상과 정합(예컨대, 동적 참조)되는 가상 시각화 영상을 디스플레이할 수 있다.

다른 실시예에서, 디스플레이 시스템(111)은 수술 부위에서의 중재술 기기의 가상 영상을 의사(S)에게 제시하기 위해, 중재술 기기의 실제 위치가 모델링된 해부학적 구조물로부터의 (수술전 기록 영상을 포함한) 이전의 영상 또는 동시 영상과 정합되는 가상 시각화 영상을 디스플레이할 수 있다. 중재술 기기의 일 부분의 영상이 의사가 중재술 기기를 제어하는 것을 보조하기 위해 가상 영상 상에 중첩될 수 있다.

도 1에서, 제어 시스템(116)은 슬레이브 수술 조작기 조립체(102), 마스터 조립체(106), 시각화 시스템(110), 및 디스플레이 시스템(111) 사이의 제어를 달성하기 위해, 적어도 하나의 프로세서(도시되지 않음), 전형적으로 복수의 프로세서를 포함한다. 제어 시스템(116)은 본원에서 설명되는 방법들 중 일부 또는 전부를 구현하기 위한 프로그램된 지시(예컨대, 지시를 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체)를 또한 포함한다. 제어 시스템(116)이 도 1의 단순화된 개략도에서 단일 블록으로서 도시되어 있지만, 시스템은 (예컨대, 슬레이브 수술 조작기 조립체(102) 및/또는 마스터 조립체(106) 상의) 다수의 데이터 처리 회로를 포함할 수 있고, 처리의 적어도 일부는 선택적으로 슬레이브 수술 조작기 조립체에 인접하여 수행되고, 일부는 마스터 조립체에서 수행된다. 매우 다양한 집중형 또는 분배형 데이터 처리 아키텍처 중 하나가 채용될 수 있다. 유사하게, 프로그램된 지시는 다수의 분리된 프로그램 또는 서브루틴으로서 구현될 수 있거나, 본원에서 설명되는 원격 작동식 시스템의 다수의 다른 태양 내로 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 시스템(116)은 블루투스, IrDA, HomeRF, IEEE 802.11, DECT, 및 무선 계측(Wireless Telemetry)과 같은 무선 통신 프로토콜을 지원한다.

몇몇 실시예에서, 제어 시스템(116)은 중재술 기기(104)로부터의 힘 및 토크 피드백을 제어 장치(112)(들)을 위한 하나 이상의 대응하는 서보 모터로 제공하기 위한 하나 이상의 서보 제어기를 포함할 수 있다. 서보 제어기(들)은 또한 신체 내의 개방부를 거쳐 환자 신체 내의 내부 수술 부위 내로 연장하는 기기를 이동시키도록 조작기 조립체(102)에 지시하는 신호를 송신할 수 있다. 임의의 적합한 보편적인 서보 제어기 또는 특수화된 서보 제어기가 사용될 수 있다. 서보 제어기는 조작기 조립체(102)로부터 분리되거나 그와 통합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 서보 제어기 및 조작기 조립체는 환자의 신체에 인접하여 위치되는 조작기 아암 카트의 일부로서 제공된다.

각각의 조작기 조립체(102)는 중재술 기기(104)를 지지하고, 하나 이상의 서보 제어되지 않는 링크(예컨대, 일반적으로 설치 구조물로 불리는, 제 위치에 수동으로 위치되어 로킹될 수 있는 하나 이상의 링크)의 운동학적 구조물, 및 원격 작동식 조작기를 포함할 수 있다. 원격 작동식 조작기 조립체(102)는 복수의 액추에이터(예컨대, 모터)에 의해 구동된다. 이러한 모터는 제어 시스템(116)으로부터의 명령에 응답하여 원격 작동식 조작기를 능동적으로 이동시킨다. 모터는 아울러 중재술 기기를 자연 해부학적 개구 또는 외과적으로 생성된 해부학적 개구 내로 전진시키고, 3개의 선형 운동도(예컨대, X, Y, Z 직교 축을 따른 선형 운동) 및 3개의 회전 운동도(예컨대, X, Y, Z 직교 축에 대한 회전)을 포함할 수 있는 복수의 자유도로 중재술 기기의 원위 단부를 이동시키기 위해, 중재술 기기에 결합된다. 추가로, 모터는 생검 장치 등의 조오 내에 조직을 파지하기 위해 기기의 굴절식 엔드 이펙터를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

도 2는 본 개시내용의 태양을 이용하는 최소 침습적 시스템(200)을 도시한다. 시스템(200)은 시스템(100)과 같은 원격 작동식 중재술 시스템 내로 통합될 수 있다. 대안적으로, 시스템(200)은 탐색 시술을 위해 또는 복강경 기기와 같은 전통적인 수동 작동식 중재술 기기를 수반하는 시술에서 사용될 수 있다. 시스템(200)은 인터페이스 유닛(204)에 의해 추적 시스템(206)에 결합된 카테터 시스템(202)(예컨대, 기기(104)의 일부)을 포함한다. 운행 시스템(210)(예컨대, 제어 시스템(116)의 일부)이 가상 시각화 시스템(208), 하나 이상의 촬영 시스템(212), 및/또는 추적 시스템(206)으로부터의 정보를 처리하여, 디스플레이 시스템(214)(디스플레이 시스템(111)의 일부) 상에서 하나 이상의 영상 디스플레이를 발생시킨다. 시스템(200)은 조명 시스템, 조향 제어 시스템, 관류 시스템, 및/또는 흡입 시스템과 같은 선택적인 작동 및 지원 시스템(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다.

카테터 시스템(202)은 근위 단부(217) 및 원위 단부(218)를 갖는 세장형 가요성 본체(216)를 포함한다. 채널(219)이 가요성 본체(216) 내에서 연장한다. 일 실시예에서, 가요성 본체(216)는 대략 3mm 외경을 갖는다. 다른 가요성 본체 외경은 더 크거나 더 작을 수 있다. 카테터 시스템(202)은 원위 단부(218)에서의 카테터 팁 및/또는 본체(216)를 따른 하나 이상의 세그먼트(224)의 위치, 배향, 속력, 자세, 및/또는 형상을 결정하기 위한 위치 센서 시스템(220)(예컨대, 전자기(EM) 센서 시스템) 및/또는 형상 센서 시스템(222)을 포함하는 센서 시스템을 선택적으로 포함한다. 원위 단부(218)와 근위 단부(217) 사이에서의 본체(216)의 전체 길이는 세그먼트(224)로 효과적으로 분할될 수 있다. 위치 센서 시스템(220) 및 형상 센서 시스템(222)은 추적 시스템(206)과 접속한다. 추적 시스템(206)은 제어 시스템(116)의 프로세서를 포함할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서와 상호 작용하거나 그에 의해 실행되는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.

위치 센서 시스템(220)은 외부에서 발생되는 전자기장을 받을 수 있는 하나 이상의 전도성 코일을 포함하는 EM 센서 시스템일 수 있다. EM 센서 시스템(220)의 각각의 코일은 그 다음 외부에서 발생되는 전자기장에 대한 코일의 위치 및 배향에 의존하는 특징을 갖는 유도 전기 신호를 생성한다. 일 실시예에서, EM 센서 시스템은 기본 점의 6개의 자유도, 예컨대 3개의 위치 좌표(X, Y, Z) 및 피치, 요잉, 및 롤링을 표시하는 3개의 배향 각도를 측정하도록 구성 및 위치될 수 있다. EM 센서 시스템의 추가의 설명은 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, 1999년 8월 11일자로 출원된, 발명의 명칭이 "추적 대상에 대한 수동 트랜스폰더를 갖는 6-자유도 추적 시스템(Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked)"인 미국 특허 제6,380,732호에 제공되어 있다.

형상 센서 시스템(222)은 (예컨대, 내부 채널(도시되지 않음) 내에 제공되거나 외부에 장착된) 가요성 본체(216)와 정렬된 광섬유를 포함한다. 추적 시스템(206)은 광섬유의 근위 단부에 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유는 대략 200㎛의 직경을 갖는다. 다른 실시예에서, 치수는 더 크거나 더 작을 수 있다.

형상 센서 시스템(222)의 광섬유는 카테터 시스템(202)의 형상을 결정하기 위한 광섬유 굽힘 센서를 형성한다. 하나의 대안예에서, 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)를 포함하는 광섬유가 하나 이상의 차원에서 구조물 내의 스트레인 측정을 제공하기 위해 사용된다. 3개의 차원 내에서의 광섬유의 형상 및 상대 위치를 모니터링하기 위한 다양한 시스템 및 방법이 2005년 7월 13일자로 출원된, 발명의 명칭이 "광섬유 위치 및 형상 감지 장치 및 그에 관련된 방법(Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto)"인 미국 특허 출원 제11/180,389호; 2004년 7월 16일자로 출원된, 발명의 명칭이 "광섬유 형상 및 상대 위치 감지(Fiber-optic shape and relative position sensing)"인 미국 가특허 출원 제60/588,336호; 및 1998년 6월 17일자로 출원된, 발명의 명칭이 "광섬유 굽힘 센서(Optical Fiber Bend Sensor)"인 미국 특허 제6,389,187호에 설명되어 있고, 이들은 본원에서 전체적으로 참조로 통합되었다. 다른 대안예에서, 레일리(Rayleigh) 산란, 라만(Raman) 산란, 브릴루앙(Brillouin) 산란, 및 형광 산란과 같은 다른 스트레인 감지 기술을 채용하는 센서가 적합할 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 카테터의 형상은 다른 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 카테터의 원위 팁 자세의 이력이 운행 디스플레이를 새로 고치기 위한 또는 교대하는 움직임(예컨대, 흡기 및 호기)에 대한 기간보다 더 작은 시간 간격 동안 저장되면, 자세 이력은 시간 간격에 걸친 장치의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예로서, 과거의 자세, 위치, 또는 배향 데이터는 호흡과 같은, 교대하는 움직임의 사이클을 따른 지시의 공지된 지점에 대해 저장될 수 있다. 이러한 저장된 데이터는 카테터에 대한 형상 정보를 확립하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 카테터를 따라 위치된, EM 센서와 같은 일련의 위치 센서들이 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 시술 중의 기기 상의 EM 센서와 같은 위치 센서로부터의 데이터의 이력은, 특히 해부학적 통로가 대체로 정적이면, 기기의 형상을 나타내도록 사용될 수 있다. 대안적으로, 위치 또는 배향이 외부 자기장에 의해 제어되는 무선 장치가 형상 감지를 위해 사용될 수 있다. 그의 위치의 이력은 운행되는 통로에 대한 형상을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 실시예에서, 광섬유는 단일 클래딩 내의 복수의 코어를 포함할 수 있다. 각각의 코어는 각각의 코어 내의 광이 다른 코어 내에서 운반되는 광과 현저하게 상호 작용하지 않도록, 코어들을 분리하는 충분한 거리 및 클래딩을 구비한 단일 모드일 수 있다. 다른 실시예에서, 코어의 개수가 변할 수 있거나, 각각의 코어가 분리된 광섬유 내에 포함될 수 있다.

몇몇 실시예에서, FBG의 어레이가 각각의 코어 내에 제공된다. 각각의 FBG는 굴절률의 공간적 주기성을 발생시키기 위해 코어의 굴절률의 일련의 변조부를 포함한다. 간격은 각각의 굴절률 변화로부터의 부분 반사가 좁은 대역의 파장에 대해 간섭성으로 추가되어, 훨씬 더 넓은 대역을 통과하면서 이러한 좁은 대역의 파장만을 반사시키도록 선택될 수 있다. FBG의 제조 중에, 변조부들은 공지된 거리만큼 이격되어, 공지된 대역의 파장의 반사를 일으킨다. 그러나, 스트레인이 섬유 코어 상에서 유도될 때, 변조부들의 간격은 코어 내의 스트레인에 의존하여, 변화할 것이다. 대안적으로, 광섬유의 굽힘에 따라 변하는 후방 산란 또는 다른 광학적 현상이 각각의 코어 내의 스트레인을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

따라서, 스트레인을 측정하기 위해, 광이 섬유를 따라 발산되고, 복귀 광의 특징이 측정된다. 예를 들어, FBG는 섬유 상의 스트레인 및 섬유의 온도의 함수인 반사 파장을 생성한다. 이러한 FBG 기술은 영국 브랙넬 소재의 스마트 파이버스 엘티디.(Smart Fibers Ltd.)와 같은 다양한 공급처로부터 상업적으로 구입 가능하다. 원격 작동식 수술을 위한 위치 센서에서의 FBG 기술의 사용은 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, 2006년 7월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "광섬유 브래그 격자를 사용하는 위치 센서를 포함하는 로봇 수술 시스템(Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings)"인 미국 특허 제7,930,065호에 설명되어 있다.

다중 코어 섬유에 적용될 때, 광섬유의 굽힘은 각각의 코어 내의 파장 변이를 모니터링함으로써 측정될 수 있는 코어 상의 스트레인을 유도한다. 섬유 내에서 비축(off-axis)으로 배치된 2개 이상의 코어를 가짐으로써, 섬유의 굽힘은 각각의 코어 상에서 상이한 스트레인을 유도한다. 이러한 스트레인은 섬유의 굽힘의 국소 정도의 함수이다. 예를 들어, FBG를 포함하는 코어의 영역은, 섬유가 구부러지는 지점에 위치되면, 그러한 지점에서의 굽힘의 양을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 데이터는, FBG 영역들의 공지된 간격과 조합되어, 섬유의 형상을 재구성하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 시스템은 미국 버지니아주 블랙스버그 소재의 루나 이노베이션스. 인크.(Luna Innovations. Inc.)에 의해 설명되어 있다.

설명된 바와 같이, 광섬유는 카테터 시스템(202)의 적어도 일 부분의 형상을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 광섬유를 통과하는 광이 카테터 시스템(202)의 형상을 검출하고 외과적 시술을 보조하기 위해 그러한 정보를 이용하기 위해, 추적 시스템(206)에 의해 처리된다. 추적 시스템(206)은 카테터 시스템(202)의 형상을 결정하기 위해 사용되는 광을 발생시키고 검출하기 위한 검출 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 정보는 결국 중재술 기기의 부품들의 속도 및 가속도와 같은 다른 관련 변수를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 감지는 원격 작동식 시스템에 의해 작동되는 자유도로만 제한될 수 있거나, 수동 자유도(예컨대, 조인트들 사이에서의 강성 부재들의 비작동식 굽힘) 및 능동 자유도(예컨대, 기기의 작동식 이동)에 적용될 수 있다.

가요성 본체(216)는 포착된 영상 데이터를 촬영 시스템(212)(들)로 송신하는 하나 이상의 영상 포착 프로브(226)를 선택적으로 수용할 수 있다. 예를 들어, 영상 포착 프로브(226)는 촬영 시스템(212)으로 송신되는 (비디오 영상을 포함한) 영상을 포착하기 위해 가요성 본체(216)의 원위 단부(218) 부근에 배치된 입체 또는 단안 카메라를 구비한 팁 부분을 포함하는 내시경 프로브일 수 있다. 영상 포착 프로브(226)는 포착된 영상 데이터를 송신하기 위해 카메라에 결합된 케이블을 포함할 수 있다. 대안적으로, 영상 포착 기기는 촬영 시스템에 결합하는 섬유경과 같은 광섬유 다발일 수 있다. 영상 포착 기기는, 예를 들어 가시 스펙트럼 내의 영상 데이터를 포착하기 위한 단일 스펙트럼 또는 가시 및 적외 또는 자외 스펙트럼 내의 영상 데이터를 포착하기 위한 다중 스펙트럼일 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 영상 포착 프로브(226)는 초음파 또는 광 간섭 단층 촬영(OCT)과 같은 반사 촬영 기술과 함께 사용하기 위한 센서 프로브일 수 있다. 예를 들어, 프로브는 초음파 트랜스듀서와 같은 송신기 및 수신기 배열을 포함할 수 있다. 초음파 트랜스듀서는 세장형 샤프트의 단부에 장착될 수 있다. 그러한 공급원은 중재 시술이 수행되어야 하는 해부학적 영역의 수술전 또는 수술중 2차원 또는 3차원 영상 또는 모델을 얻기 위해 사용될 수 있다. 2차원 공급원으로서, 초음파 트랜스듀서는 단일 초음파 영상을 얻기 위해 사용될 수 있다. 3차원 공급원으로서, 이는 복수의 이격된 초음파 영상들 또는 소화면(cut)들을 얻어서, 3차원 모델의 구성을 위해 충분한 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 이는 그러한 영상 또는 소화면을 포착하기 위해 해부학적 부위 내에서 회전을 포함하여, 이동하도록 배열될 수 있다. 이는 전형적으로, 예를 들어, 원격 작동식 제어에 의해 초음파 트랜스듀서를 이동시키기 위한 미리 프로그램된 시퀀스, 초음파 트랜스듀서의 수동 이동 등에 따라 달성될 수 있다.

본체(216)는 또한, 예를 들어 원위 단부의 점선 버전에 의해 도시된 바와 같이, 원위 단부(218)를 제어 가능하게 구부리거나 회전시키기 위해 인터페이스(204)와 말단 원위 단부(218) 사이에서 연장하는 케이블, 링키지, 또는 다른 조향 제어부(도시되지 않음)를 수용할 수 있다. 카테터 시스템은, 조향 가능형일 수 있거나, 대안적으로 기기 굽힘의 작업자 제어를 위한 통합형 메커니즘이 없는 조향 불가능형일 수 있다. 가요성 본체(216)는 의료 기능을 위해, 예컨대, 미리 결정된 목표 조직의 치료를 달성하기 위해 조작 가능한 수술용 엔드 이펙터 또는 다른 작업 원위 부품을 작동시키기 위한 제어 메커니즘(도시되지 않음)을 추가로 수용할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 엔드 이펙터는 외과용 메스, 블레이드, 광섬유, 또는 전극과 같은 단일 작업 부재를 갖는다. 다른 엔드 이펙터는, 예를 들어, 겸자, 파지기, 가위, 또는 클립 체결기와 같은 작업 부재들의 쌍 또는 복수의 작업 부재를 포함할 수 있다. 전기 활성화 엔드 이펙터의 예는 전기 수술 전극, 트랜스듀서, 센서 등을 포함한다.

도 3에 더 상세하게 도시된 바와 같이, 수술, 생검, 절제, 조명, 관류, 또는 흡입과 같은 시술을 위한 중재술 도구(228)(들)이 해부학적 구조물 내의 목표 위치에서 채널(219)을 통해 전개되어 사용될 수 있다. 중재술 도구(228)는 또한 영상 포착 프로브일 수 있다. 도구(228)는 시술을 수행하기 위해 채널(219)의 개방부로부터 전진되고, 그 다음 시술이 완료되면 채널 내로 다시 후퇴될 수 있다. 중재술 도구(228)는 카테터 가요성 본체의 근위 단부(217)로부터 또는 가요성 본체를 따른 다른 선택적인 기기 포트(도시되지 않음)로부터 제거될 수 있다.

가상 시각화 시스템(208)은 카테터 시스템(202)에 운행 보조를 제공한다. 가상 시각화 시스템을 사용한 가상 운행은 해부학적 통로의 3차원 구조와 관련된 획득된 데이터 세트에 대한 참조에 기초한다. 더 구체적으로, 가상 시각화 시스템(208)은 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), 형광 투시법, 온도 기록법, 초음파, 광 간섭 단층 촬영(OCT), 열 촬영, 임피던스 촬영, 레이저 촬영, 나노튜브 X-선 촬영 등과 같은 촬영 기술을 사용하여 기록 및/또는 모델링된 수술 부위의 영상을 처리한다. 소프트웨어가 기록된 영상을 부분적인 또는 전체적인 해부학적 장기 또는 해부학적 영역의 2차원 또는 3차원 모델로 변환하기 위해 사용된다. 모델은 통로들의 다양한 위치 및 형상과, 이들의 연결성을 설명한다. 모델을 발생시키기 위해 사용되는 영상들은 임상 시술 중에 수술전에 또는 수술중에 기록될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 가상 시각화 시스템은 표준 모델(즉, 환자 특이적이지 않음) 또는 표준 모델 및 환자 특이적 데이터의 혼성체를 사용할 수 있다. 모델 및 모델에 의해 발생되는 임의의 가상 영상은 운동의 하나 이상의 단계 중에 (예컨대, 폐의 흡기/호기 사이클 중에) 변형 가능한 해부학적 영역의 정적 자세를 나타낼 수 있다.

가상 운행 절차 중에, 센서 시스템은 환자의 해부학적 구조물에 대한 기기의 대략적인 위치를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 위치는 환자의 해부학적 구조물의 거시 수준 추적 영상 및 환자의 해부학적 구조물의 가상 내부 영상을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 중재술 기기를 가상 시각화 시스템으로부터의 것과 같은 수술전에 기록된 수술 영상과 정합시켜서 이와 함께 디스플레이하기 위해 광섬유 센서를 사용하기 위한 다양한 시스템이 공지되어 있다. 예를 들어, 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, 2011년 5월 13일자로 출원된, 발명의 명칭이 "영상 안내식 수술을 위한 해부학적 구조물의 모델의 동적 정합을 제공하는 의료 시스템(Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery)"인 미국 특허 출원 제13/107,562호가 하나의 그러한 시스템을 개시한다.

제어 시스템(116)의 일부인 운행 시스템(210)은 해부학적 계통을 통한 목표 해부학적 구조물로의 중재술 기기를 위한 운행 경로를 결정하기 위해, 가상 시각화 시스템(208), 하나 이상의 촬영 시스템(212), 및/또는 추적 시스템(206)으로부터의 정보를 처리한다. 운행 시스템(210)은 또한 중재술 기기가 해부학적 계통을 통해 목표 구조물로 이동할 때, 중재술 기기의 운행 경로를 모니터링할 수 있다. 운행 시스템(210)은 의료인이 가상 시각화 시스템(208)에 의해 준비된 해부학적 모델 내에서 목표 해부학적 구조물(예컨대, 종양)을 위치 결정하고 중재술 기기에 의해 중재 시술(예컨대, 생검)을 수행하기 위해 목표 구조물에 도달하기 위한 해부학적 통로를 통한 운행 경로를 식별하는 것을 허용하는 계획 모듈(211)을 포함한다. 목표 위치 결정 및 운행 경로 결정은 운행 시스템이 하나 이상의 운행 경로를 식별하도록 자동화될 수 있다. 대안적으로, 의료인은 해부학적 모델로부터 운행 경로를 결정하고, 선택된 경로를 운행 시스템으로 선택적으로 전달할 수 있다. 또 다른 대안예에서, 계획 모듈은 의료인이 시스템이 계획한 경로를 변형할 수 있거나 의료인이 회피해야 하는 해부학적 영역 또는 계획 모듈(212)에 의해 제안된 계획된 운행 경로를 제약하는 기기 제한과 같은 파라미터를 입력할 수 있는, 하이브리드 자동화/의료인 선택 운행 경로를 사용한다.

운행 계획 모듈은 중재 시술을 수행하기 위해 중재술 기기의 원위 단부를 정지시키기 위한 해부학적 통로 내의 계획된 전개 위치를 발생시키거나 의료인이 이를 선택하도록 허용한다. 이제 도 4를 참조하면, 종양과 같은 목표 구조물(302)의 가상 영상(300), 및 부근의 해부학적 통로(304)가 도시되어 있다. 통로는 통로 벽(306) 및 용골(308)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 해부학적 통로는 폐의 기관지 통로이지만, 본 개시내용의 시스템 및 방법은 대장, 소장, 신장, 심장, 또는 순환계와 같은 해부학적 계통 내의 다른 자연 또는 외과적으로 생성된 통로 내에서 사용하기에 적합할 수 있다. (가요성 본체(216)와 실질적으로 유사한) 가요성 본체(309) 및 연장된 중재술 도구(310)를 구비한 중재술 기기가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 운행 계획 모듈은 계획 전개 위치를 목표 구조물에 가장 가깝거나 그에 근접한 해부학적 통로의 벽을 따른 위치(312)로서 식별한다. 그러나, 목표 구조물에 대한 근접성에 전적으로 기초하여 전개 위치를 선택하는 것은 중재술 기기에 의해 접근 불가능하거나 쉽게 접근 가능하지 않은 선택 전개 위치를 생성할 수 있다. 예를 들어, 중재술 기기는 근접성 기반 전개 위치에 접근하기 위해 통로 내에서 충분히 구부러지는 것이 불가능할 수 있다. 추가로, 선택 전개 위치 또는 전개 위치로의 운행 경로는 회피해야 하는 흉터 또는 병든 조직과 같은 해부학적 제약을 고려하지 않을 수 있다.

다른 실시예에서, 운행 계획 모듈은, 몇몇 경우에 목표 구조물까지의 거리, 및/또는 다른 해부학적 특징부에 대한 목표 구조물의 위치와 같은 시술 특징일 수 있는 복수의 인자에 기초하여 전개 위치를 선택한다. 다른 실시예에서, 운행 계획 모듈은 추가적으로 또는 대안적으로 전개 위치를 결정하기 위해 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 카테터 재료의 가요성 및 탄성, 카테터의 채널을 통해 통과되는 카테터 또는 도구의 임의의 미리 성형된 형상 특징, 카테터 또는 도구의 원위 단부의 조향성(예컨대, 카테터의 원위 팁이 카테터의 주축에 대해 만곡될 수 있는 정도), 및 카테터의 길이를 따른 곡률과 같은, 기기의 굽힘 능력에 관련된 정보가 고려될 수 있다. 카테터의 직경, 도구의 직경, 카테터로부터 연장될 때의 도구의 궤적(예컨대, 곡선, 직선), 도구의 이동(예컨대, 완만한 곡선, 회전, 선형), 도구의 축 대 카테터의 축의 최대 각형성, 도구가 카테터로부터 연장될 수 있는 최대 길이, 및 통로 벽과의 마찰 접촉을 제공하는 카테터의 원위 팁에서의 임의의 고정 구조물을 포함한, 중재술 기기의 다른 특징이 또한 전개 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 굽힘 능력에 관련된 정보 및/또는 중재술 기기의 특징에 관련된 정보는 해부학적 통로 내에서의 중재술 기기의 작동 능력을 결정하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 인자이다.

운행 계획 모듈은 추가적으로 또는 대안적으로 전개 위치를 결정하기 위해 환자의 해부학적 구조에 대한 정보를 수신하여 사용할 수 있다. 그러한 정보는, 예를 들어, 목표 구조물에 가장 근접한 해부학적 통로의 용골의 위치 및 목표 구조물에 가장 근접한 통로의 크기를 포함할 수 있다. 다른 해부학적 정보는 임의의 질병 진행이 통로의 탄성에 대해 가졌을 수 있는 영향을 포함한 해부학적 통로의 탄성을 포함할 수 있다. 운행 계획 모듈은 또한, 예를 들어, 주변 조직에 대한 위험을 감소시키는 전개 위치를 선택하기 위해 주변 해부학적 조직을 고려할 수 있다. 하나의 예로서, 폐의 주연부로부터 먼 전개 위치가 전개된 도구에 의해 폐를 천공할 위험을 회피하기 위해 선택될 수 있다. 운행 계획 모듈은 또한 목표 구조물의 바람직한 위치에 접근하기 위해 목표 구조물의 해부학적 구조를 고려할 수 있다. 예를 들어, 전개 위치는 생검 도구가 종양의 석회화된 부분을 피하도록 선택될 수 있다.

운행 계획 모듈은 또한 목표 구조물의 카테터의 단부로부터의 거리와 같은, 중재술 기기와 환자의 해부학적 구조물 사이의 관계에 대한 정보를 고려할 수 있다. 도 5를 참조하면, 운행 계획 모듈은 또한 중재술 도구와 통로 벽 사이의 접근 각도(320)를 고려할 수 있다. 예를 들어, 90°의 접근 각도는 통로의 작은 크기 및 카테터의 원위 팁의 굽힘성으로 인해 실현 불가능할 수 있다. 1°의 접근 각도 또한 중재술 도구가 관통이 없이 통로 벽의 표면을 파지할 수 있는 위험 때문에 부적합할 수 있다. 이러한 이유로, 운행 계획 모듈은 접근 각도가 대략 30°와 90° 사이가 되도록 전개 위치를 선택할 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 운행 계획 모듈이 중재술 기기 및 환자의 해부학적 구조에 관련된 인자를 평가한 후에, 해부학적 통로의 벽 상의 전개 위치(314)가 식별된다. 선택적으로, 운행 계획 모듈은 전개 위치로의 제안된 운행 경로를 제공할 수 있다. 의료인은 그 다음 중재술 기기의 원위 단부를 전개 위치로 유도할 수 있다. 의료인은 가상 또는 실제 영상 안내에 기초하여 중재술 기기의 운행을 수동으로 제어할 수 있다. 대안적으로, 의료인은 중재술 기기의 운행을 원격 작동식으로 제어하거나, 제안된 운행 경로를 따른 중재술 기기의 컴퓨터 제어식 운행을 허용할 수 있다. 중재술 기기의 원위 단부가 전개 위치에 위치된 후에, 중재술 도구는 카테터로부터, 통로 벽을 통해, 목표 구조물과 접촉하도록 연장된다. 몇몇 환경에서, 예를 들어, 목표 구조물이 해부학적 통로 내에 위치될 때, 전개 위치는 통로의 벽 상이 아닌, 통로의 내강 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 목표 구조물이 통로 내에 있을 때, 전개 위치는 목표 구조물의 표면 상에 있을 수 있다.

도 7은 중재술 기기에 대한 계획 전개 위치를 식별하기 위해 운행 계획 모듈에 의해 사용되는 방법(400)을 설명하는 흐름도이다. 402에서, 해부학적 구조물의 모델이 수신된다. 해부학적 구조물은 모델에 의해 예시되는 복수의 해부학적 통로를 포함한다. 모델은 CT, MRI, 형광 투시법, 온도 기록법, 초음파, OCT, 열 촬영, 임피던스 촬영, 레이저 촬영, 나노튜브 X-선 촬영 등과 같은 촬영 기술을 사용하여 수술전 또는 수술중에 기록 및/또는 모델링된 수술 부위의 2차원 또는 3차원 영상으로부터 형성된다. 모델의 수신은 모델로부터, 환자의 해부학적 구조를 설명하는 사용자 입력으로부터, 또는 다른 기준 공급원으로부터, 도출된 환자의 해부학적 구조에 대한 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 환자의 해부학적 구조에 대한 그러한 정보는, 예를 들어, 해부학적 통로(들) 내에서의 목표 구조물에 가장 가까운 위치(들), 목표 구조물에 가장 근접한 해부학적 통로의 용골의 위치, 및 목표 구조물에 가장 근접한 통로의 크기를 포함할 수 있다. 다른 해부학적 정보는 해부학적 통로의 탄성, 목표 구조물의 바람직한 위치에 접근하기 위한 목표 구조물의 해부학적 구조, 및 주변 조직의 유형 및 주변 조직과 접촉하는 것에 관련된 임의의 위험을 포함할 수 있다.

404에서, 목표 구조물(예컨대, 종양)의 위치가 모델 내에서 식별된다. 목표 구조물을 식별하는 단계는 모델로부터, 목표 구조물을 설명하는 사용자 입력으로부터, 또는 다른 기준 공급원으로부터, 목표 구조물에 대한 정보를 결정 또는 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 목표 구조물에 대한 그러한 정보는, 예를 들어, 목표 구조물의 형상, 목표 구조물을 형성하는 하나 이상의 물질, 및 부근의 해부학적 통로에 대한 목표 구조물의 표면의 위치를 포함할 수 있다.

406에서, 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보가 수신된다. 중재술 기기의 작동 능력을 결정하기 위해 수신되는 정보는, 예를 들어, 카테터 재료의 가요성 및 탄성, 카테터 또는 카테터의 채널을 통해 통과되는 도구의 임의의 미리 성형된 형상 특징, 카테터의 원위 단부 또는 도구의 조향성, 및 카테터의 길이를 따른 곡률과 같은, 기기의 굽힘 능력에 관련된 정보를 포함할 수 있다. 중재술 기기의 작동 능력은 또한 카테터의 직경, 도구의 직경, 도구의 축 대 카테터의 축의 최대 각형성, 도구가 카테터로부터 연장될 수 있는 최대 길이, 및 통로 벽과의 마찰 접촉을 제공하는 카테터의 원위 팁에서의 임의의 고정 구조물과 같은 중재술 기기의 특징으로부터 결정될 수 있다.

408에서, 중재술 기기에 대한 계획 전개 위치가 위치 결정된다. 계획 전개 위치는 복수의 통로의 모델 상에 표지될 수 있다. 계획 전개 위치는 기기 작동 능력 정보, 목표 구조물 정보, 환자의 해부학적 정보, 또는 조합된 유형의 정보에 기초하여 선택될 수 있다. 선택된 전개 위치는 목표 구조물에 가장 근접한 해부학적 통로 내의 지점일 수 있다. 그러나, 많은 환자에서, 최근접 지점 전개 위치는 기기가 선택된 해부학적 통로의 크기 및 탄성 제약 내에서 불충분한 굽힘 능력을 갖기 때문에, 중재술 기기의 원위 단부가 도달하는 것이 불가능할 수 있다. 더 적합한 전개 위치는 중재술 기기가 기기의 굽힘 능력 내에 있는 통로 벽에 대한 접근 각도를 갖는 해부학적 통로 벽 상의 지점에 있을 수 있다. 예를 들어, 중재술 기기가 굽힘을 거의 또는 전혀 허용하지 않는 불요성 원위 단부를 가지면, 적합한 전개 위치는 목표 구조물 부근의 용골에 있을 수 있다. 용골에서, 중재술 기기는 기기의 원위 단부의 최소 굽힘에 의해 통로 벽에 대한 대략 90°의 접근 각도로 전개될 수 있다. 다른 예로서, 운행 계획 모듈은 접근 각도가 대략 30°와 90° 사이가 되도록 전개 위치를 선택할 수 있다. 전개 위치를 선택할 때, 계획 시스템은 또한 중재술 도구가 중재 시술을 수행하기 위해 목표 구조물에 도달하기에 충분한 거리로 카테터로부터 연장할 수 있는 지를 확인한다.

설명된 바와 같이, 계획 전개 위치는 기기 작동 능력, 목표 구조물, 및 환자의 해부학적 구조의 분석에 기초하여 위치 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 시스템 평가와 조합하여, 계획 전개 위치는 의료인에 의해 식별되고, 모델 내에서 의료인 식별 계획 전개 위치를 위치 결정하거나 표지하기 위해 운행 계획 모듈로 전달될 수 있다. 운행 계획 모듈이 의료인 식별 계획 전개 위치를 수신하면, 모듈은 이를 시스템 식별 전개 위치와 비교할 수 있다. 의료인 식별 전개 위치가 부적당하면 (예컨대, "선택된 생검 니들이 이러한 전개 위치로부터 목표에 도달하기에 충분히 길지 않음"), 시각적 또는 청각적 피드백 알림이 송출될 수 있다.

선택적으로, 운행 계획 모듈은 복수의 후보 전개 위치를 식별한다. 후보 전개 위치들은 시술을 수행하기 위해 중재술 기기를 전개하기 위한 후보 전개 위치들의 상대 품질에 대한 정보를 제공하도록 (예컨대, 디스플레이 상에서 컬러에 의해) 코딩될 수 있다. 의료인은 후보 전개 위치들 중 하나를 계획 전개 위치로 선택할 수 있다. 대안적으로, 1개를 초과하는 계획 전개 위치가 후보 전개 위치들로부터 선택되어, 중재 시술이 상이한 접근들로부터 수행되도록 허용할 수 있다. 후보 전개 위치들의 선택은 또한 의료인이 초기에 선택된 전개 위치가 부적합하다고 결정하면, 중재 시술 중에 발생할 수 있다.

목표 구조물을 식별하는 단계를 더욱 개선하기 위해, 촬영 시스템(212)들 중 하나 이상이 중재술 기기가 식별된 전개 위치 또는 그의 주변으로 전개된 후에, 목표 구조물의 위치에 대한 추가의 정보를 모으기 위해 사용될 수 있다. 이제 도 6을 참조하면, 목표 구조물(302) 및 부근의 해부학적 통로(304)의 가상 영상(300)이 다시 도시되어 있다. 가요성 본체(309)의 원위 단부는 먼저 위치(312)와 같은 목표 확인 위치에 위치된다. 영상 포착 프로브(226)는 목표 구조물(302)이 목표 확인 위치에 대한 예상 위치에 있는 지를 결정하도록 작동된다. 목표 구조물(302)이 예상 위치 내에서 발견되지 않거나 예상 위치 내에 있지 않으면, 가요성 본체 및 영상 포착 프로브는 목표 구조물이 위치 결정될 때까지 움직일 수 있다. 목표 구조물이 위치 결정되면, 가요성 본체(309)의 원위 단부 또는 영상 포착 프로브의 위치가 새로운 위치(322)에서 기록된다. 운행 계획 모듈(211)은 그 다음 목표 구조물(302')의 위치를 갱신한다. 목표 구조물의 새로운 위치가 식별되면, 중재술 기기에 대한 작동 능력 정보는 수정된 계획 전개 위치(324)를 식별하기 위해 사용된다. 예를 들어, 운행 계획 모듈은 위치(314)를 위치(322)로 갱신하고 목표 구조물(302)의 위치를 302'로 갱신하기 위해, 위치(312, 322)들 사이의 차이를 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 영상 포착 프로브는 목표 구조물의 위치를 개선하기 위해 초음파 또는 OCT와 같은 반사 촬영 기술을 위한 하나 이상의 센서를 사용한다. 대안적으로, 다른 비촬영 센서가 목표 구조물의 위치를 식별하기 위해 사용될 수 있다.

도 8은 중재술 기기에 대한 계획 전개 위치를 수정하기 위해 운행 계획 모듈에 의해 사용되는 방법(450)을 설명하는 흐름도이다. 452에서, 프로브가 초기 계획 전개 위치 또는 목표 확인 위치에서 작동된 후에, 정보가 영상 포착 프로브로부터 수신된다. 454에서, 목표 구조물의 수정된 위치가 영상 포착 프로브로부터 수신된 정보를 사용하여 식별된다. 456에서, 수정된 계획 전개 위치는 복수의 통로의 모델 내에서 식별된다.

촬영 시스템(212)을 사용하여 목표 구조물을 식별하기 위한 대안적인 방법(500)이 도 9에서 설명되고, 도 10 및 도 11에서 도시된다. 방법(500)은 아래에서 설명되는 바와 같이, 초기 중재 전개 위치를 식별하기 위해 수행될 수 있거나, 수정된 전개 위치를 식별하기 위해 사용될 수 있다.

502에서, 카테터는, 예를 들어, 시각, EM, 또는 형상 센서 정보를 포함하는 운행 시스템의 안내에 의해 위치(312 또는 314)와 같은 통로 위치로 운행된다. 의료인 또는 중재술 기기로부터의 확인이 카테터가 위치에 도달했을 때 제공될 수 있다. 504에서, 촬영 프로브(예컨대, 초음파 프로브)가 카테터를 통해 삽입되고, 카테터의 일 부분(예컨대, 카테터 팁)에 대한 촬영 프로브의 이동이 추적된다. 몇몇 실시예에서, 동일한 촬영 프로브(예컨대, 동일한 초음파 프로브)가 또한 502의 운행 중에 사용될 수 있다. 촬영 프로브의 이동은, 예를 들어 5 또는 6 자유도 EM 센서와 같은 위치 센서를 사용하여 추적될 수 있다. 대안적으로, 이동은 환자의 해부학적 구조물 외부에 위치된 엔코더와 같은 삽입 센서를 사용하여 추적될 수 있다. 대안적으로, 이동은 촬영 프로브의 삽입 운동을 제어하기 위해 스테핑 모터를 맞물림으로써 추적될 수 있다.

506에서, 촬영 프로브에 대한 촬영 좌표계의 롤링 각도가 카테터에 대해 결정된다. 예를 들어, 롤링 각도는 축방향 촬영 프로브 및 카테터(예컨대, 키 시스템)의 롤링 정렬 특징을 사용하여 결정될 수 있다. 대안적으로, 환자의 해부학적 구조물 외부에 위치된 롤링 센서가 사용될 수 있다. 또 다른 대안예에서, 롤링 각도는 촬영 프로브에 의해 기록된 영상 내에서 카테터에 대한 공지된 각도를 구비한 하나 이상의 표지 또는 다른 특징부를 관찰함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 특징부 또는 표지는 카테터의 원주부 상에 위치되며, 카테터에 대한 콘트라스트(예컨대, 초음파 콘트라스트)를 가질 수 있다.

508에서, 카테터 및/또는 촬영 프로브는 프로브에 의해 발생되는 영상 내에서 목표 구조물을 검출하기 위해 해부학적 통로 내에서 움직인다. 510에서, 목표 구조물이 촬영 프로브에 의해 검출된 후에, 의료인은 포인터 위치에서 포인팅 장치를 사용하여 영상 내에서 목표 구조물을 식별할 수 있다. 영상(예컨대, 초음파 영상)은 호흡 및/또는 심박 사이클에 대해 게이팅된 스캔에 의해 발생될 수 있다. 3차원 영상이 2차원 스캔으로부터 구성될 수 있다.

512에서, 포인터 위치는 카테터 좌표계 또는 (카테터 좌표계에 이전에 정합된) 환자 좌표계로 변환된다. 514에서, 포인터 위치는 수술전 해부학적 모델 내에서 식별된 목표 구조물의 위치에 대해 오프셋을 적용하기 위해 사용될 수 있다. 수정된 목표 구조물 위치는 오프셋에 기초하여 계산된다. 촬영 프로브는 그 다음 제거될 수 있고, 생검 도구 또는 다른 중재술 도구가 수정된 위치에서 시술(예컨대, 생검)을 수행하기 위해 카테터를 통해 삽입될 수 있다.

본 개시내용의 시스템 및 방법이 폐의 연결된 기관지 통로들 내에서의 사용에 대해 설명되었지만, 이는 또한 대장, 소장, 신장, 뇌, 심장, 순환계 등을 포함한 다양한 해부학적 계통들 중 하나 내에서, 자연 또는 외과적으로 생성된 연결된 통로들을 거쳐, 운행 및 다른 조직들의 치료에 대해 적합하다. 본 개시내용의 방법 및 실시예는 또한 비중재적 용도에 대해 적합하다.

본 발명의 실시예들 내의 하나 이상의 요소들은 제어 시스템(116)과 같은 컴퓨터 시스템의 프로세서 상에서 실행하기 위해 소프트웨어 내에서 구현될 수 있다. 소프트웨어 내에서 구현될 때, 본 발명의 실시예들의 요소들은 본질적으로 필수적인 작업을 수행하기 위한 코드 세그먼트이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트는 송신 매체 또는 통신 링크를 거쳐 반송파 내에서 실시되는 컴퓨터 데이터 신호에 의해 다운로드되었을 수 있는 프로세서 판독 가능 저장 매체 또는 장치 내에 저장될 수 있다. 프로세서 판독 가능 저장 장치는 광학 매체, 반도체 매체, 및 자기 매체를 포함한 정보를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 프로세서 판독 가능 저장 장치 예는 전자 회로; 반도체 장치, 반도체 메모리 장치, 읽기 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 소거 가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EPROM); 플로피 디스크, CD-ROM, 광학 디스크, 하드 디스크, 또는 다른 저장 장치를 포함한다. 코드 세그먼트는 인터넷, 인트라넷 등과 같은 컴퓨터 네트워크를 거쳐 다운로드될 수 있다.

제시되는 처리 및 디스플레이는 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치에 고유하게 관련되지 않을 수 있음을 알아야 한다. 다양한 이러한 시스템에 대해 요구되는 구조는 청구범위에서 요소로서 출현할 것이다. 또한, 본 발명의 실시예는 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 다양한 프로그래밍 언어가 본원에서 설명되는 바와 같은 본 발명의 교시를 구현하기 위해 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

본 발명의 소정의 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되어 있지만, 다양한 다른 변형이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 수 있으므로, 그러한 실시예는 단지 예시적이며 광범위한 발명에 대해 제한적이지 않고, 본 발명의 실시예는 도시되고 설명된 특정 구성 및 배열로 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims

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중재술 기기 및 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 시스템이며,
상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 컴퓨터 실행 가능 지시를 포함하고,
상기 컴퓨터 실행 가능 지시는,
복수의 통로를 포함하는 해부학적 구조물의 모델을 수신하기 위한 지시;
모델 내에서 목표 구조물을 식별하기 위한 지시;
복수의 통로 내에서의 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하기 위한 지시; 및
중재술 기기의 작동 능력에 대해 수신된 정보에 기초하여 목표 구조물 상에서 시술을 수행하기 위해 중재술 기기의 원위 팁을 위치 설정하기 위한 복수의 통로의 벽 상에서 복수의 후보 전개 위치를 식별하기 위한 지시; 및
복수의 후보 전개 위치로부터 시술을 수행하기 위해 계획 전개 위치를 식별하기 위한 복수의 후보 전개 위치를 제시하기 위한 지시를 포함하는, 시스템.
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제19항에 있어서, 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하는 것은 중재술 기기의 하나 이상의 특징을 나타내는 데이터를 수신하는 것을 포함하고, 하나 이상의 특징은 도구 전개 길이를 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서, 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하는 것은 중재술 기기의 하나 이상의 특징을 나타내는 데이터를 수신하는 단계를 포함하고, 하나 이상의 특징은 중재술 기기의 굽힘 능력을 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서, 중재술 기기의 작동 능력에 대한 정보를 수신하는 것은 중재술 기기의 하나 이상의 특징을 나타내는 데이터를 수신하는 것을 포함하고, 중재술 기기는 카테터 본체 및 중재술 도구를 포함하고, 하나 이상의 특징은 카테터 본체에 대한 중재술 도구의 이동 특징을 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서, 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 컴퓨터 실행 가능 지시는 복수의 통로의 특징을 나타내는 데이터를 수신하는 것을 추가로 포함하고, 복수의 후보 전개 위치를 식별하기 위한 지시는 복수의 통로의 특징을 나타내는 데이터에 추가로 기초하는 시스템.
제24항에 있어서, 복수의 통로의 특징은 목표 구조물에 가장 근접한 복수의 통로의 크기를 포함하는, 시스템.
제24항에 있어서, 복수의 통로의 특징은 복수의 통로들 중 2개 사이의 용골의 위치를 포함하는, 시스템.
제24항에 있어서, 복수의 통로의 특징은 복수의 통로의 탄성을 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서, 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 컴퓨터 실행 가능 지시는 목표 구조물의 특징을 나타내는 데이터를 수신하는 것을 추가로 포함하고, 복수의 후보 전개 위치를 식별하기 위한 지시는 목표 구조물의 특징을 나타내는 데이터에 추가로 기초하는, 시스템.
제28항에 있어서, 목표 구조물의 특징은 석회화의 위치를 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서, 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 컴퓨터 실행 가능 지시는 목표 구조물의 수정된 위치를 표시하는 센서 데이터의 수신에 기초하여 계획 전개 위치를 수정하는 것을 추가로 포함하는, 시스템.
제30항에 있어서, 센서 데이터는 중재술 기기의 원위 팁에 대한 목표 구조물의 위치를 나타내는 초음파 센서 데이터를 포함하는, 시스템.
제30항에 있어서, 센서 데이터는 중재술 기기의 원위 팁에 대한 목표 구조물의 위치를 나타내는 OCT 센서 데이터를 포함하는, 시스템.
제30항에 있어서, 복수의 후보 전개 위치는 시술을 수행하기 위해 중재술 기기를 전개하기 위한 복수의 후보 전개 위치의 상대 품질에 대한 정보를 제공하도록 코딩되는, 시스템.
제19항에 있어서, 시술은 생검 시술인, 시스템.
제19항에 있어서, 중재술 기기를 전개하기 위해 시술을 계획하기 위한 컴퓨터 실행 가능 지시는 의료인 식별 전개 위치의 수신에 기초하여 복수의 후보 전개 위치로부터 계획 전개 위치를 식별하기 위한 지시를 추가로 포함하는, 시스템.
제35항에 있어서, 의료인 식별 전개 위치가 부적당함을 표시하는 경보를 제공하기 위한 지시를 추가로 포함하는 시스템.
제19항에 있어서, 계획 전개 위치에서, 중재술 기기의 원위 팁과 통로 벽 사이의 접근 각도는 30°와 90° 사이인, 시스템.
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