此專利申請要求2014年7月28日提交的名稱為“SYSTEMS AND METHODS FOR INTRAOPERATIVE SEGMENTATION(用于術(shù)中分割的系統(tǒng)和方法)”的美國臨時專利申請62/029927的申請日的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述專利申請通過引用全部并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及用于使用稱為分割(segmentation)的過程創(chuàng)建患者的解剖結(jié)構(gòu)的模型的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及用于在用醫(yī)療儀器導(dǎo)航患者的解剖結(jié)構(gòu)時分割的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)意在減少在醫(yī)療過程期間損壞的組織量，從而減少患者恢復(fù)時間、不舒適性和有害副作用。此類微創(chuàng)技術(shù)可以通過患者解剖結(jié)構(gòu)中的自然腔道或者通過一個或更多個手術(shù)切口執(zhí)行。臨床醫(yī)生可以通過這些自然腔道或切口插入醫(yī)療工具，以到達(dá)目標(biāo)組織位置。醫(yī)療工具包括諸如治療儀器、診斷儀器和手術(shù)儀器等的儀器。為了到達(dá)所述目標(biāo)組織位置，微創(chuàng)醫(yī)療工具可以導(dǎo)航諸如肺部、結(jié)腸、腸、腎臟、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等的解剖系統(tǒng)中的自然通道或手術(shù)創(chuàng)建的通道。

圖像引導(dǎo)的手術(shù)過程通常包括執(zhí)行患者的目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的某種類型的手術(shù)前成像。例如，可以獲得磁共振成像(MRI)圖像和計算機(jī)斷層掃描(CT)圖像。通過手動過程和/或基于計算機(jī)軟件的過程，所述圖像被分割成共享諸如顏色、密度、強(qiáng)度和材質(zhì)等某些特征或計算屬性的節(jié)段(例如，像素或三維像素)。此分割過程導(dǎo)致基于所獲得的圖像形成所述目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的模型的二維重新構(gòu)造或三維重新構(gòu)造。為了表示所述模型，所述分割過程可以勾畫各組表示所述目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的三維像素并且然后應(yīng)用諸如匹配立方函數(shù)等函數(shù)，以獲得密封所述三維像素的3D表面。

分割可以在建模解剖通道中是特別有用的。在所述分割過程之后，所獲得的模型可以用于通過所述患者解剖結(jié)構(gòu)的分割通道導(dǎo)航醫(yī)療儀器。在一些情況下，所述患者的解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種分支不可以由所述分割過程適當(dāng)?shù)胤指?。例如，存在于所述患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的一些通道可以從所述模型省略。或者，所述分割過程可以指示其中事實上沒有的各分支的存在。因此，正在使用所述模型用于到具體解剖位置的導(dǎo)航的所述醫(yī)療儀器的外科醫(yī)生或操作員可以由所述模型中的不精確性妨礙。為了避免此類問題，具有精確的分割能力是可取的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例由隨附權(quán)利要求總結(jié)。

在一個實施例中，一種方法包括用醫(yī)療儀器導(dǎo)航患者的解剖結(jié)構(gòu)，所述儀器包括感測工具。所述方法還包括將所述儀器的位置與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的模型相互關(guān)聯(lián)。所述方法還包括在導(dǎo)航所述患者的解剖結(jié)構(gòu)時，基于由所述感測工具獲得的數(shù)據(jù)更新所述模型。

在另一實施例中，一種用于術(shù)中分割的方法包括，用醫(yī)療儀器的感測工具，在通過所述解剖結(jié)構(gòu)導(dǎo)航時獲得患者的解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。所述方法還包括比較所述數(shù)據(jù)與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的模型。所述方法還包括響應(yīng)于確定所述模型和如由所述數(shù)據(jù)定義的所述患者的解剖結(jié)構(gòu)之間有差異，更新所述模型。

在一個實施例中，計算系統(tǒng)包括處理器和包括機(jī)器可讀指令的存儲器，所述機(jī)器可讀指令在由所述處理器執(zhí)行時使所述系統(tǒng)將分割函數(shù)應(yīng)用于患者的解剖結(jié)構(gòu)的三維圖像，以創(chuàng)建模型，在導(dǎo)航所述患者的解剖結(jié)構(gòu)時從醫(yī)療儀器接收位置數(shù)據(jù)，用所述模型登記所述儀器的位置，從所述醫(yī)療儀器的感測工具接收與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且響應(yīng)于檢測所述模型和所述患者的解剖結(jié)構(gòu)之間的差異更新所述模型。

在一個實施例中，一種用于術(shù)中分割的方法包括用醫(yī)療儀器導(dǎo)航患者的解剖結(jié)構(gòu)，所述儀器包括感測工具。所述方法還包括將所述儀器的位置與通用解剖結(jié)構(gòu)模型相互關(guān)聯(lián)。所述方法還包括在導(dǎo)航所述患者的解剖結(jié)構(gòu)時，更新所述通用解剖結(jié)構(gòu)模型，以基于由所述感測工具獲得的數(shù)據(jù)匹配所述患者的解剖結(jié)構(gòu)。

在一個實施例中，一種用于術(shù)中分割的方法包括用醫(yī)療儀器導(dǎo)航患者的解剖結(jié)構(gòu)，所述儀器包括感測工具。所述方法還包括在導(dǎo)航所述患者的解剖結(jié)構(gòu)時，使用所述感測工具獲得與所述患者的解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)。所述方法還包括基于所述數(shù)據(jù)實時地構(gòu)造所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的模型。所述方法還包括將所述儀器的位置與所述模型相互關(guān)聯(lián)。

附圖說明

當(dāng)用附圖閱讀時，本公開的各方面從下列詳細(xì)描述最好地理解。根據(jù)本行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)慣例，強(qiáng)調(diào)的是各種特征不是按比例繪制。事實上，為了便于討論，所述各種特征的尺寸可任意地增大或減小。另外，本公開可以在所述各種示例中重復(fù)參考標(biāo)號和/或參考字母。此重復(fù)是為了簡明和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各種實施例和/或配置之間的關(guān)系。

圖1是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出說明性遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)的圖示。

圖2是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出包括內(nèi)窺鏡可視化系統(tǒng)的說明性醫(yī)療儀器系統(tǒng)的圖示。

圖3A是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出模型患者解剖結(jié)構(gòu)的圖示。

圖3B是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出來自于患者的解剖結(jié)構(gòu)的內(nèi)窺鏡儀器的圖像的圖示。

圖4A是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出說明性目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的圖示。

圖4B是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出所述目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的說明性模型解剖結(jié)構(gòu)的圖示。

圖4C是示出用于解剖分割的說明性方法的流程圖。

圖5是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出對模型的術(shù)中變化的圖示。

圖6a是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出基于時間位置信息的用于所述模型的附加通道的檢測的圖示。

圖6b是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出基于空間位置信息的用于所述模型的附加通道的檢測的圖示。

圖7是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出基于一組獲取的表面點的用于所述模型的附加通道的檢測的圖示。

圖8是根據(jù)本文所述的原理的一個示例示出用于術(shù)中分割的說明性方法的流程圖。

具體實施方式

為了促進(jìn)對本公開的原理的理解，現(xiàn)在將參考附圖中所示的實施例，并且專用語言將用于描述所述實施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，這不意在限制本公開的范圍。在本發(fā)明的各方面的下列詳細(xì)描述中，闡述許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對所公開的實施例的充分理解。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見的是，本公開的實施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實踐。在其他情況下，未詳細(xì)描述眾所周知的方法、過程、組件和電路，以便不必要地模糊本發(fā)明的實施例的各方面。

如將通常發(fā)生于與本公開相關(guān)的本領(lǐng)域的技術(shù)人員，充分地預(yù)期對本公開的所述原理的所描述的裝置、儀器、方法和任何進(jìn)一步應(yīng)用的任何替代和進(jìn)一步修改。具體地，充分預(yù)期的是相對于一個實施例描述的特征、組件和/或步驟可以與相對于本公開的其他實施例描述的特征、組件和/或步驟組合。另外，本文提供的尺寸是用于具體示例，并且預(yù)期的是不同大小、尺寸和/或比例可以用于實施本公開的概念。為了避免不必要的描述性重復(fù)，能夠使用或省略根據(jù)一個說明性實施例描述的一個或更多個組件或動作，如從其他說明性實施例可應(yīng)用。為了簡潔的目的，這些組合的許多迭代不會單獨地描述。為了簡單，在一些情況下相同的參考標(biāo)號在整個附圖中使用，以指代相同或類似的部件。

下列實施例將就其在三維空間中的狀態(tài)描述各種儀器和儀器的部分。如本文所用，術(shù)語“位置”是指物體或物體的一部分在三維空間中的位置(例如，沿笛卡爾X、Y、Z坐標(biāo)的三個平移自由度)。如本文所用，術(shù)語“取向”指示物體或物體的一部分的旋轉(zhuǎn)放置(諸如滾動(roll)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個旋轉(zhuǎn)自由度)。如本文所用，術(shù)語“位姿(pose)”是指物體或物體的一部分在至少一個平移自由度中的位置和該物體或該物體的一部分在至少一個旋轉(zhuǎn)自由度(高達(dá)六個總自由度)中的取向。如本文所用，術(shù)語“形狀”是指沿物體測量的一組位姿、位置或取向。

參照附圖的圖1，用于在例如包括診斷、治療或外科手術(shù)過程的醫(yī)療過程中使用的遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)通常由參考標(biāo)號100指示。如將描述的，本公開的遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)是在外科醫(yī)生的遠(yuǎn)程操作控制下。在可替代的實施例中，遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)可以在經(jīng)編程執(zhí)行所述過程或子過程的計算機(jī)的部分控制下。在其他可替代的實施例中，在經(jīng)編程執(zhí)行所述過程或子過程的計算機(jī)的完全控制下的完全自動化的醫(yī)療系統(tǒng)可以用于執(zhí)行過程或子過程。

如圖1中所示，所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)100通常包括用于操作醫(yī)療儀器系統(tǒng)104在所述患者P上執(zhí)行各種過程中的遠(yuǎn)程操作組件102。所述組件102被安裝到或者安裝在其上安置患者P的手術(shù)臺O附近。所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104可操作地聯(lián)接到所述遠(yuǎn)程操作組件102。操作員輸入系統(tǒng)106允許外科醫(yī)生或其他類型的臨床醫(yī)生S觀看所述外科手術(shù)部位的圖像或者觀看表示所述外科手術(shù)部位的圖像，并控制所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104的操作。

在可替代的實施例中，所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)可以包括一個以上的操縱器組件。操縱器組件的準(zhǔn)確數(shù)量將取決于所述外科手術(shù)過程和在所述手術(shù)室內(nèi)的所述空間限制等其他因素。

所述操作員輸入系統(tǒng)106可以位于外科醫(yī)生的控制臺C處，所述控制臺C通常位于與手術(shù)臺O相同的房間中。然而，應(yīng)該理解的是所述外科醫(yī)生S能夠位于與所述患者P不同的房間或與所述患者P完全不同的建筑物中。操作員輸入系統(tǒng)106通常包括用于控制所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104的(一個或更多個)控制裝置。所述(一個或更多個)控制裝置可以包括任何數(shù)量的各種輸入裝置中的一個或更多個，如手柄、操縱桿、跟蹤球、數(shù)據(jù)手套、扳機(jī)(trigger-guns)、手操作控制器、聲音識別裝置、觸摸屏、身體運動或存在傳感器等。在一些實施例中，所述(一個或更多個)控制裝置將提供有與所述遠(yuǎn)程操作組件的醫(yī)療儀器相同的自由度，以向所述外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，感知到所述(一個或更多個)控制裝置與所述儀器成整體使得所述外科醫(yī)生具有就好像在所述外科手術(shù)部位處一樣直接控制儀器的強(qiáng)意識。在其他實施例中，所述(一個或更多個)控制裝置可以具有比所述相關(guān)聯(lián)醫(yī)療儀器更多或更少的自由度，并且仍然向所述外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)。在一些實施例中，所述(一個或更多個)控制裝置是手動輸入裝置，其用六個自由度移動并且也可以包括用于致動儀器(例如，用于關(guān)閉抓爪、將電勢應(yīng)用于電極、輸送藥物治療等)的可致動手柄。

所述遠(yuǎn)程操作組件102支持所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104并且可以包括一個或更多個非伺服控制連結(jié)(例如，可以手動地定位并鎖定在適當(dāng)位置中的一個或更多個連結(jié)，通常稱為安置結(jié)構(gòu))的動態(tài)結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程操作操縱器。所述遠(yuǎn)程操作組件102包括響應(yīng)來自于所述控制系統(tǒng)(例如，控制系統(tǒng)112)的命令驅(qū)動在所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104上的輸入的多個致動器或馬達(dá)。所述馬達(dá)包括驅(qū)動系統(tǒng)，所述驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)被聯(lián)接到所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104時可以推進(jìn)所述醫(yī)療儀器到自然或手術(shù)創(chuàng)建的解剖腔道。其他機(jī)動化的驅(qū)動系統(tǒng)可以在多個自由度中移動所述醫(yī)療儀器的遠(yuǎn)端，所述多個自由度可以包括三個線性運動(例如，沿所述X、Y、Z笛卡爾軸線的線性運動)度和三個旋轉(zhuǎn)運動(例如，圍繞所述X、Y、Z笛卡爾軸線的旋轉(zhuǎn))度。此外，所述馬達(dá)能夠用于致動所述儀器的可鉸接末端執(zhí)行器用于在活檢裝置等的卡爪中抓住組織。

所述遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100也包括具有用于接收關(guān)于所述遠(yuǎn)程操作組件的儀器的信息的一個或更多個子系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)108。此類子系統(tǒng)可以包括位置傳感器系統(tǒng)(例如，電磁(EM)傳感器系統(tǒng))；用于確定所述導(dǎo)管尖端和/或沿儀器系統(tǒng)104的柔性體的一個或更多個節(jié)段的所述位置、取向、速度、速率、位姿和/或形狀的形狀傳感器系統(tǒng)；和/或用于捕獲來自于所述導(dǎo)管系統(tǒng)的所述遠(yuǎn)端的圖像的可視化系統(tǒng)。

所述可視化系統(tǒng)(例如，圖2的可視化系統(tǒng)231)可以包括觀看范圍組件(在下面更詳細(xì)地描述)，使得所述外科手術(shù)部位的同時或?qū)崟r圖像提供給外科醫(yī)生控制臺C。所述同時圖像可以是例如由定位在所述外科手術(shù)部位內(nèi)的內(nèi)窺鏡捕獲的二維圖像或三維圖像。在此實施例中，所述可視化系統(tǒng)包括可以整體地或可移除地聯(lián)接到所述醫(yī)療儀器104的內(nèi)窺鏡組件。然而在可替代的實施例中，附接到單獨操縱器組件的單獨內(nèi)窺鏡可以與所述醫(yī)療儀器一起使用，以成像所述外科手術(shù)部位。所述可視化系統(tǒng)可以作為與可以包括(以下描述的)控制系統(tǒng)112的處理器的一個或更多個計算機(jī)處理器交互或由一個或更多個計算機(jī)處理器以其他方式執(zhí)行的硬件、固件、軟件或它們的組合實施。

所述遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100也包括用于顯示由所述傳感器系統(tǒng)108的子系統(tǒng)創(chuàng)建的所述外科手術(shù)部位和(一個或更多個)醫(yī)療儀器系統(tǒng)104的圖像或表示的顯示系統(tǒng)110。所述顯示器110和所述操作員輸入系統(tǒng)106可以經(jīng)取向使得所述操作員能夠利用遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的感知控制所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104和所述操作員輸入系統(tǒng)106。

所述顯示系統(tǒng)110也可以顯示由所述可視化系統(tǒng)捕獲的所述外科手術(shù)部位和醫(yī)療儀器的圖像。所述顯示器110和所述控制裝置可以經(jīng)取向使得所述成像裝置在所述范圍組件和所述醫(yī)療儀器中的相對位置類似于所述外科醫(yī)生的眼睛和手部的相對位置，使得所述操作員能夠操縱所述醫(yī)療儀器104和所述手部控制，就好像以基本上真實呈現(xiàn)觀看所述工作空間。通過真實呈現(xiàn)，這意味著圖像的呈現(xiàn)是模擬正在物理地操縱所述儀器104的操作員的觀看點的真實的感知圖像。

可替代地或另外地，所述顯示器110可以呈現(xiàn)在術(shù)前使用諸如計算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光透視法、溫度記錄法、超聲波、光學(xué)相干斷層掃描(OCT)、熱成像、阻抗成像、激光成像或納米管X射線成像的成像技術(shù)記錄和/或建模的所述手術(shù)部位的圖像。所呈現(xiàn)的術(shù)前圖像可以包括二維圖像、三維圖像或四維圖像。所呈現(xiàn)的術(shù)前或術(shù)中圖像可以包括二維圖像、三維圖像或四維圖像(包括例如基于時間的或基于速率的信息)以及相關(guān)聯(lián)的用于復(fù)制所述圖像的圖像數(shù)據(jù)組。

在一些實施例中，所述顯示器110可以顯示虛擬導(dǎo)航圖像，其中所述醫(yī)療儀器104的實際位置用術(shù)前圖像或同時圖像登記(即動態(tài)地指代)，以用所述內(nèi)部外科手術(shù)部位的虛擬圖像在所述儀器104的尖端的位置處呈現(xiàn)所述外科醫(yī)生S。所述儀器104或其他圖形或字母數(shù)字指示器的尖端的圖像可以疊加在所述虛擬圖像上，以輔助所述外科醫(yī)生控制所述醫(yī)療儀器?？商娲兀鰞x器104不可以在所述虛擬圖像中是可視的。

在其他實施例中，所述顯示器110可以顯示虛擬導(dǎo)航圖像，其中所述醫(yī)療儀器的所述實際位置用術(shù)前或同時圖像登記，以從外部觀看點用醫(yī)療儀器在所述外科手術(shù)部位內(nèi)的虛擬圖像呈現(xiàn)所述外科醫(yī)生S。所述醫(yī)療儀器或其他圖形或字母數(shù)字指示器的一部分的圖像可以疊加在所述虛擬圖像上，以輔助所述外科醫(yī)生控制所述儀器104。

所述遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100也包括控制系統(tǒng)112。所述控制系統(tǒng)112包括至少一個存儲器和至少一個處理器(未示出)，和通常地用于實現(xiàn)在所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104、所述操作員輸入系統(tǒng)106、所述傳感器系統(tǒng)108和所述顯示系統(tǒng)110之間的控制的多個處理器。所述控制系統(tǒng)112也包括編程指令(例如，存儲所述指令的計算機(jī)可讀介質(zhì))，以實施根據(jù)本文公開的各方面描述的部分或全部方法。當(dāng)控制系統(tǒng)112作為單個塊在圖1的簡化示意圖中示出時，所述系統(tǒng)可以包括兩個或更多個數(shù)據(jù)處理電路，其中所述處理的一部分任選地在所述遠(yuǎn)程操作組件102上或鄰近所述遠(yuǎn)程操作組件102執(zhí)行，所述處理的另一部分在所述操作員輸入系統(tǒng)106處執(zhí)行等等?？梢圆捎酶鞣N集中式或分布式數(shù)據(jù)處理構(gòu)造中的任何一個。類似地，所述編程指令可以作為許多單獨程序或子例程實施，或者可以集成到本文所述的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的許多其他方面。在一個實施例中，控制系統(tǒng)112支持無線通信協(xié)議，如藍(lán)牙(Bluetooth)、IrDA、HomeRF、IEEE802、DECT和無線遙感勘測。

在一些實施例中，控制系統(tǒng)112可以包括從所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104接收力和/或扭矩反饋的一個或更多個伺服控制器。響應(yīng)于所述反饋，所述伺服控制器傳輸信號至所述操作員輸入系統(tǒng)106。所述(一個或更多個)伺服控制器也可以傳輸指示遠(yuǎn)程操作組件102的信號，以移動經(jīng)由所述身體中的開口延伸到所述患者身體內(nèi)的內(nèi)部外科手術(shù)部位中的所述(一個或更多個)醫(yī)療儀器系統(tǒng)104。可以使用任何合適的常規(guī)或?qū)Ｓ盟欧刂破?。伺服控制器可以與遠(yuǎn)程操作組件102分離或者與所述遠(yuǎn)程操作組件102成整體。在一些實施例中，所述伺服控制器和遠(yuǎn)程操作組件被提供作為與所述患者身體相鄰定位的遠(yuǎn)程操作臂推車的一部分。

所述控制系統(tǒng)112還可以包括虛擬可視化系統(tǒng)，以提供導(dǎo)航幫助至所述(一個或更多個)醫(yī)療儀器系統(tǒng)104。使用所述虛擬可視化系統(tǒng)的虛擬導(dǎo)航是基于對與所述解剖通道的三維結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的所獲取的數(shù)據(jù)集的參考。更具體地，所述虛擬可視化系統(tǒng)處理使用諸如計算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光透視法、溫度記錄法、超聲波、光學(xué)相干斷層掃描(OCT)、熱成像、阻抗成像、激光成像或納米管X射線成像等成像技術(shù)成像的所述外科手術(shù)部位的圖像。單獨的軟件或結(jié)合手動輸入的軟件用于將所記錄的圖像轉(zhuǎn)化成部分或整個解剖器官或解剖區(qū)域的分節(jié)段二維或三維復(fù)合表示。圖像數(shù)據(jù)集與所述復(fù)合表示相關(guān)聯(lián)。所述復(fù)合表示和所述圖像數(shù)據(jù)集描述所述通道及其連接性的各種位置和形狀。用于創(chuàng)建所述復(fù)合表示的圖像可以術(shù)前或術(shù)中地在臨床過程期間被記錄。在可替代的實施例中，虛擬可視化系統(tǒng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)表示(即不是患者專用的)或標(biāo)準(zhǔn)表示和患者專用數(shù)據(jù)的混合。所述復(fù)合表示和由所述復(fù)合表示創(chuàng)建的任何虛擬圖像可以表示可變形解剖區(qū)域在一個或更多個運動階段期間(例如，在肺部的吸入/呼出循環(huán)期間)的靜態(tài)位姿。

在虛擬導(dǎo)航過程期間，所述傳感器系統(tǒng)108可以用于計算相對于所述患者解剖結(jié)構(gòu)的所述儀器的適當(dāng)位置。所述位置能夠用于創(chuàng)建所述患者解剖結(jié)構(gòu)的宏觀水平跟蹤圖像和所述患者解剖結(jié)構(gòu)的虛擬內(nèi)部圖像二者。用于使用光纖傳感器以與術(shù)前記錄的外科手術(shù)圖像一起登記并顯示醫(yī)療實施的各種系統(tǒng)(如來自于虛擬可視化系統(tǒng)的那些)是已知的。例如，美國專利申請No.13/107,562(2011年5月13日提交)(公開了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery(提供用于圖像引導(dǎo)的外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)的模型的動態(tài)登記的醫(yī)療系統(tǒng))”)公開了一個此類系統(tǒng)，所述專利申請通過引用全部并入本文。

所述遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100還可以包括諸如照明系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、灌洗系統(tǒng)和/或抽吸系統(tǒng)的任選操作和支持系統(tǒng)(未示出)。在可替代的實施例中，所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)可以包括一個以上的遠(yuǎn)程操作組件和/或一個以上的操作員輸入系統(tǒng)。操縱器組件的準(zhǔn)確數(shù)量將取決于所述外科手術(shù)過程和在所述手術(shù)室內(nèi)的空間限制等其他因素。所述操作員輸入系統(tǒng)可以被并置，或者可以被定位在單獨的位置中。多個操作員輸入系統(tǒng)允許一個以上的操作員在各種組合中控制一個或更多個操縱器組件。

圖2示出醫(yī)療儀器系統(tǒng)200，其可以用作遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100的所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)104?？商娲?，所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)200可以用于非遠(yuǎn)程操作探索性過程或涉及諸如內(nèi)窺鏡等傳統(tǒng)手動操作的醫(yī)療儀器的過程。

所述儀器系統(tǒng)200包括聯(lián)接到儀器體204的導(dǎo)管系統(tǒng)202。所述導(dǎo)管系統(tǒng)202包括具有近端217和遠(yuǎn)端或尖端部分218的細(xì)長柔性導(dǎo)管體216。在一個實施例中，所述柔性體216具有約3mm外徑。其他柔性體外徑可以較大或較小。所述導(dǎo)管系統(tǒng)202可以任選地包括用于確定在遠(yuǎn)端218處的所述導(dǎo)管尖端和/或沿所述主體216的一個或更多個節(jié)段224的所述位置、取向、速度、速率、位姿和/或形狀的形狀傳感器222。所述主體216在所述遠(yuǎn)端218和所述近端217之間的整個長度可以被有效地分成所述節(jié)段224。如果所述儀器系統(tǒng)200是遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100的醫(yī)療儀器系統(tǒng)104，所述形狀傳感器222可以是所述傳感器系統(tǒng)108的組件。如果所述儀器系統(tǒng)200經(jīng)手動地操作或以其他方式用于非遠(yuǎn)程操作過程，所述形狀傳感器222可以聯(lián)接到詢問所述形狀傳感器并處理所接收的形狀數(shù)據(jù)的跟蹤系統(tǒng)230。

所述形狀傳感器222可以包括與所述柔性導(dǎo)管體216對準(zhǔn)(例如，設(shè)置在內(nèi)部通道(未示出)內(nèi)或者安裝在外部)的光纖。在一個實施例中，所述光纖具有約200μm的直徑。在其他實施例中，所述尺寸可以是更大或更小的。

所述形狀傳感器系統(tǒng)222的光纖形成光纖彎曲傳感器用于確定所述導(dǎo)管系統(tǒng)202的形狀。在一種替代中，包括光纖布拉格光柵(FBG)的光纖用于以一個或更多個尺寸提供結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測量。用于以三個尺寸監(jiān)控光纖的形狀和相對位置的各種系統(tǒng)和方法在美國專利申請No.11/180,389(2005年7月13日提交)(公開了“Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto(光纖位置和形狀感測裝置和與其相關(guān)的方法)”)；美國專利申請No.12/047,056(2004年7月16日提交)(公開了“Fiber-optic shape and relative position sensing(光纖形狀和相對位置感測)”)；和美國專利No.6,389,187(1998年6月17日提交)(公開了“Optical Fibre Bend Sensor(光纖彎曲傳感器)”)中描述，上述專利通過引用全部并入本文。在可替代的實施例中，傳感器可以采用其他合適的應(yīng)變感測技術(shù)，如瑞利散射、喇曼散射、布里淵散射和熒光散射。在其他可替代的實施例中，所述導(dǎo)管的形狀可以使用其他技術(shù)確定。例如，所述導(dǎo)管的遠(yuǎn)側(cè)尖端位姿的歷史記錄能夠用于在時間的間隔內(nèi)重新構(gòu)造所述裝置的形狀。作為另一示例，可以存儲歷史位姿、位置或取向數(shù)據(jù)用于沿諸如呼吸的交替運動的循環(huán)的儀器系統(tǒng)的已知點。此存儲的數(shù)據(jù)可以用于發(fā)展關(guān)于所述導(dǎo)管的形狀信息?？商娲兀厮鰧?dǎo)管定位的諸如EM傳感器的一系列位置傳感器能夠用于形狀感測。可替代地，在過程期間在所述儀器系統(tǒng)上的來自于諸如EM傳感器的位置傳感器的數(shù)據(jù)的歷史可以用于表示所述儀器的形狀，特別是如果解剖通道通常是靜態(tài)的?？商娲兀哂杏赏獠看艌隹刂频奈恢没蛉∠虻臒o線裝置可以用于形狀感測。所述無線裝置的位置的歷史可以用于確定用于所導(dǎo)航的通道的形狀。

在此實施例中，所述光纖可以包括在單個覆層內(nèi)的多個芯。每個芯可以是具有充足距離和分離所述芯的覆層的單個模式，使得每個芯中的光不顯著地與在其他芯中承載的光交互。在其他實施例中，芯的數(shù)量可以改變，或者每個芯可以被包含在單獨的光纖中。

在一些實施例中，F(xiàn)BG陣列設(shè)置在每個芯內(nèi)。每個FBG包括所述芯的折射率的一系列調(diào)制，以便在所述折射率中產(chǎn)生空間周期性。所述間隔可以經(jīng)選擇使得來自于每個指數(shù)變化的部分反射共同地為一窄的波長帶添加，并且因此在穿過更寬帶的同時反射僅此窄波長帶。在所述FBG的制造期間，所述調(diào)制由已知的距離間隔，從而引起已知的波長帶的反射。然而當(dāng)應(yīng)變在所述光纖芯上引起時，所述調(diào)制的間隔將改變，這取決于所述芯中的應(yīng)變量。可替代地，隨所述光纖的彎曲而改變的反向散射或其他光學(xué)現(xiàn)象能夠用于確定每個芯內(nèi)的應(yīng)變。

因此，為了測量應(yīng)變，沿所述光纖向下發(fā)送光，并測量所述返回光的特性。例如，F(xiàn)BG產(chǎn)生反射波長，所述反射波長是所述光纖上的應(yīng)變及其溫度的函數(shù)。此FBG技術(shù)可購自各種來源，如英格蘭布拉克內(nèi)爾的智能光纖有限公司(Smart Fibres Ltd.of Bracknell,England)。FBG技術(shù)在用于遠(yuǎn)程操作外科手術(shù)的位置傳感器中的使用在美國專利No.7,930,065(2006年7月20日提交)(公開了“Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings(包括使用光纖布拉格光柵的位置傳感器的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng))”)中描述，所述專利通過引用全部并入本文。所述光纖可以用于監(jiān)控所述導(dǎo)管系統(tǒng)202的至少一部分的形狀。更具體地，穿過所述光纖的光經(jīng)處理檢測所述導(dǎo)管系統(tǒng)202的形狀并利用該信息協(xié)助外科手術(shù)過程。所述傳感器系統(tǒng)(例如，傳感器系統(tǒng)108)可以包括用于產(chǎn)生并檢測用于確定所述導(dǎo)管系統(tǒng)202的形狀的光的詢問系統(tǒng)。此信息反過來能夠用于確定其他相關(guān)變量，如醫(yī)療儀器系統(tǒng)的各部分的速率和加速。所述感測可以僅限于由所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)致動的自由度，或者可以應(yīng)用于被動(例如，在接頭之間的剛性構(gòu)件的非致動彎曲)和主動(例如，所述儀器的致動運動)自由度二者。

所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)可以任選地包括位置傳感器系統(tǒng)220。所述位置傳感器系統(tǒng)220可以是EM傳感器系統(tǒng)的組件，其中，所述傳感器220包括可以受到外部產(chǎn)生的電磁場的一個或更多個導(dǎo)電線圈。所述EM傳感器系統(tǒng)220的每個線圈然后產(chǎn)生具有取決于所述線圈相對于所述外部產(chǎn)生的電磁場的位置和取向的特征的感應(yīng)電信號。在一個實施例中，所述EM傳感器系統(tǒng)可以經(jīng)配置并定位來測量六個自由度，例如，三個位置坐標(biāo)X、Y、Z和指示基點的俯仰、偏轉(zhuǎn)和滾動的三個取向角度，或五個自由度，例如，三個位置坐標(biāo)X、Y、Z和指示基點的俯仰和偏轉(zhuǎn)的兩個取向角度。EM傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步描述設(shè)置在美國專利No.6,380,732(1999年8月11日提交)(公開了“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked(具有在被跟蹤的所述物體上的被動式轉(zhuǎn)發(fā)器的六自由度跟蹤系統(tǒng))”)，所述專利通過引用全部并入本文。

跟蹤系統(tǒng)230可以包括用于確定沿所述儀器200的一個或更多個節(jié)段224和所述遠(yuǎn)端218的位置、取向、速度、位姿和/或形狀的位置傳感器系統(tǒng)220和形狀傳感器系統(tǒng)222。所述跟蹤系統(tǒng)230可以作為與一個或更多個計算機(jī)處理器交互或由所述一個或更多個計算機(jī)處理器以其他方式執(zhí)行的硬件、固件、軟件或它們的組合實施，該一個或更多個計算機(jī)處理器可以包括控制系統(tǒng)116的處理器。

所述柔性導(dǎo)管體216包括尺寸和形狀設(shè)定成接收輔助儀器226的通道。輔助儀器可以包括例如圖像捕獲探頭、活檢儀器、激光燒蝕光纖或其他外科手術(shù)、診斷或治療工具。輔助工具可以包括具有諸如外科手術(shù)刀、鈍刀片、光纖或電極等單個工作構(gòu)件的末端執(zhí)行器。其他末端執(zhí)行器可以包括例如鉗子、抓緊器、剪刀或施夾器(clip applier)。電激活末端執(zhí)行器的示例包括電外科電極、變換器、傳感器等。在各種實施例中，所述輔助工具226可以是包括遠(yuǎn)端部分的圖像捕獲探頭，所述遠(yuǎn)端部分在所述柔性導(dǎo)管體216的遠(yuǎn)端218處或附近具有用于捕獲由用于顯示的可視化系統(tǒng)231處理的圖像(包括視頻圖像)的立體或單像攝像機(jī)。所述圖像捕獲探頭可以包括聯(lián)接到所述攝像機(jī)用于傳輸所捕獲的圖像數(shù)據(jù)的電纜?？商娲?，所述圖像捕獲儀器可以是聯(lián)接到所述可視化系統(tǒng)的光導(dǎo)光纖束，如光纖鏡。所述圖像捕獲儀器可以是例如以所述可見光譜、紅外線光譜或紫外線光譜中的一個或更多個捕獲圖像數(shù)據(jù)的單個或更多個光譜。

所述輔助儀器226可以包封在所述儀器的近端和遠(yuǎn)端之間延伸以可控制地彎曲所述儀器的遠(yuǎn)端的電纜、連桿或其他致動控件(未示出)?？赊D(zhuǎn)向儀器在美國專利No.7,316,681(2005年10月4日提交)(公開了“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity(用于用增強(qiáng)的敏捷度和傳感性執(zhí)行微創(chuàng)外科手術(shù)的鉸接外科手術(shù)儀器)”)和美國專利申請No.12/286,644(2008年9月30日提交)(公開了“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments(用于外科手術(shù)儀器的被動預(yù)緊力和絞盤驅(qū)動)”)中詳細(xì)地描述，所述專利通過引用全部并入本文。

所述柔性導(dǎo)管體216也可以包封在所述殼體204和所述遠(yuǎn)端218之間延伸以可控制地彎曲如例如由所述遠(yuǎn)端的斷裂虛線表示219所示的遠(yuǎn)端218的電纜、連桿或其他轉(zhuǎn)向控件(未示出)?？赊D(zhuǎn)向?qū)Ч茉诿绹鴮＠暾圢o.13/274,208(2011年10月14日提交)(公開了“Catheter with Removable Vision Probe(具有可拆卸可視探頭的導(dǎo)管)”)中詳細(xì)地描述，所述專利申請通過引用全部并入本文。在其中所述儀器系統(tǒng)200由遠(yuǎn)程操作組件致動的實施例中，所述殼體204可以包括可拆卸地聯(lián)接到所述遠(yuǎn)程操作組件的機(jī)動化驅(qū)動元件并從所述機(jī)動化驅(qū)動元件接收動力的驅(qū)動輸入端。在其中手動地操作所述儀器系統(tǒng)200的實施例中，所述殼體204可以包括用于手動地控制所述儀器系統(tǒng)的運動的緊握特征部、手動致動器或其他組件。所述導(dǎo)管系統(tǒng)可以是可轉(zhuǎn)向地，或者可替代地，所述系統(tǒng)可以是非可轉(zhuǎn)向的，不具有集成機(jī)制用于所述儀器彎曲的操作員控制。另外或者可替代地，通過一個或更多個腔醫(yī)療儀器能夠在目標(biāo)外科手術(shù)位置處展開并使用，所述一個或更多個腔限定在所述柔性體216的壁中。

在各種實施例中，所述醫(yī)療儀器系統(tǒng)200可以包括柔性支氣管儀器，如支氣管鏡或支氣管導(dǎo)管，例如在肺部的檢查、診斷、活檢或治療中使用。所述系統(tǒng)200也適合于經(jīng)由包括結(jié)腸、腸、腎臟、腦部、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等的各種解剖系統(tǒng)中的任何一個中的自然的或外科手術(shù)創(chuàng)建的連接通道的其他組織的導(dǎo)航和治療。

來自于所述跟蹤系統(tǒng)230的信息可以被發(fā)送到導(dǎo)航系統(tǒng)232，在所述導(dǎo)航系統(tǒng)232中所述信息與來自于所述可視化系統(tǒng)231和/或術(shù)前獲得的模型的信息的結(jié)合，以提供所述外科醫(yī)生或其他操作員在所述顯示系統(tǒng)110上的實時位置信息用于在所述儀器200的所述控制中使用。所述控制系統(tǒng)116可以利用所述位置信息作為用于定位所述儀器200的反饋。在公開了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery(提供用于圖像引導(dǎo)的外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)的模型的動態(tài)登記的醫(yī)療系統(tǒng))”的2011年5月13日提交的美國專利申請No.13/107,562中提供了用于使用光纖傳感器登記并用外科手術(shù)圖像顯示外科手術(shù)儀器的各種系統(tǒng)，所述專利申請通過引用全部并入本文。

在圖2的實施例中，所述儀器200在所述遠(yuǎn)程操作醫(yī)療系統(tǒng)100內(nèi)遠(yuǎn)程操作。在可替代的實施例中，所述遠(yuǎn)程操作組件102可以由直接操作員控件替換。在所述直接操作的替代中，可以包括各種手柄和操作員接口用于所述儀器的手持式操作。

圖3A示出從在所述肺部外部的觀看點的包括人肺部152的模型151的復(fù)合圖像150。所述模型肺部151用諸如導(dǎo)管系統(tǒng)202的柔性儀器的儀器圖像154登記。所述肺部152的模型151可以使用分割過程從一組掃描圖像(例如，術(shù)前CT或MRI圖像)產(chǎn)生。所述復(fù)合圖像150可以經(jīng)由顯示系統(tǒng)110顯示。隨著所述儀器通過所述肺部152的支氣管通道156推進(jìn)，來自于所述跟蹤系統(tǒng)230和/或所述可視化系統(tǒng)231的信息用于用所述模型肺部圖像151登記所述儀器圖像154。所述肺部152的所述模型151的視圖可以改變，以例如示出在吸入或呼出的狀態(tài)下的所述肺部。所述儀器圖像154可以改變，以示出通過所述支氣管通道156的所述儀器的推進(jìn)或后退。

圖3B是從所述儀器的觀看點示出所述肺部的區(qū)域的所述人肺部152的內(nèi)部圖像160。所述圖像160可以是在位于所述肺部152的所示部分中時由所述儀器在所述外科手術(shù)過程期間采取的同時發(fā)生圖像。更具體地，所述圖像160可以由所述可視化系統(tǒng)231捕獲?？商娲兀鰣D像160可以是基于如由所述跟蹤系統(tǒng)230確定的所述儀器120的所述尖端的位置所選擇的術(shù)前記錄圖像。

圖4A是示出說明性目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)400，特別是患者肺部的圖示。所述解剖結(jié)構(gòu)400表示包括所有真實分支和支氣管通道156的所述實際患者肺部。圖4B是示出所述目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的說明性模型解剖結(jié)構(gòu)410的圖示。所述模型410通過分割過程創(chuàng)建，其中所掃描的圖像的復(fù)合物被分成共享諸如顏色、強(qiáng)度和紋理等某些特征或計算屬性的節(jié)段(例如，像素或三維像素)。此分割過程導(dǎo)致形成所述模型410的二維或三維重新構(gòu)造。為了表示所述模型，所述分割過程可以消除表示所述目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的各組三維像素且然后應(yīng)用諸如匹配立方函數(shù)等函數(shù)，以獲得包封所述三維像素的3D表面。在一些示例中，容積表示能夠用于直接地顯示所述三維容積數(shù)據(jù)，而不使用分割函數(shù)。這也能夠潛在地用于顯示概率分割結(jié)果。例如，掩膜(mask)值能夠被分配在0和1之間的數(shù)字，從而指示概率結(jié)果。

在一個具體的示例中，如圖4C中所示，分割方法450包括如從患者CT或MRI掃描獲得一組解剖圖像的過程452。在過程454處，掩膜模型從所述一組解剖圖像的所述三維匯編創(chuàng)建。例如，所述解剖通道可以通過分配第一值(例如，1)至氣道和分配第二值(例如，0)至所述周圍組織而與周圍組織區(qū)別開。如果具體的區(qū)域不能被決定性地確定為周圍組織的通道或區(qū)域，概率的值(例如，除1或0以外的某個值)可以分配給所述不明確的區(qū)域。在過程456處，可以創(chuàng)建所分割的通道的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型的創(chuàng)建的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在美國臨時專利申請No.61/935,547(2014年2月4日提交)(公開了“Systems and Methods for Non-rigid Deformation of Tissue for Virtual Navigation of Interventional Tools(用于介入工具的虛擬導(dǎo)航的組織的非剛性變形的系統(tǒng)和方法)”)中詳細(xì)描述，所述專利申請通過引用全部并入本文。在過程458處，連結(jié)樹結(jié)構(gòu)可以從如在美國臨時專利申請No.61/935,547中進(jìn)一步詳細(xì)描述的所述網(wǎng)格模型創(chuàng)建。

理想地，所述模型410內(nèi)的所述支氣管通道157將匹配所述患者解剖結(jié)構(gòu)400的所述實際支氣管通道156。但是用于創(chuàng)建所述模型410的常規(guī)分割過程不可以創(chuàng)建精確地匹配所述實際解剖結(jié)構(gòu)的模型。例如，所述分割函數(shù)可以創(chuàng)建具有不在所述實際解剖結(jié)構(gòu)400中的附加通道404的模型。依賴于此不正確信息，所述臨床醫(yī)生或自動化導(dǎo)航系統(tǒng)可以計劃需要所述醫(yī)療儀器通過所述非存在的通道導(dǎo)航或者導(dǎo)航至所述非存在的通道來到達(dá)目標(biāo)組織的過程。當(dāng)所述臨床醫(yī)生到達(dá)所建模的通道404的位置并發(fā)現(xiàn)事實上無通道存在時，所述臨床醫(yī)生可以必須計劃對所述目標(biāo)組織的另一方法。在一些情況下，所述分割過程可以未能實施存在于所述實際解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的通道402。依賴于此不正確的信息，所述臨床醫(yī)生或自動化導(dǎo)航系統(tǒng)不能夠計劃最有效的布線用于醫(yī)療儀器導(dǎo)航，以到達(dá)目標(biāo)組織。

所述實際解剖結(jié)構(gòu)400和所述模型解剖結(jié)構(gòu)410之間的差異可以在通過所述通道導(dǎo)航醫(yī)療工具(例如，醫(yī)療儀器200的導(dǎo)管202)時在外科手術(shù)操作期間發(fā)現(xiàn)。如將在下面詳細(xì)地描述，所述實際解剖結(jié)構(gòu)和所述建模解剖結(jié)構(gòu)之間的差異可以由各種成像方法或通過定位或嘗試將所述工具安置在通道內(nèi)檢測。例如，在通過所述解剖結(jié)構(gòu)400導(dǎo)航所述工具時，所述工具可以捕獲不在所述模型410中的附加通道(例如，通道402)的圖像且/或進(jìn)入不在所述模型410中的附加通道?；蛘?，在導(dǎo)航所述患者的解剖結(jié)構(gòu)時，所述工具可以接近開口至其中所述導(dǎo)管意在穿過的通道(例如，通道404)。所捕獲的圖像或進(jìn)入所述通道的不可能性可以指示所建模的通道缺失。根據(jù)本文所述的原理，所述模型410能夠更新，以校正所述模型410和所述實際解剖結(jié)構(gòu)400之間的差異。

圖5是示出模型的術(shù)中變化的圖示500。圖5示出真實解剖結(jié)構(gòu)502和模型解剖結(jié)構(gòu)504。根據(jù)本示例，隨著所述醫(yī)療儀器506導(dǎo)航通道512，對應(yīng)的儀器圖像508覆蓋有所述模型504。所述模型504包括與所述真實主要通道512對應(yīng)的模型主通道513。

隨著所述儀器506導(dǎo)航所述通道512，附加分支514可以被發(fā)現(xiàn)。在此示例中，所述附加分支514不在將所述儀器506插入所述通道之前產(chǎn)生的所述原始模型504內(nèi)。所述儀器506可以包括在所述儀器的遠(yuǎn)端部分處的傳感器510(例如，成像系統(tǒng)或位置檢測系統(tǒng))，傳感器510通過各種下列描述的方法之一能夠確定有不在所述模型504上的附加分支的514。所述虛線表示在所述模型內(nèi)的對應(yīng)于所述真實解剖結(jié)構(gòu)502內(nèi)的所述附加分支514的新分支515。所述分支515是指新分支，因為其不是所述原始模型504的一部分。但是在發(fā)現(xiàn)之后，并在所述模型已經(jīng)更新之后，所述新分支515存在于所述模型內(nèi)。用于更新所述模型的過程可以包括用如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的附加信息重新應(yīng)用所述分割函數(shù)。

圖6a是示出基于時間集成的位置信息的用于所述模型的附加通道的檢測的圖示。圖6b是示出基于空間集成的位置信息的用于所述模型的附加通道的檢測的圖示。根據(jù)本示例，可以類似于上述儀器200的醫(yī)療儀器602導(dǎo)航患者的解剖結(jié)構(gòu)600。所述醫(yī)療儀器602包括用于獲得用于所述儀器的所述遠(yuǎn)端部分的所述位置的時間改變值或者用于獲得關(guān)于所述儀器的所述細(xì)長部分的所有部分或一部分的空間信息的傳感器系統(tǒng)(例如，傳感器系統(tǒng)108)。如果從所述醫(yī)療儀器獲得的時間或空間數(shù)據(jù)指示所述儀器在或已經(jīng)在未被所述模型指示的通道內(nèi)，所述模型可以使用所獲得的數(shù)據(jù)更新。

時間數(shù)據(jù)可以從由所述醫(yī)療儀器承載的若干不同類型的位置傳感器中的一個或更多個獲得。用于所述醫(yī)療儀器的所述位置(例如，所述醫(yī)療儀器的所述遠(yuǎn)端)的這些時間改變值可以經(jīng)集成以指示由所述醫(yī)療儀器穿過的路徑?？梢愿鶕?jù)本文所述的原理使用的一種類型的位置傳感器是EM位置傳感器。EM位置傳感器利用在所述患者周圍產(chǎn)生的電場或磁場。所述EM位置傳感器能夠通過在具體點處測量所述電場檢測在空間上的位置?？商娲?，所述位置傳感器可以是光纖形狀傳感器。光纖形狀傳感器包括沿所述導(dǎo)管的長度設(shè)置的光纖。所述光纖包括影響穿過所述光纖的光學(xué)信號使得所述光纖的形狀能夠基于該信號確定的光柵。此外，通過知道所述光纖關(guān)于所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的固定位置，并且通過知道所述光纖的形狀，能夠確定所述光纖的所述尖端的所述位置?？梢允褂玫牧硪环N類型的位置傳感器是基于熒光檢查的位置傳感器。此類傳感器包括容易地由熒光檢查圖像檢測的一個或更多個標(biāo)記?？商娲?，所述裝置的整個形狀具有與其周圍的充足對比，使得所述形狀能夠從熒光檢查圖像提取。因此，所述熒光檢查能夠不使用標(biāo)記完成。因此，在儀器定位在所述患者內(nèi)并在所述患者內(nèi)移動時，這些標(biāo)記的所述時間改變位置能夠通過采取所述患者的熒光檢查圖像檢測?；谒鰳?biāo)記的位置，能夠確定其中所述儀器定位并已經(jīng)定位的地方。包括基于阻抗的位置傳感器、基于無線電頻率的位置傳感器、基于輻射的位置傳感器的其他類型的位置傳感器也可以根據(jù)本文所述的原理使用。此外，隨著時間的所述儀器的位置可以根據(jù)來自于所述通道內(nèi)的捕獲圖像的位置估計確定。

圖6a示出當(dāng)所述儀器從主要通道604導(dǎo)航并進(jìn)入不在所述原始模型內(nèi)的附加通道606時從所述儀器602獲得的時間信息608。所述時間信息608指示所述儀器在連續(xù)時間間隔處的離散位置。此數(shù)據(jù)能夠指示附加分支的存在。在一些示例中，所述時間信息能夠經(jīng)過濾考慮由所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的循環(huán)運動引起的所述工具的任何循環(huán)運動。例如，患者呼吸可以引起其中所述儀器正在導(dǎo)航通過的所述支氣管通道的循環(huán)運動。

空間數(shù)據(jù)可以從由所述醫(yī)療儀器承載的若干不同類型的位置傳感器中的一個或更多個獲得。所述空間數(shù)據(jù)在一個時間值處提供所述醫(yī)療儀器的若干部分的位置?？梢愿鶕?jù)本文所述的原理使用的一種類型的空間數(shù)據(jù)是指示定位在解剖通道內(nèi)的所述細(xì)長儀器的形狀的光纖形狀傳感器。另一種類型的空間數(shù)據(jù)傳感器是沿所述裝置定位的多個位置傳感器(例如，EM傳感器)。另一種類型的空間數(shù)據(jù)傳感器可以是在所述醫(yī)療儀器上的多個位置或在熒光檢查圖像中看到的所述裝置的形狀處承載的一組熒光檢查標(biāo)記。所述一組熒光檢查標(biāo)記的每個圖像提供定位在解剖通道內(nèi)的所述細(xì)長儀器的形狀的指示。所獲得的空間數(shù)據(jù)可以提供所述附加通道606的存在和形狀的指示。在一些示例中，所述位置傳感器是范圍傳感器，其可以包括激光范圍發(fā)現(xiàn)器(finder)、飛行時間傳感器、OCT傳感器或深度攝像機(jī)。

圖6b示出當(dāng)所述儀器602從所述主要通道604導(dǎo)航并進(jìn)入不在所述原始模型內(nèi)的所述附加通道606時從所述儀器602獲得的空間信息610。所述空間信息610指示在一個時間值處的所述儀器的所述形狀或一組位置數(shù)據(jù)的所述位置。此數(shù)據(jù)能夠指示附加分支的存在。在一些示例中，所述空間信息能夠經(jīng)過濾以考慮由所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的循環(huán)運動引起的所述工具的任何循環(huán)運動。例如，患者呼吸可以引起其中所述儀器正在導(dǎo)航通過的所述支氣管通道的循環(huán)運動。

所述時間信息608或空間信息610可以用于以各種方式更新所述模型。例如，所述信息608、610可以用于將三維像素直接地添加到分割掩膜且然后從那些三維像素產(chǎn)生三維表面。在另一示例中，所述信息608、610可以用于將種子(seed)添加到當(dāng)使用者將手動操作時原始地使用的所述分割算法。所述種子位置指示到所述分割算法，其中到附加通道的開口位于所述解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)。這能夠引起所述分割算法更詳細(xì)地調(diào)查來自于所述原始圖像的具體區(qū)域，或者用不同的區(qū)別水平創(chuàng)建更精確的模型。

圖7是示出基于一組獲取的表面點的用于所述模型的附加通道的檢測的圖示。根據(jù)本示例，可以類似于上述儀器200的醫(yī)療儀器702導(dǎo)航患者的解剖結(jié)構(gòu)600。所述醫(yī)療儀器702包括可以是傳感器(例如，傳感器系統(tǒng)108)的測量設(shè)備703、機(jī)械測量裝置和/或能夠使用外部成像系統(tǒng)以提供測量的組件。所述測量設(shè)備703可以用于獲得關(guān)于所述傳感器周圍的環(huán)境的二維或三維數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)可以包括指示在所述傳感器遠(yuǎn)端的通道706的表面組織的數(shù)據(jù)。如果所檢測的通道706未由所述模型指示，則所述模型可以使用所獲得的數(shù)據(jù)更新。

各種成像技術(shù)可以用于獲取關(guān)于在所述醫(yī)療儀器的所述遠(yuǎn)端周圍的所述區(qū)域的所述實時信息。在一個示例中，所述測量設(shè)備703是安裝在所述儀器的所述遠(yuǎn)端附近的飛行時間攝像機(jī)。飛行時間攝像機(jī)是能夠基于光速測量距離的范圍成像攝像機(jī)系統(tǒng)。具體地，飛行時間攝像機(jī)測量在所述攝像機(jī)和正在測量的到其的距離的具體表面之間的光信號的所述飛行時間。因此，所述飛行時間攝像機(jī)能夠確定所述測量設(shè)備703和通道的所述內(nèi)表面之間的距離。

在一個示例中，所述測量設(shè)備703可以包括一個或更多個位置傳感器和獲得照明解剖區(qū)域的一臨時系列的局部化二維圖像的標(biāo)準(zhǔn)單像內(nèi)窺鏡攝像機(jī)。這些圖像能夠與所述位置傳感器的監(jiān)控運動結(jié)合。通過所述圖像和所述儀器的跟蹤運動的使用，可以獲得關(guān)于所述通道704的三維結(jié)構(gòu)的信息。在一個示例中，所述攝像機(jī)的所述位置通過使用來自于運動技術(shù)的結(jié)構(gòu)從所述圖像本身確定。此類技術(shù)涉及從一序列的二維圖像估計三維結(jié)構(gòu)。

在一個示例中，所述測量設(shè)備703可以包括噴射系統(tǒng)和用于將氟不透明染料噴射到所述解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的感興趣區(qū)域的流體存儲器。然后，可以從其中所述染料由在所述患者外部的熒光檢查成像裝置噴射的所述區(qū)域截取多個二維切片。在一些情況下，基于旋轉(zhuǎn)X-射線的成像裝置可以用于截取其中噴射所述染料的所述區(qū)域的圖像。所述染料提供更好的對比用于所述基于x-射線的成像，并因此提供所述模具流過其中的通道的更明確消除。然后三維結(jié)構(gòu)能夠基于所述二維切片或所述旋轉(zhuǎn)圖像被識別。

在一個示例中，所述測量設(shè)備703包括激光掃描裝置和一個或更多個位置傳感器。關(guān)于所檢測的解剖點的來自于所述激光掃描裝置的所述數(shù)據(jù)可以基于所述儀器的所述遠(yuǎn)端的所述基于時間的位置和取向臨時地集成。例如，振幅調(diào)制掃描(A-掃描)可以從所述導(dǎo)管延伸的光纖的所述尖端截取。來自于所述A-掃描的所述信息可以使用來自于所述儀器的尖端的位置和取向數(shù)據(jù)被臨時地集成。

在一個示例中，所述測量設(shè)備703可以是立體成像系統(tǒng)。立體內(nèi)窺鏡從空間位移的透鏡產(chǎn)生兩個單獨的圖像。通過將來自于兩個圖像的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，能夠構(gòu)造三維數(shù)據(jù)。因此，所述立體成像系統(tǒng)能夠確定在所述儀器702的所述遠(yuǎn)端周圍的所述三維表面。在一個示例中，所述測量設(shè)備703可以是結(jié)構(gòu)化的光成像系統(tǒng)。例如，具有在位置中的偏移的投影機(jī)投影由所述攝像機(jī)看到的光圖案。此信息用于重新構(gòu)造所述3D表面。

在一個示例中，所述測量設(shè)備703可以是血管內(nèi)超聲(IVUS)系統(tǒng)。IVUS系統(tǒng)能夠使用超聲信號測量所述超聲變換器和周圍組織之間的所述距離。安裝在所述儀器702的所述尖端上的IVUS探頭能夠用于掃描通道內(nèi)的環(huán)境，以通過在軸向方向上投影超聲信號確定限定所述通道的所述三維表面結(jié)構(gòu)。在一個可替代的示例中，所述IVUS探頭可以是向前面對的探頭。OCT或光學(xué)相干斷層成像術(shù)是一種使用干涉儀測量所述精確組織結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其也能夠用作范圍發(fā)現(xiàn)器，以測量所述解剖通道的所述3D表面。

在一個示例中，所述測量設(shè)備703可以是基于工具的測量裝置。例如，活檢針可以延伸，以測量所述探頭和各種表面之間的距離。來自于多個測量的數(shù)據(jù)能夠用于構(gòu)造其中所述儀器正在導(dǎo)航的所述通道的三維表面。

使用上述各種類型的測量設(shè)備獲得的所述各種類型的數(shù)據(jù)可以以各種方式使用，以更新所述分割模型。在一個示例中，所獲得的數(shù)據(jù)可以以三維點云的形式。所述三維點云能夠用于適合所述感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格或其他三維表面表示。在一些示例中，所述三維數(shù)據(jù)可以用于獲得能夠添加到分割掩膜的三維像素。這允許所述感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的容積表示。在一些示例中，所獲得的數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)生用于所述分割函數(shù)的種子點。

在一些示例中，所獲得的數(shù)據(jù)可以用于以不涉及附加通道的方式更新所述模型。例如，所獲得的數(shù)據(jù)可以指示具體通道實際上比由所述模型中的所述對應(yīng)通道指示的通道更寬或更窄。對于另一示例，所述通道的空間屬性改變例如以考慮到由于變形引起的對所述模型的變化。因此，此類獲得的數(shù)據(jù)可以用于在醫(yī)療過程期間實時地對所述模型作出各種變化或者精細(xì)調(diào)整所述模型。

圖8是示出用于術(shù)中操作的分割的說明性方法的流程圖。根據(jù)本示例，所述方法包括術(shù)前過程816和術(shù)中過程818。對于所述術(shù)前過程816，所述方法800包括用于創(chuàng)建患者的解剖結(jié)構(gòu)的掃描圖像的過程802。此可以通過各種掃描機(jī)制的使用完成。例如，所掃描的圖像可以用CT掃描或MRI掃描完成。也預(yù)期其他成像系統(tǒng)。

所述方法800還包括用于在所述掃描圖像上執(zhí)行分割函數(shù)以創(chuàng)建模型的過程804。各種分割函數(shù)可以用于創(chuàng)建所述模型。所述分割函數(shù)可以依賴于由使用者選擇的一組種子點。具體地，臨床醫(yī)生可以觀看所述掃描圖像并且手動地選擇指示所述患者的解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的附加分支的開口的種子點。

在一些示例中，所述分割函數(shù)可以分配概率值至在所述分割過程期間發(fā)現(xiàn)的潛在氣道(airway)。具有高于閾值的概率值的所述氣道能夠變成所述模型的一部分。具有低于所述閾值的概率值的所述氣道不可以變成所述模型的一部分。但是，具有在低于所述閾值的某一范圍內(nèi)的概率值的所述氣道可以用于調(diào)整所述模型，如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的。

對于術(shù)中過程818，所述方法包括用于用醫(yī)療儀器導(dǎo)航所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的過程806。例如，如果所述操作的最后目標(biāo)是達(dá)到目標(biāo)點，以執(zhí)行肺部活體檢測，則所述儀器可以沿預(yù)計劃路徑被引導(dǎo)至該目標(biāo)點。所述過程800還包括用于用所述模型登記所述儀器的所述位置的過程808。因此，隨著所述儀器導(dǎo)航通過所述患者的解剖結(jié)構(gòu)，所述儀器的圖像以對應(yīng)的方式相對于所述模型移動。

所述方法800還包括用于確定所述患者的解剖結(jié)構(gòu)和所述模型之間是否有差異的過程810。這可以通過上述方法之一完成。例如，所述儀器可以包括傳感器，以獲得空間數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)，或者所述儀器可以獲得用于構(gòu)造所述解剖結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)部的三維表面的測量。使用此類數(shù)據(jù)，能夠確定所述實際解剖結(jié)構(gòu)是否匹配所述模型。在一些情況下，可以分析多個解剖特征。例如，肺部內(nèi)的氣道和動脈可以與所述模型比較，以確定任何差異。此外，在一些情況下，使用者輸入可以幫助確定所述實際患者的解剖結(jié)構(gòu)和所述模型之間是否有差異。例如，外科醫(yī)生能夠視覺地確定如從攝像機(jī)或CT圖像觀看的動脈或氣道不同于所述模型。所述外科醫(yī)生可以然后指示所檢查的差異的位置。

如果確定所述患者的解剖結(jié)構(gòu)和所述模型之間有差異，則所述方法800包括用于用不同參數(shù)重新應(yīng)用所述分割函數(shù)以更新所述模型的過程812。例如，不同的參數(shù)可以是與新通道對應(yīng)的新種子點。此類種子點可以指示通道的存在或不存在的限制。不同參數(shù)可以指示各種通道的已知長度和直徑。然而，如果確定所述患者的解剖結(jié)構(gòu)和所述模型之間沒有實質(zhì)差異，則所述方法包括用于正常地繼續(xù)所述操作的步驟814。

在一些示例中，可以是所述模型和所述感測的患者解剖結(jié)構(gòu)之間有差異的情況，因為所述患者的解剖結(jié)構(gòu)可以由于呼吸而移動。因此，可以考慮到所述呼吸循環(huán)，以確定所述差異是否與所述患者解剖結(jié)構(gòu)和所述模型之間的實際差異相關(guān)，或者所述差異是否僅與由呼吸模式引起的所述氣道的運動相關(guān)。

在一些示例中，分配給氣道的所述概率值可以用于幫助確定所述模型是否應(yīng)該更改。例如，附加細(xì)看可以在低于閾值概率值的具體范圍內(nèi)應(yīng)用于所述后補(bǔ)氣道。因為此類后補(bǔ)氣道對應(yīng)于實際氣道是可能的，所以所述傳感器數(shù)據(jù)可以與所述概率數(shù)據(jù)結(jié)合，以確定所述模型中的改變是否應(yīng)該做出。此外，置信度度量可以應(yīng)用于不同感測儀器。例如，不同測量設(shè)備可以具有不同水平的精確性。因此，來自于不同類型的測量設(shè)備的數(shù)據(jù)可以基于所分配的置信度度量權(quán)衡，所述分配的置信度度量是基于那些測量設(shè)備的理解的精確性。

在一個示例中，所述術(shù)前步驟可以包括創(chuàng)建所述感興趣的患者的解剖結(jié)構(gòu)的元模型。所述元模型可以是所述感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的通用非患者專用模型。然后，隨著所述儀器導(dǎo)航通道來調(diào)節(jié)所述實際患者的所述元模型，所述感興趣參數(shù)能夠?qū)崟r地調(diào)整。所述參數(shù)可以包括相對于母分支的長度、直徑、相對位置和取向。此類參數(shù)可以使用上述各種傳感器和技術(shù)獲得。

在一個示例中，少的或無術(shù)前分割可以執(zhí)行。相反，所述分割能夠在所述過程期間實時地完成。具體地，隨著所述儀器導(dǎo)航所述通道，其能夠獲得數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)然后能夠用于執(zhí)行所述分割函數(shù)并在所述過程期間創(chuàng)建所述模型。因此，隨著所述儀器導(dǎo)航所述解剖結(jié)構(gòu)，所述模型正連續(xù)地發(fā)展。在此種情況下，通向所述目標(biāo)的所述路徑也將隨著所述模型變化適應(yīng)地更新。

在一些示例下，取代以基于掃描圖像用患者的解剖結(jié)構(gòu)的模型開始，可以使用通用解剖結(jié)構(gòu)模型。在導(dǎo)航肺部的情況下，可以使用表示共同人肺部結(jié)構(gòu)的通用模型。隨著所述儀器的所述感測工具檢測所述患者的解剖結(jié)構(gòu)和所述通用解剖結(jié)構(gòu)模型之間的差異，所述模型經(jīng)更新符合所述患者的真實解剖結(jié)構(gòu)。這可以使用上述技術(shù)完成。在一些示例中，這可以涉及具有一組計劃路徑和停放位置。所述計劃路徑和停放位置能夠是基于其中可能發(fā)現(xiàn)氣道的位置。隨著所述導(dǎo)管沿所述計劃路徑移動到所述計劃停放位置，所述模型能夠然后基于來自于所述測量設(shè)備的數(shù)據(jù)被更新。

在一些示例中，無術(shù)前獲得的模型被使用。具體地，隨著所述儀器開始導(dǎo)航所述通道，所述模型可以被構(gòu)造。例如，所述感測工具可以用于獲得關(guān)于所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)可以包括各種通道的尺寸和形狀。所述患者的解剖結(jié)構(gòu)的模型然后能夠基于所述數(shù)據(jù)實時地被構(gòu)造。所述儀器的所述位置然后能夠用所述儀器在所述模型內(nèi)的圖像登記或者與所述儀器在所述模型內(nèi)的圖像相互關(guān)聯(lián)。

在一些示例中，由各種測量系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可以在更新所述模型之前任選地連通到所述醫(yī)療儀器的所述操作員。如果確定所述模型正在缺失分支或通道，所述儀器的所述操作員可以被告知并且可以選擇基于所述新信息調(diào)整所述模型，或者可以選擇通過更新所述模型或者不更新所述模型使用所述新信息，以調(diào)整計劃的過程?？商娲兀鰯?shù)據(jù)能夠經(jīng)分析基于存在于所述患者的實際解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)但不存在于該解剖結(jié)構(gòu)的所述模型內(nèi)的附加分支或通道的存在自動地檢測并更新所述術(shù)前模型或元模型。具體地，所述新發(fā)現(xiàn)的分支的所述位置能夠用作用于所述分割函數(shù)的種子，并且所述分割函數(shù)能夠被重新應(yīng)用。

本公開的系統(tǒng)和方法可以用于所述肺部的連接支氣管通道。所述系統(tǒng)和方法也可以適合于在包括結(jié)腸、腸、腎臟、腦部、心臟、呼吸系統(tǒng)等的各種解剖系統(tǒng)中的任何中經(jīng)由自然的或手術(shù)創(chuàng)建的連接通道的其他組織的導(dǎo)航和治療。本公開的方法和實施例也適合于非外科手術(shù)應(yīng)用。

本發(fā)明的實施例中的一個或更多個元件可以在軟件中實施，以在諸如控制處理系統(tǒng)112等計算機(jī)系統(tǒng)的處理器上執(zhí)行。當(dāng)在軟件中實施時，本發(fā)明的實施例的元件實質(zhì)上是執(zhí)行所述必要任務(wù)的編碼節(jié)段。所述程序或編碼節(jié)段能夠存儲在處理器可讀存儲介質(zhì)或裝置中，所述處理器可讀存儲介質(zhì)或裝置可以通過以通過傳輸介質(zhì)或連通連桿以載波體現(xiàn)的計算機(jī)數(shù)據(jù)信號的方式下載。所述處理器可讀存儲裝置可以包括能夠存儲包括光學(xué)介質(zhì)、半導(dǎo)體介質(zhì)和磁性介質(zhì)的信息的任何介質(zhì)。處理器可讀存儲裝置示例包括電子電路、半導(dǎo)體裝置、半導(dǎo)體存儲裝置、只讀存儲器(ROM)、閃速存儲器、可擦可編程只讀存儲器(EPROM)、軟盤、CD-ROM、光盤、硬盤或其他存儲裝置。所述編碼節(jié)段可以經(jīng)由諸如互聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)下載。

注意所呈現(xiàn)的過程和顯示不可以固有地與任何具體計算機(jī)或其他設(shè)備相關(guān)。各種通用目的的系統(tǒng)可以根據(jù)本文的教導(dǎo)與程序一起使用，或者可以證明是方便的，以構(gòu)造更專用的設(shè)備，以執(zhí)行所描述的操作。用于各種這些系統(tǒng)的要求結(jié)構(gòu)將作為元件在所述權(quán)利要求中出現(xiàn)。此外，本發(fā)明的實施例不參照任何具體編程語言描述。將理解的是各種編程語言可以用于實施如本文所述的本發(fā)明的教導(dǎo)。

當(dāng)本發(fā)明的某些示例性實施例已經(jīng)被描述并且在附圖中示出時，應(yīng)當(dāng)理解的是此類實施例就本發(fā)明僅是說明性的且不限制本發(fā)明，并且本發(fā)明的實施例不限于所示和所述的具體構(gòu)造和布置，因為各種其他修改可以發(fā)生于本領(lǐng)域技術(shù)人員。