15處的可手動操作的手柄116?？刂齐娎|（未示出）或其他控制裝置通常從手柄116延 伸至可操縱的末端112,以便末端112可以被可控地彎曲或轉(zhuǎn)動，例如由彎曲的末端112的 虛線形式所展示的。醫(yī)療器械110可以為內(nèi)窺鏡、導(dǎo)管或具有柔性主體和可操縱末端的其 他醫(yī)療器具。
[0036] 圖像拍攝元件141可以為被布置在遠端111處的立體攝像機或單象管攝像機或其 它成像設(shè)備，用于拍攝圖像，所述圖像被傳輸至圖像處理器140和/或顯示處理器150并由 其處理，并且被顯示在主顯示屏151、輔助顯示屏152和/或根據(jù)本文描述的發(fā)明的各種方 面的其它顯示裝置?？蛇x地，圖像拍攝元件141可以為連接至醫(yī)療器械110的近端上的成 像和處理系統(tǒng)的纖維光束，諸如光纖鏡。圖像拍攝元件141還可以是單或多光譜的，其在可 見或紅外/紫外光譜內(nèi)拍攝圖像數(shù)據(jù)。因此，本文所指的任何圖像拍攝元件、設(shè)備或系統(tǒng)可 以為這些或其他成像技術(shù)中的任何一個或組合。多條纖維光纜（未示出）中的一條可以 在其近端被連接至在遠端111處用于照明目的的光源（未示出）。其它多條纖維光纜（未 示出）可以被配置具有沿醫(yī)療器械110的長度分布的位置和彎曲或形狀傳感器，諸如光纖 布拉格光柵（Fiber Bragg Gratings)(或其他應(yīng)變傳感器，諸如采用瑞利散射（Rayleigh scattering)的那些），以便穿過這些纖維光纜的光被傳感器（一個或多個）處理器130處 理，從而確定醫(yī)療器械110的當前姿勢和形狀。
[0037] 作為實例，圖2圖示了醫(yī)療系統(tǒng)100的可選的實施方式，其中手柄116被機電接口 170、控制器180和輸入設(shè)備190代替，用于遠程操作醫(yī)療器械110。接口 170包括用于制動 醫(yī)療器械110內(nèi)電纜以操縱其末端112的制動器以及用于前后移動整個醫(yī)療器械110的制 動器，以便它可以通過入口諸如自然身體孔或外科醫(yī)生創(chuàng)建的微創(chuàng)侵入切口被插入患者和 從患者內(nèi)收回。此外，接口 170可以包括用于圍繞醫(yī)療器械110的中心縱軸旋轉(zhuǎn)醫(yī)療器械 110的制動器。控制器180優(yōu)選地被實施為與處理器130、140、150和160相同的一個或多 個計算機處理器或不同的計算機處理器中的硬件、固件或軟件（或其組合）。柔性主體114 可以為無源或有源可彎曲的。醫(yī)療系統(tǒng)還可以為上面兩個實例的混合。
[0038] 這樣的可操縱的醫(yī)療器械的實例在題目為"Method and System for Assisting an Operator in Endoscopic Navigation" 的 U. S. 2010/0249506 Al 以及題目 為"Apparatus and Methods for Automatically Controlling an Endoscope" 的 W02009/097461 Al中描述，其每一篇通過引用并入本文。例如可以在題目為"Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings" 的 U.S. 2007/0156019 Al、題目為"Fiber Optic Position and/or Shape Sensing Based on Rayleigh Scatter"的U.S. 2008/0212082 Al、題目為"Robotic Surgical Instrument and Methods using Bragg Fiber Sensors"的U.S. 2008/0218770 Al 以及題目為"Fiber Optic Shape Sensor"的U. S. 2009/0324161 Al中找到關(guān)于使用光纖布拉格光柵確定內(nèi)窺鏡位置 和彎曲的細節(jié)，其每篇通過引用并入本文。
[0039] 作為實例，圖3圖示可以在計劃待對患者執(zhí)行的醫(yī)療程序中執(zhí)行的手術(shù)前任務(wù)的 圖。在下面實例中，在醫(yī)療程序期間，如空氣和血液循環(huán)系統(tǒng)的周期運動中或諸如咳嗽或其 他身體抽搐的非周期運動中，分支解剖結(jié)構(gòu)可以移動。
[0040] 在方框301中，使用來自可以生成分支解剖結(jié)構(gòu)的三維（3-D)計算機模型的合 適的成像技術(shù)獲得患者的圖像集。這樣的成像技術(shù)的實例包括但不限于熒光檢查、磁共 振成像、熱相圖法、X線體層照相術(shù)、超聲、光學(xué)干涉X線體層照相術(shù)、熱成像、阻抗成像 (impedance imaging)、激光成像和納米管X-射線成像。如果分支解剖結(jié)構(gòu)經(jīng)受擴張/收 縮循環(huán)，諸如人類的肺，可以有利地使用諸如來自呼吸器或運動探測器的觸發(fā)信號獲得極 值處的圖像集。
[0041] 在方框302中，由獲得的解剖結(jié)構(gòu)的圖像生成分支解剖結(jié)構(gòu)的三維（3-D)計算機 模型。在方框303中，在分支解剖結(jié)構(gòu)中可以識別一個或多個目標。目標為在解剖結(jié)構(gòu)中 或鄰近解剖結(jié)構(gòu)的在其中或其上待執(zhí)行醫(yī)療程序的位置或?qū)ο?。例如，目標可以為解剖結(jié) 構(gòu)中或鄰近解剖結(jié)構(gòu)的腫瘤。目標（一個或多個）可以由外科醫(yī)生或放射科醫(yī)師以常規(guī)方 式通過分析獲得的解剖結(jié)構(gòu)的圖像或生成的3-D計算機模型信息識別，對于這樣的識別， 無論哪個都是更方便和/或可靠的。
[0042] 在方框304中，可以為醫(yī)療器械110的工作端確定至并通過解剖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航路徑 以行進至每一個目標。在這種情況下，假設(shè)工作端為醫(yī)療器械110的遠端111。外科醫(yī)生可 以通過分析獲得的解剖結(jié)構(gòu)的圖像或生成的3-D計算機模型確定至目標的合適的導(dǎo)航路 徑，以便考慮在醫(yī)療器械110朝向目標移動時其可能對患者造成的任何傷害以及最短的時 間和/或最短的路徑。可選地，計算機程序可以由處理器運行以執(zhí)行這樣的分析來使用人 工智能技術(shù)確定導(dǎo)航路徑。
[0043] 作為實例，圖4圖示了在導(dǎo)航醫(yī)療器械110至解剖結(jié)構(gòu)中目標區(qū)域期間輔助顯示 屏152的視圖。該視圖可以為分支解剖結(jié)構(gòu)的計算機模型420和醫(yī)療器械110的計算機模 型410的2-D或者3-D視圖，當醫(yī)療器械110移動通過解剖結(jié)構(gòu)其實時更新。還展示了目 標的指示421。因此，輔助屏幕152幫助外科醫(yī)生操縱醫(yī)療器械110通過解剖結(jié)構(gòu)至目標。
[0044] 在該實例中，分支解剖結(jié)構(gòu)為具有包括氣管、支氣管和細支氣管的多個自然身體 通道或腔的一對肺。醫(yī)療器械110為支氣管鏡并且其進入患者的入口為患者的嘴。由于肺 的性質(zhì)，醫(yī)療器械110可以被引導(dǎo)通過支氣管樹的許多連接的腔或分支。在這種情況下，醫(yī) 療器械110的柔性主體114貼合其行進穿過的通道。雖然在本實例中展示一對肺，但應(yīng)當 理解的是除了呼吸系統(tǒng)以外，本發(fā)明的各個方面也可適用于和可用于其他解剖結(jié)構(gòu)諸如心 臟、腦、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)。
[0045] 除了在輔助顯示屏152上顯示如圖4中所示的分支解剖結(jié)構(gòu)和醫(yī)療器械的計算機 模型之外，或可選地，由圖像拍攝元件141拍攝的圖像可以與由分支解剖結(jié)構(gòu)的3-D計算機 模型生成的來自醫(yī)療器械110的遠端111的透視圖的合成圖像在主顯示屏151上被并排 展示。在該情況下，可以在合成的圖像上顯示箭頭以指示朝向目標所取的方向。對于額外 的細節(jié)，參見例如2011年5月13日提交的標題為"Medical system providing dynamic registration of a model of an anatomical structure for image-guided surgery''、 代理人備審案件號131?03100/^5的美國申請?zhí)?3/107,562，其通過引用并入本文。
[0046] 在準備使用系統(tǒng)100對患者執(zhí)行醫(yī)療程序中，許多手術(shù)前配準任務(wù)被以常規(guī)方式 執(zhí)行。第一，通過例如將醫(yī)療器械110的遠端111接觸固定的參考系中的一個或多個已知 的和靜止的點，將醫(yī)療器械110定位至固定的參考系。第二，通過將醫(yī)療器械110的遠端 111接觸患者上的一個或多個點，可以將患者與固定的參考系配準，其中點相應(yīng)于獲得的患 者圖像上可識別的點，諸如自然身體特征或人工標記。第三，使用患者和計算機模型上諸如 自然身體特征或人工標記的相應(yīng)參考點，解剖結(jié)構(gòu)的計算機模型可以被與患者配準。因此， 醫(yī)療器械110、分支解剖結(jié)構(gòu)和解剖結(jié)構(gòu)的計算機模型可以被以該方式彼此配準或與固定 的參考系配準。
[0047] 然而，在對患者執(zhí)行醫(yī)療程序期間，部分由于當醫(yī)療器械移動通過分支解剖結(jié)構(gòu) 時跟蹤醫(yī)療器械110的遠端位置中的固有不精確性，在醫(yī)療器械和分支解剖結(jié)構(gòu)的計算 機模型之間可能出現(xiàn)配準誤差。配準誤差可能由用于跟蹤醫(yī)療器械110的遠端的動力學(xué) 中的誤差、與用于跟蹤遠端位置的傳感器相關(guān)聯(lián)的誤差和/或由分支解剖結(jié)構(gòu)的運動引 起的誤差造成。由于這些和其它可能的誤差，分支解剖結(jié)構(gòu)與醫(yī)療器械Iio的配準錯誤 (misregistration)可能出現(xiàn)。結(jié)果，由系統(tǒng)提供的導(dǎo)航指導(dǎo)幫助可能錯誤。
[0048] 作為實例，圖5圖示了如此方法，其優(yōu)選地由主處理器160實施，用于配準分支解 剖結(jié)構(gòu)的計算機模型與醫(yī)療器械，以便當醫(yī)療器械移動通過分支解剖結(jié)構(gòu)時可以確定醫(yī)療 器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置。在該情況下，醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置表明醫(yī)療 器械當前處于的分支解剖結(jié)構(gòu)的腔。該方法可以作為獨立的配準技術(shù)使用或它可以與其他 配準技術(shù)組合。例如，該方法可以被用于整體配準和另一個技術(shù)被用于局部配準。
[0049] 簡言之，該方法識別、跟蹤以及當醫(yī)療器械移動通過分支解剖結(jié)構(gòu)時使從自醫(yī)療 器械的遠端透視圖拍攝的圖像提取的腔信息與從分支解剖結(jié)構(gòu)的計算機模型提取的相應(yīng) 腔信息相關(guān)聯(lián)，以使能夠配準醫(yī)療器械的遠端與分支解剖結(jié)構(gòu)。具體而言，該方法將一系列 拍攝的圖像中可見的腔的拓撲、特征屬性、行為和/或關(guān)系的信息與分支解剖結(jié)構(gòu)的計算 機模型中腔的拓撲、特征屬性、行為和/或關(guān)系的相應(yīng)信息進行比較。然后，該系列拍攝的 圖像中可見的腔的路徑與分支解剖結(jié)構(gòu)的計算機模型中腔的路徑之間最可能的匹配被確 定，以表明醫(yī)療器械當前處于分支解剖結(jié)構(gòu)的那個腔。
[0050] 在包括方框501-504的該方法的第一部分中，在按順序接收的圖像中提取、標記 和跟蹤斑塊，直到出現(xiàn)在圖像中的斑塊集出現(xiàn)變化。每一個提取的斑塊被提取以便表明當 前進入的或能夠進入的分支解剖結(jié)構(gòu)的腔。例如，由于腔的較遠側(cè)被較少照射的事實，拍攝 的圖像中的腔可能呈現(xiàn)為圖像中較暗的孔。然后，圖像處理技術(shù)可以被用于提取圖像中突 出的暗區(qū)域。這些提取的突出