用于使用形狀感測的變形補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于估計解剖結(jié)構(gòu)變形的方法和醫(yī)療系統(tǒng)，其包括從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)中生成至少一個解剖通道的第一模型，以及確定安置在分岔解剖通道內(nèi)的設(shè)備的形狀。該方法和醫(yī)療系統(tǒng)也包括通過相對于設(shè)備的確定形狀調(diào)整第一模型而生成多個分岔解剖通道的第二模型。
【專利說明】用于使用形狀感測的變形補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于在醫(yī)療程序期間跟蹤在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及使用形狀傳感器有效跟蹤患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)旨在減少在診斷或手術(shù)程序期間受損的組織量，從而縮短患者的恢復(fù)時間、減輕患者的不適并且減少有害的副作用。此類微創(chuàng)技術(shù)可以通過在患者解剖結(jié)構(gòu)中的自然孔口，或通過一個或多個手術(shù)切口執(zhí)行。通過這些自然孔口或切口，臨床醫(yī)生可以將手術(shù)器械插入到達(dá)靶組織位置。為到達(dá)靶組織位置，微創(chuàng)手術(shù)器械可以在解剖系統(tǒng)中的自然的或手術(shù)創(chuàng)建的通道中導(dǎo)航，其中解剖系統(tǒng)諸如肺、結(jié)腸、腸、腎臟、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等。導(dǎo)航輔助系統(tǒng)幫助臨床醫(yī)生按路線傳送手術(shù)器械，并且避免對解剖結(jié)構(gòu)的損傷。這些系統(tǒng)可以結(jié)合形狀傳感器的使用，以更準(zhǔn)確地描述手術(shù)器械在真實空間中的形狀、姿態(tài)和位置或手術(shù)器械相對于術(shù)前圖像或者并行/同步(concurrent)圖像的形狀、姿態(tài)和位置。在動態(tài)解剖系統(tǒng)中和/或在布滿許多解剖通道的解剖區(qū)域中，將微創(chuàng)器械準(zhǔn)確配準(zhǔn)到解剖系統(tǒng)中是一項耗時且處理密集的任務(wù)。需要改善的系統(tǒng)和方法，以便提高將微創(chuàng)器械配準(zhǔn)到解剖系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法的準(zhǔn)確性和效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]該發(fā)明的實施例由所附的權(quán)利要求概括。
[0004]在一個實施例中，方法包括從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)中生成至少一個解剖通道的第一模型，以及確定安置在分岔解剖通道內(nèi)的設(shè)備的形狀。該方法也包括通過相對于設(shè)備的確定形狀調(diào)整第一模型，生成多個分岔解剖通道的第二模型。
[0005]在另一個實施例中，醫(yī)療系統(tǒng)包括柔性設(shè)備，該柔性設(shè)備包括形狀傳感器、存儲描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)的存儲器；和處理器。處理器從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)中生成多個分岔解剖通道的第一模型，并且接收來自形狀傳感器的信息以確定安置在分岔解剖通道內(nèi)的設(shè)備的形狀。通過相對于設(shè)備的形狀調(diào)整第一模型，處理器也生成多個分岔解剖通道的第二模型。
[0006]在另一個實施例中，方法包括從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)中生成多個分岔解剖通道的第一模型，其中解剖數(shù)據(jù)是在分岔解剖通道處于交替運(yùn)動的第一狀態(tài)時記錄的。該方法也包括從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)中生成多個分岔解剖通道的第二模型，其中解剖數(shù)據(jù)是在分岔解剖通道處于交替運(yùn)動的第二狀態(tài)時記錄的。該方法也包括當(dāng)所述分岔解剖通道處于第一狀態(tài)時，生成以第一形狀安置在分岔解剖通道內(nèi)的設(shè)備的第一圖像；以及當(dāng)分岔解剖通道處于第二狀態(tài)時，生成以第二形狀安置在分岔解剖通道內(nèi)的設(shè)備的第二圖像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]當(dāng)與附圖一起閱讀時，本公開的各方面從以下詳細(xì)描述中最優(yōu)理解。要強(qiáng)調(diào)的是，依照在行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)慣例，各種特征未按比例畫出。實際上，為使討論清晰，各種特征的尺寸可以隨意增大或減小。此外，在各種示例中，本公開可以重復(fù)標(biāo)識號和/或字母。這種重復(fù)是為了簡單且清晰的目的，并不自身決定所討論的各種實施例和/或配置之間的關(guān)系。
[0008]圖1為依照本公開的實施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。
[0009]圖2示出利用本公開的方面的手術(shù)器械系統(tǒng)。
[0010]圖3a為與微創(chuàng)器械的圖像配準(zhǔn)的人肺的圖像。
[0011]圖3b為從微創(chuàng)器械的角度描繪人肺區(qū)域的人肺的內(nèi)部圖像。
[0012]圖4a為具有導(dǎo)管的肺的支氣管通道模型的圖示。
[0013]圖4b為基于由導(dǎo)管施加的變形力而調(diào)整的圖4a的模型的圖示。
[0014]圖5a示出支氣管通道和導(dǎo)管的未變形模型的合成圖像。
[0015]圖5b_5d示出隨著導(dǎo)管前進(jìn)調(diào)整的支氣管通道的模型的合成圖像。
[0016]圖6示出支氣管通道和導(dǎo)管的變形模型的合成圖像。
[0017]圖7為示出用于基于導(dǎo)管的形狀使支氣管通道模型變形的方法的流程圖。
[0018]圖8為在呼氣和吸氣狀態(tài)下的肺的支氣管通道的模型的圖示。
[0019]圖9為示出使吸氣和呼氣狀態(tài)的支氣管通道的模型變形的方法的流程圖。
[0020]圖10包括根據(jù)該公開的另一個實施例的解剖通道的模型的圖示。
[0021]圖11為用于使圖10的模型相配的直方圖。
[0022]圖12示出用于確定轉(zhuǎn)換的點集。

【具體實施方式】
[0023]在本發(fā)明的實施例的下列【具體實施方式】中闡述許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對公開的實施例的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員顯而易見的是，該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。在其他實例中，未詳細(xì)描述眾所周知的方法、程序、部件和電路，以便不會不必要地模糊該發(fā)明的實施例的各方面。
[0024]以下實施例將在各種器械和器械部分的三維空間下的狀態(tài)方面對其進(jìn)行描述。如在此所使用，術(shù)語“位置”涉及對象或?qū)ο蟮囊徊糠衷谌S空間(例如，沿著笛卡爾X、Y、Z坐標(biāo)的三個平移自由度)中的位置。如在此所使用，術(shù)語“取向”指的是對象或?qū)ο蟮囊徊糠值男D(zhuǎn)布置(三個旋轉(zhuǎn)自由度一例如，滾動、俯仰和偏擺)。如在此所使用，術(shù)語“取向”指的是對象或?qū)ο蟮囊徊糠衷谥辽僖粋€平移自由度中的位置，以及對象或?qū)ο蟮囊徊糠衷谥辽僖粋€旋轉(zhuǎn)自由度中的取向(多達(dá)六個總自由度)。如在此所使用，術(shù)語“形狀”指的是沿著對象測量的一組姿態(tài)、位置或取向。
[0025]參考圖中的圖1，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)一般由參考標(biāo)記100指示。如圖1所示，機(jī)器人系統(tǒng)100 —般包括對患者P執(zhí)行各種程序時操作手術(shù)器械104的手術(shù)操縱器組件102。組件102被安裝到或靠近操作臺O。主控組件106允許外科醫(yī)生S查看手術(shù)部位并且控制操縱器組件102。
[0026]在可替代的實施例中，機(jī)器人系統(tǒng)可以包括不止一個操縱器組件。除其他因素之夕卜，操縱器組件的確切數(shù)量將取決于手術(shù)室內(nèi)的手術(shù)程序和空間限制。
[0027]主控組件106可以位于外科醫(yī)生的控制臺C，該控制臺C通常位于與操作臺O同一個房間中。然而，應(yīng)該清楚，外科醫(yī)生S可以位于與患者P不同的房間中或完全不同的建筑中。主控組件106 —般包括可選的支持物108和用于控制操縱器組件102的一個或多個控制設(shè)備112。控制設(shè)備112可以包括任何數(shù)量的各種輸入設(shè)備，諸如操縱桿、跟蹤球、手套、觸發(fā)手槍、手動操作的控制器、語音識別設(shè)備等。在一些實施例中，(多個)控制設(shè)備112將具有與相關(guān)手術(shù)器械104 —樣的自由度，以提供給外科醫(yī)生遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，或(多個)控制設(shè)備112與器械104成為一體的感知，從而使得外科醫(yī)生具有直接控制器械104的強(qiáng)烈感覺。在一些實施例中，控制設(shè)備112為可以六個自由度移動的手動輸入設(shè)備，并且其也可以包括用于致動器械的致動手柄(例如，用于關(guān)閉抓取鉗、應(yīng)用電勢到電極、輸送藥物處理等)。
[0028]可視化系統(tǒng)110可以包括(在以下更詳細(xì)描述的)可見范圍組件，從而使得手術(shù)部位的并行/同步圖像或?qū)崟r圖像被提供給外科醫(yī)生控制臺C。同步圖像可以例如是由安置在手術(shù)部位內(nèi)的內(nèi)窺鏡捕獲的兩維或三維圖像。在該實施例中，可視化系統(tǒng)100包括可整體耦連到或可移除地耦連到手術(shù)器械104的內(nèi)窺鏡部件。然而，在可替代的實施例中，附接到單獨的操縱器組件的單獨的內(nèi)窺鏡可以和手術(shù)器械一起使用，以對手術(shù)部位成像?？梢暬到y(tǒng)110可以作為硬件、固件、軟件或其組合實現(xiàn)，其與一個或多個計算機(jī)處理器交互，或由一個或多個計算機(jī)處理器另外執(zhí)行，其中計算機(jī)處理器包括控制系統(tǒng)116(以下描述)的處理器。
[0029]顯示系統(tǒng)111可以顯示由可視化系統(tǒng)110捕獲的手術(shù)部位和手術(shù)器械的圖像。顯示器111和主控制設(shè)備112可以被取向從而使得在范圍組件和手術(shù)器械中的成像設(shè)備的相對位置與外科醫(yī)生的眼睛和手的相對位置類似，因此操作者能夠猶如觀察在基本真實存在的工作空間一樣來操縱手術(shù)器械104和手動控制。通過真實的存在，就意味著圖像的呈現(xiàn)是模擬物理操縱手術(shù)器械104的操作者的視角的真實透視圖像。
[0030]可替代地或另外地，監(jiān)控器111可以呈現(xiàn)使用成像技術(shù)的術(shù)前記錄和/或建模的手術(shù)部位的圖像，成像技術(shù)諸如計算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光鏡檢查、熱敏成像、超聲、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。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。
[0031]在一些實施例中，監(jiān)控器111可以顯示虛擬導(dǎo)航圖像，在該圖像中手術(shù)器械的實際位置與術(shù)前圖像或同步圖像配準(zhǔn)(即，動態(tài)參考)，以將手術(shù)器械尖端位置處的內(nèi)部手術(shù)部位的虛擬圖像呈現(xiàn)給外科醫(yī)生S。手術(shù)器械尖端的圖像或其他圖形或字母數(shù)字指示符可以被疊加在虛擬圖像上，以輔助外科醫(yī)生控制手術(shù)器械?？商娲?，手術(shù)器械在虛擬圖像中不可見。
[0032]在其他實施例中，監(jiān)控器111可以顯示虛擬導(dǎo)航圖像，在該圖像中手術(shù)器械的實際位置與術(shù)前圖像或同步圖像配準(zhǔn)，以從外部視角將在手術(shù)部位內(nèi)的手術(shù)器械的虛擬圖像呈現(xiàn)給外科醫(yī)生S。手術(shù)器械的一部分的圖像或其他圖形或字母數(shù)字指示符可以被疊加在虛擬圖像上，以輔助外科醫(yī)生控制手術(shù)器械。
[0033]如圖1所示，控制系統(tǒng)116包括至少一個處理器，并且通常包括多個處理器，用于實現(xiàn)在手術(shù)操縱器組件102、主控組件106和圖像與顯示系統(tǒng)110之間的控制?？刂破飨到y(tǒng)116也包括實施在此描述的一些方法或全部方法的軟件編程指令。雖然控制系統(tǒng)116在圖1的簡化視圖中被示為單個方框，但該系統(tǒng)可以包括若干數(shù)據(jù)處理電路(例如，在手術(shù)操縱器組件102上和/或在主控組件106上)，其中至少一部分處理可選地鄰近輸入設(shè)備執(zhí)行，一部分鄰近操縱器執(zhí)行，等等?？梢允褂酶鞣N集中式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)或分步式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)中的任何一種。類似地，編程代碼可以作為若干單獨的程序或子程序?qū)嵤?，或可以集成到若干在此描述的機(jī)器人系統(tǒng)的其他方面。在一個實施例中，控制系統(tǒng)116可以支持無線通信協(xié)議，諸如藍(lán)牙、IrDA、家庭射頻、IEEE 802.1UDECT和無線遙測。
[0034]在一些實施例中，控制系統(tǒng)116可以包括伺服控制器，以將來自手術(shù)器械104的力和轉(zhuǎn)矩反饋提供給用手操作的控制設(shè)備112?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)或?qū)Ｓ盟欧刂破?。伺服控制器可以與操縱器組件102分離，或與操縱器組件102 —體。在一些實施例中，伺服控制器和操縱器組件作為鄰近患者身體安置的機(jī)器人臂車的一部分提供。伺服控制器傳輸指示操縱器組件移動器械的信號，其中器械經(jīng)由身上的開口延伸到在患者體內(nèi)的內(nèi)部手術(shù)部位。
[0035]支持手術(shù)器械104的操縱器組件102中的每個可以包括一系列通常稱為安裝關(guān)節(jié)的手動可鉸接聯(lián)動裝置以及機(jī)器人操縱器。機(jī)器人操縱器組件102可以由一系列致動器(例如，馬達(dá))驅(qū)動。這些馬達(dá)響應(yīng)于來自控制系統(tǒng)116的命令主動移動機(jī)器人操縱器。馬達(dá)進(jìn)一步耦連到手術(shù)器械，以便將手術(shù)器械推進(jìn)到自然解剖結(jié)構(gòu)孔口或手術(shù)創(chuàng)建的解剖結(jié)構(gòu)孔口，并且將手術(shù)器械的遠(yuǎn)端以多自由度移動，其中所述自由度可以包括三個直線運(yùn)動自由度(例如，X，Y，Z直線運(yùn)動)和三個旋轉(zhuǎn)自由度(例如，滾動、俯仰和偏擺)。另外，馬達(dá)可以用于致動器械的可鉸接的末端執(zhí)行器，用于抓取在活檢設(shè)備等的鉗口中的組織。
[0036]圖2示出跟蹤器械系統(tǒng)118，其包括手術(shù)器械系統(tǒng)104及其接口系統(tǒng)。手術(shù)器械系統(tǒng)104包括由接口 122耦連到操縱器組件102和可視化系統(tǒng)110的柔性器械120。器械120具有柔性主體124、在其遠(yuǎn)端128處的尖端126和在其近端130處的接口 122。主體124容納在接口 122和尖端126之間延伸的纜線、聯(lián)動裝置或其他轉(zhuǎn)向控制裝置(未示出)，以便可控制地彎曲或轉(zhuǎn)動尖端，例如由彎曲的尖端126的虛線版本所示的，并且在一些實施例中控制可選的末端執(zhí)行器132。柔性器械可以是可轉(zhuǎn)向的，包括前述的轉(zhuǎn)向控制，或可以是不可轉(zhuǎn)向的，其中沒有用于器械彎曲的操作者控制的集成機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器可以是對于醫(yī)療功能可操縱的工作遠(yuǎn)側(cè)部分，例如，用于實現(xiàn)靶組織的預(yù)定處理。例如，一些末端執(zhí)行器具有單個工作構(gòu)件，諸如手術(shù)刀、刀片或電極。諸如在圖2的實施例中所示的其他末端執(zhí)行器具有一對或多個工作構(gòu)件，諸如，例如鑷子、抓緊器、剪刀或施夾器。電激活的末端執(zhí)行器的示例包括電外科電極、換能器、傳感器等。末端執(zhí)行器也可以包括傳送液體、氣體或固體的管道，以執(zhí)行，例如要求液體輸送、附件導(dǎo)入、活檢提取等的抽吸、吹氣、沖洗處理。在其他實施例中，柔性主體124可以限定一個或多個腔，手術(shù)器械可以通過該腔在靶手術(shù)部位處部署和使用。
[0037]器械120也可以包括圖像捕獲元件134，該圖像捕獲元件134可以包括設(shè)置在遠(yuǎn)端128處的立體相機(jī)或單視場相機(jī)，用于捕獲傳輸?shù)娇梢暬到y(tǒng)110并且由可視化系統(tǒng)110處理的圖像，用于由顯示系統(tǒng)111顯示?？商娲?，圖像捕獲單元134可以是耦連到在器械120近端上的成像及處理系統(tǒng)的相干光纖束，諸如光纖鏡。圖像捕獲單元134可以是單光譜或多光譜，用于在可視光譜或紅外/紫外光譜中捕獲圖像數(shù)據(jù)。
[0038]跟蹤系統(tǒng)135包括電磁(EM)傳感器系統(tǒng)136和形狀傳感器系統(tǒng)138，用于沿著器械120確定遠(yuǎn)端128和一個或多個節(jié)段137的位置、取向、速度、姿態(tài)和/或形狀。盡管圖2僅描繪出一組示例節(jié)段137，但在遠(yuǎn)端128和近端130之間的并且包括尖端126的器械120的整體長度可以被有效地劃分成節(jié)段。跟蹤系統(tǒng)135可以作為硬件、固件、軟件或其組合實施，其可以與一個或多個計算機(jī)處理器交互，或由一個或多個計算機(jī)處理器另外執(zhí)行，其中一個或多個計算機(jī)處理器可以包括控制系統(tǒng)116的處理器。
[0039]EM傳感器系統(tǒng)136包括可經(jīng)受外部生成的電磁場的一個或多個導(dǎo)電線圈。然后，EM傳感器系統(tǒng)136中的每個線圈產(chǎn)生感應(yīng)的電信號，該電信號具有取決于線圈相對于外部生成的電磁場的位置和取向的特征。在一個實施例中，EM傳感器系統(tǒng)可以被配置和設(shè)置以測量六個自由度，例如，三個位置坐標(biāo)X、Y、Z和指示基點的俯仰、偏擺和滾動的三個取向角。EM傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步描述被提供在于1999年8月11日提交的美國專利號US6380732中，其公開 “Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponderon the Object Being Tracked (在被跟蹤的對象上具有被動式轉(zhuǎn)發(fā)器的六自由度跟蹤系統(tǒng))”，其全部內(nèi)容通過引用而并入本文。
[0040]傳感器系統(tǒng)138包括與柔性主體124對準(zhǔn)的光纖140 (例如，在內(nèi)部通道(未示出)內(nèi)提供或外部安裝)。跟蹤系統(tǒng)135被耦連到光纖140的近端。在該實施例中，光纖140具有約200 μ m的直徑。在其他實施例中，該尺寸可以更大或更小。
[0041]光纖140形成光纖彎曲傳感器，用于確定器械120的形狀。在一個替代方式中，包括光纖光柵(FBG)的光纖用于提供在一個或多個維度下的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變測量。用于監(jiān)測三維光纖的形狀和相對位置的各種系統(tǒng)和方法被描述在2005年7月13日提交的美國專利申請 US11/180389 中，其公開 “Fiber optic posit1n and shape sensing device andmethod relating thereto (光纖位置和形狀感測設(shè)備及其相關(guān)方法)”;2004年6月16日提交的美國臨時專利申請?zhí)朥S60/588336中，其公開“Fiber-optic shape and relativeposit1n sensing(光纖形狀和相對位置感測)”；以及1998年6月17日提交的美國專利US6389187中，其公開“Optical Fibre Bend Sensor (光纖彎曲傳感器)”，以上文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。在其他的替代中，使用其他的應(yīng)變感測技術(shù)的傳感器可以是合適的，其他的應(yīng)變感測技術(shù)諸如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射和熒光散射。在其他可替代的實施例中，器械120的形狀可以通過使用其他技術(shù)來確定。例如，如果器械尖端姿態(tài)的歷史以小于更新導(dǎo)航顯示的周期或往復(fù)運(yùn)動(吸入和呼出)的周期的時間間隔儲存，則姿態(tài)歷史記錄可以用于在該時間間隔上重建設(shè)備的形狀。作為另一個示例，針對沿著往復(fù)運(yùn)動(諸如呼吸)的周期的器械的已知點，歷史的姿態(tài)、位置或取向數(shù)據(jù)可以被儲存。這個儲存的數(shù)據(jù)可以用于開發(fā)關(guān)于器械的形狀信息。可替代地，沿著器械安置的一系列位置傳感器(諸如EM傳感器)可以用于形狀感測?？商娲?，來自在程序期間在器械上的位置傳感器(諸如EM傳感器)的數(shù)據(jù)歷史記錄可以用于表示器械的形狀，特別是如果解剖通道一般為靜態(tài)?？商娲兀哂型獠看艌隹刂频奈恢没蛉∠虻臒o限設(shè)備可以用于形狀感測。其位置的歷史可以用于確定導(dǎo)航通道的形狀。
[0042]在該實施例中，光纖140可以包括在單個包層146內(nèi)的多個芯。每個芯可以是具有足夠距離和將芯分開的包層的單模，從而使得在每個芯中的光與在其他芯中攜帶的光無顯著的相互影響。在其他實施例中，芯的數(shù)量可以變化，或者每個芯可以包含在單獨的光纖中。
[0043]在一些實施例中，F(xiàn)BG陣列在每個芯內(nèi)都提供。每個FBG包括一系列芯折射率/折射指數(shù)的調(diào)制，以便生成在折射率/折射指數(shù)中的空間周期性。間隔可以被選擇，以便來自每個指數(shù)變化的部分反射相干地添加波長的窄帶，并且因此，當(dāng)穿過更寬的頻帶時僅反射波長的該窄帶。在FBG的制造期間，調(diào)制由已知的距離隔開，從而引起波長的已知頻帶的反射。然而，當(dāng)在光纖芯上引起應(yīng)變時，調(diào)制的間隔將根據(jù)芯中的應(yīng)變的量而變化?？商娲兀S著光纖的彎曲而變化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。
[0044]因此，為測量應(yīng)變，將光沿著光纖向下發(fā)送并且測量返回的光的特征。例如，F(xiàn)BG產(chǎn)生反射的波長，該波長為在光纖上的應(yīng)變及其溫度的函數(shù)。這種FBG技術(shù)可以從各種來源商購到，諸如英格蘭Bracknell的Smart Fibres Ltd.。FBG技術(shù)在用于機(jī)器人手術(shù)的位置傳感器中的使用被描述在2006年7月20日提交的美國專利US7930065中，公開了“RoboticSurgery System Including Posit1n Sensors Using Fiber Bragg Gratings (包括使用光纖光柵的位置傳感器的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng))”，其全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
[0045]當(dāng)應(yīng)用到多芯光纖時，光纖的彎曲引起芯上的應(yīng)變，該應(yīng)變可以通過監(jiān)測每個芯中的波長位移測量。通過具有在光纖中偏軸設(shè)置的兩個或多個芯，光纖的彎曲引起每個芯上的不同應(yīng)變。這些應(yīng)變是光纖的局部彎曲程度的函數(shù)。例如，如果包含F(xiàn)BG的芯的區(qū)域位于光纖彎曲的點，則該芯的區(qū)域可以用于確定在那些點處彎曲的量。與FBG區(qū)域的已知間隔結(jié)合的這些數(shù)據(jù)可以用于重建光纖的形狀。弗吉尼亞州Blacksburg的LunaInnovat1ns, Inc.已經(jīng)描述了此類系統(tǒng)。
[0046]如所描述的，光纖140用于監(jiān)測器械120的至少一部分的形狀。更具體地，穿過光纖140的光由跟蹤系統(tǒng)135處理，用于檢測手術(shù)器械120的形狀，并且用于利用該信息輔助手術(shù)程序。跟蹤系統(tǒng)135可以包括生成和檢測用于確定器械120的形狀的光的檢測系統(tǒng)。該信息又可用于確定其他相關(guān)的變量，諸如手術(shù)器械的一部分的速度和加速度。通過實時獲得這些變量中的一個或多個的準(zhǔn)確測量，控制器可以提高機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并且補(bǔ)償在驅(qū)動部件部分中引入的誤差。感測僅可被限制于由機(jī)器人系統(tǒng)致動的自由度，或可應(yīng)用到被動自由度(例如，在關(guān)節(jié)之間的剛性構(gòu)件的未致動彎曲)和主動自由度(例如，器械的致動運(yùn)動)兩者。
[0047]來自跟蹤系統(tǒng)135的信息可以被發(fā)送到導(dǎo)航系統(tǒng)142，在導(dǎo)航系統(tǒng)142中，來自跟蹤系統(tǒng)135的信息與來自可視化系統(tǒng)110和/或術(shù)前得到的圖像結(jié)合，以在顯示系統(tǒng)111上給外科醫(yī)生或其他操作者提供實時的位置信息，用于在器械120的控制中使用?？刂葡到y(tǒng)116可以利用位置信息作為安置器械120的反饋。使用光纖傳感器配準(zhǔn)并顯示手術(shù)器械與手術(shù)圖像的各種系統(tǒng)被提供在2011年5月13日提交的美國專利申請US13/107562中，其公開了“Medical System Providing Dynamic Registrat1n of a Model of an AnatomicalStructure for Image-Guided Surgery (提供用于圖像引導(dǎo)手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)模型的動態(tài)配準(zhǔn)的醫(yī)療系統(tǒng))”，其全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
[0048]在圖2的實施例中，器械104在機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)100中遠(yuǎn)程操作。在可替代的實施例中，操縱器組件可以由直接操作者控制取代。在直接操作的替代中，可以包括各種手柄和操作者接口，用于器械的手持操作。
[0049]圖3a描繪了合成圖像150，其包括從肺的外部視角的人肺152的圖像151，圖像151與柔性器械諸如柔性器械120的器械圖像154配準(zhǔn)。肺152的圖像151可以從術(shù)前記錄的圖像中生成，或者可以在手術(shù)程序期間同步生成。合成圖像150可以經(jīng)由顯示系統(tǒng)111顯示。當(dāng)器械120被推進(jìn)通過肺152的支氣管通道156時，來自跟蹤系統(tǒng)135和/或可視化系統(tǒng)110的信息用來將器械圖像154與肺圖像151配準(zhǔn)。肺152的圖像151可以改變，例如，以描繪在吸氣或呼氣狀態(tài)下的肺。器械圖像154可以改變以描繪器械120通過支氣管通道156的推進(jìn)或收回。偶爾，合成圖像150可能錯誤地融合器械圖像154，從而使得器械圖像154’的一部分在支氣管通道的外面。以下描述了用于校正器械圖像的系統(tǒng)和方法，使得器械位于支氣管通道內(nèi)。
[0050]圖3b為從器械120的視角描繪肺區(qū)域的人肺152的內(nèi)部圖像160。圖像160可以是當(dāng)器械120位于所描繪的肺152的部分中時，由器械120在手術(shù)程序期間獲得的同步圖像。更具體地，該圖像可以由可視化系統(tǒng)110捕獲。可替代地，如由跟蹤系統(tǒng)135所確定的，圖像160可以是基于器械120尖端的位置選擇的術(shù)前記錄的圖像。
[0051]包括EM傳感器系統(tǒng)136和形狀傳感器系統(tǒng)138的跟蹤系統(tǒng)135通?？梢杂嬎闫餍导舛?26或者器械120在解剖通道外部的一個或多個節(jié)段137的位置。這可能指示出微小的測量誤差(假設(shè)解剖通道的壁還未被破壞)。此類誤差可以由諸如肺或心臟的某些解剖結(jié)構(gòu)的動態(tài)性質(zhì)造成。例如，吸入和呼出改變肺的支氣管通道的位置和大小?？商娲?，該誤差可以由患者移動或手術(shù)器械在解剖通道內(nèi)的存在而導(dǎo)致的組織變形造成。為了在器械的圖像和患者解剖結(jié)構(gòu)的圖像共同配準(zhǔn)和顯示時校正器械的位置并且將器械的一個或多個點準(zhǔn)確定位在通道內(nèi)，器械的選擇點可以對齊(snapped)或者圖形化配準(zhǔn)到在解剖通道的壁上的位置，或者圖形化配準(zhǔn)到解剖通道的內(nèi)腔。如將在下面詳細(xì)描述的，各種補(bǔ)償方法可以用于校正患者解剖結(jié)構(gòu)的模型，以在記錄術(shù)前圖像之后為內(nèi)部和外部變形力、患者運(yùn)動或在患者解剖結(jié)構(gòu)中的其他變化作出調(diào)整。在解剖結(jié)構(gòu)的組織上的內(nèi)部變形力可以由例如在吸氣和呼氣的呼吸狀態(tài)之間的運(yùn)動、心臟運(yùn)動和咳嗽產(chǎn)生。在解剖結(jié)構(gòu)的組織上的外部變形力可以由例如器械插入和操縱產(chǎn)生?；颊呓馄式Y(jié)構(gòu)的校正模型允許生成器械相對于解剖通道的更準(zhǔn)確的合成圖像。
[0052]校正模型在患者的解剖通道內(nèi)部的虛擬導(dǎo)航的情況下特別有用。虛擬導(dǎo)航基于參考術(shù)前取得的與通道的三維解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)集。例如，該數(shù)據(jù)集可以通過術(shù)前CT掃描取得。軟件用來將CT圖像轉(zhuǎn)換成描述通道的各種位置和形狀及其連通性的三維模型。在虛擬導(dǎo)航程序期間，傳感器系統(tǒng)特別是EM傳感器系統(tǒng)可以用于計算器械相對于患者解剖結(jié)構(gòu)的近似位置。通常作出患者解剖結(jié)構(gòu)的所有部分均相對于彼此固定的假設(shè)。在這種假設(shè)下，來自在患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)部的器械的尖端位置的虛擬視圖可以從術(shù)前CT掃描數(shù)據(jù)集中計算。如前所述，由于施加到患者解剖結(jié)構(gòu)的各種變形力，所以患者解剖結(jié)構(gòu)保持固定的假設(shè)一般無效。為補(bǔ)償由傳感器系統(tǒng)引入的移動或其他誤差，可以從到通道內(nèi)部的器械尖端的感測位置最近的點中產(chǎn)生虛擬視圖，而不是從器械尖端的計算位置中產(chǎn)生虛擬視圖。將器械的感測位置調(diào)整到在通道的壁內(nèi)或在通道的壁上的調(diào)整后的位置被稱為對齊(snapping)。當(dāng)通道完全分開而不是緊密壓緊(packed)時,對齊可以起到特別好的作用。當(dāng)變形力大并且通道密集時，單獨對齊可能導(dǎo)致氣道的不正確的選擇，其中器械位于該氣道中。
[0053]圖4a為肺的支氣管通道202的未變形模型200的圖示。導(dǎo)管204延伸到支氣管通道202中。導(dǎo)管204可以與器械120基本類似。模型200可以顯示在顯示系統(tǒng)上或以未顯示的形式貯存于計算機(jī)存儲器中。如圖所示，導(dǎo)管204對支氣管通道202施加變形力F。圖4b示出在模型160上的變形力F的效果。導(dǎo)管204的變形力使支氣管通道202移動角度Θ。變形后的模型206示出導(dǎo)管164的力對支氣管通道202的位置和取向的作用。
[0054]圖5a示出支氣管通道的分岔結(jié)構(gòu)的未變形模型300與延伸通過通道的導(dǎo)管302的合成圖像。對于未變形的模型300，在合成圖像中，導(dǎo)管302的尖端304呈現(xiàn)為位于支氣管通道L5內(nèi)而不是在通道L4中。
[0055]如在圖5a中所示，支氣管通道被建模為由關(guān)節(jié)連接的一組剛性連桿(link)L1-L10，其中該關(guān)節(jié)可以圍繞諸如連接點C的變形點在俯仰和偏擺兩個方向上旋轉(zhuǎn)。在一些實施例中，可以供應(yīng)其他的自由度，諸如拉伸和滾動。在其他實施例中，關(guān)節(jié)或其他類型的變形點可以沿著連桿Ll-LlO的長度定位，以允許多個位置沿著連桿的長度彎曲。
[0056]為使模型300變形并且校正由導(dǎo)管施加的力，在支氣管通道上的整個導(dǎo)管的形狀被確定。諸如形狀傳感器系統(tǒng)138的形狀傳感器系統(tǒng)可以用來確定整個導(dǎo)管的形狀，而不僅是尖端的形狀。導(dǎo)管的形狀用來確定在未變形模型中的每個連接點C處的一組變形變量(例如，俯仰和偏擺角度)。用于將連接點的模擬俯仰和偏擺角度轉(zhuǎn)換到在支氣管結(jié)構(gòu)中的連桿的姿態(tài)的方法是標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動學(xué)方法，例如在Siciliano等人的Springer Handbook ofRobotics (Springer, 2008)中找到的。支氣管通道的變形量由在未變形模型中的通道外部的導(dǎo)管的點引起的虛擬力確定。這些力有效地用來在導(dǎo)管的方向上拉動通道。變形的量也由反作用力確定，諸如支氣管通道和周圍結(jié)締組織的剛度，其中反作用力使通道朝向未變形的形狀和配置偏置。
[0057]圖5b_5d描繪了分岔支氣管通道的未變形模型300，并且也示出當(dāng)導(dǎo)管302被推進(jìn)通過通道時的分岔解剖通道的變形模型310。在圖5b中，導(dǎo)管302被推進(jìn)通過連桿LI并且進(jìn)入連桿L2。變形模型310從未變形模型300稍微轉(zhuǎn)移，從而為連桿L1、L2上的導(dǎo)管302的直接力做調(diào)整，并且為連接的末端連桿L3-L10上的間接力做調(diào)整。在未變形模型300和變形模型310兩者中，尖端304被描繪成在連桿L2內(nèi)，但是尖端304在連桿L2內(nèi)的確切位置在兩個模型之間不同。在圖5c中，導(dǎo)管304被推進(jìn)通過連桿L2并且進(jìn)入連桿L3。變形模型310進(jìn)一步從未變形模型300轉(zhuǎn)移，從而為連桿L1、連桿L2、連桿L3上的導(dǎo)管302的直接力做調(diào)整，并且為連接的末端連桿L4-L10上的間接力做調(diào)整。尖端304在未變形模型300中被描繪成在連桿L3的外部，但是在變形模型310中被描繪成在連桿L3內(nèi)。因此，變形模型310更準(zhǔn)確地反映了尖端304在支氣管通道內(nèi)部的真實性。在圖5d中，導(dǎo)管302被推進(jìn)到連桿L4內(nèi)。變形模型310進(jìn)一步從未變形模型300轉(zhuǎn)移，從而為連桿L1、連桿L2、連桿L3、連桿L4上的導(dǎo)管302的直接力做調(diào)整，并且為連接的末端連桿L5-L10上的間接力做調(diào)整。尖端304在未變形模型300中被描繪在連桿L5中，而在變形模型310中被描繪在連桿L4內(nèi)部。因此，變形模型310更準(zhǔn)確反映了尖端304的實際位置。在圖6中描繪了最終的變形模型310。
[0058]圖7的流程圖400提供了用于將未變形模型校正到調(diào)整后模型或變形模型的方法的一個實施例。該模型可以從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的儲存數(shù)據(jù)中生成，例如，從術(shù)前圖像中生成，從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的二維或三維數(shù)據(jù)集中生成，從標(biāo)準(zhǔn)(例如，非患者特定的模型)中生成，或者從以上的任何一個的混合中生成。最初，變形模型等于具有全部變形變量(例如，俯仰/偏擺角度，拉伸)設(shè)置為零的靜態(tài)未變形模型。在步驟402，使用傳感器系統(tǒng)的一個或多個傳感器取得手術(shù)器械的導(dǎo)管或其他類型的感測設(shè)備的當(dāng)前形狀。在步驟404，相對于變形模型沿著成型導(dǎo)管的取樣點被匹配以用于最佳擬合。在補(bǔ)償周期的初始重復(fù)期間，變形模型等于靜態(tài)模型。更詳細(xì)地，在一個示例實施例中，該最佳擬合匹配技術(shù)可以包括:a)尋找最靠近導(dǎo)管尖端的N個連桿L ;b)對于N個連桿L中的每個連桿，計算連桿的唯一子集，其中該連桿子集形成從該連桿到支氣管結(jié)構(gòu)底部的路徑；c)對于N個子集中的每個，計算在支氣管通道上到沿導(dǎo)管形狀的取樣點中的每個點最近的點；d)根據(jù)取樣點到在支氣管通道中的相應(yīng)最近點的距離計算N個選項中的每個選項的距離分?jǐn)?shù)；并且基于最小的組合距離分?jǐn)?shù)從N個選項中選擇最佳選項。
[0059]在步驟406處，計算選擇的最佳擬合的一組變形力。對于沿著導(dǎo)管形狀的取樣點中的每個，力被限定為在點的位置和在支氣管通道上的最近的點的位置之間的向量。可選地，可以計算一組恢復(fù)力，該恢復(fù)力對應(yīng)于使支氣管通道朝向其初始形狀偏置的力。這些恢復(fù)力被限定在變形的支氣管通道連桿上的取樣點和在未變形的連桿上的對應(yīng)點之間。還是可選地，可以計算一組維持力，該維持力對應(yīng)于使局部形狀朝向未變形局部形狀偏置的力。這些維持力可以被限定為例如在每對連接的連桿之間起作用的關(guān)節(jié)扭矩，其中關(guān)節(jié)扭矩在該連接處具有與變形角度大小相等方向相反的扭矩。在支氣管通道的分岔結(jié)構(gòu)上作用的總的力集合被計算為變形力和恢復(fù)力集合的加權(quán)和。加權(quán)因子可以由用戶確定，或者可以如下方式設(shè)置，即導(dǎo)致最逼真的行為的方式，例如，基于解剖結(jié)構(gòu)的測量力學(xué)/機(jī)械性能。在多維診斷圖像(例如，三維CT或四維CT)中，也可以預(yù)估計組織的彈塑性，其中多維診斷圖像也可能包括用于彈性校準(zhǔn)強(qiáng)度的真實患者圖像數(shù)據(jù)庫。由于CT成像模式捕獲相對的組織密度，所以可預(yù)計算在圖像強(qiáng)度和組織部位的彈性性能之間的映射。在運(yùn)行時間期間，可以計算在已知大小和方向的力下的組織變形，以反映物理上更加準(zhǔn)確的組織行為。
[0060]在步驟408，通過以與關(guān)節(jié)處的總施加扭矩成比例的量來調(diào)整支氣管通道連桿之間的每個關(guān)節(jié)，而計算支氣管通道的新的變形模型。
[0061]在步驟410，生成變形模型和導(dǎo)管的合成圖像，以準(zhǔn)確描繪導(dǎo)管在支氣管通道的分岔結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置。此外，隨著導(dǎo)管的尖端在變形模型中配準(zhǔn)到正確的連桿，正確的虛擬導(dǎo)航視圖可以從術(shù)前儲存的圖像中恢復(fù)。該過程可以從步驟402重復(fù)，直到導(dǎo)管在支氣管結(jié)構(gòu)內(nèi)到達(dá)其期望目標(biāo)。
[0062]在另一個實施例中，分岔的支氣管結(jié)構(gòu)的非靜態(tài)性質(zhì)可以在支氣管結(jié)構(gòu)的吸氣模型和呼氣模型中示出，其中吸氣模型對應(yīng)于支氣管結(jié)構(gòu)的吸入狀態(tài)，呼出模型對應(yīng)于支氣管結(jié)構(gòu)的呼出狀態(tài)。參考圖8，當(dāng)通道在吸氣和呼氣狀態(tài)之間調(diào)整時，已經(jīng)基于傳感器系統(tǒng)調(diào)整的導(dǎo)管的姿態(tài)、位置或取向可以進(jìn)一步被精確或扭曲(warped)到支氣管通道的形狀，反之亦然。圖8描繪了吸氣模型405和呼氣模型452。導(dǎo)管454最初基于傳感器系統(tǒng)定位，但是當(dāng)支氣管通道在吸氣和呼氣狀態(tài)之間移動時，導(dǎo)管454被調(diào)整以保持在支氣管通道的圖像內(nèi)。圖9為描述基于吸氣和呼氣狀態(tài)調(diào)整導(dǎo)管的方法的流程圖460。在步驟462，獲取導(dǎo)管的當(dāng)前形狀。在步驟464，將導(dǎo)管形狀匹配到在吸氣狀態(tài)下的支氣管通道的形狀。在步驟466，將導(dǎo)管形狀匹配到在呼氣狀態(tài)下的支氣管通道的形狀。在支氣管通道和導(dǎo)管的合成圖像中，對于每個呼氣和吸氣狀態(tài)，導(dǎo)管的圖像均維持在支氣管通道內(nèi)。該過程可以被重復(fù)，直到導(dǎo)管在支氣管結(jié)構(gòu)內(nèi)達(dá)到其期望目標(biāo)。在可替代的實施例中，該過程可以用于校正位于任何移動的解剖結(jié)構(gòu)中的任何器械的圖像，并且具體為在已知狀態(tài)之間重復(fù)交替的解剖結(jié)構(gòu)，諸如心臟或肺。例如，移動的解剖結(jié)構(gòu)可以是在心動周期的心臟舒張期和心臟收縮期之間交替的心臟。
[0063]在可替代的實施例中，器械或解剖通道可以通過使用三維形狀直方圖來建模，以執(zhí)行相似搜索。例如，可以開發(fā)度量標(biāo)準(zhǔn)以測量在兩個三維曲線之間的相似性。參考圖10，曲線500對應(yīng)于通過參考解剖結(jié)構(gòu)的測量的設(shè)備路徑，并且曲線502對應(yīng)于實際的解剖通道。對于在這些曲線上的每個點Pi,可以定義以下參數(shù):a)局部梯度，b)局部曲率，c)關(guān)于端點連接器的徑向角度位移，d)關(guān)于端點連接器的徑向距離，e)關(guān)于第三參考軸線504的徑向角度/位移。如圖11所示，直方圖505可以由以上參數(shù)中的每個創(chuàng)建。將該直方圖直接匹配，以創(chuàng)建用于每個曲線相似性的度量標(biāo)準(zhǔn)。
[0064]在另一個實施例中，使用度量標(biāo)準(zhǔn)將任意形狀的點集對齊到另一個點集，以測量匹配的數(shù)量。參考圖12，提供了兩個點集&和己。從Ps開始，計算相似性測量I Ss —τ I。相似性測量是在距參考點的距離上建立索引的一維直方圖。在參考點處的正切向量的值關(guān)于參考向量被儲存。優(yōu)化器被用來優(yōu)化在變換上的自由度，以在Ps和Pt之間的瞬間最大化相似性測量。
[0065]用于將柔性器械的至少一部分的圖像配準(zhǔn)到解剖系統(tǒng)圖像的可替代的系統(tǒng)和方法被公開在披露了“使用減小的搜索空間的醫(yī)療設(shè)備配準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法(Systems andMethods for Registrat1n of a Medical Device Using a Reduced Search Space)” 的美國專利申請(參考編號ISRG04290)和披露了 “使用快速姿態(tài)搜索的醫(yī)療設(shè)備配準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Registrat1n of a Medical Device Using RapidPose Search)”的美國專利申請(參考編號ISRG03740)中，以上兩個專利的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。通過引用的系統(tǒng)和方法被并入的方面可以與以上公開的系統(tǒng)和方法一起使用，以提供將柔性器械的至少一部分的圖像與解剖系統(tǒng)的圖像準(zhǔn)確配準(zhǔn)的可替代的方法。
[0066]盡管本文已經(jīng)關(guān)于遠(yuǎn)程操作手術(shù)系統(tǒng)或手動操作手術(shù)系統(tǒng)描述了配準(zhǔn)系統(tǒng)和方法，但這些配準(zhǔn)系統(tǒng)和方法將在各種醫(yī)療器械或非醫(yī)療器械中獲得應(yīng)用，否則在醫(yī)療器械或非醫(yī)療器械中準(zhǔn)確的器械圖像配準(zhǔn)就太耗費時間或者計算機(jī)處理太密集。
[0067]盡管本公開的系統(tǒng)和方法已經(jīng)示出用于在肺的連接支氣管通道中使用，但在包括結(jié)腸、腸、腎臟、大腦、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等的各種解剖系統(tǒng)中的任何一個中經(jīng)由自然的連接通道或手術(shù)創(chuàng)建的連接通道，它們也適合于其他組織的導(dǎo)航和處理。本公開的方法和實施例也適合于非手術(shù)應(yīng)用。
[0068]在該發(fā)明的實施例中的一個或多個元件可以以軟件實施，以在諸如控制系統(tǒng)116的計算機(jī)系統(tǒng)的處理器上執(zhí)行。當(dāng)以軟件實施時，該發(fā)明的實施例的元件本質(zhì)上為執(zhí)行必要任務(wù)的代碼段。程序或代碼段可以被存儲在處理器可讀存儲介質(zhì)或設(shè)備中，該程序或代碼段已經(jīng)通過計算機(jī)數(shù)據(jù)信號的方式被下載，其中計算機(jī)數(shù)據(jù)信號體現(xiàn)為在傳輸介質(zhì)或通信鏈路上的載波。處理器可讀存儲設(shè)備可以包括能夠儲存包括光介質(zhì)、半導(dǎo)體介質(zhì)和磁介質(zhì)信息的任何介質(zhì)。處理器可讀存儲設(shè)備示例包括電子電路、半導(dǎo)體設(shè)備、半導(dǎo)體存儲器設(shè)備、只讀存儲器(ROM)、閃存、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM);軟磁盤、CD-ROM、光盤、硬盤或其他存儲設(shè)備。代碼段可以經(jīng)由諸如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)等的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)下載。
[0069]注意，所提出的過程和顯示不可與任何特定的計算機(jī)或其他裝置內(nèi)在地相關(guān)。依照本文的教導(dǎo)，各種通用的系統(tǒng)可以與程序一起使用，或其可以證明便于構(gòu)建更專用的裝置，以執(zhí)行所描述的操作。用于各種這些系統(tǒng)的所需結(jié)構(gòu)在權(quán)利要求中將表現(xiàn)為元件。此夕卜，該發(fā)明的實施例未參考任何特定的編程語言描述。應(yīng)該清楚，如在本文所述的，各種編程語言均可以用于實施該發(fā)明的教導(dǎo)。
[0070]雖然已經(jīng)描述并且在附圖中示出了本發(fā)明的某些示例性實施例，但應(yīng)該明白，此類實施例僅為說明的目的而非限制廣泛的發(fā)明，并且由于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到各種其他的修改，所以本發(fā)明的實施例并非限于示出和描述的構(gòu)造和布置。
【權(quán)利要求】
1.一種用于估計解剖結(jié)構(gòu)的變形的方法，其包括: 從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)中生成至少一個解剖通道的第一模型； 確定安置在分岔的解剖通道內(nèi)的設(shè)備的形狀；以及 通過相對于所述設(shè)備的確定形狀調(diào)整所述第一模型，生成多個分岔的解剖通道的第二模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述設(shè)備的形狀包括接收來自光纖形狀傳感器的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述設(shè)備的形狀包括接收來自電磁傳感器的信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括將沿著所述設(shè)備的所述形狀的點的取樣擬合到所述第一模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括計算一組變形力，并且其中生成第二模型進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一組變形力調(diào)整所述第一模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括計算一組恢復(fù)力，并且其中生成第二模型進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一組恢復(fù)力調(diào)整所述第一模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括計算一組維持力，并且其中生成第二模型進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一組維持力調(diào)整所述第一模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其進(jìn)一步包括創(chuàng)建一組變形力、恢復(fù)力和維持力的加權(quán)和，并且其中生成所述第二模型的步驟包括以所述加權(quán)和來調(diào)整所述第一模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中生成第二模型的步驟包括以所述關(guān)節(jié)處的總施加扭矩所確定的量來調(diào)整在描繪的解剖通道之間的關(guān)節(jié)。
10.一種醫(yī)療系統(tǒng)，其包括: 包括形狀傳感器的柔性設(shè)備； 儲存描述患者解剖結(jié)構(gòu)的解剖數(shù)據(jù)的存儲器；以及 處理器，其被配置用于 從描述所述患者解剖結(jié)構(gòu)的存儲的解剖數(shù)據(jù)中生成多個分岔的解剖通道的第一模型； 接收來自所述形狀傳感器的信息，以確定安置在所述分岔的解剖通道內(nèi)的所述設(shè)備的形狀；以及 通過相對于所述設(shè)備的形狀調(diào)整所述第一模型，生成多個分岔的解剖通道的第二模型。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述形狀傳感器包括光纖形狀傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述形狀傳感器包括電磁傳感器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述處理器被進(jìn)一步配置用于將沿著所述設(shè)備的所述形狀的點的取樣擬合到所述第一模型。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述處理器被進(jìn)一步配置用于計算一組變形力，并且其中生成第二模型進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一組變形力調(diào)整所述第一模型。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述處理器被進(jìn)一步配置用于計算一組恢復(fù)力，并且其中生成第二模型進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一組恢復(fù)力調(diào)整所述第一模型。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述處理器被進(jìn)一步配置用于計算一組維持力，并且其中生成第二模型進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一組維持力調(diào)整所述第一模型。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述處理器被進(jìn)一步配置用于創(chuàng)建一組變形力、恢復(fù)力和維持力的加權(quán)和，并且其中生成所述第二模型的步驟包括以所述加權(quán)和來調(diào)整所述第一模型。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的醫(yī)療系統(tǒng)，其中所述處理器被進(jìn)一步配置成通過以所述關(guān)節(jié)處的總施加扭矩所確定的量來調(diào)整在描繪的解剖通道之間的關(guān)節(jié)，生成所述第二模型。
19.一種用于估計解剖結(jié)構(gòu)的變形的方法，其包括: 從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的存儲解剖數(shù)據(jù)中生成多個分岔的解剖通道的第一模型，其中存儲的解剖數(shù)據(jù)是在所述分岔的解剖通道處于交替運(yùn)動的第一狀態(tài)時記錄的； 從描述患者解剖結(jié)構(gòu)的存儲解剖數(shù)據(jù)中生成所述多個分岔的解剖通道的第二模型，其中所述存儲解剖數(shù)據(jù)是在所述分岔的解剖通道處于交替運(yùn)動的第二狀態(tài)時記錄的； 當(dāng)所述分岔的解剖通道處于所述第一狀態(tài)時，生成以第一形狀安置在所述多個分岔的解剖通道的所述第一模型內(nèi)的設(shè)備的第一圖像；以及 當(dāng)所述分岔的解剖通道處于所述第二狀態(tài)時，生成以第二形狀安置在所述多個分岔的解剖通道的所述第二模型內(nèi)的所述設(shè)備的第二圖像。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述分岔的解剖通道是支氣管通道，并且所述第一狀態(tài)為呼氣狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)為吸氣狀態(tài)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述分岔的解剖通道是心臟通道，并且所述第一狀態(tài)為心動周期的心臟舒張期，而所述第二狀態(tài)為心動周期的心臟收縮期。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述分岔解剖通道為心臟通道，并且所述第一狀態(tài)為肺呼氣的狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)為肺吸氣的狀態(tài)。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包括，當(dāng)所述分岔的解剖通道處于第三狀態(tài)時，生成以精確形狀安置在所述多個分岔的解剖通道的精確模型內(nèi)的設(shè)備的第三圖像，其中所述精確形狀通過將所述第一形狀和第二形狀結(jié)合獲得，并且所述精確模型通過將來自所述第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的所述存儲解剖數(shù)據(jù)結(jié)合獲得。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包括同時顯示所述第一模型和第二模型以及所述第一圖像和第二圖像。
【文檔編號】A61B18/00GK104427952SQ201380025063
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月14日
【發(fā)明者】V·多文戴姆, P·喬普拉, T·趙 申請人:直觀外科手術(shù)操作公司