CN109561832A - 使用软点特征来预测呼吸循环并改善端部配准的方法 - Google Patents

使用软点特征来预测呼吸循环并改善端部配准的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于使感兴趣的区域的管腔网络与所述感兴趣的区域的管腔网络的图像配准的方法。所述方法包括：基于所述感兴趣的区域的图像来生成所述感兴趣的区域的模型；确定所述感兴趣的区域中的软点的位置；在所述位置传感器在所述感兴趣的区域内进行导航时跟踪所述位置传感器的位置；比较所述感兴趣的区域内的所述位置传感器的所述跟踪位置；将所述位置传感器导航到所述软点；确认所述位置传感器位于所述软点处；以及基于所述软点处的所述位置传感器的所述跟踪位置来更新所述模型与所述感兴趣的区域的配准。

Description

使用软点特征来预测呼吸循环并改善端部配准的方法
背景技术
技术领域
本公开涉及利用患者身体的感兴趣的区域对运动建模，并且更具体地，涉及用于在整个呼吸循环内利用患者的真实特征来对感兴趣的区域的三维模型进行自动配准和更新的装置、***和方法。
相关领域
用于检查患者气道的常见装置是支气管镜。通常，支气管镜通过患者的鼻腔或口腔***患者的气道中并且可以延伸到患者的肺中。典型的支气管镜包括：细长柔性管，其具有用于照明支气管镜尖端远侧区域的照明组件；成像组件，其用于提供来自支气管镜尖端的视频图像；以及工作通道，可以通过该工作通道***器械(例如，诊断仪器(诸如活检工具)、治疗仪器)。
然而，由于支气管镜的大小，支气管镜在通过气道前进的程度有限。在支气管镜太大而无法到达肺深处的靶标位置的情况下，临床医生可以利用某些实时成像模态，诸如荧光镜检查。虽然有用，但荧光镜图像在导航方面存在某些缺点，因为通常难以将管腔通道与实体组织区分开。此外，由荧光镜检查生成的图像是二维的，而导航患者的气道需要具有三维操纵的能力。
为了解决这些问题，已经开发了通常能够根据一系列计算机断层摄影(CT)图像形成气道或其他管腔网络的三维模型的***。已经开发出一种这样的***作为目前由Medtronic PLC销售的ELECTROMAGNETIC NAVIGATION (ENBTM)***的一部分。在标题为“ENDOSCOPE STRUCTURES AND TECHNIQUES FORNAVIGATING TO A TARGET IN BRANCHED STRUCTURE”的由Gilboa于2004年3月29日提交的共同转让的美国专利No.7,233,820以及标题为“SYSTEM AND METHOD FOR NAVIGATINGWITHIN THE LUNG”的Brown的共同转让的美国专利申请序列号13/836,203中描述了这样的***的细节，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。
尽管美国专利No.7,233,820中描述的***非常有能力，但始终需要开发对这种***的改进和添加。
发明内容
根据本公开，提供了一种将感兴趣的区域与感兴趣的区域的图像配准的方法。在本公开的一个方面，该方法包括：基于感兴趣的区域的图像来生成感兴趣的区域的模型；确定感兴趣的区域中的软点的位置；在位置传感器在感兴趣的区域内导航时跟踪位置传感器的位置；比较感兴趣的区域内的位置传感器的跟踪位置；将位置传感器导航到软点；确认位置传感器位于软点处；以及基于软点处的位置传感器的跟踪位置来更新模型与感兴趣的区域的配准。
在本公开的又一方面，该方法还包括显示在感兴趣的区域内导航位置传感器的指导。
在本公开的再一方面，该方法还包括显示在感兴趣的区域内用于导航位置传感器的指导。位置传感器包括磁场传感器，该磁场传感器被配置为感测磁场并响应于感测的磁场而生成位置信号。
在本公开的另一方面，确认位置传感器位于软点处包括使用CT、超声波或弹性成像对软点进行成像。
在本公开的又一方面，该方法还包括：识别患者身上的静态点；比较患者身上的软点与静态点的位置；以及基于软点的跟踪位置与静态点的比较来更新模型与感兴趣的区域的配准。
在本公开的另一方面，静态点是椎体、主要隆突、胸骨、甲状软骨、肋骨或食道。
在本公开的另一方面，感兴趣的区域是患者的气道，并且该模型是患者气道的模型。
在本公开的又一方面，该方法还包括：生成患者潮气量呼吸运动数据；将患者潮气量呼吸运动数据与呼吸循环内的位置传感器运动进行比较；以及基于患者潮气量呼吸运动数据与呼吸循环内的位置传感器的比较来更新模型与感兴趣的区域的配准，以进一步增强传感器或工具的配准和定位以及其在感兴趣的区域的位置。
在本公开的又一方面，该方法还包括将第二位置传感器放置在患者胸部上并随时间跟踪第二传感器的位置。
在本公开的另一方面，该方法还包括从大致平行于患者***线的位置对患者的胸部进行成像，并随时间监视患者胸部边缘的位置。
在本公开的另一方面，位置传感器导航通过管腔网络。
在本公开的又一方面，位置传感器在导航通过管腔网络之后，进一步导航通过管腔网络中的壁。
在本公开的又一方面，位置传感器经皮导航进入并通过感兴趣的区域到达软点。
根据本公开，提供了一种将感兴趣的区域与感兴趣的区域的模型配准的***。在本公开的一个方面，该***包括：位置传感器，其能够在患者体内的感兴趣的区域内进行导航；电磁场发生器，其配置为在位置传感器在感兴趣的区域内进行导航时检测位置传感器的位置；监视器，其配置为确定外部患者运动；显示器，其能够在软点内显示位置传感器的图像；以及计算装置，其包括处理器和存储器。该存储器存储指令，所述指令当由处理器执行时，使得计算装置：基于感兴趣的区域的图像来生成感兴趣的区域的模型；识别感兴趣的区域的模型内的软点；显示用于使位置传感器在感兴趣的区域内进行导航的指导；在位置传感器在感兴趣的区域内进行导航时，跟踪位置传感器的位置；在传感器位于软点处时，将感兴趣的区域内的位置传感器的跟踪位置和外部患者运动进行比较；以及在位置传感器处于软点处时，基于位置传感器的跟踪位置和外部患者运动的比较来更新模型与感兴趣的区域的配准。
在本公开的又一方面，感兴趣的区域是患者的气道，并且该模型是患者气道的模型。
在本公开的又一方面，所述指令，当由处理器执行时，进一步使得计算装置：识别患者身上的已知静态点；将患者胸部周围的已知软点的位置与已知静态点进行比较；以及基于软点的跟踪位置与静态点的比较来更新模型与感兴趣的区域的配准。
在本公开的另一方面，静态点在椎体、主要隆突、肋骨、胸骨、甲状软骨或食道上。
在本公开的又一方面，将所比较的感兴趣的区域内的位置传感器的跟踪位置和外部患者运动保存在数据库中，以根据患者特征来生成预测模型。
任何以上本公开的方面和实施方案均可在不脱离本公开的范围的情况下进行组合。
附图说明
下文参考附图描述了本公开的多个方面和特征，其中：
图1是根据本公开的电磁导航***的透视图；
图2是根据本公开的实施方案提供的示出了一种使用软点来改进管腔网络与管腔网络的模型的配准的方法的流程图。
图3是根据本公开的实施方案提供的示出了一种使用软点和潮气量计算来改进管腔网络与管腔网络的模型的配准的方法的流程图。
图4是根据本公开的实施方案提供的示出了一种使用软点和静态点来改进管腔网络与管腔网络的模型的配准的方法的流程图。
图5A是根据本公开的实施方案的靶标管理模式的图形说明；
图5B是根据本公开的实施方案的靶标管理模式的后续图形说明；
图6是图7的工作站的用户界面的图示，其呈现用于执行导航到靶标的视图，进一步呈现中央导航选项卡；
图7是被配置用于与图1的***一起使用的工作站的示意图。
具体实施方式
本公开涉及用于执行支气管树的局部配准以改善初始配准并更好地描绘因患者呼吸引起的患者气道和肺运动的装置、***和方法。本公开的局部配准方法涉及：将传感器导航到软点靶标；利用成像***确认传感器的位置；以及发起跟踪协议以在一定时间段诸如包含呼吸循环的时段内跟踪传感器的位置。随着时间的推移，传感器的跟踪位置允许各种点相对于支气管树的先前成像和先前模型配准的局部配准。
参考图1，提供了根据本公开的电磁导航(EMN)***10。可使用EMN***10执行的其它任务包括：规划通向靶标组织的路径；将导管组件导航到靶标组织；将活检工具或治疗工具诸如消融导管导航到靶标组织以使用活检工具从靶标组织获得组织样本；以数字方式标记获得了组织样本的位置；以及将一个或多个回声标记物置于靶标组织处或周围。
EMN***10通常包括：手术台40，该手术台被构造成支撑患者；支气管镜50，该支气管镜被构造用于经患者口腔和/或鼻腔***到该患者的气道中；监测设备60，该监测设备耦接到支气管镜50以用于显示从支气管镜50接收的视频图像；跟踪***70，该跟踪***包括跟踪模块72、多个参照传感器74和电磁场发生器76；工作站80，该工作站包括用于促进路径的规划、靶标组织的识别、靶标组织的导航以及活检位置的数字方式标记的软件和/或硬件。
图1还示出了两种类型的导管引导组件90、100。这两个导管引导组件90、100均可与EMN***10一起使用，并且共享多个共同的部件。每个导管引导组件90、100都包括柄部91，该柄部连接到延长的工作通道(EWC)96。EWC96的尺寸为适于安放在支气管镜50的工作通道中。在工作时，可定位引导件(LG)92(包括电磁(EM)传感器94)被***到EWC 96中并锁定到适当位置使得EM传感器94延伸超出EWC 96的远侧末端93一段需要的距离。EM传感器94以及因此EWC 96的远侧端部在由电磁场发生器76产生的电磁场内的位置可以由跟踪模块72和工作站80导出。导管引导组件90、100具有不同的操作机制，但每个导管引导组件包含柄部91，该柄部可通过旋转和施压操纵以引导LG 92和EWC 96的远侧末端93。导管引导组件90是目前由Covidien LP以名称手术工具包交易和销售的那些。类似地，导管引导组件100目前由Covidien LP以名称EDGETM手术工具包销售。两种工具包均包括柄部91、EWC 96和LG 92。有关导管导引组件90、100的更具体的描述，可参考标题为“MICROWAVE ABLATION CATHETER AND METHOD OF UTILIZING THE SAME”的由Ladtkow等人于2013年3月15日提交的共同所有的美国专利申请序列No.13/836,203，其全部内容以引用方式并入本文。
如图1所示，其示出患者躺在手术台40上，其中支气管镜50通过患者的口腔***并进入患者的气道。支气管镜50包括光源和视频成像***(未明确显示)并被联接到监测设备60，例如，视频显示，用于显示接收自支气管镜50的视频成像***的视频图像。
导管引导组件90、100(包括LG 92和EWC 96)被配置为用于经支气管镜50的工作通道***到患者气道中(但另选地该导管引导组件90、100也可在没有支气管镜50的情况下使用)。LG92和EWC96可相对彼此通过锁定机构99选择性地锁定。六自由度电磁跟踪***70，例如与在标题为“WIRELESS SIX-DEGREE-OF-FREEDOM LOCATOR”的由Gilboa于1998年12月14日提交的美国专利No.6,188,355以及标题为“INTRABODY NAVIGATION SYSTEM FORMEDICAL APPLICATIONS”的由Gilboa等人于1999年7月7日提交的已公布的PCT申请WO2000/10456和标题为“OBJECT TRACKING USING A SINGLE SENSOR OR A PAIROF SENSORS”的由Gilboa等人于2001年9月3日提交的WO2001/67035中的那些类似(这些专利各自的全部内容以引用方式并入本文)，或任何其他合适的定位测量***，用于执行导航，但还可想到其他配置。如下详述，跟踪***70被配置用于与导管导引组件90、100一起使用以跟踪EM传感器94的位置(当其与EWC 96联动通过患者气道时)。
如图1所示，电磁场发生器76设置在患者下方。电磁场发生器76和多个参考传感器74与跟踪模块72互连，从而获得每个参考传感器74的位置。一个或多个参照传感器74附接到患者的胸部。一个或多个参考传感器74也可附接到多个位置，包括以下静止点处的那些位置：诸如例如椎体、主要隆突、胸骨、甲状软骨、肋骨、食道等；或软点，诸如***线、食道、肋骨轮廓、次要隆突等。
参考传感器74的坐标被发送到包括应用程序81的工作站80，该应用程序使用由传感器74收集的数据来计算患者参照坐标系。
图1中还示出了导管活检工具102，该导管活检工具可在导航到靶标并移除LG 92后***导管引导组件90、100中。活检工具102用于从靶标组织收集一个或多个组织样本。如下所述，活检工具102进一步被构造用于与跟踪***70结合使用，以便于将活检工具102导航到靶标组织、跟踪活检工具102相对于靶标组织***纵的位置以获得靶标样本和/或标记获得靶标样本的位置。
尽管上文相对于EM传感器94包括在LG 92中详述了导航，但也设想了EM传感器94可嵌入或结合到活检工具102中，其中活检工具102可另选地用于导航而无需LG 92或使用LG 92所要求的必要的工具交换。在标题均为“DEVICES,SYSTEMS,AND METHODS FORNAVIGATING A BIOPSY TOOL TO A TARGET LOCATION AND OBTAINING A TISSUE SAMPLEUSING THE SAME”的由Costello等人分别于2015年5月21日和2015年9月24日提交的公布号US 2015/0141869和US 2015/0265257中，以及在具有相同标题并且由Costello等人于2014年9月30日提交的公布No.WO2015076936中描述了多种可用活检工具，其全部内容通过引用并入本文并且可与如本文所述的EMN***10一起使用。
在过程规划期间，工作站80利用计算机断层摄影(CT)图像数据来生成和查看患者气道的3D模型，使得能够在3D模型上(自动、半自动或手动地)标识靶标组织，并且允许选择经过患者气道到达靶标组织的路径。更具体地讲，CT扫描被处理并组装成3D体，然后用来生成患者气道的3D模型。该3D模型可以在与工作站80相关联的显示监视器上呈现，或以任何其他合适的方式提供。使用工作站80，3D体的各个切片和3D模型的视图可以呈现，并且/或者可以由临床医生操纵，以利于识别靶标和选择通过患者的气道进入靶标组织的合适路径。该3D模型也可以显示先前执行活检的位置的标记，包括日期、时间和关于所获得组织样品的其他识别信息。也可以将这些标记选择为靶标，可以规划通向该靶标的路径。一旦选定，便保存该路径以便在导航过程期间使用。合适的路径规划***和方法的示例在以下各项公布中进行了描述：No.US 2014/0281961；No.US 2014/0270441；以及No.US 2014/0282216，全部标题为“PATHWAY PLANNING SYSTEM AND METHOD”，由Baker于2014年3月15日提交，其全部内容以引用方式并入本文。在导航期间，EM传感器94结合跟踪***70，使得能够在EM传感器94或活检工具102前进通过患者的气道时，跟踪EM传感器94和/或活检工具102。
现在参考图2，示出了用于更新3D模型与患者气道的配准的示例方法的流程图。如上所述，在步骤202处，使用成像方法(诸如例如，CT扫描)对患者的感兴趣的区域(例如，胸和肺)进行成像。在步骤204处，在步骤202中生成的图像中识别靶标。一旦建立了靶标，则在步骤206处，在CT图像数据中生成通过气道分支到靶标的路径。一旦开发了路径规划并且临床医生接受了路径规划，则可以在使用EMN***10的导航过程中利用路径规划。将路径规划加载到工作站80上的应用程序中并显示。然后，在步骤208处，应用程序81执行CT扫描与患者气道的配准，如上所述并且具体地讲如标题为“REAL TIME AUTOMATIC REGISTRATIONFEEDBACK”的由Brown等人于2015年7月2日提交的共同未决的美国专利申请No.14/790,581中所述，其全部内容通过引用并入本文。在配准期间，跟踪EM传感器94在患者气道内的位置，并且生成表示由EM发生器76生成的EM场内的EM传感器94的位置的多个点。当已经收集了足够的点时，应用程序81将这些点的位置与3D模型进行比较，并试图使所有这些点配合在3D模型的管腔内。当建立了配合时，表示大多数(如果不是所有的点)都配合在由气道的3D模型定义的区域内，患者和3D模型彼此配准。因此，可以在工作站80的显示器上准确地描绘检测到的EM传感器94在患者体内的运动，作为穿过3D模型或由其生成3D模型的2D图像的传感器94。
在步骤210处，医生或应用程序81可以识别一个或多个软点靶标，例如***线、食道、肋骨轮廓、次要隆突等。一旦建立了软点，则在步骤212处，由应用程序81在CT图像数据中生成通向靶标的路径。该路径可以提供将EM传感器通过肺的支气管网络导航到软点或软点附近的指导。该路径然后可以进一步提供EM传感器从软点附近的位置，通过肺的支气管壁引导到位于支气管树外但在支气管树附近的软点。在替代方案中，该路径可以提供使EM传感器经由患者的皮肤经皮***到软点的位置的指导，而存在或不存在通过支气管树的额外引导。在开发了路径规划并且临床医生接受了路径规划后，可以在使用EMN***10的导航过程中利用路径规划。应用程序81在步骤214处通过以下操作开始导航过程：显示在跟踪EM传感器94的位置时，用于导航接近软点靶标(诸如，***线、食道、肋骨轮廓、次要隆突等)的EM传感器的指导。在替代方案中，通过查看来自位于EM传感器94附近的相机(例如，在支气管镜中)的实况视频输入，可以由临床医生在视觉上检测软点靶标。此后，在步骤216处，临床医生或应用程序81可以确定传感器是否位于确定的软点靶标附近。除非临床医生或应用程序81确定EM传感器94接近软点靶标，否则处理返回到步骤214，其中显示进一步的指导。
在步骤218处，在EM传感器94位于软点附近时，使用例如CT成像、锥形束CT成像或超声成像对软点靶标进行成像。通过使用在步骤218中生成的图像，在步骤220处，临床医生或应用程序81确认EM传感器94在软点处的位置。如果确定EM传感器94不在软点靶标处，则处理返回到步骤214，其中显示进一步的指导。如果确认EM传感器94接近软点，则处理进行到步骤222。
在步骤222处，应用程序81使用表示EM传感器94的位置的所存储的点来执行局部配准，以在患者的气道接近软点靶标的情况下更新3D模型。例如，可基于一系列插值技术诸如薄板样条(TPS)插值来执行局部配准。在实施方案中，TPS插值可以用于对表示EM传感器94在由EM发生器76生成的EM场内的位置的点(所述点在与3D的模型的自动配准期间存储)的非刚性配准，并且可以通过在局部配准期间存储的附加点来扩增。
在步骤224处，如果未剩余要对其执行局部配准的软点靶标，则应用程序81或临床医生确定更新配准完成。如果更新配准未完成，则处理返回到步骤214，其中应用程序81显示用于导航接近下一个软点靶标的EM传感器94的指导。如果更新配准完成，则处理结束。
转向图3，示出了一种用于更新3D模型与患者气道的配准的示例方法的另一流程图。在步骤302处，应用程序81显示用于在跟踪EM传感器94的位置时，使接近软点靶标(诸如，***线、食道、肋骨轮廓、次要隆突等)的EM 94传感器导航通过管腔网络、通过管腔网络的壁或经皮通过患者皮肤的指导。在替代方案中，通过查看来自位于EM传感器94附近的相机(例如，在支气管镜中)的实况视频输入，可以由临床医生在视觉上检测软点靶标。此后，在步骤304处，临床医生或应用程序81确定EM传感器94是否接近软点靶标。如果否，则处理返回到步骤302，其中应用程序81恢复显示用于导航接近软点靶的EM传感器94的指导。如果是，则处理进行到步骤306。
在步骤306处，在EM传感器94位于软点附近时，使用例如CT成像、锥形束CT成像或超声成像对软点靶标进行成像。通过使用在步骤306中生成的图像，在步骤308处，临床医生或应用程序81可以确认EM传感器94在软点处的位置。在确认EM传感器94是否位于软点时，步骤406中生成的图像可以显示在显示器706上(图7)。如果确定EM传感器94不在软点靶标处，则处理返回到步骤302，其中显示进一步的指导。如果确认EM传感器94接近软点，则处理进行到步骤310。
在步骤310处，在患者呼吸循环的一个或多个循环中对由潮气量呼吸引起的患者胸部的运动进行采样。可以使用一个或多个光学相机对由潮气量呼吸引起的运动进行采样，所述光学相机被定位以查看和记录患者胸部的运动。患者胸部的运动可用于估计潮气呼吸引起的运动。在替代方案中，可以对传感器74进行采样以确定患者的潮气呼吸期间患者胸部的运动。类似地，使用传感器74感测到的患者胸部的运动可以用于估计潮气呼吸引起的运动。
在步骤312处，应用程序81从EM传感器94接收患者的潮气量运动数据和位置数据，并使数据集关联。通过使数据集关联，本公开试图将观察到的胸部运动分配给EM传感器94的运动。也就是说，如果观察到胸部在一个方向上(例如，垂直于脊柱的纵向轴线)移动一定距离，则可以确定在EM传感器94附近的肺气道中可以观察到的运动的大小。应用程序81根据接收到数据点的时间来保存数据并将患者的流量呼吸运动数据与来自EM传感器94的位置数据关联。
保存的数据可以被传输并保存到更大的数据库中，并与来自其他患者的类似保存数据集合在一起，以便在将来的过程中使用。该数据库还包括每个患者的其他因素，诸如身高、体重、性别、性别、呼气峰值流速和用力呼气量。通过分析保存在数据库上的多个患者的保存数据，可以生成预测模型以确定靶标在肺内的可能位置或者更新患者肺的模型而无需执行侵入性操作。预测模型可以进一步结合其他因素以在整个呼吸循环中形成运动的综合估计。
在实践中，医生对患者的肺进行CT扫描并生成模型。然后，医生使用例如一个或多个光学相机来对由潮气量呼吸引起的运动进行测量并生成数据，所述一个或多个光学相机被定位以查看和记录患者胸部的运动。最后，将测量的运动数据和患者的附加因素输入预测模型中，以便生成肺内的点的预测估计或以改善整个呼吸循环中CT扫描中生成的模型。
在步骤314处，应用程序81使用关联的潮气运动量数据和EM传感器94位置数据来执行局部配准，以在患者的气道接近软点靶标的情况下更新3D模型。例如，可基于一系列插值技术诸如薄板样条(TPS)插值来执行局部配准。在实施方案中，TPS插值可以用于对表示EM传感器94在由EM发生器76生成的EM场内的位置的点(所述点在与3D的模型的自动配准期间存储)的非刚性配准，并且可以通过在局部配准期间存储的附加点来扩增。作为步骤312中的关联和步骤314中的配准更新的结果，检测到的EM传感器94的运动(其将以其他方式在静态CT图像或者从其导出的3D模型的显示器上进行描绘)被修改以更准确地显示EM传感器94以及它操作地连接到的任何工具在患者气道内的位置。在没有这种关联和局部配准的情况下，在患者呼吸循环的某些部分期间，EM传感器94的检测位置可能看起来在患者的气道之外。
在步骤316处，将更新的配准结合到模型中并且显示指导以使医生能够导航到治疗靶标。在到达治疗靶标时，在步骤318处，执行过程。更新的配准提供了治疗靶标的位置的更准确表示。配准的所有更新都作为后台进程执行，因为用户仅查看更新的配准的结果。
在步骤320处，应用程序81或临床医生确定是否存在另外的治疗靶标。如果剩余治疗靶标，则处理返回到步骤302，其中应用程序81显示用于在下一个治疗靶标附近导航接近下一个软点的EM传感器94的指导。如果没有剩余治疗靶标，则该过程完成并且处理结束。
现在参考图4，示出了用于更新3D模型与患者气道的配准的示例方法的流程图。如上所述，在步骤502处，使用成像方法(诸如例如，CT扫描)对患者的感兴趣的区域(例如，胸和肺)进行成像。在步骤404处，应用程序81显示用于执行CT扫描与患者气道的配准的指导，如上所述。在配准期间，跟踪EM传感器94在患者气道内的位置，并且存储表示由EM发生器76生成的EM场内的EM传感器94的位置的多个点。
在步骤406处，医生或应用程序81可识别一个或多个软点靶标，诸如例如***线、食道、肋骨轮廓、次要隆凸等。应用程序81通过以下操作来开始局部配准过程：显示用于在跟踪EM传感器94的位置时，使接近软点靶标(例如，***线、食道、肋骨轮廓、次要隆突等)的EM 94传感器导航通过管腔网络、通过管腔网络的壁或经皮通过患者皮肤的指导。在替代方案中，通过查看来自位于EM传感器94附近的相机(例如，在支气管镜中)的实况视频输入，可以由临床医生在视觉上检测软点靶标。此后，在步骤408处，临床医生或应用程序81可以确定传感器是否位于确定的软点靶标附近。如果临床医生或应用程序81确定EM传感器94不接近软点靶标，则处理返回到步骤406，其中显示进一步的指导。
在步骤410处，在EM传感器94位于软点附近时，使用例如CT成像、锥形束CT成像或超声成像对软点靶标进行成像。通过使用在步骤410中生成的图像，在步骤412处，临床医生或应用程序81可以确认EM传感器94在软点处的位置。如果确定EM传感器94不在软点靶标处，则处理返回到步骤406，其中显示进一步的指导。如果确认EM传感器94接近软点，则处理进行到步骤414。
在步骤414处，在患者呼吸循环的一个或多个循环中对由潮气量呼吸引起的患者胸部的运动进行采样。可以使用一个或多个光学相机对由潮气量呼吸引起的运动进行采样，所述光学相机被定位以查看和记录患者胸部的运动。患者胸部的运动可用于估计潮气呼吸引起的运动。在替代方案中，可以对传感器74进行采样以确定患者的潮气呼吸期间患者胸部的运动。类似地，使用传感器74感测到的患者胸部的运动可以用于估计潮气呼吸引起的运动。
在步骤416处，临床医生或应用程序81可以识别静态点，即在患者呼吸循环期间最小程度移动的点，诸如例如椎体、主要隆突、甲状软骨或食道。这些静态点中的许多将出现并且将在初始CT扫描和3D生成模型上可识别且可测量。可以利用放置在所识别的静态点上或附近的传感器74来监视其他静态点。在步骤418处，在患者的呼吸循环的一个或多个循环中对患者的潮气量运动数据进行采样。
在步骤420处，应用程序81在患者的整个呼吸循环中从EM传感器94接收位置数据。使用在步骤414中激活的潮气量监视器确定并监视患者的呼吸循环，并在步骤418中对其进行采样。来自EM传感器94的位置数据被转换成3D模型内的位置数据，并且通过应用程序81与所识别的静态点的位置进行比较，以确定整个呼吸循环中软点相对于静态点的位置。可以使用例如三角形划分来确定静态点的相对位置。可能的三角形划分方法包括例如直接线性变换、欧几里德距离的中点确定、基本矩阵变换以及通过根据欧几里得平面中的一组点确定各种可能三角形的最小权重而执行的最佳三角形划分。相对软点位置被存储为表示EM传感器94的位置的软点数据。
在步骤422处，应用程序81使用表示EM传感器94的位置的软点位置数据来执行局部配准，以在患者的气道接近软点靶标的情况下更新3D模型。例如，可基于一系列插值技术诸如薄板样条(TPS)插值来执行局部配准。在实施方案中，TPS插值可以用于对表示EM传感器94在由EM发生器76生成的EM场内的位置的点(所述点在与3D的模型的自动配准期间存储)的非刚性配准，并且可以通过在局部配准期间存储的附加点来扩增。
在步骤424处，应用程序81或临床医生确定在没有剩余软点靶标尚未执行局部配准的情况下，更新配准是否完成。如果更新配准未完成，则处理返回到步骤406，其中应用程序81显示用于导航接近下一个软点靶标的EM传感器94的指导。如果更新配准完成，则局部配准更新处理结束。
图5A和图5B示出了根据本公开的实施方案的用户界面716可以在显示器706(图7)上呈现的各种窗口。显示器706可以基于内窥镜导航***10的操作模式(诸如例如，靶管理模式、路径规划模式和导航模式)来呈现特定窗口。
图5A和图5B还示出了根据本公开的实施方案的靶标管理模式。在识别靶标之后，临床医生可以检查并管理以对每个靶标的位置或大小区分优先级或进行确认。靶标管理模式可以包括3D图窗口510和三个窗口，该三个窗口包括轴向视图窗口530、冠状视图窗口550和矢状视图窗口570。3D图窗口510可以位于左侧并且示出靶标215。基于靶标的位置选择三个窗口530、550和570。
图5A示出了初始配准之后的可能界面显示。初始配准允许医生创建导航计划以导航到治疗靶标附近的软点。在到达软点并在现场执行图2至图4中描述的任何局部配准方法时，3D图视图510、轴向视图窗口530、冠状视图窗口550和矢状视图窗口570自动更新。图5B示出了局部配准之后的更新显示(图5A和图5B仅为了说明目的而与图形形成鲜明对比)。当医生使用2D或3D显示器510、530、550和570中的任一个进行导航时，显示器进一步自动更新，以便在呼吸循环期间患者的胸部移动时呈现稳定的图像。从医生的角度看，显示器的更新将保持不变，从而允许医生以稳定和准确的视图导航和应用治疗。
在导航期间，用户界面716(图7)还可以向医生呈现视图650，如例如图6所示。视图650向临床医生提供用于导航到靶标(诸如软点靶标或治疗靶标)的用户界面，包括中央导航选项卡654、周边导航选项卡656和靶标对准选项卡658。中央导航选项卡654主要用于引导支气管镜50通过患者的支气管树。周边导航选项卡456主要用于将EWC 96、EM传感器94和LG 92朝向靶标(包括软点靶标和治疗靶标)引导。靶标对准选项卡658主要用于验证在LG92已使用周边导航选项卡656导航到靶标后，LG 92与靶标对准。视图650还允许临床医生通过激活靶标选择按钮660来选择靶标652进行导航。
每个选项卡654、656和658都包括多个窗口662，该多个窗口帮助临床医生导航到软点靶标。要呈现的窗口662的数量和配置可由临床医生在导航之前或期间通过激活“选项”按钮664来配置。每个窗口662中显示的视图也可由临床医生通过激活每个窗口662的显示按钮666来配置。例如，激活显示按钮666向临床医生呈现视图列表以供临床医生选择，包括支气管镜视图670、虚拟支气管镜视图672、3D图动态视图682、MIP视图(未示出)、3D图静态视图(未示出)、矢状CT视图(未示出)、轴向CT视图(未示出)、冠状CT视图(未示出)、尖端视图(未示出)、3D CT视图(未示出)和对准视图(未示出)。
支气管镜视图670向临床医生呈现从支气管镜50所接收的实时图像，如例如图6所示。当支气管镜50朝向靶标在患者的气道中进行导航时，支气管镜视图670允许临床医生实时地在视觉上观察患者的气道。
虚拟支气管镜视图672向临床医生呈现从加载的导航计划的3D体生成的患者气道壁的3D渲染674，如例如图6所示。虚拟支气管镜视图672还向临床医生呈现导航路径676，该导航路径提供临床医生行进以到达靶标将需要沿着的方向的指示。导航路径476可以与3D渲染674形成对比的颜色或形状呈现，使得临床医生可以容易地确定期望的行进路径。
3D图动态视图682呈现从加载的导航规划的3D量生成的患者气道的动态3D模型684。动态3D模型684包括突出显示部分686，该突出显示部分指示临床医生行进以到达靶标将需要沿着的气道。动态3D模型684的取向基于患者气道内的EM传感器94的移动自动更新，以为临床医生提供动态3D模型684的视图，该动态3D模型相对不受不在通向靶标的路径上的气道分支的阻碍。如上所述，3D图动态视图682还向临床医生呈现虚拟探针679，其中当临床医生使LG 92行进通过对应的患者气道时，虚拟探针679旋转并移动通过动态3D模型684中呈现的气道。
在执行图2至图4所示的任何配准更新方法之后，程序81根据整个呼吸循环中的更新配准来控制支气管镜视图670、虚拟支气管镜视图672、3D图动态视图682。当患者的胸部在呼吸循环期间移动时，更新的配准考虑了移动以便显示稳定的支气管镜视图670、虚拟支气管镜视图672和3D图动态视图682。稳定的视图允许临床医生将EWC 96、EM传感器94和LG92朝向治疗靶标或另外的配准靶标导航，而不会连续破坏性的胸部运动导致视图不稳定。因此，临床医生被提供有更多控制和更简单的用户体验，其将EWC 96、EM传感器94和LG 92导航到治疗靶标。
当达到治疗靶标时，可以引导导管活检工具102通过EWC 96和LG 92，使得可以在治疗靶标处提供治疗。在靶标处，改进的局部配准允许在整个呼吸循环中实时更准确地跟踪靶标。当执行该过程时，更新的配准允许医生在治疗靶标处维持治疗并避免对可能受到不利影响的健康组织进行不需要的治疗。
另外，改进的局部配准还改善了对气道外部的治疗靶标的治疗应用。可以将进入工具引导通过EWC 96或LG 92到达治疗靶标或活检靶标附近的位置。在治疗靶标附近时，改进的局部配准允许在整个呼吸循环中通过气管支气管壁的壁实时更准确地跟踪靶标。当进入工具刺穿气管支气管壁以提供进入治疗靶标的通路时，靶标的改进的跟踪降低了对支气管树损伤增加的风险。
改进的局部配准进一步有助于经皮导航和接近计划。改进的局部配准通知靶标的位置以及整个呼吸周期中其他内部身体特征的位置。然后，医生或应用程序81可以确定用于引导经皮针的路径，以避免刺穿内部身体特征，同时创建通向治疗靶标的准确路径以在整个呼吸循环中应用治疗。
现在转向图7，其显示了工作站80的***图。工作站80可包括：存储器702、处理器704、显示器706、网络接口708、输入装置710和/或输出模块712。
存储器702包括可由处理器704执行的用于存储数据和/或软件的任何非暂态计算机可读存储介质，其控制着工作站80的运行。在实施方案中，存储器702可包括一个或多个固态存储装置，诸如闪存存储器芯片。作为另外一种选择，或除了所述一个或多个固态存储装置之外，存储器702可包括一个或多个大容量存储装置，该一个或多个大容量存储装置通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线(未示出)连接至处理器704。虽然本文所述的计算机可读介质是指固态存储器，但本领域的技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是可以通过处理器704访问的任何可用介质。也就是说，计算机可读存储介质包括以任何方法或技术实现的用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的非暂态、易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。例如，计算机可读存储介质包括：RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储器、磁带、磁条、磁盘存储器或其他磁存储装置、或可以用于存储所需信息并可以通过工作站80访问的任何其他介质。
存储器702可存储应用程序81和/或CT数据214。当由处理器704执行时，应用程序81可使得显示器706提供用户界面716。网络接口708可被配置为连接至网络，诸如由有线网络和/或无线网络组成的局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络以及/或者互联网。输入装置710可以是临床医生可与工作站80进行交互的任何装置，诸如例如，鼠标、键盘、脚踏板、触摸屏以及/或者语音界面。输出模块712可包括任何连接端口或总线，诸如例如，并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域的技术人员已知的任何其他类似的连接端口。
尽管在附图中已经示出了本公开的若干实施方案，但是本公开不旨在限于此，因为本公开旨在与本领域所允许的范围那样宽泛，并且旨在同样宽泛地阅读说明书。因此，以上说明不应理解为限制性的，而是仅作为具体实施方案的例示。本领域的技术人员能够设想在本文所附权利要求书的范围和实质内的其他修改。
此类装置、包含此类装置的***以及其使用方法的具体实施方案如本文所述。然而，这些具体实施方案仅仅是本公开的示例，其可能以多种形式体现。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节不应理解为限制性的，而仅仅是权利要求书的基础，并作为具有代表性的基础用于允许本领域技术人员以基本上任何合适的具体结构运用本公开。尽管上述示例实施方案涉及患者气道的支气管镜，但本领域技术人员将认识到，相同或类似的装置、***和方法也可用于其他管腔网络，诸如例如，脉管网络、淋巴网络和/或胃肠道网络。

Claims (7)

1.一种用于使感兴趣的区域与所述感兴趣的区域的模型配准的***，所述***包括：
位置传感器，所述位置传感器能够在患者体内的所述感兴趣的区域内被导航；
电磁场发生器，所述电磁场发生器被配置为在所述位置传感器在所述感兴趣的区域内被导航时检测所述位置传感器的位置；
监视器，所述监视器被配置为确定外部患者运动；
显示器，所述显示器能够显示所述位置传感器在软点内的图像；以及
计算装置，所述计算装置包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时使得所述计算装置：
基于所述感兴趣的区域的图像来生成所述感兴趣的所述区域的模型；
识别所述感兴趣的区域的所述模型内的软点；
显示用于在所述感兴趣的区域内导航所述位置传感器的指导；
在所述位置传感器在所述感兴趣的区域内被导航时，跟踪所述位置传感器的位置；
在所述传感器位于所述软点处时，比较所述感兴趣的区域内的所述位置传感器的跟踪位置与所述外部患者运动；以及
基于在所述位置传感器处于所述软点处时的所述位置传感器的跟踪位置和所述外部患者运动的比较来更新所述模型与所述感兴趣的区域的配准。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述感兴趣的区域是患者的气道。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述模型是所述患者的所述气道的模型。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述指令当由所述处理器执行时，进一步使得所述计算装置：
识别所述患者身上的已知的静态点；并且
将所述软点的位置与所述静态点进行比较。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述指令当由所述处理器执行时，进一步使得所述计算装置：
基于所述软点的跟踪位置与所述静态点的比较来更新所述模型与所述感兴趣的区域的配准。
6.根据权利要求4所述的***，其中所述静态点是椎体、主要隆突、胸骨、甲状软骨、肋骨或食道。
7.根据权利要求1所述的***，其中所比较的所述感兴趣的区域内的所述位置传感器的跟踪位置和所述外部患者运动被保存在数据库中，以根据患者特征来生成预测模型。
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